научная статья по теме К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ В ОКРУЖЕНИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ В ОКРУЖЕНИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА»

УДК035.318.001; 620.179.621.383

К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ В ОКРУЖЕНИИ МАГИСТРАЛЬНОГО

ТРУБОПРОВОДА

Б.Н. Епифанцев, А.А. Пятков, А.А. Федотов

Предложен подход к оценке чувствительности активной виброакустической системы обнаружения локальных изменений физических параметров среды в окружении магистрального трубопровода. Приведены результаты расчетов приращения амплитуды регистрируемых сигналов в зависимости от протяженности рассматриваемого вида дефектов. Сделан вывод о перспективности виброакустического метода для обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций на трубопроводном транспорте.

Ключевые слова: магистральный трубопровод, предвестники чрезвычайных ситуаций, виброакустический вид контроля, "прозванивание" трубопровода, чувствительность контроля.

ВВЕДЕНИЕ

В [1] обоснована необходимость расширения спектра задач по диагностике действующих трубопроводов. Сегодня в число наиболее значимых из них для России относят предотвращение внешних воздействий на нефтепроводы и обнаружение зарождающихся утечек продукта в газопроводах [2, 3].

Можно выделить два направления, в рамках которых в основном проводятся исследования для решения обозначенных задач. Наибольшее внимание уделяется использованию волоконно-оптического кабеля в качестве датчика по измерению распределений температуры и механического напряжения в окружающей трубопровод среде. Локальные неоднородности этих показателей приводят к появлению составляющих комбинационного рассеяния (Рамана или Мандельштама—Бриллюэна). По времени распространения этих компонент (стоксовой и антистоксовой) от места рассеяния (принцип активной радиолокации) судят о местонахождении этих неоднородно-стей. Утверждается, что системы подобного вида позволяют обнаруживать утечки из трубопровода интенсивностью 50 мл/мин на магистралях протяженностью 16,85 км [4]. Изложенный принцип обнаружения внешних воздействий на окружающую трубопровод среду (механические напряжения) и небольших утечек (локальное изменение температуры этой среды) положен в основу "Системы обнаружения утечек и контроля активности "Омега", внедренной в ОАО "АК "Транснефть", о чувствительности которой можно судить по результатам обнаружения ею пролетающих самолетов [5].

Анализ возможности широкого использования оптоволоконных систем для решения поставленных задач привел к более осторожным выводам. Сильное влияние акустического шума естественного и искусственного происхождения на принимаемые решения сужает область их применения [6]. Вектор развития таких систем ориентирован на усложнение алгоритмов обработки данных. Австралийская компания Future Fiber Technologies предлагает продукт, основу которого составляет программное обеспечение стоимостью более 100 тыс. долл. [7].

Борис Николаевич Епифанцев, доктор техн. наук, профессор кафедры "Информационная безопасность" ФГБОУ ВПО "Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ)", г. Омск. Тел. (3812) 24-16-97. E-mail: nigrey.n@mail.ru

Артем Анатольевич Пятков, аспирант ФГБОУ ВПО "Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ)", г. Омск. Тел. (3812) 24-16-97. E-mail: artoymyp@gmail.com

Александр Анатольевич Федотов, аспирант ФГБОУ ВПО "Омский государственный университет путей сообщения". Тел. (3812) 24-16-97. E-mail: fedotov1609@gmail.com

2 Дефектоскопия, № 2, 2015

Второе направление диагностики состояния трубопроводов основано на анализе упругих колебаний оболочки трубы или перекачиваемого продукта. В месте формирующегося сквозного дефекта генерируются импульсы акустической эмиссии, которые можно зафиксировать на ее внешней поверхности на расстояниях до 100 м от точки их возникновения [8], а при дополнительном использовании средств обработки сигналов — до 500 м [9]. Требование к увеличению этой дистанции удалось реализовать через выделение и анализ инфразвуковых сигналов, возбуждаемых и регистрируемых в перекачиваемой жидкости. Утверждается, что при реализации этой новации удается обнаруживать утечки с интенсивностью 0,04 % от производительности трубопровода [10] при его протяженности до нескольких сотен километров [6]. Работы по этому варианту решения задачи в основном представлены рекламными материалами и судить о его перспективности без основательного анализа обеспечиваемой помехоустойчивости метода с учетом турбулентности потоков перекачиваемого продукта затруднительно. Основываясь на анализе мирового опыта создания и эксплуатации систем обнаружения утечек для трубопроводов, сделан вывод: "Системы охраны, основанные на регистрации акустических сигналов, в том числе оптоволоконные системы, не эффективны для трубопроводов из-за фоновых шумов" [6].

