автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Автоматизированный метод контроля состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика на импульсные воздействия

На правах рукописи

СЕРОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА ИМПУЛЬСНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 2072

Казань

-2012

005020692

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ваньков Юрий Витальевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения»

Корнилов Владимир Юрьевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов»

Митряйкин Виктор Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ», профессор кафедры «Основы конструирования»

Приволжский филиал

ОАО «ВНИПИэнергопром», г. Казань

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, тел./факс (843) 519-42-55.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом - на сайте http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан « марта 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Калимуллин Рустем Ирекович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 года, приоритетными направлениями развития энергетики и теплоснабжения являются снижение удельных затрат топлива при производстве и потреблении энергоресурсов за счет применения энергосберегающих технологий и оборудования, увеличение надежности теплоснабжения, а также сокращение тепловых потерь при транспортировке теплоносителя. Успешное решение этих задач связано с модернизацией основного теплофикационного оборудования, использованием новейших высокоэффективных теплоизоляционных материалов для теплозащиты трубопроводов, а также с совершенствованием методов расчета и контроля тепловых сетей.

С экологической и экономической точки зрения, целесообразнее предупреждать возникновение утечек в трубопроводах, а не только констатировать их возникновение. Для этого существует большое многообразие дефектоскопов, различных как по принципу действия, так и по способу обработки сигнала. Наиболее достоверными на сегодняшний день признаны акустические дефектоскопы. Однако и они имеют ряд недостатков: сложности в определении вида дефекта, трудности с обнаружением локальных дефектов размером менее 20 см в диаметре, неверная классификация групп одинаковых по размеру дефектов, локализованных в пределах 10 метров.

Внедрение акустико-эмиссионной диагностики трубопроводов сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством акустико-эмиссионной аппаратуры для работы в производственных условиях, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах акустической эмиссии, отражающих тип дефекта и связь с критериями разрушения, т.е. характеризующих степень опасности той или иной стадии предразрушения конструкции от развивающегося дефекта.

Вышеизложенные ограничения области применения и недостатки существующих приборов делают актуальной задачу разработки усовершенствованных метода контроля и акустического диагностического комплекса.

Объект исследования - эксплуатационные, производственно-технологические и конструктивные дефекты трубопроводов.

Предмет исследования - метод контроля состояния трубопроводов.

Цель исследования - разработка автоматизированного метода и аппаратно-программного комплекса для контроля технического состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика трубопроводов на импульсные воздействия.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

1. Определение частотных диапазонов наличия нескольких очагов коррозионного поражения трубопроводов.

2. Исследование изменения информативных критериев наличия дефектов в зависимости от давления жидкости в трубопроводе.

3. Разработка алгоритма анализа сигналов и программы идентификации дефектов.

4. Проведение экспериментальных исследований трубопроводов с цирку-

лирующей жидкостью для идентификации дефектов.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработка метода контроля состояния трубопроводов на основе анализа акустического отклика на импульсные воздействия.

Методы исследования. При выполнении исследований применялись методы механики деформируемого твердого тела, конечно-элементного анализа, нейросете-вых алгоритмов обработки результатов измерений.

Научная новизна.

1. Разработан и создан экспериментальный виброакустический комплекс для исследования трубопроводов, основанный на анализе акустического отклика на импульсные воздействия.

2. Определена зависимость между давлением в системе трубопроводов и частотным спектром колебаний очагов коррозии, заключающаяся в том, что при увеличении давления жидкости в трубопроводе наблюдается интенсивное увеличение амплитуд и частот дефектного участка трубопровода. Такой эффект объясняется возникновением вибрации, значение виброускорения которой выше в месте уменьшения толщины стенки.

3. Разработан метод контроля состояния трубопроводов на основе анализа сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

Практическая значимость.

1. Определены частотные диапазоны в акустических спектрах собственных колебаний трубопроводов, свидетельствующие о наличии нескольких очагов коррозионного поражения.

2. Разработаны алгоритм анализа акустических сигналов и программа идентификации дефектов.

На защиту выносятся

1. Информативные критерии наличия коррозионного поражения напорного трубопровода, определяемые с использованием метода конечных элементов.

2. Результаты экспериментальных исследований, выявившие различия в спектрах частот собственных колебаний трубопроводов и частот очагов коррозионного поражения.

3. Способ определения размера коррозионного дефекта трубопровода анализом частот колебаний на основе нейросетевого алгоритма.

4. Метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования, аттестованных контрольно-измерительных приборов и применением современных программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими методами, повторяемостью измерений и их соответствием данным, опубликованным в научной литературе другими исследователями.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII — XIII Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы при-

боростроения, информатики и экономики» (Сочи - Москва, МГУПИ, 2009 - 2010); X, XI Международных симпозиумах «ЭнергоресурсоэффектиВность и энергосбережение» (Казань, ЦЭТ РТ при КМ РТ, 2009 - 2010); XVI Международной научно-технической конференции «Бенардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2011); II, III, VI Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2007, 2008, 2011); Всероссийских научных молодежных конференциях по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола, МарГТУ, 2009 - 2011); XIX, XXII, XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 2007, 2010, 2011); VI Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (Казань, КГТУ, 2010), аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе статей в издании, входящем в перечень ВАК - 2, патент на полезную модель -1, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ - 1, публикаций в сборниках докладов международных и всероссийских конференций - 15.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в численном моделировании, разработке алгоритма анализа сигналов, в создании программного обеспечения для анализа данных, разработке и изготовлении измерительного комплекса, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку и анализ экспериментальных данных.

