автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и аппаратуры акустического контроля прохождения внутритрубных объектов

На правах рукописи

Калиниченко Алексей Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АППАРАТУРЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ВНУТРИТРУЕНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Томск-2010

004616652

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кулешов Валерий Константинович

Официальные оппопенты: доктор технических наук, профессор

Смирнов Геннадий Васильевич

доктор технических наук, профессор Недавний Олег Иванович

Ведущая организация: ФГУП Сибирский научно-исследовательский

институт авиации им. С. А. Чаплыгина (г. Новосибирск)

Защита состоится «29 » декабря 2010 г. в 15 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: Россия, 634028, г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215 (актовый зал).

С диссертационной работой можно ознакомиться в научно-технической библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан « ХЬ » ноября 2010 г.

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций,

кандидат технических наук, доцент Винокуров Б.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Строительство новых и модернизация действующих трубопроводных систем нефтегазового комплекса России предполагает улучшение работы контрольно-измерительных приборов и средств автоматики.

Внутритрубные объекты (ВТО) различного технологического назначения, движущиеся с потоком перекачиваемого продукта - механические разделители для перекачки нефти с различными физико-химическими свойствами, устройства для очистки полости трубы, профилемеры, дефектоскопы -достаточно широко используются при строительстве и эксплуатации трубопроводов.

Одной из проблем, связанных с использованием ВТО, является определение их местоположения при движении в трубопроводе в реальном времени. Контроль перемещения ВТО по трубопроводу необходим для решения ряда технологических задач. Знать положение устройства необходимо также в случае его остановки или застревания, чтобы целенаправленно и с наименьшими затратами организовать его извлечение либо проталкивание.

Цель работы - разработка метода и аппаратуры контроля прохождения ВТО контрольной точки акустическим методом.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:

- выявить закономерности формирования и распространения сигналов акустической эмиссии (АЭ) в стенке функционирующих нефте- и газопроводов, вызванных движением ВТО;

- провести теоретические и экспериментальные исследования параметров АЭ сигнала, полученного в результате прохождения ВТО;

- исследовать характеристики акустических шумов, наводимых работой трубопровода и условиями окружающей среды;

- разработать алгоритм регистрации прохождения ВТО и оценить его достоверность;

- разработать структурную схему акустического сигнализатора прохождения ВТО.

Методы исследования. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать решению поставленных задач. При исследовании характеристик сигналов АЭ применялись методы механических испытаний в разных режимах. В диссертации приведены результаты исследований, полученные с использованием методов цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и случайных процессов.

Часть экспериментальных исследований выполнялись на магистральных нефтепроводах ОАО «Центрсибнефтепровод» на территории Томской области.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с помощью специального программного обеспечения.

Научная новизна. Решение поставленных задач определило новизну данной диссертационной работы, которая заключается в следующем:

- впервые экспериментально выявлены закономерности изменения параметров сигналов АЭ, возникающих в стенке трубопровода, в зависимости от условий фрикционного взаимодействия;

- получены зависимости, описывающие влияние воздействий, не связанных с движением ВТО, на сигнал АЭ, формируемый в стенке трубопровода;

- разработан алгоритм работы и структурная схема аппаратуры акустического контроля прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО.

На защиту выносятся:

- утверждение, что на основании экспериментально полученных закономерностей изменения параметров сигналов АЭ, определена верхняя граница частотного диапазона, в котором необходимо регистрировать сигнал АЭ от прохождения ВТО, которая составляет 250 кГц;

- утверждение, что эффективная ширина полосы частот внешних акустических шумов, не связанных с движением ВТО, достигает 100 кГц, что определяет нижнюю границу частотного диапазона, в котором необходимо регистрировать сигнал АЭ от прохождения ВТО;

- алгоритм работы и структурная схема акустического сигнализатора прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО.

Практическая ценность работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования параметров сигналов АЭ, возникающих при трении элементов ВТО о стенку трубопровода, которые позволяют разработать структурную схему акустического сигнализатора и алгоритм обработки сигналов АЭ от прохождения ВТО с улучшенными техническими характеристиками. На предложенное устройство получено решение о выдаче патента РФ на изобретение. Также проведенные исследования будут полезны при проектировании других систем автоматики и контроля.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных исследований используются при разработке новой модификации акустического сигнализатора прохождения внутритрубных объектов СПРА-4.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась измерений и испытанием на аттестованном оборудовании по требованиям ГОСТов, а так же применением стандартных методов статистической обработки.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований; разработке устройств и средств испытательной аппаратуры; разработке алгоритмов обработки экспериментальных данных и теоретических исследований; анализе результатов экспериментов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- XIII Международная научно-практическая конференция «Качество-стратегия XXI века», г. Томск, 4 декабря 2008г.

