Ультразвуковой измеритель шероховатости поверхности трубы Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 62-408.8

Н. О. Саиткулов, А. А. Гайнуллина УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ

Ключевые слова: шероховатость поверхности, ультразвук, неразрушающий контроль.

Разработан способ измерения шероховатости внутренней поверхности трубопровода без его демонтажа. Способ основан на вводе ультразвуковых колебаний в трубу с внешней ее стороны и приеме ультразвуковых импульсов, отраженных от ее внутренней поверхности. Отраженный сигнал проходит компьютерную обработку, в результате которой выводится величина шероховатости с погрешностью ±3 мкм либо ±10 мкм в зависимости от диапазона измерений.

Keywords: Surface roughness, ultrasound, non-destructive testing.

A measuring method of pipeline internal surface roughness without dismantling was made. The method is based on sending ultrasonic fluctuations in a pipe from outside and receiving ultrasonic impulses reflected from its internal surface. The reflected signal passes computer processing, as a result of which is the size of the roughness with the accuracy to ±3 microns or ±10 microns depending on the measuring range.

Введение

При коммерческом учете природного газа с помощью сужающих устройств в соответствии с отечественными и международными нормативными документами необходимо учитывать шероховатость внутренней поверхности трубопровода перед сужающим устройством. Действительная шероховатость внутренней поверхности трубопровода из-за коррозии стенок трубы отличается от значений шероховатости, указанных в сертификате на трубу и занесенных в паспорт замерного узла, что приводит к значительным погрешностям измерения расхода и количества газа в пределах от 0,2 до 0,5 %, в зависимости от диаметра трубопровода [1,2].

В подавляющем большинстве случаев нет возможности для останова и вскрытия трубопровода для проведения измерений шероховатости традиционными способами. Косвенное определение шероховатости внутренней поверхности трубы путем измерения перепада давления на линейном участке трубопровода связано с трудностями технического характера и, к тому же, приводит к значительным погрешностям измерения.

В связи с этим актуальным является создание мобильного прибора, позволяющего измерять шероховатость внутренней поверхности трубопровода без его демонтажа.

Измерение шероховатости ультразвуковым методом

В измерителе шероховатости внутренней поверхности трубы без ее демонтажа измерение шероховатости основано на вводе продольных ультразвуковых колебаний через наружную поверхность трубы по направлению к ее внутренней поверхности. Для измерения используется раздельно совмещенный ультразвуковой преобразователь, приемная часть которого принимает многократно отраженные ультразвуковые колебания между наружной и внутренней поверхностями трубы [3,4]. При наличии шероховатости внутренней поверхности трубы отражения от внутренней поверхности приходят на приемный пьезопреобразователь в виде суммы ультразвуковых колебаний с разной фазой. В изме-

рительном блоке реализуется преобразование сигнала в систему цифровых кодов с последующим двойным детектированием сигнала по амплитуде и времени.

Система обеспечивает автоматическую настройку с автоматической линеаризацией результатов с учетом реальной толщины стенки трубы. Питание прибора от аккумуляторной батареи напряжением 12В, а заряд аккумуляторов осуществляется от сети 220В, 50Гц.

В системе предусмотрена возможность накопления и обработки информации. Возможно оформление протокола как отдельных измерений, так и серии измерений; передача информации по электронным измерительным каналам.

Генератор электрических колебаний возбуждает пьезоэлектрический преобразователь, соприкасающийся с поверхностью изделия через тонкий слой смазки. Импульс упругих колебаний, излучаемый пьезоэлектрическим преобразователем, распространяется в материале стенки трубы и, отраженный от противоположной поверхности, принимается ультразвуковым преобразователем, возбуждая электрические колебания.

В случае контроля деталей с шероховатыми поверхностями сигнал на приемнике будет отличаться по форме от сигнала при контроле слоя с гладкими поверхностями. При контроле уменьшается амплитуда принятого сигнала вследствие интерференции суммарного сигнала при неодновременном падении волны на приемный ультразвуковой преобразователь.

