CC BY
92
ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ПО АКУСТИЧЕСКИМ ШУМАМ
Юрий Иванович Колесников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией экспериментальной сейсмологии, тел. (383)333-31-38, e-mail:
kolesnikovyi@ipgg.nsc.ru
Константин Владимирович Федин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, аспирант, тел. (383)333-34-19, e-mail: fedinkv@ipgg.nsc.ru
Алексей Александрович Каргаполов
Новосибирский государственный университет, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, магистрант геолого-геофизического факультета, тел. (952)905-09-23
В статье на результатах физического моделирования иллюстрируется возможность определения собственных частот и форм колебаний трубопроводов по зарегистрированным на поверхности трубы акустическим шумам. Показано, что эта информация может быть использована для оценки устойчивости опор надземных трубопроводов.
Ключевые слова: надземные трубопроводы, собственные частоты, устойчивость опор, акустический шум.
ON THE DETERMINATION OF PIPELINES NATURAL FREQUENCIES AND MODE SHAPES USING ACOUSTIC NOISE
Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, Doctor of Science (geophysics), associate professor, head of Laboratory of Experimental Seismology, tel. (383)333-31-38, e-mail: kolesnikovyi@ipgg.nsc.ru
Konstantin V. Fedin
Trofimuk institute of petroleum geology and geophysics SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, post-graduate student, tel. (383) 333-34-19, e-mail: fedinkv@ipgg.nsc.ru
Aleksey A. Kargapolov
Novosibirsk State University, 2 Pirogova, Novosibirsk 630090, undergraduate, Department of Geology and Geophysics
The article demonstrates on the physical modeling results the possibility of determination of pipelines natural frequencies and mode shapes using acoustic noise records. It is shown that this information can be used to estimate the stability of supporting piers of above-ground pipelines.
Key words: above-ground pipelines, natural frequencies, supporting piers stability, acoustic
noise.
Введение
Трубопроводный транспорт является важной составляющей нефтегазового комплекса России. Общая протяженность магистральных, в том числе надземных, трубопроводов составляет многие десятки тысяч километров. При этом зачастую трубопроводы приходится строить на территориях, где их эксплуатация затруднена из-за сложных климатических и геокриологических условий, пониженной несущей способности грунтов, пересечения водных преград и т. д.
В таких районах возрастает вероятность потери устойчивости опор надземных трубопроводов вследствие их частичного или полного разрушения, выпучивания или просадок грунта и др., что фактически ведет к увеличению длины пролетов и, как следствие, к понижению их собственных частот. Это повышает вероятность возникновения ветровых резонансов, которые могут приводить к повреждению и даже разрушению участка трубопровода [1].
С другой стороны, определенные экспериментально собственные частоты и формы колебаний участков трубопроводов могут быть использованы для оценки устойчивости их опор. В данной работе на результатах физического моделирования иллюстрируется возможность определения собственных частот и форм колебаний участков трубопроводов по зарегистрированным на поверхности трубы акустическим шумам.
Методика экспериментов
Участок надземного трубопровода моделировался заполненной водой медной трубой длиной 2 м и диаметром 18 мм с толщиной стенки 1 мм, которая была жестко зафиксирована пятью хомутами с шагом 50 см. Схема эксперимента показана на рис. 1а, а схема крепления трубы хомутами - на рис. 1б.
а
] 8
J ■ііті ШумЪ 7
б
6
Рис. 1. Схема эксперимента (а): 1-5 - хомуты, 6 - передвижной и 7 - опорный ультразвуковые приемники, 8 - труба. Схема крепления трубы хомутом (б):
1 - алюминиевая подкладка, 2 - труба, 3 - хомут
Так как в лабораторных условиях уровень естественных акустических шумов был недостаточен для относительно быстрого получения экспериментальных данных, в модели создавалось дополнительное шумовое поле. Для этого использовалось устройство, работающее по принципу автомобильных стеклоочистителей («дворников») - шум генерировался в результате возвратно-поступательного движения щетки с жесткой щетиной по поверхности трубы. Микросейсмические данные регистрировались цифровым
двухканальным осциллографом В-423 с помощью датчиков, изготовленных на основе пьезокерамических дисков диаметром 2 мм и толщиной 1 мм.
В ходе экспериментов один датчик использовался как опорный и жестко крепился на нижней образующей трубы, второй датчик последовательно передвигался с шагом 1см по профилю наблюдений вдоль верхней образующей трубы. Профиль наблюдений длиной 50 см располагался между вторым и третьим хомутами (см. рис. 1а). Оси максимальной чувствительности датчиков были ориентированы в радиальном направлении. После установки передвижного датчика в каждой точке профиля производилась синхронная цифровая запись шумовых сигналов от обоих датчиков. Длительность регистрации при каждом положении передвижного датчика составляла примерно 6.5 секунд при частоте дискретизации 100 кГц.
Обработка экспериментальных данных
Обработка данных проводилась на базе программного обеспечения, разработанного и применяемого в Алтае-Саянском филиале Геофизической службы СО РАН как часть ориентированной на использование малоканальной аппаратуры методики обследовании зданий и сооружений стоячими волнами, выделяемыми из поля микросейсм. Основная идея, реализованная в графе обработки данных в этой методике, состоит в пересчете данных, зарегистрированных с помощью передвижного датчика в разные периоды времени (и, соответственно, при разных характеристиках шумового поля), к «единому» времени, для чего используются данные, синхронно записанные в опорной точке при каждом положении передвижного датчика. Таким образом имитируется синхронная многоканальная запись для всего профиля, обработка которой позволяет определить как собственные частоты, так и формы колебаний обследуемого объекта. Подробно методика описана в [2].