- Международная научно-практическая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика», г. Томск, 9-11 сентября 2008г.

- XVI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 12-16 апреля 2010г.

- II Международная научно-техническая конференция «Инновационные технологии в методе акустической эмиссии», г. Москва, 8-12 ноября 2010г.

- XV Международная научно-практическая конференция «Качество-стратегия XXI века», г. Томск, 8-9 декабря 2010г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 8 публикациях. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и электронных ресурсов из 99 библиографических ссылок. Работа содержит 141 страницу основного текста, 4 таблицы, 69 рисунков и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая значимость проблемы. Сформулированы цели и задачи работы, приведена краткая характеристика работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изучено состояние вопроса, представлен аналитический обзор наиболее известных в настоящее время устройств для сигнализации прохождения ВТО и определения их местоположения в трубопроводе. Приведен патентный обзор различных способов и устройств, предназначенных для решения данной проблемы. Проанализированы тенденции развития технических систем сопровождения ВТО.

Анализ материалов первой главы показывает, что основные устройства можно разделить на две группы: контактные (механические) и бесконтактные (акустические и магнитные). По способу работы акустические приборы можно разделить на активные сигнализаторы (с излучателем, устанавливаемым на

ВТО) и пассивные сигнализаторы (без излучателя, устанавливаемого на ВТО), основанные на приеме акустической эмиссии, возникающей при трении элементов ВТО о стенку трубопровода.

Кроме описания перечисленных методов, в работе приведены их преимущества и недостатки, а также практическое применение в России и за рубежом.

сигнализации прохождения ВТО

Основные требования, которым должна удовлетворять аппаратура контроля за прохождением ВТО в трубопроводах, следующие:

- аппаратура должна быть максимально автоматизирована и работать в реальном масштабе времени. Выводить информацию о прохождении ВТО на диспетчерский пункт;

- аппаратура должна эффективно фиксировать момент прохождения ВТО контрольной точки и иметь высокую достоверность контроля (низкую вероятность ложного срабатывания сигнализатора и пропуска ВТО);

- на работу аппаратуры не должны влиять изменения параметров перекачиваемой среды (температура, вязкость, плотность), режимов перекачки (давление и расход), а также плотности и толщины отложений на внутренней поверхности труб;

- аппаратура должна обеспечивать конструкционную целостность трубопровода;

аппаратура должна обеспечивать простоту и надежность обслуживания, а также отсутствие вредного воздействия на обслуживающий персонал и окружавшую среду.

Также необходимо учитывать, что глубина залегания трубопроводов в грунте составляет от 1,8 до 3 м, толщина стенок трубопроводов от 8 до 30 мм. Сигнализатор должен обнаруживать ВТО, движущийся по трубопроводу со скоростями от 0,1 до 6 м/с, однако при случайных ускорениях скорость ВТО может доходить до 10,0 м/с.

Среди методов и средств, позволяющих бесконтактно регистрировать прохождение ВТО, наибольшее распространение получили акустические пассивные приборы СПРА-4 (НИИ интроскопии г. Томск) и ДПС-7В (ООО «Научно-техническое предприятие Инженерно-производственный центр»).

Из-за недостаточной изученности АЭ, возникающей при прохождении ВТО по трубопроводу, не определены некоторые технические характеристики устройств — минимальная и максимальная скорости движения ВТО при регистрации, точность регистрации момента прохождения ВТО контрольной точки, достоверность контроля.

Для создания новой аппаратуры сигнализации прохождения ВТО контрольной точки необходимо решить следующие задачи:

- на основе теоретических и экспериментальных исследований изучить АЭ, возникающую при трении элементов ВТО о стенку трубопровода;

- оценить оптимальный частотный диапазон регистрации прохождения

ВТО;

- исследовать параметры акустических шумов, возникающих от ударов о стенку трубопровода, проходящих транспортных средств и т.д.;

- предложить алгоритм обработки сигналов АЭ, позволяющий на фоне акустических шумов достоверно регистрировать момент прохождения ВТО контрольной точки.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям возможности бесконтактного контроля прохождения ВТО на основе регистрации сигналов АЭ.

