CC BY
27
. ......... I НН11Ц Ш
УДК 620.19
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО, Ю.В. ВАНЬКОВ, Ш.Г. ЗИГАНШИН, В.В. СЕРОВ
Казанский государственный энергетический университет
В работе выполнено моделирование параметров собственных колебаний коррозионных дефектов трубопроводов разной формы. Приводятся результаты расчетов частот собственных колебаний трубопроводов с дефектами различных размеров, находящихся как на внешней, так и на внутренней поверхности. Полученные данные можно использовать для разработки методики определения размеров коррозионного дефекта трубопровода по анализу частот его собственных колебаний.
Ключевые слова: собственные колебания, коррозия, дефекты трубопроводов.
По различным данным на территории России находятся в эксплуатации от 160 до 260 тысяч км теплопроводов.
Свыше 30% тепловых сетей находится в ветхом состоянии, в некоторых регионах доля изношенных теплопроводов составляет более 50%. Наиболее частой причиной повреждения трубопроводов тепловых сетей (до 80%) является наружная коррозия. В сложившейся ситуации в стране тратятся гигантские средства на содержание некачественных, а значит, и ненадежных тепловых сетей с фактическими тепловыми потерями от 20 до 50% от выработки тепла, с утечками теплоносителя и с огромными затратами на ремонтно-восстановительные работы. А так как фактический срок службы трубопроводов значительно ниже нормативного (25 лет), то и увеличиваются в несколько раз затраты, приведенные к году эксплуатации [1].
Обычно проблема обеспечения продления срока службы трубопроводов решается проведением капитального ремонта со сплошной заменой труб. Выбор участков ведется на основе статистики аварий, результатов электрометрических измерений, данных визуального контроля при проведении шурфования [2]. Ограниченность этой информации не позволяет достоверно и своевременно выявить те участки, которые в первую очередь нуждаются в восстановлении их работоспособности, а проведение испытаний и сплошного капитального ремонта требует больших материальных затрат.
Для обеспечения безаварийной эксплуатации необходимо иметь достоверную и удобную для понимания и использования информацию о фактическом техническом состоянии труб, на основании которой следует своевременно осуществлять замену «ветхих» участков [3]. Существует несколько методов неразрушающего контроля, благодаря которым можно определить объем теплосетей, нуждающихся в замене (визуальный, магнитный, акустический и др.). Однако среди них нет пока единого и эффективного, пригодного для любых условий.
Наиболее широкое распространение получили акустические методы благодаря ряду их преимуществ перед другими видами неразрушающего контроля (безопасность, экономичность, способность контроля в труднодоступных местах, высокая чувствительность и др.) [4].
Процесс, на котором основывается акустический метод диагностики, заключается в следующем. Коррозионный дефект, в виде утонения стенки трубы,
© Ю.Я. Петрушенко, Ю.В. Ваньков, Ш.Г. Зиганшин, В.В. Серов Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
рассматривается как мембрана, которая, имеет собственную частоту колебаний /о. Колебания этой мембраны вызываются пульсациями давления в воде, представленными набором импульсов, имеющих различную частоту (/к). Когда частота импульса близка или совпадает с собственной частотой дефекта /к ~ /о), возникают резонансные колебания дефекта с излучением различных волн, которые распространяются по металлу трубы и воде. На основании обработки записей акустических сигналов, распространяющихся по теплоносителю и материалу трубы определяется местоположение дефекта и его вероятный размер [5].
Для оценки размера коррозионного поражения
необходимо иметь представление о зависимости частот колебаний трубопровода от линейных размеров дефектов и остаточной толщины стенки. С этой целью в программной среде ANSYS были построены модель бездефектной трубы, жестко закрепленная в четырех точках на плоскости, а также модели этой трубы с дефектами типа утонение стенки (рис. 1).
Для каждой модели трубы был проведен модальный анализ и рассчитаны частоты собственных колебаний бездефектной и дефектных труб (табл. 1). Из анализа этих частот следует, что в спектре колебаний модели трубы присутствуют преимущественно низкие частоты в диапазоне 150 - 4500 Гц и наличие дефекта в нем приводит к несущественному изменению частот колебаний.
