статья Созополь 2014

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ВИБРОКОНТРОЛЬ ТРУБОПРОВОДОВ
ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
ВИБРАЦИОНЕН КОНТРОЛ НА СЪОТВЕТСТВИЕТО ТРЪБОПРОВОД ЗА ТРАНСПОРТИРАНЕ
НА ГАЗ СИСТЕМА
CORRELATION VIBRATION MONITORING OF GAS-TRANSPORT SYSTEM
Проф., д.т.н. Игуменцев Е.А., доц., к.т.н. Прокопенко Е.А.
Метрологический центр Национальной Акционерной Компании «Нефтегаз Украины» «Восточноевропейский региональный центр
метрологии природного газа, нефти и нефтепродуктов», г. Киев, Украина;
Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина
e-mail: digaz@i.ua
A method of failure prediction for a life of metal during the operation is considered. The method has high sensitivity to the
complex structural transformations in steel material. It can be successfully used as a rapid method for the continuous quality
control of the level of plastic deformation and residual stress along the entire length of the pipeline.
diagnostics, gas-transport system, vibration monitoring, gas turbine engine, the spectrum prediction
1. Введение
на участке между излучающим и приемным вибраторами де-
Создание и совершенствование существующих методов и
фектоскопа.
средств неразрушающего контроля является актуальной научной проблемой.
Известно [1], что в напряженных деталях скорость звука
продольных волн в материале уменьшается по сравнению со
Затраты на неразрушающий контроль велики, но эти затра-
скоростью звука ненапряженной детали. Наиболее известным
ты быстро окупаются, так как благодаря контролю на всех эта-
способом определения скорости задержки волн является фазо-
пах изготовления, приемки и эксплуатации газотранспортного
метрический метод для частот порядка 70 кГц. Однако эту за-
оборудования резко повышается качество и надежность техно-
дачу можно решить и в частотном диапазоне 1,7 кГц.
логического процесса.
Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС)
3. Решение рассматриваемой проблемы
выступает одним из определяющих факторов в оценке надеж-
Для определения статических напряжений посредством
ности трубопроводов в процессе эксплуатации газотранспорт-
магнитострикционной трубки в трубопровод вводят продоль-
ной системы.
ные колебания. Колебания распространяются по кольцу (периметру) и вдоль трубы. Возбуждение гармонических колебаний
2. Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем
происходит в частотном диапазоне f со средней частотой (f),
Проблемы выявления производственно-технологических
равной кольцевой частоте колебаний трубы
дефектов, а также эксплуатационных дефектов с целью прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций в процессе
эксплуатации занимают значительное место в практике неразрушающего контроля газотранспортного оборудования.
Одним из методов, эффективно применяемых при определении технического состояния трубопроводов, является вело-
f = c/2R,
где R — радиус трубы,
с — скорость распространения продольных волн. Для кольцевой частоты длина продольной волны, распространяемая вдоль периметра, равна длине окружности
2R.
симетрический. При этом используется влияние дефектов на
Для регистрации скорости распространения бездисперсных,
скорость распространения упругих волн в объекте исследова-
не зависящих от частоты распространения продольных волн и
ния и длину пути волн между излучателем и приемником упру-
дисперсных, зависящих от частоты распространения попереч-
гих колебаний. Дефекты регистрируют по изменению сдвига
ных волн, используют метод выделения взаимной корреляци-
фазы принятого сигнала или времени распространения волны
онной функции, т.к. каждый пик соответствует времени ()
прихода подобного виброакустического сигнала от одного дат-
чика к другому, генерируемого посредством магнитострикци-
и равно 0,5; 0,33 и 0,25. Причем, чем меньше отношение шума
онной трубки. Если расстояние между датчиками равно L, то
к сигналу, тем больше это соотношение после логарифмирова-
скорость распространения звука равна c = L/.