Реализация работы. Разработанная методика и измерительно-диагностический комплекс внедрены на предприятии ОАО "Казаньоргсинтез", что подтверждено соответствующим актом реализации научных исследований.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 -«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследования Паспорта специальности:

1) определение частотных диапазонов в акустических спектрах трубопроводов, свидетельствующих о наличии нескольких очагов коррозионного поражения, а также нахождение зависимости между, давлением в системе трубопроводов и частотным спектром колебаний очагов коррозии соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и не-разрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

2) разработка и создание экспериментального виброакустического комплекса для исследования трубопроводов, основанного на анализе акустического отклика на импульсные воздействия, соответствует п. 3. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»;

3) разработка алгоритма анализа акустических сигналов и программы идентификации дефектов трубопроводов соответствует п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сиг-

налов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 31 таблицу и 10 приложений на 30 страницах. Библиографический список включает 142 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор литературы по методам неразрушающего контроля трубопроводов, рассмотрены особенности и недостатки существующих приборов для контроля трубопроводов, сформулированы цель и задачи исследования.

Трубопроводные транспортные системы являются постоянно эволюционирующими объектами, развитие которых происходит во времени и пространстве. Как и любому эволюционирующему во времени объекту, для трубопроводных систем характерно старение, восстановление, обновление. Как объекту, эволюционирующему в пространстве - изменение состава и структуры сети, т.е. добавление новых и удаление старых пространственных и непространственных элементов, подключение новых и отключение прежних потребителей.

Целью контроля за состоянием металла трубопроводов в процессе эксплуатации является^

1) обнаружение коррозионных дефектов металла трубопроводов;

2) выявление и фиксация изменения физико-механических свойств и структуры металла;

3) оценка эксплуатационного уровня и степени опасности коррозионных повреждений металла трубопроводов;

4) получение данных о местах локализации дефектов;

5) определение факторов, обуславливающих интенсификацию коррозионных процессов на участке.

Методы контроля состояния трубопроводов классифицируются в зависимости от гидродинамических параметров эксплуатации трубопроводов и физико-химических свойств транспортируемых сред. Из них наиболее распространенные -это капиллярный метод, визуально-оптический метод, метод магнитной памяти металла, метод вихревых токов, радиационный метод, акустический метод контроля, метод свободных колебаний. Основной задачей всех методов является обеспечение качественного и достоверного контроля трубопроводных систем для своевременного выявления потенциально опасных развивающихся дефектов, принятия превентивных организационно-технических мероприятий, продления срока службы и обеспечения безаварийной работы системы. Существующая на сегодняшний день статистика инцидентов на трубопроводном транспорте свидетельствует о недостаточном уровне контролирования, а иногда и применимости приведенных методов для обеспечения безаварийной эксплуатации трубопроводов.

Проведение работ по диагностике с использованием соответствующих методов и приборной базы позволяет определить места повреждений элементов трубопровода, на основании которых возможна конкретизация видов и объемов ремонтных работ, что в свою очередь увеличивает срок службы трубопроводного объекта и

снижает количество инцидентов и аварий.

В работе было отдано предпочтение использованию метода акустического эмиссионного контроля трубопроводов перед другими методами неразрушающего контроля по следующим причинам.

1. Интегральность метода акустической эмиссии, которая заключается в том, что, используя один или несколько датчиков, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект (100% контроль). Это свойство метода акустической эмиссии особенно полезно при исследовании труднодоступных (недоступных) поверхностей контролируемого трубопровода.

2. В отличие от сканирующих методов, метод акустической эмиссии не требует тщательной подготовки поверхности объекта контроля. Следовательно, выполнение контроля и его результаты не зависят от состояния поверхности и качества ее обработки. Изоляционное покрытие (если оно имеется) снимается только в местах установки датчиков.

3. Обнаружение и регистрация развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не только по размерам (или по другим косвенным признакам - форме, положению, ориентации дефектов), а и по степени их опасности (влияние на прочность) для контролируемого объекта.

4. Высокая оперативность и производительность метода акустической эмиссии, во много раз превосходящая производительность традиционных методов неразрушающего контроля, таких как ультразвуковой, радиографический, вихретоковый, магнитный и др.

5. Дистанционность метода акустической эмиссии - возможность проведения контроля при значительном удалении оператора от исследуемого объекта. Данная особенность метода позволяет эффективно использовать его для контроля (мониторинга) ответственных крупногабаритных конструкций, протяженных или особо опасных объектов без вывода их из эксплуатации и влияния вредных и опасных факторов на здоровье персонала.

6. Возможность отслеживания различных технологических процессов и оценка технического состояния объекта в режиме реального времени, что позволяет предотвратить развитие дефекта в аварийное разрушение контролируемого объекта.

Следует отметить, что на сегодняшний день еще достоверно не определены

информативные частотные диапазоны в акустических спектрах трубопроводов, свидетельствующие о наличии дефекта и о его размерах, для нагруженных трубопроводов с циркулирующей жидкостью, для трубопроводов с одинаковой суммарной площадью поражения и различными количеством и расположением дефектов. Кроме того, сложность идентификации дефектов, большой объем массивов данных для постобработки, большой процент ошибочного классифицирования дефектных участков трубопроводов ставят обязательной задачу разработки автоматизированного диагностического комплекса с применением более совершенных алгоритмов.

На основании рассмотренных

форма 1 -»-форма I -А-форма 3 -»-формам форма 5 форма 6 форма 1 -х-форма 8 -¿-форма 9 форма 10

бе»деф Ь, мм

Рис. 1. Зависимость изменения частоты собственных колебаний дефекта от его толщины (для дефекта размером 50x50 мм)

а)

Рис. 2. Смоделированные на участках трубопроводов: а) три одинаковых дефекта на наружней стенке размерами 28,8x28,8 мм; б) два одинаковых дефекта на внутренней стенке размерами 35,2x35,2 мм

особенностей были определены цели и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена нахождению информативных частотных диапазонов наличия дефектов нагруженных трубопроводов.

В настоящее время интенсивное развитие получают численные методы,i позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за1 счет более полного учета реальных условий нагружения и свойств исполь-j зуемых материалов. Среди этих методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов. К достоинствам метода конечных эле-' ментов следует отнести и минимум требований к исходной информации, й оптимальную форму результатов.

