CC BY
10
УДК 622.692.4.07
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-3-4-18-22
ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ НЕЛИНЕЙНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ВОЛН ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
JUSTIFICATION OF THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF THE METHOD BASED ON ACOUSTIC NONLINEAR GUIDED WAVES FOR DAMAGE ASSESSMENT OF POLYETHYLENE PIPES OF THE GAS DISTRIBUTION NETWORK
Палаев А.Г., Тянь Ифань, Чжао Фумин, Ван Бинь, Цянь Хайдун
Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Россия ORCID: https//orcid.org/0000-0002-9960-8504, E-mail: alexpalaev@yandex.ru
ORCID: https//orcid.org/0000-0002-3507-2544, E-mail: 75829472@qq.com ORCID: https//orcid.org/0009-0005-5174-6341, E-mail: fumin96@mail.ru ORCID: https//orcid.org/0009-0001-7333-172X, E-mail: wangbin7780@gmail.com
ORCID: https//orcid.org/0009-0002-5112-8074, E-mail: haidong123@mail.ru
Резюме: В статье рассмотрен метод оценки повреждений и его применение для диагностики полиэтиленовых (ПЭ) труб в газораспределительной сети на основе нелинейных направленных волн. Изложен порядок применения нелинейных направленных волн для обнаружения трещин, коррозии, утечек, диагностики повреждений и их количественной оценки. Подробно описаны достоинства нелинейных направленных волн в диагностике повреждений ПЭ труб. Раскрыта конечная цель количественной оценки повреждений, это определение остаточного срока службы ПЭ трубопроводов.
Ключевые слова: нелинейность, направленная волна, газораспределительная сеть, полиэтилен, трубопровод, оценка повреждений, метод.
Для цитирования: Палаев А.Г., Тянь Ифань, Чжао Фумин, Ван Бинь, Цянь Хайдун Обоснование возможности применения метода на основе акустических нелинейных направленных волн для оценки повреждений полиэтиленовых труб газораспределительной сети // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 3-4. С. 18-22.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-3-4-18-22
Обнаружение и оценка повреждений полиэтиленовых труб газораспределительной сети
Полиэтиленовые (ПЭ) трубопроводы газораспределительной сети играют большую роль в обеспечении стабильного и безопасного снабжения потребителей газом. Полиэтиленовая труба представляет собой полимерное изделие для транспортировки горючих газообразных веществ, изготовленное посредством непрерывной экструзии из полиэтилена низкого давления (ПНД). Такие трубы предназначены для сооружения магистральных газопроводов и распределительных сетей газоснабжения с целью транспортировки газа потребителям.
Во время эксплуатации на трубопровод воздействуют различные факторы, такие как изменения давления, среда, напряжения и, как следствие, появление трещин и
Palaev Alexander G., Tian Yifan, Chzhao Fumin, Wang Bin, Qian Haidong
Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia ORCID: https//orcid.org/0000-0002-9960-8504, E-mail: alexpalaev@yandex.ru
ORCID: https//orcid.org/0000-0002-3507-2544, E-mail: 75829472@qq.com ORCID: https//orcid.org/0009-0005-5174-6341, E-mail: fumin96@mail.ru ORCID: https//orcid.org/0009-0001-7333-172X, E-mail: wangbin7780@gmail.com
ORCID: https//orcid.org/0009-0002-5112-8074, E-mail: haidong123@mail.ru
Abstract: The paper considers the method of damage assessment and its application for diagnostics of polyethylene pipes (PE) in gas distribution network based on nonlinear guided waves. The procedure of application of nonlinear guided waves for detection of cracks, corrosion, leaks, damage diagnostics and their quantitative assessment is described. The advantages of nonlinear guided waves in diagnostics of PE damage are described in detail. The ultimate goal of damage quantification is disclosed, which is to determine the remaining service life of PE.
Keywords: nonlinearity, directional wave, gas distribution network, polyethylene, pipeline, damage assessment, method.
For citation: Palaev A.G., Tian Yifan, Chzhao Fumin, Wang Bin, Qian Haidong JUSTIFICATION OF THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF THE METHOD BASED ON ACOUSTIC NONLINEAR GUIDED WAVES FOR DAMAGE ASSESSMENT OF POLYETHYLENE PIPES OF THE GAS DISTRIBUTION NETWORK. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 3-4, pp. 18-22.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-3-4-18-22
повреждений. Эти факторы будут влиять на прочность конструкции, надежность и устойчивость трубопровода [1, 2]. Поэтому крайне необходимо своевременно проводить диагностику и оценку технического состояния трубопроводов.