ния, а коэффициенты усиления для рассмотренных случаев
Статические напряжения в трубе (с), выраженные через
дельном случае, когда отношение шума к сигналу стремится к
время распространения звука, равны:
 c  2  E  Gт 


равны: 5; 33; 250. Коэффициенты усиления возрастают и в пре-


  т  1  Gт ,
нулю, стремятся к бесконечности. Таким образом, логарифми(1)
где E, G т — модуль упругости и модуль линейного упрочне-
рование превращает корреляционную функцию гармонического сигнала в корреляционную функцию широкополосного шума. Автокепстр Кхх() гармонического (узкополосного случай-
ния;
ного переходящего в гармонический) процесса равен:
m — предел текучести материала трубы;
 Sin2πBш τ Bш a1 Cos 2πf 0 τ 
К хх     
 2 
,
σ
τ
 2πBш τ

 — сдвиг времени сигнала при напряженном состоянии трубы ().
При фиксированной разнице запаздываний пики взаимной
и автокорреляционной функций, соответствующий определен-
где a1  
(3)
4σ
A2
 lg
 4  Bш2  f 02   lg e ;
4
π
ным тракам, выделяются тем труднее, чем уже полоса частот
0 — коэффициент аппроксимации узкополосного случайно-
шума. В предельном случае, когда источник шума испускает
го процесса (дельта функции) Гауссовым распределе-
гармонические колебания, корреляционная функция каждого
нием;
тракта есть косинусоида, и выделение отдельных траков вооб-
A, f0 — амплитуда и частота гармонических колебаний.
ще невозможно. Приближенно можно считать, что если полоса
Соотношение (3) уже не обладает недостатками корреляцион-
частот выходного сигнала равна Вш, то для надежного выделе-
ной функции и может быть использовано для определения ста-
ния пиков корреляции, соответствующим отдельным тракам,
тических напряжений в газопроводе.
запаздывания в любой паре траков должны удовлетворять не-
Для экспериментальной проверки соотношения (1) использовалась акустическая эмиссия: аппаратура фирмы «Брюль и
равенству [2]
 j   k  1 Вш , j, k  1,2,..., n .
(2)
Къер»; диагностический комплекс ЕМА-1; система АЭ, разработанная в Украинской инженерно-педагогической академии.
Ширина полосы в одну октаву, когда f = Вш, удовлетворяет
Система АЭ состоит из четырех датчиков, входного усили-
неравенству (2). После выделения пиков авто- и взаимного
теля, коммутатора, АЦП, согласующей платы и персонального
кепстров определяют время распространения продольных и
компьютера. Резонансная частота датчиков 200250 кГц, так-
поперечных волн вдоль периметра и образующей трубы. Каж-
товая частота платы АЦП 20 МГц. Разработанное программное
дый пик автокепстра соответствует времени прихода попереч-
обеспечение позволяет определять: энергетический спектр;
ной и продольной волны вдоль периметра трубы и фиксируется
амплитудный спектр; временные импульсы; скорость нараста-
одним вибродатчиком. Каждый пик перекрестного кепстра
ния и наклона импульсов.
соответствует времени прихода поперечной или продольной
Акустическая эмиссия применялась для регистрации скоро-
волны вдоль образующей трубы и фиксируется двумя вибро-
сти распространения упругих волн (с) и определения микроде-
датчиками.
фектов в газопроводе. Результаты обследования газопроводов
Корреляционная функция гармонического процесса в слу-
позволили сделать вывод об информативности системы АЭ.
чайном широкополосном шуме равна сумме корреляционных
Для регистрации статических напряжений в трубопроводе нами
функций гармонического процесса и широкополосного шума.
была проделана работа, которая расширяет область исследова-
Заметим, что корреляционная функция быстро сходится к ко-
ний по установлению корреляционных зависимостей между
синусоидальному члену, соответствующему гармонической
магнитными и механическими параметрами для трубных ста-
составляющей процесса. Максимальное значение соответствует
лей и учитывает влияние действующих нагрузок и условий
t = 0 и равно сумме спектральных составляющих гармониче-
нагружения. В качестве основного контролируемого магнит-
ского процесса и широкополосного шума. Логарифмирование
ного параметра была выбрана величина коэрцитивной силы.