В рамках второго направления для контроля состояния участков трубопровода, характеризующихся высоким уровнем шумовой обстановки (вблизи дорог, насосных станций и др.) и ограниченной протяженностью (порядка 2 км), предложено использовать активные системы, основанные на возбуждении виброакустических импульсов в оболочке трубы с последующим анализом зарегистрированных сигналов на заданном удалении от места их формирования [11]. Объект контроля по условиям эксплуатации допускает его "прозванивание" до ста тысяч раз до того, как принять решение. Каждый "прозванивающий" импульс несет ничтожную информацию о состоянии участка контролируемого трубопровода, но использование всей совокупности импульсов в принципе позволяет получить приемлемые вероятности ошибок первого и второго родов.

Цель данной работы — оценить информативность "прозванивающего" сигнала после прохождения участка контролируемого трубопровода.

1. ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ "ПРОЗВАНИВАЮЩЕГО" ИМПУЛЬСА

Наряду с классическими работами Релея (1885 г.), Лява (1911 г.), Стоун-ли (1924 г.) к настоящему времени создан мощный арсенал методов исследования волновых полей в упругих средах. Большинство этих методов основано на представлении решения волнового уравнения в виде разложения на нормальные моды [12, 13] либо на общей теории геометрической дифракции (лучевые методы [14, 15]). Анализ классических уравнений для расчета скоростей волн Лэмба показывает, что при малой толщине пластины в широком интервале частот распространяются только моды 50 и а0, которые трактуют как продольные и изгибные волны в пластинах. Тонкостенную трубу рассматривают как свернутую пластину и относят ее к маломодовым волноводам [16]. Для толщины стенки трубы до 16 мм условие маломодовости обеспечивается на частотах / < 100 кГц. Физическая картина распространения упругих волн в изотропных средах в целом понятна.

Что касается анизотропных сред, результатов для их описания недостаточно [17]. Картина становится еще более непрозрачной при анализе случайно-неоднородных сред. Статистические волновые задачи описываются теми же уравнениями и условиями, что и детерминированные, но теперь эти уравнения и условия будут стохастическими, то есть относиться

к отдельным реализациям состояния случайного поля. Общий подход к решению стохастических волновых уравнений известен и сводится к решению неоднородного уравнения ЬФ = д, записанного через функцию Грина (Ь — случайный оператор; Ф — случайное поле; д описывает источники волн). Реализовать этот подход в реальных задачах практически невозможно. Необходимо искать приближенные решения, что приводит к многочисленным вторичным статистическим схемам, связанным с другими приближениями [18].

С новыми проблемами приходится сталкиваться при рассмотрении "дефектоскопических" задач — многослойных конструкций, содержащих полости, включения и нарушения структуры. В [19—21] рассмотрены вопросы генерации колебаний жесткими массивными штампами на поверхности слоистого полупространства и распространения колебаний в среде, содержащей локализованную неоднородность. Аналитические методы решения задач дифракции упругих волн использовались только для полостей канонической формы и ограничены расположением полости в одном из слоев [22]. Указанные ограничения стимулировали работы по сведению краевых задач к системе граничных интегральных уравнений [23, 24]. Этим методом удалось получить ряд приближенных решений нескольких задач строительной механики [25]. Попытка использовать этот подход для оценки возможностей обнаружения дефектов рассматриваемого вида оказалась неплодотворной из-за значительного несоответствия расчетных и экспериментальных данных.

Более надежные результаты удается получать, используя подход по оценке затухания сигнала в трубопроводе, изложенный в [8].

Установившуюся гармоническую упругую волну в непоглощающем слое опишем выражением

и(Ь) = и0 • ^¿ехр (-/ (о - кг) ), V кЬ

где и0 — амплитуда излучаемой волны; и(Ь) — амплитуда колебаний на расстоянии Ь от источника; ехрА/ (ю? - кг) — множитель, описывающий изменения гармонической волны во времени 1 и в направлении Ь; ю = 2п/— циклическая частота; к = (2я/Х) = ю/у — волновое число; к — толщина слоя.

При отношении толщины стенки трубы к к ее диаметру В, меньшем 0,1, решение уравнения распространения упругих волн в трубопроводе переходит в соответствующие решения для нормальных волн в плоском слое (волн Лэмба). Среди них волны нулевых порядков а0 и 50 имеют наибольшую амплитуду смещений и существуют во всем диапазоне частот [26].

Принятый алгоритм решения поставленной задачи включает формирование "прозванивающих" сигналов — периодической последовательности импульсов и0(1 - кТ), к = 1, 2, ... Ы, Т — период. Форма импульсов произвольная, энергия сосредоточена в основном в области низких частот. Канал распространения при отсутствии неоднородности характеризуется передаточной характеристикой И(/) = ^ 2/кЬ ехр [ -а( f )• Ь ], учитывающей

частотно-зависимое затухание а(/) импульса и геометрическое расхождение волны с расстоянием. Функция Н(/) характеризует затухание амплитуды гармоники частотой / при ее распространении.

Обозначая спектр импульса символом £"0(/), определим его форму на расстоянии Ь от источника

и(1, Ь) = ^ (/)• И (/)• .

Для этого необходимо знать коэ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»