Диагностика и оценка повреждений позволяет своевременно выявлять критическое состояние трубопровода.
Путем тестирования и анализа трубопровода с помощью нелинейных направленных волн можно определить степень повреждения и местоположение дефекта, а затем принять соответствующие меры для ремонта или замены, чтобы избежать аварий и нештатных ситуаций.
Выявление критических повреждений поможет своевременно устранить недостатки [3, 4]. В случае повреждения трубопровода возникает аварийная ситуация, вследствие которой происходит утечка природного газа [5-7].
Также одним из главных преимуществ использования ПЭ труб является их способность к гибкости, поэтому ПЭ трубопроводы применяют в условиях неустойчивости грунтов при подземной укладке (фото 1).
С развитием науки и техники применение нелинейных направленных волн постепенно стало важным средством оценки повреждений ПЭ трубопроводов. С применением нелинейной направленной волны возможно обнаруживать на ПЭ трубах скрытые дефекты, такие как трещины.
Путем анализа акустических сигналов внутри трубопровода мы также можем количественно оценивать степень повреждения самой газораспределительной системы. Данный метод обладает характеристиками высокой эффективности, точности и поэтому может использоваться в области оценки повреждений ПЭ трубопроводов независимо от области применения труб.
Основной принцип метода нелинейно направленной волны заключается в использовании звуковых волн высокой частоты и низкой амплитуды для создания нелинейных эффектов при распространении в материале. Создавая нелинейные акустические эффекты высокого порядка, такие как вторая гармоника и третья гармоника, можно обнаруживать незначительные повреждения в материале ПЭ (рис. 1).
Акустические методы оценки повреждений в основном делятся на две категории:
- направленная акустическая эмиссия;
- ненаправленная акустическая эмиссия.
Акустические методы оценки зависят от волн акустического диапазона, которые обладают свойством отражаться от твердого тела во внешнюю среду. Если слой воздуха внешней среды равен толщине 10-5 мм и более при f = 5 МГц, то при этом отражается 100% энергии. По этой причине использование акустического метода оценки дает возможность эффективно обнаруживать трещины.
Метод направленной акустической эмиссии
Под акустическим видом неразрушающего контроля понимают метод, основанный на регистрации параметров упругих колебаний (волн), возбуждаемых и (или) возникающих в контролируемом объекте.
Принцип этого метода состоит в улавливании и анализе очень слабых упругих колебаний, возникающих в твердом теле при развитии в нем дефектов типа трещин. Таким образом, метод акустической эмиссии (АЭ) является пассивным (рис. 2) (в отличие от эхо-метода УЗ-контроля, при котором упругие колебания вводятся в объект контроля извне).
На (рис. 2) представлены формы единичных импульсов АЭ от растущих трещин различного размера. Важной характеристикой является амплитуда импульса, которая характеризует степень опасности дефекта. При образовании и росте трещины в материале происходит высвобождение упругой энергии и в теле возникают волны упругих колебаний [8, 9]. Эти колебания можно уловить, например, с помощью пьезоэлектрических датчиков и получить важную информацию о местоположении трещины в детали или конструкции, ее размере и следить за ее развитием.
Расположение нескольких датчиков на объекте контроля позволяет точно определить координаты дефекта, излучающего упругие волны (по разности времени прихода сигнала на разные датчики).
| 1. Применение ПЭ труб при подземной прокладке [7]
Рис. 1. Диаграмма эффекта второй гармоники [8]: ,по -скорость сигнала (м/сек), £ - время распространения сигнала (сек)
Рис. 2. Формы единичных АЭ импульсов [8]: V - скорость сигнала (м/сек), £ - время распространения сигнала (сек)
V ' \
/ \ \ f
/ \ / ЧУлуЧ/^^7
-4Г -31 -И -г 12 3 4
Если при помощи источника волн в объекте контроля возбудить колебания, то они начнут распространяться в металле от частицы к частице со скоростью С. Расстояние между частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называют длиной волны. Длина волны 1, рассчитывается по формуле
1 = - = С • Т, f
(1)
С =
Е (1-у)
к + з е
р(1+у)-(1-2у) р
(2)
р(1 +у)
(3)
| Рис. 3. Схема локаций источников АЭ [9]
Объект контроля
где 1 - длина волны, Т - период колебаний, f - частота колебаний, С - скорость волны.