Выявлены закономерности формирования и распространения сигналов АЭ вызванных трением элементов ВТО о стенку трубопровода (рисунок 2), согласно которым основным источником АЭ являются фрикционные автоколебания, которые поддерживаются за счет соударения микровыступов элементов ВТО и стенки трубопровода. Анализ источников АЭ показывает, что их энергия определяется природой взаимодействующих материалов и условиями взаимодействия контактирующих поверхностей.

На основе анализа информативных параметров сигналов АЭ предложен подход, основанный на сопоставлении амплитуд нескольких спектральных составляющих процесса АЭ, совпадающих с основными собственными частотами применяемых датчиков.

6746 5 3 54

Рисунок 2 - Работа щеточного очистного устройства с размывом отложений: 1 - струя продукта перекачки; 2 - сопло для размыва отложений; 3 - манжеты;

4 -диск щеточный; 5 — диск чистящий; 6 - отложения; 7 - диск ведущий.

По работам Баранова В.М. и Щавелина В.М. рассмотрено влияние характера фрикционного взаимодействия на параметры акустической эмиссии, которая фактически зависит от трех параметров: скорости взаимного скольжения тел, отношения среднеквадратических отклонений случайных функций, описывающих форму поверхностей, и относительной силы прижатия поверхностей.

Вид амплитудного распределения при различных значениях скорости взаимного скольжения и силы прижатия показан на рисунках 3 и 4.

О 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 А/Ад 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 А/А„

Рисунок 3 - Изменение амплитудного Рисунок 4 - Изменение амплитудного распределения АЭ-сигналов в зависимости распределения АЭ-сигналов в от скорости скольжения поверхностей зависимости от силы прижатия

поверхностей

С ростом скорости скольжения увеличивается скорость счета импульсов АЭ, причем разброс данных возрастает как с увеличением скорости движения, так и с увеличением нагрузки в паре трения.

Значительный разброс скорости счета можно объяснить следующими соображениями. Известно, что воспроизводимость результатов фрикционных испытаний не высока. В частности, в обычных атмосферных условиях имеет место существенный разброс значений коэффициента трения. Он обусловлен тем, что на фрикционные свойства поверхностей оказывает влияние большое число факторов, меняющихся даже при постоянных нагрузках и скоростях скольжения. Еще в большей степени эти факторы влияют на параметры АЭ,

которые более чувствительны к процессам в зоне фрикционного контакта, чем коэффициент трения. Кроме того, АЭ при трении представляет собой непрерывный случайный процесс, а при измерениях АЭ регистрируются выбросы этого процесса, превышающие определенный уровень дискриминации.

Анализ зависимости среднего значения активности АЭ от среднего арифметического отклонения профиля поверхности можно провести согласно зависимостям, полученными Щавелиным В.М., связывающим среднее число пятен контакта и их средний размер с приложенной нагрузкой, геометрическими характеристиками и физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей. Для случая упругого контактирования двух небольших шероховатых поверхностей, когда волнистостью можно пренебречь, имеем:

„0.71^0.71 ,0.29

(1)

Г Ка

Результаты экспериментальных исследований качественно подтверждают соотношение (1). Зависимость скорости счета АЭ в установившемся режиме от среднего арифметического отклонения профиля поверхности показана на рисунке 5.

0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 Ца

Рисунок 5 - Зависимость скорости счета АЭ от параметра шероховатости Яа.

Пара трения: диск - ЛС59, палец - ЛС59; без смазки

Таким образом, можно сделать вывод, что среднеквадратическое значение колебаний нормальной силы слабо зависит от средней нормальной нагрузки, а повышается с увеличением скорости и снижением шероховатости.

Особенностью распространения АЭ, генерируемой, в оболочках трубопроводов, является то, что АЭ, достигает приемного преобразователя различными путями, каждый из которых характеризуется скоростью распространения АЭ и коэффициентом их поглощения.

Скорость распространения сигналов АЭ, в основном, обусловлена типом перекачиваемого по трубопроводу продукта. Например, в трубопроводе с

нефтью скорость распространения акустической волны можно вычислить по зависимости:

/1

РО+тт^г)

(2)

8-Е„

где 8-толщина стенки трубопровода; ¿-внутренний диаметр трубопровода; Е и Ест - модули упругости нефти и материала трубы. Для параметров трубопровода и нефти с! = 0,82 м, 5 = 0,01 м, Ест = 2,6-10п Н/м2, Е = 2,0-Ю9 Н/м2 она составит порядка 1200 м/с.

