CC BY
11
УДК 62-45
УПРАВЛЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТЬЮ СИЛЬФОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ
С.А. Глебович
Вданной статье описана эффективность использования неразрушающего контроля, в частности акустико-эмиссионного, для управления отказоустойчивостью сильфонных элементов и системы трубопроводов в целом. Целью данной работы является управление отказоустойчивостью, обеспечение возможности обнаружения сигнала от дефекта при акустико-эмиссионном контроле технологического оборудования в условиях высокого уровня шума. Представлены результаты локализации источника шума. Источником отказов, как правило, является звено и сварные швы трубопровода. Контроль отказоустойчивости компенсационного звена и проблема определения состояния сварного шва, обусловлена наложением на сигнал акустической эмиссии шу-мов.Полученные в работе выводы основаны на системном подходе к рассматриваемой теме.
Ключевые слова: сильфон, сильфонный компенсатор, отказоустойчивость трубопроводов, неразрушающий контроль, акустико-эмиссионныйконтроль, локализация источника шума.
На степень надёжности любой системы трубопроводов оказывает влияние огромное количество факторов. Для компенсации неблагоприятных воздействий перемещений трубопроводов применяется установка сильфонного компенсатора, который в процессе эксплуатации предотвращает деформации в системах трубопровода.
Сильфонный компенсатор, врезанный в трубопровод, способен испытывать значимые упругие деформации благодаря гофрированной конструкции. Усилия, вызывающие расширение и сжатие сильфона, существенно меньше, нежели у главной трубы, по этой причине, самые большие линейные перемещения происходят конкретно в компенсаторе. Трубы системы, установленные на скользящие опоры, непринуждённо передвигаются по ним в осевом направлении, деформируя компенсатор. Это оберегает трубопровод от небезопасных перегрузок. Повышение уровня надежности и увеличение ресурса сильфонного компенсатора, возможно только при условии выпуска продукции высокого качества.
Задача существенного улучшения качества отказоустойчивости системы трубопроводов, следовательно, повышение надежности и долговечности может быть успешно решена при условии совершенствования производства и методов контроля качества сильфонных элементов трубопроводов.
В современных условиях стремительного научно-технического прогресса роль неразрушающего контроля значительно возросла. В настоящее время все более широкое распространение получает 100%-ный неразру-шающий контроль продукции на отдельных этапах производства. Нераз-рушающий контроль основан на получении информации о качестве проверяемых материалов и изделий при взаимодействии их с веществами или
физическими полями в виде электрических световых, звуковых или иных сигналов. Современные методы НК в соответствии с ГОСТ 18353-79 подразделяются на девять основных видов: радиационный, акустический, магнитный, вихретоковый, электрический, радиоволновой, тепловой, оптический, а также (проникающими веществами) молекулярный (рис.1).
Классификация НК по ГОСТ 18353-79
Рис.1. Виды неразрушающего контроля
Из предложенных неразрушающих методов контроля наибольшее практическое применение находят методы акустического вида контроля (рис.2).
Рис.2. Диаграмма сравнения методов НК
На диаграмме в процентном соотношении изображены три шкалы: белого цвета-достоверность результата; розового цвета-ошибка определения размеров; фиолетового цвета-вероятность обнаружения ошибок. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо методом. Применяя различные типы волн с помощью данного метода решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов.Разработка эффективных методик акустико-эмиссионного контроля имеет определяющее значение при проведении комплексного диагностического обследования объектов нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности, так как существует проблема термокомпенсации. Применение неразрушающего контроля, а именно акустико-эмиссионного (АЭ), дает значительный технический и экономический эффект. Использование его в эксплуатации позволяет обеспечить высокую надежность и долговечность.
Источником отказов, как правило, является звено и сварные швы трубопровода. Значительная сложность возникает при расшифровки результатов контроля отказоустойчивости компенсационного звена и проблема определения состояния сварного шва, обусловленная наложением на сигнал акустической эмиссии шумов. Методы каждого вида НК классифицируют по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом, первичным информативным признакам и способам получения первичной информации.
Дальнейшее развитие метода акустико-эмиссионного диагностирования оборудования, является одним из главных векторов, исследования в данном направлении. Акустический контроль - основан на использовании ультразвуковых волн. Колебания в деформируемой среде распространяются в виде волны. Совокупность частиц, обладающих одинаковой фазой колебаний, образует поверхность или фронт волны. Фронт волны расположен перпендикулярно к направлению распространению волны.
Перспективные подходы в настоящее время, связанные с использованием мониторинговых систем, ставят новые задачи в области интерпретации результатов. Тем самым повышают требования к точности дефектоскопии, а именно: работа в текущих условиях эксплуатации оборудования и своевременное информирование контрольных служб о любых отклонениях в его работе, снижение потерь от простоев и ремонта оборудования, технические и финансово-экономические проблемы, связанные с заменой отработавших свой ресурс объектов и ряд других факторов.
Существенную неопределенность в процесс интерпретации результатов акустико-эмиссионного контроля вносит фактор наличия шумов различной природы (технологические и конструктивные шумы, внешние механические и электромагнитные помехи и вибраций и пр.). Целью исследования является управление отказоустойчивостью сильфонных элементов трубопроводов, а именно обеспечение возможности обнаружения сигнала от дефекта при акустико-эмиссионном контроле технологического оборудования в условиях высокого уровня шума.
Локализацию источника шума, позволяющую получить координаты дефекта представим следующим образом: имеются три сигнала с одинаковой частотой, различной амплитудой и фазой. Запишем уравнения этих сигналов [1]:
у1 = А1 зт(Ш + р1)
У2 = А2 81п(Ш + р2)
Уз = А3 эт^Г + (р31).