Необходимо отметить, что метод конечных элементов обладает по срав нению с другими приближенными методами рядом преимуществ. Представление сплошной среды набором дискретных элементов, то есть кусочно-непрерывное определение искомых полей, позволяет выявить такое существенное преимущество метода, как его индифферентность к сложной геометрии и различным граничным условиям. Свойства материалов смежных элементов не должны быть обязательна одинаковыми, что позволяет использовать метод при анализе изделий, выполняемы: из самых разнообразных конструкционных материалов и осуществлять их взаимодействие с различными средами.

В зависимости от решаемых задач используются три стадии приближения прз моделировании трубопроводных объектов - балочное, оболочечное и объемное. Балочные и оболочечные модели, в отличие от объемных, не позволяют получить каких-либо приемлемых по точности результатог. в областях приложения краевых условий, рез кого изменения геометрической формы конст рукции, например, в областях локальных де фектов стенок трубы и других участков, где за дача носит существенно объемный характер и требуется максимальная степень достоверно^ сти.

В сеязи с вышеизложенным, оценка тех нического состояния опасного дефектного уча стка трубопровода проводилась на основе peí шения детерминированной задачи, в объемном приближении.

В работе моделировались участки трубопроводов длиной 1500 мм с опасными коррозионными дефектами размерами 50x50 мм. 100x50 мм, 150x50 мм, 200x50 мм, 250x50 мм, и различной величиной утонения стенки.

С целью нахождения в акустических спектрах трубопроводов частотных областей, характерных для дефектов, в программной среде ANSYS были проведены расчеты частот

а)

б)

а

Г

в)

J

Рис. 3. Трубопроводы с одинаковой суммарной площадью поражения, и различным количеством

и расположением дефектов: а) один дефект 50x50 мм; б) два дефекта 35,2x35,2 мм; в) три дефекта 28,8x28,8 мм.

О 20 40 60 80 100

Фермы колебаний

собственных колебаний круглых гибких пластин нескольких типоразмеров, имитирующих дефект. Расчет велся с использованием алгоритма Ланцоша. Гибкие пластины представляли из себя плоский диск, жестко защемленный по всей длине окружности, материалом которого являлась сталь СтЗ с плотностью р = 7860 кг/м , коэффициентом Пуассона V = 0,3 и модулем упругости Е = 20-10 Н/м .

На рис. 1 приведена диаграмма зависимости изменения частоты собственных колебаний дефекта от его толщины. Из приведенного графика видно, что с увеличением дефекта происходит снижение частот на различных формах колебаний.

Анализ полученных результатов показал, что предлагаемая методика расчета основных форм колебаний дефектов различных видов обеспечивает заданную точность определения частот и делает возможным применение метода собственных колебаний для оценки степени коррозионного поражения трубопроводов, а также существенно снижает трудоемкость и время поиска дефектов.

Следующим этапом исследований было построение моделей бездефектного и дефектных участков стальных трубопроводов в объемном приближении с условным диаметром 159 мм, толщиной стенки 6 мм и длиной 1500 мм. Анализировались участки трубопроводов с одиночными и групповыми дефектами размерами 50x50 мм, 35,2x35,2 мм, 28,8x28,8 мм, с утонением от 2 мм до 5 мм как на наружной, так и на внутренней стенке при различном давлении жидкости (рис. 2). Кроме того, моделировались и сравнивались участки трубопроводов с одинаковой суммарной площадью коррозионного поражения, но различным количеством и расположением дефектов (рис. 3). Типы и размеры дефектов выбирались на основе анализа статистики коррозионных поражений трубопроводов различных видов.

Дефекты на трубопроводе моделировались переменной глубины, от 0 мм у краев, с плавным уменьшением толщины стенки и максимальным утонением в центре до 2 мм, 3 мм, 5 мм. Для каждой модели участка трубопровода проведен модальный анализ и рассчитаны частоты собственных ко-

Рис. 4. Диаграмма изменения частот бездефектного трубопровода в зависимости от создаваемого в нем давления жидкости

е 3000

7 2000

* 1 дефгк! 5ю см п2.цефекта 00332x5.52 см

* 3 дефекта по 2,88x2,88 см

Формы колебания

Рис. 5. Диаграмма зависимости изменения частот собственных колебаний трубопроводов с одинаковой площадью поражения, и различным количеством и расположением дефектов

на внутренней стенке

лебаний. Для определения изменения частот при нагружении трубопровода давлением от 0 до 0,4 МПа, с шагом 0,1 МПа, было смоделировано воздействие среды на внутреннюю стенку трубопровода и осуществлен анализ структурно-жидкостного взаимодействия в Агкуэ. Анализ результатов показал, что частоты моделей с дефектами возрастают с увеличением давления жидкости, а у бездефектных практически не меняются. Причем у трубопроводов с дефектами интенсивнее изменяются часто-

ты в диапазоне от 3 кГц и выше (рис. 4).

Анализ результатов моделирования и расчета трубопроводов, выполненных во второй главе, позволил сделать следующие выводы:

1. В спектре колебаний бездефектных трубопроводов присутствуют преимущественно низкие частоты от 200 до 3000 Гц, а для трубопроводов с дефектами характерно возрастание частот колебаний до 4500 Гц и наличие дополнительных частот в диапазоне от 6000 до 9000 Гц. Наличие мелких дефектов проявляется в более высокочастотной области.

2. При увеличении давления жидкости в трубопроводе возрастает усиление ее воздействия на стенки. Наблюдается сдвиг частот дефектного участка трубопровода в высокочастотную область (рис. 4). Такой эффект объясняется возникновением вибрации, значение виброускорения которой выше в месте уменьшения толщины стенки.

3. Установлено что с увеличением числа дефектов при одинаковой площади поражения частотный диапазон колебаний участка трубопровода возрастает (рис. 5). Расширение диапазона вызвано тем, что дефекты, являющиеся своего рода мембранами, испускают частоты

Рис. 6. Схема и фотография стенда для исследования участков труб: 1 - ударник; 2 - пьезоэлектрический датчик; 3 -исследуемый участок трубопровода; 4 -блок аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (АЦП-ЦАП); 5 - персональный компьютер.