Кроме скорости распространения сигналов другой важнейшей характеристикой акустического тракта является ослабление сигнала.

Анализ существующих теоретических представлений и экспериментальных исследований позволил установить, что зависимость коэффициента поглощения от частоты достаточно сильная, что следует из формулы (3) - коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты.

(3)

°> г/Е 4 ч ^

2 рс 3 с

На рисунке 6 приведены графики зависимости коэффициента затухания а, от радиуса К трубы при различных значениях толщины стенки - 5, на рисунке 7 - графики зависимости коэффициента затухания от толщины стенки трубы при различных значениях радиуса трубы.

а, дБ/м.

а, дБ/м 10°

10 1

103

101

ю-2

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Я, м 8 10 12 14 а, см

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента Рисунок 7 - Зависимость коэффициента

затухания от радиуса трубы при затухания от толщины стенки при

различных значениях толщины стенки: различных значениях радиуса трубы: 1 - 5= 8 мм; 2 -10 мм; 3 - 14 мм; 1 -Я = 0,1 м; 2 -0,25 м; 3 - 0,3 м;

4 - 20 мм 4 - 0,5 м; 5 - 0,6 м

Из графиков следует, что с увеличением диаметра трубы величина затухания резко растет, а с увеличением толщины стенки, наоборот, уменьшается. Это объясняется, во-первых, соотношением площадей сечений:

2яй/лЯ2 = 2Ж. (4)

Во-вторых, соотношением плотностей энергий волны в стенках трубы и внутри трубы:

Н'/Ы2«^,4/*2. (5)

Также коэффициент поглощения зависит от расстояния до источника сигнала, причем эта зависимость носит нелинейный характер. Таким образом коэффициент поглощения зависит не только от типа перекачиваемого продукта, но и тииа окружающего грунта и геометрических размеров трубопровода.

В ходе анализа материалов второй главы было выявлено, что из-за большого количества факторов, влияющих на АЭ, достаточно трудно теоретически рассчитать какой будет амплитудно-частотный спектр АЭ при прохождении ВТО по трубопроводу. Для определения этих параметров необходимы экспериментальные исследования в натурных условиях.

Третья глава посвящена проведению экспериментальных исследований параметров АЭ сигналов, полученных в результате прохождения ВТО. Для этого была разработана и смонтирована на участке трубопровода лабораторная установка (рисунок 8). Установка была размещена в отрезке трубы диаметром 1020 мм, толщина стенки - 10 мм.

4

Рисунок 8 - Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - испытуемый образец; 2 - вал для крепления испытуемого образца; 3 - участок трубопровода; 4 - электродвигатель; 5 - ременная передача со шкивами; 6 - стойка; 7 — направляющие; 8 - датчик для замера скорости вращения; 9 - персональный компьютер; 10 - приемный преобразователь; 11 - аналого-цифровой преобразователь

В качестве приемных преобразователей был взят набор резонансных пьезопреобразователей из пьезоматериала ЦТС-19, которые полностью перекрыли частотный диапазон, в котором проводились исследования.

Испытания образцов проводились по схеме диск - плоскость: образец из исследуемого материала (диск с наружным диаметром 150 мм) скользит по поверхности участка трубопровода с заданными линейными скоростями: 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 и 5 м/с.

Исходя из опыта применения стандартных типов ВТО, были изготовлены образцы из следующих материалов: щеточный диск из отрезков стального троса; щеточный диск с гибкой металлической щетиной; диск из высокоэластичной, износостойкой, устойчивой к действию топлива и масел резины и диск из полиуретана - материала приходящего на смену резине (очистка от парафиносодержащих отложений).

Тестирование установки производилось без контакта образец - стенка трубопровода. Полученный при помощи вышеописанной аппаратуры спектр акустических шумов установки практически не отличается от собственных шумов датчика, что позволяет работать только с исследуемым акустическим сигналом, полученным в результате трения исследуемого образца о стенку участка трубопровода.

Исследование влияния материала, скорости и среды на параметры АЭ при трении проводились в следующей последовательности. На наружную стенку участка трубопровода, напротив места контакта фрикционной пары, монтировался блок акустического датчика с пьезопреобразователей, настроенным на определенную частоту.