такого сигнала как бы увеличивает составляющую широкопо-
Для определения зависимости коэрцитивной силы от
лосного шума. Например, если соотношение шума к спек-
напряжений были проведены механические испытания на од-
тральной плотности гармонического сигнала равно 0,1; 0,01 и
ноосное статическое растяжение плоских образцов низколеги-
0,001, то после логарифмирования это соотношение возрастает
рованной стали до начала шейкообразования. Механические
испытания были выполнены на разрывной машине типа
5. Заключение
А 804/1474 с максимальной нагрузкой 25 т. Исходным матери-
Поскольку коэрцитивная сила как физический параметр яв-
алом служили вырезанные продольные участки трубы дей-
ляется достаточно устойчивой к действию упругих напряжений
ствующего магистрального газопровода. Размеры образцов:
и при этом чрезвычайно чувствительной к действию необрати-
длина 210 мм, ширина 30 мм, толщина 11 мм.
мых пластических деформаций, присутствию остаточных ме-
Для проведения измерений коэрцитивной силы был подго-
ханических напряжений в структуре ферромагнитной стали,
товлен коэрцитиметр КРМ-Ц. Градуировку прибора произво-
полученные однозначные устойчивые характеристики Hc()
дили на эталонных образцах с известными значениями коэрци-
использованы как тарировочные для контроля уровня напря-
тивной силы. Погрешность измерений в лабораторных услови-
жений в нагруженных газопроводах. Для этого необходимо на
ях составляет  0,1 А/см в диапазоне измерений 1 — 20 А/см.
основе измерений коэрцитивной силы на действующем газо-
Измерения коэрцитивной силы (Hc()) производили в направ-
проводе при рабочем давлении Рраб, с учетом поправочного
лении действия растягивающей нагрузки, вдоль оси деформа-
коэффициента, который по нашим данным составляет 0,94,
ции, не освобождая образцы из клиновых захватов разрывной
определить уровень действующих напряжений по тарировоч-
машины.
ным кривым.
В ходе эксперимента выполнялось поступенчатое растяже-
Рассматриваемый метод диагностики ввиду высокой чув-
ние образцов с шагом примерно 6 МПа, в диапазоне прилагае-
ствительности к комплексу структурных превращений в мате-
мых нагрузок 0 —
МПа. На каждой ступени нагруже-
риале стали может быть успешно использован как экспресс-
ния, не снимая прилагаемой растягивающей нагрузки max, на
метод для непрерывного качественного контроля уровня пла-
образцах измерялась коэрцитивная сила в напряженном состо-
стических деформаций, остаточных напряжений по всей длине
янии. После чего деформирующая нагрузка снижалась до неко-
трубопровода, max  0,2, с целью прогнозирования остаточно-
торого промежуточного напряжения ' < т, соответствующего
го ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации.
5,8102
расчетному уровню рабочих напряжений в условиях эксплуаЛитература
тации магистрального газопровода, и также выполнялось измерение коэрцитивной силы в нагруженном состоянии. Далее
1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и
нагрузка снималась до нуля ( = 0), и примерно через 10 с, не-
изделий: Справочник в 2-х кн. под редакцией В.В. Клюева.
обходимых для релаксации действия внешних растягивающих
Кн. 2. — М.: Машиностроение, 1976. — 295с.
напряжений, измерялись характеристики Hc() в разгруженном
состоянии. Условно полученные кривые Hc() можно разбить
2. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и
спектрального анализа: Пер. с англ. — М: Мир, 1983. — 312с.
на два участка с различными углами наклона: участок, соответствующий области упругих напряжений,  > т, и участок, соответствующий
процессу
пластического
деформирования,
.
 < т.
В области упругих напряжений до достижения металлом
предела текучести т коэрцитивная сила остается практически
постоянной, равной начальному значению, при этом ход кривых, соответствующий нагруженному и разгруженному состоянию образцов, полностью совпадает. Значительное приращение Hc происходит в зоне временного упрочнения и при
125 МПа составляет 70% от начального уровня. Суммарное
увеличение коэрцитивной силы от начального недеформированного уровня до момента шейкообразования составляет
225 — 260 %. При повторных испытаниях после снятия нагрузки до нуля и повторных растяжениях до   max ход кривых
первоначального и повторного нагружений полностью совпадают,
т.е.
гистерезис
0 < max < в отсутствует.
характеристик
Hc()
в
области