Изменения отраженного сигнала определяется приведенным средним давлением отраженной упругой волны на поверхности приемника ультразвука, которое определяется выражением:

1 1 D

Pm = - f f [t - e{x)\lx = - jr[t - û(x)/[t - d(x)/x (1)

DL D 0

где D - размер прямоугольного датчика, t - время, d(x) - функция, определяющая изменение фазы отраженной волны на приемнике ультразвука при контроле слоя с шероховатыми поверхностями, f -

функция, определяющая форму зондирующего сигнала, у - единичная функция.

В случае излучаемого импульса в виде произведения единичной функции и синусоиды f (?) = , соответствующего полубесконеч-

ной синусоиде, сигнал на приемнике ультразвука определяется формулой:

p =

0

1 - cosp

при р< at1; для o>t1 <р< cot2

(2)

-^sin[p-Р- | при р> rnt2 ;

где С - угловая частота, р = С, ро = Со, Г0 -

разность времени прихода отраженных ультразвуковых колебаний на приемный пьезоэлектрический преобразователь.

Схема контроля приведена на рис. 1.

D

4х 1 у5 у

\ / V

1 - ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь; 2 - стенка трубы; 3 - внутренняя шероховатая поверхность трубы; 4 - отражения ультразвуковых колебаний от впадин внутренней поверхности трубы; 5 -отражения ультразвуковых колебаний от выступов внутренней поверхности трубы

Рис. 1 - Схема контроля

На рис. 2 изображен сигнал на приемнике, рассчитанный по формуле (2) для ряда значений

параметра ро. Амплитуда среднего давления остается положительной за переходный период, а максимальное значение среднего давления уменьшается при увеличении длительности переходного периода пропорциональной величине шероховатости поверхности.

На рис. 3 приведена зависимость максимальных значений среднего давления Рт .

При отражении ультразвуковых колебаний от шероховатости внутренней поверхности трубы сигнал на приемный пьезоэлемент приходит в различные моменты времени и происходит интерференция колебаний [5]. Если обозначить через 1о время между приходом отраженного сигнала от углублений шероховатости поверхности и от выступов шероховатой поверхности, то фазовое время Ш0 будет характеризовать величину шероховатости поверхности (т = 2ж/ ), / - частота ультразвуковых колебаний генератора.

Ряд 1 - ф0 = 0°; ряд 2 - ф0 = 160°; ряд 3 - ф0 = 320°; ряд 4 - ф0 = 480°; ряд 5 - ф0 = 640°; Р - среднее давление отраженного сигнала на пьезоэлементе; (о = СOto - фазовая длительность переходного периода; С - частота ультразвуковых колебаний; to - длительность переходного периода пропорциональная величине шероховатости поверхности Яа. Рис. 2 - Отраженный сигнал для излучаемого импульса в форме единичной функции и синусоиды

38 75 112 149 186 223 260 297 334 3711

ф ~ шТ, град.

Рт - амплитуда приведенного среднего давления отраженного импульса Рис. 3 - Амплитуда приведенного среднего давления отраженного импульса для излучаемого в форме произведения единичной функции и синусоиды

Амплитуда отраженного сигнала

<Ро

характеризуется следующим выражением:

Ро

■ mRa ТТ Sin--

— = 2

Uo '

2

обозначив k = получаем: 2 '

U sin kR„

(3)

U о

kR„

(4)

Таким образом зависимость амплитуды отраженного сигнала и от Яа определяется выражением (4).

2

2

2

Измерив величину амплитуды отраженного сигнала ин на контрольном образце соответствующем минимальному значению шероховатости Ян и величину отраженного сигнала икна контрольном образце соответствующем максимальному значению шероховатости Як измеряемого диапазона, получаем систему из двух уравнений:

Ен бш кЯн

и 0 кЯн

и _ бШ кЯК

и кЯ_

(5)

Поскольку зависимость вида $,ткК/кК вблизи значений Я близких к единице и имеет производную близкой к нулю, то для нахождения амплитуды отраженного сигнала от гладкой поверхности целесообразно ограничиться двумя членами разложения ее в степенной ряд второй степени:

Ч»

и 0

= 1 -

(кЯн )2 6

= 1 - (кЯК )2

и 0

(6)

6

Решая относительно и0 получаем:

и = и н Я_ 2 - и _ Ян 2

и0 = Як2 - Ян2 •

Для вычисления коэффициента к при известном и0 аппроксимируем функцию степенным рядом четвертой степени:

и_=1 -(кЯк)1.