На рис. 2 представлен осредненный амплитудный спектр, полученный до пересчета к «единому» времени по данным, записанным во всех точках, где устанавливался передвижной датчик. На спектре отчетливо выделяются пики, соответствующие частотам первых семи мод изгибных стоячих волн в трубе с закрепленными концами. Сравнение полученных экспериментально собственных частот с частотами, рассчитанными методом конечных элементов с помощью программы ABAQUS Student Edition [3], показало, что расхождение не превышает 2%.
Рис. 2. Амплитудный спектр, осредненный по всем точкам наблюдений на профиле между жесткими креплениями трубы: А амплитуда, /- частота.
Цифрами отмечены пики, соответствующие первым семи модам изгибных стоячих волн
г, кГц
Визуализация амплитудных спектров, рассчитанных по данным для каждой передвижной точки после их пересчета к «единому» времени (рис. 3), позволяет убедиться, что эти пики соответствуют именно первым семи модам. Как можно видеть из рисунка, каждый номер моды совпадает с числом полудлин волн, укладывающихся на профиле между местами жесткого крепления трубы (с числом максимумов на соответствующей собственной частоте). Для всех мод на краях рисунка наблюдаются минимумы амплитуд, что и следовало ожидать, так как это узловые точки, соответствующие местам крепления трубы.
I кГц
4"
з-
2-
N
7
Рис. 3. Поле изгибных стоячих 6 волн на участке трубы с жестко 5 закрепленными краями:
4 /- частота, Я - расстояние
вдоль профиля, N - номер моды изгибных стоячих волн
і
Я, см
5
0
Влияние снижения жесткости крепления на поле стоячих волн в трубе
Частичная потеря устойчивости одной из опор трубопровода имитировалась с помощью тонкой резиновой прокладки, подложенной на жесткое основание под хомут (третий хомут на рис. 1а) и находящуюся под ним алюминиевую подкладку. Рис. 4а показывает, как изменилось поле изгибных стоячих мод на том же профиле наблюдений (между вторым и третьим хомутами). Хотя три низших моды здесь выделить не удается, отчетливо видно, что структура поля резко отличается от случая жесткого крепления всех опор (рис. 3). Снижение жесткости одного из креплений привело к тому, что в этом месте только для четных мод наблюдаются узловые точки, да и то лишь потому, что первоначальные пролеты имели одинаковую длину, и в образовавшемся двойном пролете, демпфированном в середине нежестким креплением, узловые
точки четных мод приходятся как раз на середину пролета. Нечетные же моды двойного пролета в его середине имеют пучности.
Рис. 4. Поле изгибных стоячих волн для того же, что на рис. 3, участка трубы в случае пониженной жесткости правого крепления (а) и при его отсутствии (б)
Нужно также отметить, что моды с одинаковой полудлиной изгибной волны, которая определяется расстоянием между соседними узлами или соседними пучностями на профиле наблюдений, имеют несколько повышенные частоты в случае нежесткого крепления одного из хомутов. Например, если четвертой моде на рис. 3, имеющей четыре пучности на отрезке трубы 50 см, соответствует частота примерно 2.3 кГц, то восьмая мода на рис. 4а, имеющая то же число пучностей на том же отрезке, наблюдается на частоте около 2.5 кГц.
Тот факт, что снижение жесткости крепления хомута, имитирующее частичную потерю устойчивости опоры трубопровода, фактически приводит к увеличению длины колеблющегося между жесткими опорами участка трубы, подтверждается экспериментом, в котором средняя опора (третий хомут на рис. 1а) была полностью удалена. Поле изгибных стоячих волн для этого случая приведено на рис. 4б. Как можно видеть, в целом картина подобна наблюдаемой на рис. 4а, за исключением того, что частоты одноименных мод здесь еще более повышены.
В заключение отметим, что аналогичные результаты были получены и для пустой трубы с той лишь разницей, что несколько изменились частоты, на которых были выделены из шумового поля стоячие волны.
Заключение
На результатах физического моделирования показано, что методика выделения стоячих волн из шумового поля, в последнее время успешно применяемая для обследования зданий и сооружений малоканальной аппаратурой, может использоваться для оценки устойчивости опор надземных трубопроводов. Ослабление жесткости контакта опоры с основанием или, тем более, полное исчезновение контакта, увеличивающие пролет между местами жесткого крепления трубы, проявляются в резком изменении структуры поля изгибных стоячих волн, формирующихся в трубе под действием акустических шумов. Если в месте жесткого крепления трубы всегда образуются узлы стоячих мод, то при ослаблении жесткости эта закономерность нарушается. В
частности, при одинаковой длине первоначальных пролетов в месте нежесткого крепления у четных мод изгибных стоячих волн наблюдаются узлы, а у нечетных - пучности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов. РД 51-4.2.-003-97. - М.: РАО "Газпром" - Ассоциация "Высоконадежный трубопроводный транспорт" - ВНИИГАЗ - ИРЦ Газпром. - 1997.
2. Еманов А.Ф., Селезнёв В.С., Бах А.А. и др. Пересчёт стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях // Геология и геофизика. - 2002. - Т. 43, № 2. -С. 192-207.
3. Abaqus Student Edition / http://www.simulia.com/academics/student.html
© Ю.И. Колесников, К.В. Федин, А.А. Каргаполов, 2012