более высоких порядков.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию дефектных участков трубопроводов. Рассмотрены вопросы определения геометрических размеров дефектов, проанализированы изменения амплитудно-частотной характеристики трубопроводов в зависимости от давления перекачиваемой среды.

Для детального изуче-

1

Г Н&Ь

£

в

А

10

АЦП-ЦАП 11 Г ПК

С

ния факторов, влияющих на определение информативных критериев наличия дефектов, были проведены эксперименты на стенде для исследования незаполненных участков труб (рис. 6) и на экспериментальном стенде для исследования трубопроводов с циркулирующей жидкостью и возможностью нагружения давлением до 0,4 МПа (рис 7).

Оценка погрешностей экспериментальных стендов проводилась вероятностно-статистическим методом, установленным ГОСТ 8.207-76, предусматривающим определение погрешности по характеристикам законов распределения погрешностей средств измерений, входящих в состав системы.

Полученные в ходе экспериментов на стендах данные позволили выявить за-

Рис. 7. Экспериментальный стенд для исследования нагруженных трубопроводов: 1 - вентиль; 2 - манометр; 3 - ударник; 4, 7 - пьезодатчики; 5 - трубопровод; 6 - дефект; 8 - обратный клапан; 9 - емкость; 10 - насос; 11 - АЦП-ЦАП; 12 - персональный компьютер.

кономерности, связанные с изменением частотного диапазона в акустических спектрах трубопроводов в зависимости от наполняющей его среды и от создаваемого давления.

Экспериментальный стенд для исследования незаполненных участков труб показал высокий уровень достоверности получаемых данных, которые могут быть применены для первичного детектирования дефектов, когда необходимо обнаружить заводской брак. Однако для контроля действующих трубопроводов, находящихся в эксплуатации и перекачивающих жидкости, данные, полученные со стенда для исследования незаполненных участков труб, недостаточны. Это связано с тем, что скорость распространения звука зависит как от среды, в которой он распространяется, так и от состояния этой среды (температуры, давления, влажности и др.).

Трудности проведения исследований на реальных трубопроводах объясняются следующими факторами:

1) отсутствием возможности изменения давления в необходимых пределах вследствие нарушения технологического процесса;

2) отсутствием возможности моделирования дефектов на реальных

трубопроводах для установления зависимости изменения частот собственных колебаний в результате развития дефекта;

3) наличием большого количества неучтенных погрешностей на реальных трубопроводах, вызванных: арматурой различных видов, способом укладки, отводами, посторонним шумом и другими особенностями, которые существенно снижают точность замеров.

В связи с вышеперечисленными трудностями возникла необходимость создать экспериментальный стенд для исследования нагруженных трубопроводов, на который получен патент на полезную модель №108551 «Устройство для диагностирования трубопроводов».

4000 5000 6000 ЧАСТОТА, Гч

в!

Рис. 8. Спектры частот собственных колебаний: а) бездефектного трубопровода с движущейся жидкостью под давлением 0,3 МПа.; б) трубопровода с дефектом 50x50мм, глубиной 5 мм с движущейся жидкостью под давлением 0,3 МПа; в) трубопровода с дефектом 50x50мм, глубиной 5 мм с движущейся жидкостью под давлением 0,2 МПа

Выводы по третьей главе диссертации:

1. В спектре собственных колебаний бездефектных трубопроводов присутствуют преимущественно низкие частоты до 2500 Гц (рис. 8, а), тогда как в спектрах дефектных трубопроводов выявились более высокие частоты (рис. 8, б).

2. С увеличением давления жидкости (воды) от 0 до 0,4 МПа максимальная амплитуда в спектре сигнала трубопровода смещается в область более высоких частот, и в месте утонения стенки акустический сигнал максимальный (рис. 8 от (в) к (б))-

Четвертая глава посвящена обработке данных, полученных в ходе исследований трубопроводов искусственными нейронными сетями, создание метода контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии сетью Кохонена. Применение искусственных нейронных сетей, в отличие от классических методов обработки результатов, позволяют учитывать значения некоторых переменных, которые могут быть искажены шумом или частично отсутствовать, а также нелинейный характер взаимодействия звуковых волн. Это, в свою очередь, позволяет регистрировать наличие дефектов трубопроводов на правильно обученной нейронной сети даже при высоком уровне шумов.

В работе были проанализированы следующие типы сетей:

- нейронная сеть Кохонена;

- нейронная сеть "многослойный персептрон";

- обобщенная регрессионная нейронная сеть;

- нейронная сеть "радиальная базисная функция";

- вероятностная нейронная сеть;

- линейная нейронная сеть.

Применительно к задаче классификации трубопроводов по амплитудно-частотным характеристикам их собственных колебаний лучшую результативность показали 2 нейронные сети: сеть Кохонена и обобщенная регрессионная нейронная сеть. Обе сети правильно определили принадлежность к дефекту по контрольной выборке. Однако предпочтение в обработке экспериментальных данных получили сети Кохонена в связи с тем, что показали максимальное число верных ответов.

В рабочей среде ЬаЬЧ^еш 8.5 разработана специализированная программа «Ыеигоггасег» (рис. 9), которая реализует метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии сетью Кохонена. Результатом работы про-

Рис. 9. Лицевая панель программы МеипЛгасег Таммы шляется вывод

г на экран монитора ин-

формации о вероятности наличия на контролируемом участке трубопровода дефекта и его размера.

Программа обеспечивает выполнение следующих функций:

- регистрацию и обработку сигналов, поступающих от датчиков;

- определение наличия дефекта и его размера;

- определение технико-эксплуатационной пригодности трубопровода.

В зависимости от точности решаемой задачи и подробности обучающей выборки, программа способна выдавать более уточненные результаты классификации

баадтность'дефекта (%)

• дефект 5 см 77"

Ф дефект 10 см Шр: £

.. г.-.*.^ Щ дефект 15 см 4

ТР г®1 дефект 20 см ?