Метод направленной акустической эмиссии дает возможность применить направленный источник звука на поверхности или внутри исследуемого материала, а также при оценке местоположения и степени повреждения материала путем определения распространения и характеристики звуковой волны. Обычно используемые направленные источники звука включают лазеры, магнитострикционные или пьезопреобразователи, источники импульсного возбуждения и пр. Посылаемые сигналы акустических волн принимаются и обрабатываются датчиками или зондами для определения пути распространения и изменения характеристик акустической волны (рис. 3).
Происходит преобразование колебаний в электрический сигнал в преобразователе ПАЭ, который затем усиливается при помощи усилителя, попадая в блок регистрации данных АЭ, где фильтруется и оцифровывается. Все данные обрабатываются и хранятся в компьютере.
Анализируя путь распространения и характеристики звуковых волн, можно определить местонахождение и степень повреждения материала.
Метод ненаправленной акустической эмиссии
Метод ненаправленной акустической эмиссии относится к применению ненаправленного источника звука и оценке местоположения и степени повреждения материала путем обнаружения и расшифровки нелинейных характеристик звуковой волны в материале [10-12].
В неограниченной твердой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, при этом, фазовая скорость для продольной волны равна
| Рис. 4. Ненаправленная акустическая эмиссия [1,2]
где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига, V -коэффициент Пуассона, К - модуль объемного сжатия, р - плотность среды.
Фазовая скорость для сдвига:
Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость волн сдвига. Ненаправленные источники звука обычно используют высокочастотные сигналы звуковых волн малой амплитуды, такие как синусоидальные волны, прямоугольные волны и т.д. (рис. 4)
Преимущество метода ненаправленной акустической эмиссии заключается в том, что при этом не нужно вводить в материал направленный источник звука. В то же время,
поскольку метод ненаправленной акустической эмиссии использует нелинейные характеристики, он также может обнаруживать небольшие повреждения материалов. Кроме того, метод ненаправленной акустической эмиссии чувствителен к изменению акустических свойств материалов, поэтому его можно использовать для динамического мониторинга повреждений материалов.
Данная технология в газораспределении позволяет обнаруживать и проводить оценку повреждений не только новых, но и стареющих материалов ПЭ труб.
Применение нелинейных направленных волн в диагностике повреждений стенки полиэтиленовых труб
Технология нелинейных направленных волн имеет широкий спектр применений в диагностике повреждений,
С
наиболее важным из которых является обнаружение скрытых дефектов. В ПЭ трубопроводе газораспределительной сети технология нелинейных направленных волн позволяет точно обнаруживать такие дефекты, как трещины, утечки, путем обнаружения информативного акустического сигнала внутри трубопровода в режиме реального времени [13]. Помимо обнаружения и локализации скрытых дефектов на ПЭ трубопроводах, технология нелинейных направленных волн имеет и другие применения в диагностике повреждений на стальных трубопроводах. Например, при оценке структурной безопасности трубопроводной системы технология нелинейных направленных волн может оценивать и анализировать структуру трубопровода путем обнаружения акустического сигнала внутри трубы для определения потенциальных структурных проблем в системе.
Также одним важным достоинством нелинейных направленных волн в диагностике повреждений является количественная оценка повреждений, основной целью которой является определение остаточного срока службы трубопровода согласно его техническим характеристикам. Традиционные методы количественной оценки повреждений включают методы, основанные на прочности, усталостной прочности и стойкости к повреждениям. Метод количественной оценки повреждений, основанный на нелинейной направленной волне, является новым методом для отечественной нефтегазовой промышленности. При количественной оценке повреждений на основе нелинейных направленных волн требуется детальный анализ акустического сигнала внутри трубопровода [14, 15].
Из-за нелинейных характеристик направленной волны существует определенная пропорциональная связь между акустическим и гармоническим сигналом исходных данных. Следовательно, степень повреждения внутри трубопровода можно определить путем измерения отношения этих амплитуд.
Сравнивая амплитуду или энергию гармоник в разные моменты времени и на разных участках трубопроводной системы, можно судить о степени повреждения. При этом следует отметить, что метод количественной оценки повреждений требует проведения различных анализов для разных форм повреждений. Например, при оценке усталостного повреждения необходимо обращать внимание на изменение амплитуды низкочастотных гармоник, при оценке коррозионного повреждения (при диагностике стальных трубопроводов) необходимо обращать внимание на изменение амплитуды высокочастотных гармоник. Поэтому в практических приложениях необходимо выбрать соответствующий метод анализа в соответствии с конкретной ситуацией.