С учетом фазового сдвига получим следующие соотношения
у = аг^
Г с >
2рГ
где у - угол фазового сдвига;
у1 = А1 эт( Ш + р1 + у) у2 = А2 зт(Ш + ^2 +У2) У з = Аз 81П(Ш + (рз +Уз) 29
Геометрическое представление распространения фронта звуковой волны в зоне, ограниченной позициями датчиков [12] изображено на (рис.3).
Рис.3. Распространение фронта звуковой волны в зоне, ограниченной датчиками
На (рис.3) показано: Xdi, Ydi - координаты датчиков; Xu, Yu - координаты источника; Rzi - радиусы запаздывания фронта звуковой волны относительно датчиков; Кп - радиус фронта звуковой волны.
Система уравнений, описывающая связи координат источника и датчиков
(Xu - Xd0)2 + (Уп -Г^)2 = (Кп + Rz2)2;
(Хп - Xd1)2 + (Уы - Уd1)2 = (Кп + Rzl)2;
(Хп - Xd2)2 + (Уы - Yd2)2 = (Кп + Rz2)2.
Промежуточные переменные для итераций
Кп0 = V (Хп - - Xd0 )2 + (Уп- - Уdo )2 -
Кп1 = V (Хп - -Хйх )2 + (Уп - -Уй, )2 -
Кп2 = д/(Хп - Xd2 )2 + (Уп - Уd2 )2 - Rz2. Система уравнений в линейном представлении
Xd0 ■ Хп + Уd0 ■ Уп + Кг0 ■ Кп = Qz0;
Xd1 ■ Хп + Уd1 ■ Уп + Rz1 ■ Кп = Qz1; Xd2 ■ Хп + Уd2 ■ Уп + Rz2 ■ Кп = Qz2. Нелинейные компоненты системы уравнений
= (xd02 + Уй1 - Rz02 + Хп2 + Уп2 - Кп02)
^0
-0
QZl =
Qz2 =
(х^2 + Уй1 2 - Rz12 + Хп2 + Уп2 - Кп2).
(Хё22 + Уй\ 2 - Rz22 + Хп2 + Уп2 - Кп22)
0
Итерационное решение системы уравнений по линейному представлению
Хйо ^
<2го Н ^о Уй, Яг,
6*2 Яг2
Хи
Бег
где Бег - детерминант
Уи
Хй, Яг,
Xd2 ^2 Я12
Яи
Хйо Уйо
ха1 уа,
Хй2 Уй2
Бег
Хйо Уйо Я*о
Бег = Хй1 Уй1 Яг,
Хй 2 Уй2 Я*2
Бег
Ф о
Условия завершения итераций
Еро = |Яи - Яио| < Ер
Ер, = |Яи - Яи< Ер
Ер2 = |Яи - Яи2| < Ер
Полученная система зависимостей позволяет, с помощью приведенной измерительной схемы определить местоположение источника вибраций.
Входными сигналами являются сигналы с микрофонов, расположенных возле исследуемого аппарата, как показано на (рис.4)
о
Мик. 1
О
Мик. 3
Прибор
Мик. 2
Рис.4. Измерительная схема
Использование неразрушающего контроля, в частности акустико-эмиссионного (обусловленная наложением на сигнал акустической эмиссии шумов), влияет на управление отказоустойчивостью сильфонных элементов трубопроводов. Своевременное определение результатов контроля отказоустойчивости компенсационного звена и состояния сварного шва инспирирует на степень надёжности любой системы трубопроводов.
Удобство применения сильфонных компенсаторов заключается в том, что этот вид компенсаторов не требует вспомогательного обслуживания в процессе эксплуатации. Срок их службы характеризует срок безремонтной эксплуатации трубопроводов, в составе которых они используются. Потому особое внимание нужно уделять АЭ контролю сильфонных компенсаторов и трубопроводов в целом.
31
Список литературы
1. Акустика: Справочник. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
2. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. М.-Л., Машгиз, 1963.
164 с.
3. Крюков А.И., Глинкин И.М., Фионин В.И. Гибкие металлические рукава. М.: Машиностроение, 1970. С. 24 - 30.
4. Глебович С. А. Эксплуатационный ресурс сильфонных компенсаторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 409-414.
5. Глебович С.А. Способы испытаний сильфонных элементов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки,
2017. Вып. 6. С. 256-264.
6. Глебович С. А. Варианты увеличения компенсирующей способности сильфонных элементов трубопровода. М.: Мир современной науки,
2018. № 2 (48). С. 12-15.
7. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Общие требования. Дата актуализации: 23.09.2019.
8. Ларкин Е.В., Чугреев А. А. Шумы аппаратуры // Известия Тульского государственного университета. Вычислительная техника. Автоматика. Управление. 2002. Т.4. Вып. 3. Управление. Тула: ТулГУ, 2002. С. 117-129.
Глебович Станислав Александрович, аспирант, stivgl@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MANAGING RESILIENCY OF THE BELLOWS PIPE ELEMENTS
S.A. Glebovich
This article describes the effectiveness of the use of non-destructive testing, in particular acoustic emission, to control the fault tolerance of bellows elements and the pipeline system as a whole. The purpose of this work is fault tolerance control, providing the possibility of detecting a signal from a defect during acoustic emission control of technological equipment in conditions of high noise level. The results of noise source localization are presented. The source of failures is usually a link and welds of the pipeline. Fault tolerance control of the compensation link and the problem of determining the state of the weld is caused by the imposition of acoustic noise emission on the signal. The findings are based on a systematic approach to the topic.
Key words: bellows, bellows compensator, fault tolerance of pipelines, nondestructive testing, acoustic emission control, localization of the noise source.
Glebovich Stanislav Aleksandrovich, postgraduate, stivgl@mail.ru, Russia, Tula, Tula state university.