9 дефект 25 см 1

.»-^ЯВОС^ЧО «¡«.«.А» | • Щ | ИНН ' .... I

значений, где различия в величине дефекта составляют несколько миллиметров.

Алгоритм функционирования сетей Кохонена:

1. Инициализация сети. Весовым коэффициентам сети даются небольшие случайные значения.

2. Предъявление сети нового входного сигнала.

3. Вычисление расстояния до всех нейронов сети: расстояния <3] от входного сигнала до каждого нейрона] определяются по формуле:

с^ = £^(^(0 ¡(0), где х, - ьый элемент входного сигнала в момент времени 1, - вес связи от 1-го элемента входного сигнала к нейрону j в момент времени 1

4. Выбор нейрона с наименьшим расстоянием: выбирается нейрон-победитель ]*, для которого расстояние ^ самое малое.

5. Настраивание весов нейрона]* и его соседей: делается настраивание весов для нейрона ^ и всех нейронов из его окрестности ИЕ. Новые значения весов: и>,,

(Ь+1) (Ь) +г (Ь) (X! (I) (Ь) ) .

где г(1) - скорость обучения, которая уменьшается с течением времени (положительное число, меньше единицы).

6. Возвращение к шагу 2.

В алгоритме используется коэффициент скорости обучения, который постепенно уменьшается, для тонкой коррекции на новой эпохе. В результате центр устанавливается в определенной позиции, которая удовлетворительным образом кластеризует примеры, для которых данный нейрон является победителем.

В данной программе производилась подробная классификация образцов бездефектной и дефектных труб с одинаковым распространением дефекта по поверхности величиной 50x50 мм и различной глубиной поражения: 2 мм, Змм, 5 мм.

На программу «№иго1гасег» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011618176.

Для того чтобы нейронная сеть научилась правильно классифицировать трубопроводы по наличию конкретных типов дефектов, ей необходимо задать корректную обучающую выборку. Сети предъявлялись выборки значений амплитудно-частотных характеристик трубопроводов различной дефектности: выборка для бездефектного трубопровода, выборка для трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 2 мм, выборка для трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 3 мм, выборка для трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 5 мм. Каждая выборка задавалась девятью столбцами значений по каждой точке на трубопроводе, дня каждой точки задавалось 1000 значений форм колебаний.

Процент правильности классификации контрольных выборок программой «К'еиго1гасег»:

- бездефектная выборка-100%;

- выборка трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 2 мм - 67%;

- выборка трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 3 мм - 99%;

- выборка трубопровода с дефектом 50x50 мм и глубиной 5 мм - 99%.

В качестве перспективного направления дальнейших исследований был изучен вопрос о целесообразности применения нового оборудования для съема сигналов с трубопроводов, а именно применения трехкомпонентных вибропреобразователей.

Вывод по четвертой главе: результаты классификации технического состояния трубопроводов обученной нейронной сетью Кохонена показывают хорошие способности к анализу неизвестных образцов и степень достоверности их распознавания. С развитием технологий получения сигнала достоверность классификации нейронными сетями увеличится.

Заключение

В результате численного моделирования, проведения и обработки экспериментов в работе решены следующие задачи:

1. Теоретически обоснована методика, позволяющая определять геометрические размеры дефектов типа коррозионного утонения стенки по параметрам колебаний участка трубопровода. Обоснование сделано на основе анализа данных, полученных в ходе конечно-элементного моделирования и расчета дефектов различных размеров.

2. Разработана методика определения количества дефектов в трубопроводе. Установлено, что с увеличением числа дефектов при одинаковой площади поражения частотный диапазон колебаний участка трубопровода возрастает. Расширение диапазона вызвано тем, что дефекты, являющиеся своего рода мембранами, испускают частоты более высоких порядков.

3. Разработан экспериментальный стенд и проведены исследования дефектов участков трубопроводов. На стенде было подтверждено теоретическое предположение о расположении дефектных интервалов и об их смещении вследствие изменения геометрических размеров.

4. Разработана экспериментальная установка с учетом влияния циркуляции и давления жидкости на собственные частоты колебаний трубопровода. При сравнении частот трубопроводов без жидкости и трубопроводов с циркулирующей жидкостью обнаружено, что при одинаковом уровне коррозионного поражения их частоты разнятся. Расхождение усиливается прямо пропорционально увеличению давления жидкости в трубопроводе.

5. Определены информативные критерии наличия дефекта трубопровода. Установлено, что для бездефектных труб характерны низкие частоты от 200 до 3000 Гц, а для труб с дефектами характерно возрастание частот колебаний до 4500 Гц и наличие дополнительных частот в диапазоне от 6000 до 9000 Гц. Наличие мелких дефектов проявляется в более высокочастотной области.

6. Усовершенствован в ходе теоретических и экспериментальных исследований известный «Способ обнаружения дефектов в трубопроводе», на основе установления информативных критериев наличия дефектов и их размеров в трубопроводах, перекачивающих жидкости, при изменении параметров давления и скорости циркуляции потока.

7. Создана нейронная сеть Кохонена для обработки массива данных полученных акустических сигналов трубопроводов.

Решение поставленных в работе задач позволило разработать виброакустический комплекс для контроля технического состояния трубопроводов, основанный на анализе их отклика на импульсные воздействия.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Серов В.В. Определение информативных параметров дефектов трубопроводов методом конечных элементов / Петрушенко Ю.Я., Ваньков Ю.В., Зиган-шин Ш.Г., Серов В.В. // Казань: Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 7-8, С. 149-154.

2. Серов В.В. Изучение влияния коррозионных дефектов на параметры колебаний трубопроводов на ранней стадии зарождения / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Зиганшин Ш.Г., Измайлова Е.В. И Казань: Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 11-12, С.144-153.

3. Серов В.В. Устройство для диагностирования трубопроводов: пат. на пол. модель 108551 Рос. Федерация: МПК П70 3/00 / Серов В.В., Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Измайлова Е.В.; заявл. 12.04.2011, опубл. 20.09.2011, бгол. №26.