(7)

и о

6

120

(8)

Решая последнее уравнение относительно к2 и получаем:

к2

10

Я'

к

100 120 \х - и^ ,

я: Я,

и 0

(9)

и вычисляем величины шероховатости Яа из уравне ния

^ к4 - яа- к2 +(1 - ^ 1 = 0. 120 6 ^ ^)

Блок-схема измерителя шероховатости представлена на рис. 4.

(10)

Внутренняя поверхность с шероховатостью

Рис. 4. Измеритель шероховатости

Измеритель состоит из генератора 1, соединенного своим высокочастотным выходом с пере-

дающим пьезоэлектрическим преобразователем 2 датчика 3. Передающий пьезоэлектрический преобразователь размещен в корпусе датчика 3 раздельно-совмещенного типа. В корпусе этого же датчика 3 размещен приемный пьезоэлектрический преобразователь 4, соединенным со входом усилителя 5, выход которого соединен со входом управляемого компаратора 6. Выход управляемого компаратора 6 соединен с логическим входом микроконтроллера 7. Логический вход микроконтроллера 7 соединен с синхронизирующим выходом генератора 1. Логические выходы микроконтроллера 7 соединены с входами аналого-цифрового преобразователя 8. Микроконтроллер 7 через порт 8 типа Я8 - 232 передает данные на ЭВМ 9 для накопления, обработки и индикации величины шероховатости внутренней поверхности трубы. Жидкокристаллический индикатор 10 предназначен для предварительного отображения результатов контроля шероховатости внутренней поверхности трубы и последовательности контроля. Блок аккумуляторов - 11. На верхней крышке изображены участки поверхности к которым необходимо приближать к ней прямоугольный магнит для включения и отключения питания измерителя, калибровки и управлением последовательности измерений [6].

Калибровка прибора по контрольным образцам автоматизирована. Прибор состоит из двух частей: мобильной и стационарной. Мобильная часть с ультразвуковым преобразователем выполнена во взрывозащищенном исполнении и измерения могут проводиться непосредственно на газопроводе. После проведения измерений в мобильной части запоминаются результаты измерений. Затем мобильная часть переносится в безопасную зону, подсоединяется кабелем к портативному компьютеру. На экране его дисплея наблюдаются результаты измерений. Имеется возможность оформления протокола измерений шероховатости на трубе.

Для экспериментальной проверки методики передачи размера единицы шероховатости Яа и оценки точности измерений было подготовлено двенадцать контрольных образцов с различной величиной шероховатости Яа.

При изготовлении контрольных образцов для передачи размера единицы шероховатости Яа в диапазоне 10 - 30 мкм (контрольные образцы с номинальными величинами шероховатости Яа: 9,91; 13,175; 25,89 и 28,5 мкм) использовалась технология изготовления дифракционных решеток.

Контрольные образцы с величинами Яа от 100 до 300 мкм изготовлены электроискровым способом обработки.

Так как, наибольшую сложность для аппаратурной реализации представляет поддиапазон шероховатости Яа 10 - 30 мкм, ему, при проведении экспериментальных исследований, и было уделено основное внимание. Кроме того, именно этот поддиапазон шероховатости Яа внутренней поверхности фактически имеет место при эксплуатации замерных узлов магистральных газопроводов.

Величина шероховатости Ra контрольных образцов с номинальными значениями 9,91; 13,175; 25,89 и 28,5 мкм была измерена образцовым профи-лометром Mars Surf PS1 c диапазоном измерения Ra до 90 мкм и точностью ±1%. Далее шероховатость Ra этих же образцов измерялась с помощью ультразвукового измерителя шероховатости.