Заключение
Технология нелинейных направленных волн как передовой метод неразрушающего контроля имеет широкие перспективы применения для оценки повреждений ПЭ трубопроводов, применяемых в газораспределении. Благодаря анализу характеристик и практике применения нелинейной направленной волны можно более точно обнаруживать различные дефекты, повреждения внутри трубопровода, чтобы оценить состояние и надежность ПЭ трубопровода. При этом необходимо полностью учитывать материал трубопроводов - сталь, полиэтилен, выбирать соответствующие методы обнаружения и параметры для анализа в соответствии с различными типами и степенью повреждения и сочетать с другими соответствующими техническими средствами для формирования комплексной диагностики и системы оценки повреждений. С непрерывным развитием импортозамещения и всесторонним продвижением технологий в нефтегазовой отрасли данный метод нелинейных направленных волн займет свое место в проведении оценки повреждений ПЭ трубопроводов и диагностике трубопроводной системы в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wang Zhigang, Yang Bo, Li Zhi, Li Wanli, Tang Yuanliang, Liang Jingduan. Investigation of PAUT and DR defect detection in electrofusion welding of polyethylene pipelines [J]. Non-destructive testing, 2023.47(02):34-37.
2. Miao Wei, Li Chen, Cao Bingbing, Investigation of phased array technology for hot-melt bonding of polyethylene gas pipeline [J], Chemical Equipment Technology, 2023, 44(01):29-32.
3. Schipachev, A., Fetisov, V., Nazyrov, A., Donghee, L., Khamrakulov, A. Study of the Pipeline in Emergency Operation and Assessing the Magnitude of the Gas Leak. Energies 2022, 15, 5294.
4. Li Guangyin, Bao Wenhong, Zhao Xiaolong, Zhao Zipeng, Li Zhenbao Influence of welding defects on the strength of polyethylene pipe welded joints [J] Welding, 2022(06):59-64.
5. Palaev, A.G., Nosov, V.V., Krasnikov, А.А. Simulating distribution of temperature fields and stresses in welded joint using ANSYS Science and Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportationthis link is disabled, 2022, 12(5), pp. 461-469 / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, № 12, V 5, 2022. С 461 - 469.
6. Li Qiliang, Zhang Aixin, Hua Xiaofeng, Zeng Ran Investigation of Switching Characteristics of Asymmetric Nonlinear Directional Coupler [J] Electronic Devices, 2011, 34(04):432-434.
7. Носов В.В., Павленко И.А. Оценка ресурса опасных технических объектов на основе акустико-эмиссион-ного диагностирования // Проблемы машиностроения и автоматизация. 2020. № 3. С. 133-145.
8. Полиэтиленовые трубы для газоснабжения: особенности и преимущества использования полиэтилена, URL: http://trubamaster.ru/gazovye/poliehtilenovye-truby-dlya-gazosnabzheniya.html (дата обращения 14.07.2023)
9. Палаев А.Г., Потапов А.И., Максаров В.В., Палаев Н.А. Технология, оборудование ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов и контроль качества // Металлообработка. № 6. 2018. С 38-41
10. Палаев А.Г., Махов В.Е. Автоматизация контроля сварных швов на базе технологии фирмы NATIONAL INSTRUMENTS. М.: МГИМО, 2018. С 384-393.
11. Ганзиков А.С. Оптимизация выбора метода восстановления изношенных распределительных газопроводов: Дисс. канд. техн. наук: 25.00.19 . М., 2014. 176 с.
12. Носов В.В., Щипачев А.М., Палаев А.Г., Григорьев Е.В. Quality assurance of sheets rolling on the basis of modeling the destruction process, plastic restructuring the structure of the material of the slab and the acoustic emissions parameters / Journal of Physics: Conference Series, № 12041, Т 1431, 2020. С 1-9.
13. Фаттахов М.М. Применение труб из термопластов при строительсве и реконструкции распределительных трубопроводов // Нефтяное дело. 2006. № 12. С. 1-14.
14. Бухин В.Е., Карин В.Ю. Полиэтиленовые распределительные газопроводы в России // Трубопроводы и экология. 2002. № 1. С. 26-28.
15. Палаев А.Г. Контроль качества сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов / Тезисы и доклады XII международной конференции, Т. 4. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет, 2018. С 111 - 114.
REFERENCES
1. Wang Zhigang, Yang Bo, Li Zhi, Li Wanli, Tang Yuanliang, Liang Jingduan. Investigation of PAUT and DR defect detection in electrofusion welding of polyethylene pipelines. Non-destructive testing, 2023, vol. 47(02), pp. 34-37.