4. Серов В.В. Neurotracer: свид. о гос. per. прогр. для ЭВМ 2011618176 Рос. Федерация / Серов В.В., Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Акугин М.В., Измайлова Е.В.; заявл. 19.07.2011, опубл. 18.10.2011.

5. Серов В.В. Оценка надежности системы теплоэнергоснабжения предприятия на основе математических моделей / Серов В.В., Зиганшин Ш.Г., Ваньков Ю.В. // Материалы докладов XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, Казань, КВАУ, 2007. С. 93-94.

6. Серов В.В. Надежность систем теплоэнергоснабжения химических предпрятий / Ваньков Ю. В., Серов В. В. // Сборник материалов докладов II Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань: КГЭУ, 2007. С. 41-^12.

7. Серов В.В. Декомпозиция технической системы при анализе надежности химиеского предприятия / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Сборник материалов докладов III Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения», посвященной 40-летию КГЭУ. Казань: КГЭУ, 2008. С. 49-50.

8. Серов В.В. Определение информативной области частот дефектов для создания акустического дефектоскопа / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Костылева Е.Е., Зиганшин Ш.Г. // Сборник трудов 12-й международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». Сочи: МГУПИ, 2009. С. 73-77.

9. Серов В.В. Моделирование трубопроводов и расчет их частот собственных колебаний методом конечных элементов / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу творчество молодых». Т. 2. Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 2009. С. 143-144.

10. Серов В.В. Разработка методики определения коррозионного поражения трубопроводов с целью предотвращения утечек и обеспечения энергосбережения / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Сборник научных трудов X Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Казань: ЦЭТ РТ при КМ РТ, 2009. С. 83-88.

11. Серов В.В. Анализ изменения частот трубопровода в результате развития коррозионного дефекта и варьирования давления теплоносителя / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Ярцева Н.В., Измайлова Е.В. // Сборник научных трудов XI Международного Симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Казань: ЦЭТ РТ при КМ РТ, 2010. С. 89-93.

12. Серов В.В. Разработка акустического дефектоскопа для диагностики трубопроводов с применением возможностей искусственных нейронных сетей / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Тырышкин В.Н. // Сборник трудов 13-й международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». Сочи: МГУПИ, 2010. С. 122-125.

13. Серов В.В. Повышение качества диагностики трубопроводов на промышленных предприятиях / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Сборник трудов VI Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло- и массообмен-ных процессов в химической технологии». Казань: КГТУ (КХТИ), 2010. С. 177-180.

14. Серов В.В. Алгоритм обнаружения и локализации утечки из трубопровода / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Сборник материалов докладов VI Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань: КГЭУ, 2011. С. 45^16.

15. Серов В.В. Применение искусственных нейронных сетей для анализа массивов частот, полученных в результате диагностирования трубопроводов / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Международная молодежная научная конференция по есте-

ственнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу творчество молодых». Т. 2. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. С. 123-124.

16. Серов В.В. Разработка акустического диагностического комплекса с применением искусственных нейронных сетей / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Материалы докладов XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КВВКУ, 2010. С. 257-258.

17. Серов В.В. Разработка устройства для повышения качества диагностики трубопроводов / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Зиганшин Ш.Г. // Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу творчество молодых». Т. 2. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. С. 111-112.

18. Серов В.В. Реализация программно-аппаратного комплекса для повышения достоверности контроля трубопроводов / Ваньков Ю.В., Серов В.В., Зиганшин Ш.Г. // Материалы докладов международной научно-технической конференции «XVI Бенардосовские чтения». Иваново: ИГЭУ, 2011. С. 23-26.

19. Серов В.В. Разработка акустического диагностического комплекса на основе анализа распространения акустических сигналов в трубопроводах с жидкостью / Ваньков Ю.В., Серов В.В. // Материалы докладов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КВВКУ, 2011. С. 24-26.

Подписано к печати 16.03.12 Формат 60 х 84 /16 Гарнитура "Times" Вид печати РОМ Бумага офсетная Физ. печ. л. 1,0. Усл. печ. л. 0,94 Уч. - изд. л. 1,0 Тираж 100 экз._Заказ № ¿2/6'_

Типография КГЭУ 420066, Казань, ул. Красносельская, д. 51

61 12-5/3234

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Серов Виктор Владимирович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА ИМПУЛЬСНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Ваньков Юрий Витальевич

Казань - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Состояние вопроса исследований 11

1.1. Общая характеристика трубопроводных систем 11

1.2. Противоречия в процессах эксплуатации и развития трубопроводных транспортных систем 14

1.3. Классификация дефектов 17

1.4. Методы технической диагностики трубопроводов 20

1.4.1. Существующие методы обнаружения дефектов и утечек 22

1.4.2. Капиллярный метод 24

1.4.3. Визуально-оптический метод 25

1.4.4. Метод магнитной памяти металла 27

1.4.5. Метод вихревых токов 28

1.4.6. Радиационный метод 29

1.4.7. Акустический метод контроля 30

1.4.8. Метод свободных колебаний 32

1.5. Классификация акустических приборов по типу определяемых дефектов трубопроводов 34

1.5.1. Существующие приборы для диагностики трубопроводов 38

1.5.2. Недостатки рассмотренных приборов для диагностики трубопроводов 44

1.6. Постановка задачи 44

2. Конечно-элементное моделирование коррозионных дефектов трубопроводов и определение их информативных критериев 47

2.1. Преимущества применения метода конечных элементов 48

2.2. Три стадии приближения моделирования трубопроводов 49

2.3. Методика построения и расчет конечно-элементной модели трубопровода 51

2.4. Расчет частотных характеристик гибких пластин 51

2.5. Моделирование и расчет трубопроводов с дефектами. Определение количества дефектов 57 2.5.1. Расчет частотных характеристик трубопровода под действием внутреннего давления 63

2.6. Анализ результатов моделирования и расчета трубопроводов 65 3. Экспериментальные исследования дефектных участков трубопроводов 67