Таблица 1
Частоты собственных колебаний бездефектной трубы 0 0,159 м (толщина стенки 4,5 мм) и труб с дефектами различного размера
Форма колебания Размер дефекта на трубе, а х Ь (м)
бездеф. 0,05x0,05 0,1x0,05 0,15x0,05 0,2x0,05 0,25x0,05
1 199.57 201.93 207.09 202.40 206.11 216.65
2 479.88 487.83 499.90 505.18 501.57 510.11
3 495.56 501.62 495.26 498.10 524.88 522.61
4 581.16 588.82 586.65 594.37 613.12 613.84
5 603.02 600.86 597.29 595.05 616.01 617.05
70 4120.6 4281.0 4113.9 4078.5 4319.5 4322.2
71 4299.0 4286.0 4223.9 4224.5 4409.4 4468.9
72 4310.6 4305.6 4299.5 4277.3 4481.7 4476.4
73 4321.8 4307.0 4302.2 4283.7 4507.8 4483.3
74 4326.1 4309.8 4305.1 4297.5 4529.2 4504.9
75 4331.4 4312.9 4315.1 4306.8 4573.7 4507.7
Для разработки методики определения размера дефекта по параметрам его колебаний в программном комплексе ANSYS был произведен модальный анализ мембран различного диаметра и толщины, моделирующих коррозионный дефект (утонение стенки) на трубе с условным диаметром 0,159 м (рис. 2).
В результате расчетов были получены частоты собственных колебаний мембран, моделирующих дефекты разных размеров. © Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
а) б)
Рис. 2. Мембраны, моделирующие дефект (утонение стенки), построенные в программном комплексе А№8У8: а) - дефект 0,05х0,05 м; б) - 6 форма колебания мембраны
В качестве примера в табл. 2 приведены частоты собственных колебаний мембраны, в виде эллипса с осями я=0,05+0,25 м и Ь=сош1=0,05 м, жестко защемленной по окружности, моделирующей дефект с остаточной толщиной стенки 2 мм.
Таблица 2
Частоты собственных колебаний мембран различного размера (Гц)
Форма колебания Разме] э мембраны, а х Ь (м)
0,05x0,05 0,1x0,05 0,15x0,05 0,2x0,05 0,25x0,05
1 16988 12467 11643 11396 11309
2 29138 15820 13151 12635 12256
3 29395 20392 15136 14166 13404
4 44151 23244 17730 15991 14795
5 45053 26306 20951 18048 16390
6 48438 29057 21746 20294 18102
7 61949 33491 24841 20841 19968
8 62099 35538 24855 22822 20748
9 69183 40093 28110 23332 22067
10 69318 41885 29453 25657 22694
На рис. 3 показаны графики изменения частот собственных колебаний дефекта с остаточной толщиной (утонением) 2 мм от изменения его длины а.
/,Гц
80000 70000
60000 50000 40000 30000 20000
10000 О
0,05x0,05 0,1x0.05 0,15x0,05 0,2x0,05 0,25x0,05 "*"''"
Рис. 3. Зависимость частоты собственных колебаний дефекта с утонением 2 мм
от изменения его длины а © Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
Аналогичным образом получены зависимости изменения частоты собственных колебаний от увеличения глубины дефекта. Например, для коррозионного дефекта размером 0,1х0,05 м полученные частоты и их зависимость приведены, соответственно, в табл. 3 и на рис. 4.
Таблица 3
Частоты собственных колебаний мембраны размером 0,1х0,05 м с различной остаточной толщиной
Форма колебания Остаточная толщина, м
Бездефектная стенка (толщина 4,5 мм) 0,001 0,002 0,003 0,004
1 14557 13502 12467 11339 10066
2 18771 17283 15820 14115 11956
3 24776 22509 20392 17858 14485
4 28020 25686 23244 20087 15692
5 32692 29279 26306 22678 17750
6 35002 32056 29057 25198 19811
7 42387 37461 33491 28541 21636
8 42869 39124 35538 30910 24307
9 44911 44978 40093 33658 24456
10 49901 46836 41885 35451 26304
бездеф (1,(101 0,002 0.003 0,004 Л, м Рис. 4. Зависимость изменения частоты собственных колебаний от увеличения глубины утонения дефекта (для дефекта размером 0,1х0,05 м)
Такие же расчеты выполнены для моделей дефектов на внутренней стороне стенки трубы. Полученные частоты собственных колебаний мембран различных размеров с утонением на внутренней поверхности и графики зависимости этих частот от увеличения длины мембраны а, приведены в табл. 4 и рис. 5 соответственно.