Для экспериментальной оценки точности измерений на реальных трубах, бывших в эксплуатации, были изготовлены три образца, вырезанных из одной трубы диаметром 325 мм и двух труб диаметром 500 мм. Ширина образцов составляла 200 мм и представляла из себя % часть окружности трубы с толщиной стенки 10 мм.

Величина шероховатости внутренней поверхности трубных образцов измерялась в фиксированных точках с помощью образцового профилометра Mars Surf PS1 . В этих же точках шероховатость внутренней поверхности образцов измерялась с помощью ультразвукового измерителя шероховатости через стенку трубного образца. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1

Шероховатость поверхности Ra ,

мкм А, мкм

№ п/п Mars Surf PS 1 Ультразвуковой измеритель 1

шероховатости

№1, d=325 мм 7.7 9.3 1.6 2

№2, d =500 мм 14.5 13.2 - 1.3

№3, d =500 мм 11.8 12.3 0.5 3

Как видно из таблицы 1 максимальная разность в показаниях профилометра и ультразвукового измерителя шероховатости не превышает 1,6 мкм.

По результатам экспериментальных исследований можно констатировать следующее: 1. Экспериментальная проверка на функционирование подтвердила обоснованность теоретических положений, заложенных в основу при создании средства измерения шероховатости внутренней поверхности трубы без ее демонтажа.

2. Метрологические исследования, проведенные методом сличения с образцовым средством измерения, подтвердили возможность обеспечения погрешности измерения, заложенной в ТЗ на разработку.

3. Измерение величины шероховатости внутренней поверхности реальных труб показали, что величина шероховатости Яа не превышает 30 мкм. Поэтому целесообразно обеспечить нормированные метрологические характеристики ультразвукового измерителя шероховатости в диапазоне 10 - 100 мкм, а в диапазоне 101 - 300 мкм ограничиться индикацией параметра Яа > 100 мкм.

При этом обеспечивается нормированная погрешность измерения ±3 мкм в диапазоне 10 - 30 мкм и ±10 мкм в диапазоне 31 - 100 мкм.

Шероховатость Яа внутренней поверхности реальных труб более 100 мкм не представляет практического интереса, так как она не реализуется в практике эксплуатации замерных узлов и противоречит требованиям отечественных и зарубежных нормативных документов к внутренней поверхности измерительных трубопроводов.

Литература

Максимов Т.В. и др. Тенденции развития и производства компрессорной техники на современном этапе / Максимов В. А., Егоров А.Г., Вестник КНИТУ. - 2013. № 5. - с. 176 - 180.

Плотников В.В. и др. Снижение энергозатрат при тру-бопродной транспортировке жидкостей /Плотников В.В., Богданова Н.В., Самойлов А.В., Вестник КНИТУ. - 2014. № 15. - с. 81 - 86.

Теория и практика ультразвукового контроля. Научное издание / И.Н. Ермолов. - М. : Машиностроение, 1981.

- 240 с.

Саиткулов Н. О. Акустический экран на основе нано-материалов // МНТК «Нанотехнологии-2010». - 2010.

- Ч.1. - С.260-262.

Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; под ред. проф. В.В. Клюева. - 3-е изд., перерарб. и доп. -М. : Машиностроение, 2005. - 656 с.-ТББК 5-21703300-2.

Саиткулов Н.О. Способ ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы/ Хуснутдинов Ш.Н., Саиткулов В.Г. [и др.] // Патент РФ №2431135. -2011.

© Н. О. Саиткулов - канд. техн. наук, доц. каф. КиТПЭС КНИТУ-КАИ, 647547@mail.ru; А. А. Гайнуллина - ст. препод. каф. САУТП КНИТУ, sautp@yandex.ru.

© N. O. Saitkulov - Candidate of engineering sciences, associate professor, Department of design and production technology of electronic devices, KNRTU-KAI, 647547@mail.ru; A. A. Gainullina - Assistant professor, Department of SAUTP, KNRTU, sautp@yandex.ru.