3.1. Экспериментальный стенд для исследования участков труб 67

3.1.1. Оценка погрешности стенда для исследования участков труб 69

3.1.2. Экспериментальные данные полученные на стенде для исследования участков труб 71

3.1.3. Анализ данных полученных на экспериментальном стенде для исследования участков труб 74

3.2. Анализ изменения амплитудно-частотной характеристики трубопроводов в зависимости от перекачиваемой среды 77

3.2.1. Экспериментальный стенд для диагностики нагруженных трубопроводов с циркулирующей жидкостью 77

3.2.2. Преимущества экспериментального стенда для исследования нагруженных трубопроводов с циркулирующей жидкостью 80

3.2.3. Оценка погрешности экспериментального стенда для диагностики нагруженных трубопроводов с циркулирующей жидкостью 81

3.2.4. Анализ результатов полученных в ходе экспериментов проводимых на экспериментальном стенде для диагностики нагруженных трубопроводов с циркулирующей жидкостью 83

4. Обработка и классификация данных полученных в ходе

исследований. 90

4.1. Классификация нейронных сетей 90

4.1.1. Структура и принципы работы нейронной сети. 93

4.1.2. Однослойный персептрон 94

4.1.3. Нейронная сеть обратного распространения. Многослойный персептрон 95

4.1.4. Сеть Хопфилда 97

4.1.5. Сеть Кохонена 100

4.1.6. Обучение сети Кохонена 103

4.2. Выбор структуры нейронной сети 106

4.2.1. Сравнение сетей. Выбор оптимальной сети 106

4.2.2. Метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии сетью Кохонена. Программа постобработки данных«№иго1:гасег» 113

4.2.3. Подготовка данных предъявляемых для обучения и функционирования нейронной сети 116

4.2.4. Результаты обработки экспериментальных данных обученной сетью 124

4.3. Направление дальнейших исследований 131 Заключение 134 Список используемой литературы 136 Приложения 151

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Россия располагает крупнейшим в мире топливно-энергетическим комплексом, который длительное время развивался по пути концентрации тепловых нагрузок и централизации теплоснабжения на основе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Системы централизованного теплоснабжения обеспечивают тепловой энергией до 75 % потребителей. Общая протяженность тепловых сетей в Российской Федерации составляет более 257 тыс. км. Преобладающим видом прокладки, около 80 %, является подземная прокладка в непроходных каналах. Бесканальные прокладки и надземные трубопроводы составляют не более 20 % [97].

Основной объем тепловых сетей в Российской Федерации был проложен или реконструирован в 70-80-е годы XX века. Прогрессирующий износ изоляционного покрытия и тепловых коммуникаций в настоящее время превышает допустимые нормы и приводит к чрезмерным тепловым потерям [125]. Тепло- и водоснабжающие трубопроводные сети в большей мере подвержены коррозии, и процессам трещинообразования, поскольку они не содержат средств электрохимической защиты и в процессе сооружения и эксплуатации не подвергаются дефектоскопическому контролю. В результате в настоящее время во многих населенных пунктах России ресурс трубопроводных сетей коммунальных служб выработан на 70-80 процентов, сети имеют множество утечек [64]. По опубликованным данным, реальные тепловые потери трубопроводов тепловых сетей составляют 324 млн. Гкал/год, или 59,5 млн. т. у. т./год, что составляет около 16% отпускаемой потребителям теплоты. Таким образом, в существующих тепловых сетях имеются большие резервы экономии тепловой энергии.

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 года, приоритетными направлениями развития энергетики и теплоснабжения

являются снижение удельных затрат топлива при производстве и потреблении энергоресурсов за счет применения энергосберегающих технологий и оборудования, увеличение надежности теплоснабжения, а также сокращение тепловых потерь при транспортировке теплоносителя. Успешное решение этих задач связано с заменой основного теплофикационного оборудования, использованием новейших высокоэффективных теплоизоляционных материалов для теплозащиты трубопроводов, а также с совершенствованием методов расчета и диагностики тепловых сетей на основе поиска оптимальных решений и системного подхода [120].

Анализ причин отказов магистральных трубопроводных систем показал, что в процессе эксплуатации более вероятны местные или локализованные повреждения, а не повальное ухудшение свойств материала по всей длине трубопровода. Причинами таких повреждений являются интенсивные пластические деформации, развивающиеся в зонах перенапряжений из-за технологических дефектов, дефектов монтажа (сварка под напряжением), интенсивных очагов коррозионных повреждений, подвижек грунта, температурных и других воздействий, приводящих к неоднородным статическим и динамическим нагрузкам. Совокупность эксплуатационных нагрузок вызывает локальное образование двух основных типов повреждений, приводящих в конечном итоге к разрушению трубопровода - это трещиноподобные дефекты и дефекты коррозионной природы. В этой связи необходима оценка технического состояния трубы в потенциально опасных областях [62, 82, 122].

В настоящее время разработано большое многообразие методов и средств контроля герметичности. При этом для контроля герметичности трубопроводов наибольшее распространение получил метод акустической эмиссии (АЭ). Метод позволяет дистанционно обнаруживать малые утечки, определять их местоположение и судить о характере повреждения.

Разработанные на основе метода АЭ течеискатели, по способу обработки сигнала можно разделить на две группы: корреляционные и амплитудные. Высокая помехозащищенность амплитудных алгоритмов обработки сигналов АЭ предопределила разработку на их основе систем непрерывного контроля герметичности, для которых наиболее важным является быстрое и достоверное определение наличия течи, при минимальном значении вероятности ложного срабатывания. Однако платой за это является не большая зона контроля (100 - 200м), что существенно осложняет проведение контроля протяженных участков, и ограничивает применение разработанной аппаратуры. В задачах же где главным является определение координат утечки (поиск утечек в условиях города), наибольшее распространение получили корреляционные алгоритмы обработки сигналов, позволяющие локализовать утечку с точностью до 1м. Однако при этом они характеризуются плохой помехозащищенностью (спектр полезного сигнала и спектр шума перекрываются) и низкой чувствительностью. Кроме того, имеются трудности, обусловленные недостаточным исследованием закономерностей распространения сигналов АЭ по трубопроводам с движущейся жидкостью, проложенных в грунте [63].