2. Miao Wei, Li Chen, Cao Bingbing. Investigation of phased array technology for hot-melt bonding of polyethylene gas pipeline. Chemical Equipment Technology, 2023, vol. 44(01), pp. 29-32.
3. Schipachev, A., Fetisov, V., Nazyrov, A., Donghee, L., Khamrakulov, A. Study of the pipeline in emergency operation and assessing the magnitude of the gas leak. Energies, 2022, vol. 15, p. 5294.
4. Li Guangyin, Bao Wenhong, Zhao Xiaolong, Zhao Zipeng, Li Zhenbao. Influence of welding defects on the strength of polyethylene pipe welded joints. Welding, 2022, no. 6, pp. 59-64.
5. Palaev, A.G., Nosov, V.V., Krasnikov, А.А. Simulating distribution of temperature fields and stresses in welded joint using ANSYS. Science and technologies: oil and oil products pipeline transportation this link is disabled. Conference Series: Materials Science and Engineering, 2022, vol. 5, no. 12, pp. 461 - 469.
6. Li Qiliang, Zhang Aixin, Hua Xiaofeng, Zeng Ran. Investigation of switching characteristics of asymmetric nonlinear directional coupler. Electronic Devices, 2011, vol. 34(04), pp. 432-434.
7. Nosov V.V., Pavleno I.A. Estimation of the resource of hazardous technical objects based on acoustic emission diagnostics. Problemy mashinostroyeniya i avtomatizatsiya, 2020, no. 3, pp. 133 - 145 (In Russian).
8. Polietilenovyye truby dlya gazosnabzheniya: osobennosti ipreimushchestva ispol'zovaniya polietilena (Polyethylene pipes for gas supply: features and benefits of using polyethylene) Available at: http://trubamaster.ru/gazovye/ poliehtilenovye-truby-dlya-gazosnabzheniya.html (accessed 14 July 2023)
9. Palayev A.G., Potapov A.I., Maksarov V.V., Palayev N.A. Technology, equipment for ultrasonic hardening and finishing of metals and quality control. Metalloobrabotka, 2018, no. 6, pp. 38 - 41 (In Russian).
10. Palayev A.G., Makhov V.YE. Avtomatizatsiya kontrolya svarnykh shvov na baze tekhnologii firmy NATIONAL INSTRUMENTS [Automation of control of welded seams on the basis of NATIONAL INSTRUMENTS technology]. Moscow, MGIMO Publ., 2018. pp 384 - 393.
11. Ganzikov A.S. Optimizatsiya vybora metoda vosstanovleniya iznoshennykh raspredelitel'nykh gazoprovodov. Diss. kand. tekhn. nauk [Optimization of the choice of a method for the restoration of worn-out gas distribution pipelines. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2014. 176 p.
12. Nosov V.V., Shchipachev A.M., Palayev A.G., Grigor'yev YE.V. Quality assurance of sheets rolling on the basis of modeling the destruction process, plastic restructuring the structure of the material of the slab and the acoustic emissions parameters. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1431, no. 12041, pp. 1-9.
13. Fattakhov M.M. The use of thermoplastic pipes in the construction and reconstruction of distribution pipelines. Neftyanoye delo, 2006, no. 12, pp. 1-14 (In Russian).
14. Bukhin V.YE., Karin V.YU. Polyethylene gas distribution pipelines in Russia. Truboprovody i ekologiya, 2002, no. 1, pp. 26-28 (In Russian).
15. Palayev A.G. Kontrol' kachestva svarnykh soyedineniy polietilenovykh truboprovodov [Polyethylene gas distribution pipelines in Russia]. TrudyXIImezhdunarodnoykonferentsii [Proc. of the XII International Conference]. St. Petersburg, 2018, pp. 111 - 114.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Палаев Александр Григорьевич, к.т.н., доцент кафедры транспорта и
хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет.
Тянь Ифань, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа,
Санкт-Петербургский горный университет.
Чжао Фумин, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа,
Санкт-Петербургский горный университет.
Ван Бинь, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа,
Санкт-Петербургский горный университет.
Цянь Хайдун, магистрант кафедры системного анализа и управления,
Санкт-Петербургский горный университет.
Alexander G. Palaev, Cand.Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of
Transport and Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Tian Yifan, Postgraduate Student of the Department of Transport and
Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Chzhao Fumin, Postgraduate Student of the Department of Transport and
Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Wang Bin, Magister of the Department of Transport and Storage of Oil and
Gas, Saint Petersburg Mining University.
Qian Haidong, Magister of the Department of Systems Analysis and
Management, Saint Petersburg Mining University.