Таблица 4
Частоты собственных колебаний мембран различного размера, моделирующих утонение
внутренней стенки трубы (Гц)
Форма колебания Разме р мембраны а х Ь (м)
0,05x0,05 0,1x0,05 0,15x0,05 0,2x0,05 0,25x0,05
1 22053 17000 16035 15631 14698
2 33287 20967 18430 17394 15061
3 34257 25919 21171 19353 15535
4 48794 25966 23863 21040 15974
5 51867 31601 24275 22439 16629
6 54429 33721 26738 23521 17593
7 67988 38330 29146 23951 18829
8 69245 41819 30090 25953 20296
9 76869 44528 34079 27069 21884
10 77883 46188 34143 28393 22035
/,Гц
здооо —
коооо
70000 60000 50000 40000
зоооо 20000
¡0000 о
0,05x0,05 0,1x0,05 0,15x0,05 0,2x0,05 0,25x0,05 м
Рис. 5. Зависимость частоты собственных колебаний дефекта на внутренней стенке трубы с утонением 2 мм от изменения его длины а.
Анализ полученных результатов показал:
1. С увеличением линейных размеров и глубины коррозионного поражения частоты колебаний дефектов трубопроводов смещаются в область высоких частот.
2. В интервале частот 11000 - 23000 Гц дефект выявляется на большинстве форм колебаний, эта область является наиболее информативной. Поэтому для повышения достоверности идентификации дефекта необходимо анализировать не только частоту первой формы колебаний мембраны, но и формы более высоких частот.
3. Мембраны, моделирующие дефект на внутренней стенке трубы, имеют частоты собственных колебаний на 10-30% более высокие, чем мембраны, моделирующие дефект на внешней стенке трубы, при одинаковых размерах.
4. Зная частоты, характерные для дефекта определенного размера, в последующем можно экспериментально выявить дефект и определить его размеры по наличию этих частот в спектре, т.е. из полученных данных можно разработать методику определения размеров дефекта по анализу частот его собственных колебаний.
Summary
In work modelling of parametres of own fluctuations of corrosion defects of pipelines of the different form is executed. Results of calculations of frequencies of own
fluctuations of pipelines with defects of the various sizes which are both on external, and on an internal surface are resulted. The obtained data can be used for working out of a technique of definition of the sizes of defect under the analysis of frequencies of its own fluctuations.
Key words: own fluctuations, corrosion, defects of pipelines.
Литература
1. http://www.energy-exhibition.com/Exhibition/Tema_pav1/teplonets.htm.
2. Давыдов С.Н., Абдуллин И.Г., Рафиков С.К., Ахияров Р.Ж. Защита от коррозии и ремонт подземных металлических трубопроводов в местах локального нарушения изоляционных покрытий: Учеб. пособие. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2001.
3. Самойлов Е.В. Новый подход к оценке технического состояния трубопроводов тепловых сетей: Материалы конференции "Тепловые сети. Современные решения". Изд-во Новости теплоснабжения, 2005.
4. Ермолов И. Н., Алешин Н. П., Потапов А. И. Акустические методы контроля. Книга 2 / Под ред. проф. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа, 1991.
5. Самойлов Е.В. Диагностика как элемент коррозионного мониторинга трубопроводов тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2002. № 4 (20). С. 29-34.
Поступила в редакцию 15 июня 2009 г.
Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, ректор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-02. E-mail: kgeu@kgeu.ru.
Ваньков Юрий Витальевич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» проректор по научной работе Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-56. Email: vankov@mi.ru.
Зиганшин Шамиль Гаязович - ст. преподаватель кафедры «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-919-6342130. E-mail: shz@list.ru.
Серов Виктор Викторович - аспирант кафедры «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-56.