С экологической и экономической точки зрения, целесообразнее предупреждать возникновение утечек в трубопроводах, а не констатировать факт их появления. Для этого существует большое многообразие дефектоскопов, различных как по принципу действия, так и по способу обработки сигнала. Наиболее достоверными на сегодняшний день признаны акустические дефектоскопы. Однако и они имеют ряд недостатков: сложности в определении вида дефекта, возникают трудности с обнаружением локальных дефектов размером менее 20 см в диаметре, неверная классификация группы одинаковых по размеру дефектов локализованных в пределах 10 метров.

Вышеизложенные ограничения области применения и недостатки существующих приборов, делают актуальной задачу разработки усовершенствованных метода контроля и акустического диагностического комплекса.

В данной работе рассмотрен и устранен ряд недостатков присущих существующим дефектоскопам, такие как: ограниченность по исследуемым диаметрам трубопроводов, невозможность диагностирования участков менее 40 м, сложность выявления объемных дефектов - микровключения других фаз, поры и трещины, трудности с обнаружением локальных дефектов размером менее 20 см в диаметре и т.д.

На основании полученных теоретических и практических выводов, разработана методика определения величины дефекта по параметрам частот собственных колебаний трубопровода, основанная на использовании более совершенного способа поиска дефектов, с применением математического аппарата, программного обеспечения, разработкой и использованием экспериментального акустического диагностического комплекса, с применением возможностей искусственных нейронных сетей.

Научная новизна работы:

1. Разработан и создан экспериментальный виброакустический комплекс для исследования трубопроводов, основанный на анализе акустического отклика на импульсные воздействия.

2. Определена зависимость между давлением в системе трубопроводов и частотным спектром колебаний очагов коррозии, заключающаяся в том, что при увеличении давления жидкости в трубопроводе наблюдается интенсивное увеличение амплитуд и частот дефектного участка трубопровода. Такой эффект объясняется возникновением вибрации, значение виброускорения которой выше в месте уменьшения толщины стенки.

3. Разработан метод контроля состояния трубопроводов на основе анализа сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

Автор защищает:

1. Информативные критерии наличия коррозионного поражения напорного трубопровода, определяемые с использованием метода конечных элементов.

2. Результаты экспериментальных исследований, выявившие различия в спектрах частот собственных колебаний трубопроводов и частот очагов коррозионного поражения.

3. Способ определения размера коррозионного дефекта трубопровода анализом частот колебаний на основе нейросетевого алгоритма.

4. Метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во введении обоснована актуальность исследований, научная и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы. В первой главе сделан обзор литературы по существующим методам неразрушающего контроля трубопроводов, дана оценка состояния вопроса на данный момент, сформулированы цель и задачи исследования. Вторая глава посвящена определению информативных критериев наличия коррозионных дефектов участков напорного трубопровода. В третьей главе сделан анализ сигналов полученных с экспериментальных стендов для исследования участков трубопроводов, и рассмотрены вопросы идентификации дефектов участков трубопроводов. Четвертая глава посвящена обработке и классификации данных полученных в ходе исследований участков трубопроводов.

Работа выполнена на кафедре «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» (ПТС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Основные вопросы диссертационной работы изложены в 2 статьях, 15 материалах конференций, 1 патенте на полезную модель, 1 авторском свидетельстве.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII - XIII Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Сочи - Москва, МГУПИ, 2009 - 2010); X, XI Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, ЦЭТ РТ при КМ РТ, 2009 - 2010); XVI Международной научно-технической конференции «Бенардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2011); II, III, VI Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2007, 2008, 2011); Всероссийских научных молодежных конференциях по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, МарГТУ, 2009 -2011); XIX, XXII, XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 2007, 2010, 2011); VI Всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (Казань, КГТУ, 2010), аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ.

За поддержку в работе, ценные указания и замечания автор искренне благодарит научного руководителя проф. Ванькова Ю.В., заведующего кафедрой ПТС КГЭУ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Общая характеристика трубопроводных систем

Трубопроводные транспортные системы (TTC) представляют собой, с одной стороны, подкласс инженерных сетевых систем, с другой - подкласс транспортных систем. Схема, приведенная на рис. 1.1, иллюстрирует «симбиозный» характер трубопроводных систем по отношению к транспорту и инженерным сетям. Данная схема достаточно условная, так как она не отражает всего многообразия признаков классификации и, всех возможных типов транспортных и сетевых систем. В ней не учитывается то, что транспортные системы могут быть разделены: по степени доступа - на системы общего пользования и промышленные; по характеру перемещаемых объектов - на пассажирские и грузовые; по территориальному признаку - на региональные и общегосударственные (межрегиональные); по форме собственности - на частные и государственные; по ряду других признаков.

Трубопроводные системы представлены более подробно, это объясняется это тем, что основное назначение схемы определить объект дальнейших исследований.

Под понятие «объект исследования» попадают, приборы и методы контроля состояния магистральных трубопроводных систем, для которых характерна значительная протяженность маршрута транспортирования продуктов (сотни и тысячи километров). К ним относятся:

- нефте- и газопроводы для транспорта природного газа и нефти от мест добычи к удаленным местам их переработки;

- магистральные продуктопроводы, предназначенные для перемещения готовых нефтепродуктов с заводов в районы потребления.

Существует много систем самого различного хозяйственного назначения, близких к магистральным трубопроводным транспортным

системам по характеру решаемых задач, конструктивному исполнению, техническому воплощению и принципу осуществления транспорта продукта. К таким системам, в первую очередь, следует отнести подводящие трубопроводные системы. К ним относятся нефтепроводы, предназначенные для транспортировки нефти с промыслов на основные сооружения магистрального нефтепровода, а также нефтепродуктопроводы с нефтеперерабатывающих заводов на головные сооружения магистральных нефтепродуктопроводов. В отличие от магистральных подводящие трубопроводные с