Испытуемый образец жестко крепился на валу экспериментальной установки. При помощи ремешгой передачи со шкивами выбиралась необходимая скорость вращения и включался электродвигатель. Затем с помощью прижимного устройства обеспечивался контакт образца со стенкой трубопровода. Акустический сигнал, генерируемый фрикционной парой, регистрировался приемным преобразователем, после чего преобразованные сигналы поступали на персональный компьютер для обработки и последующей записи. Затем производилась остановка установки и смена образца. После проведения испытаний всех образов менялась скорость относительного скольжения фрикционной пары. На следующем этапе испытаний участок трубопровода заполнялся жидкостью и проделывались вышеописанные операции для всех образцов и скоростей скольжения. После этого проводили смену пьезопреобразователя. В ходе испытаний регистрировались частотные спектры непрерывной АЭ и сопоставлялись амплитуды их различных частотных составляющих.

На основе полученных экспериментальных данных были выявлены закономерности распределения частотных спектров непрерывной АЭ для установившихся режимов трения различных материалов, достигнутых при

соответствующих скоростях скольжения для жидкой и газообразной сред (рисунок 9).

Полученные результаты показывают, что любое перемещение ВТО по трубопроводу вызывает возникновение сигналов АЭ. Анализ распределения частотных спектров показывает, что увеличение скорости скольжения испытуемых материалов относительно участка стенки трубопровода, как в отсутствие, так и при наличии жидкости, приводит к увеличению амплитуды по всему спектру регистрируемых частот.

Сигналы АЭ, полученные при трении, являются результатом суперпозиции упругих колебаний, генерируемых на реальных областях контакта, их резонанса на собственных частотах фрикционной системы и т.д. Значит экспериментально регистрируемые акустические колебания являются интегральной характеристикой всей системы. В связи с этим качественная зависимость амплитудно-частотных характеристик сигналов АЭ, полученных на лабораторном стенде была подтверждена на полевом стенде, условия расположения и конструкция которого имитировали действующий трубопровод (рисунок 10).

Чтобы обнаружить акустические сигналы нужно знать характеристики шумового фона в оболочке действующего трубопровода. К шумовым помехам относятся: шумы, создаваемые турбулентностью перекачиваемого потока жидкости; кавитационные шумы, возникающие, когда неустановившиеся процессы в потоке обуславливают образование и схлопывание парогазовых полостей; шумы окружающей среды, возникающие вследствие размыва трубопровода; шумы от ударов. При этом наблюдаемая при проведении контроля помеха является суперпозицией всех источников шума.

Рисунок 9 - Распределение частотных спектров сигналов, полученных от образцов из резины в жидкой (а) и в газообразной среде (б), в зависимости от различных скоростей скольжения: -о- - 0,3 м/с; -о- - 0,5 м/с; -•— 1,0 м/с; й- - 2,0 м/с; - 3,0 м/с; -»- - 5,0 м/с

<07 146 160 215 289 £ кГц

Г, 30 1 25

¿20 о

£15

107 146 1ЯС 215 26В £ кГц

Направление движения ВТО 11,6 м

Рисунок 10 - Схема полевого стенда; 1 - ВТО; 2 - манжета из исследуемого материала; 3 - трубопровод 325x7 мм; 4 - редуктор на шкивах;

5 - электродвигатель; 6 - ведущий шкив; 7 - ведомый шкив;

8 - шнур для протягивания ВТО

Эффективная ширина полосы частот (ширина спектра, в пределах которой сосредоточена основная доля к 90% энергии сигнала) помех, вызванных работой трубопровода, может достигать 60 кГц, их мощность с повышением частоты снижается. Огибающая спектра помехи с 10 % относительной погрешностью изменяется по экспоненциальному закону: е (к = 6-10^ кГц"2, /-частота, кГц). Основная энергия шумового сигнала сосредоточена в низкочастотной области спектра до 30 кГц.

Экспериментальные исследования влияния атмосферных осадков на параметры акустических шумов показали, что эффективная ширина спектра лежит в пределах 100 кГц (рисунок 11).

а

о и а. ч

«

я

.. s £ а

£ К

1 & I I

я

40 30 20 10

й-

г JUMJH V Щ\ нщ (Ч.Ш jelS'

0 50 100 150 200 250 300 350 f, кГц

Рисунок 11 - Спектральный состав акустических сигналов от атмосферных

осадков в виде снега

Проанализировав АЧХ акустических сигналов генерируемых при прохождении ВТО и акустических шумов, возникающих в трубопроводе, можно сделать вывод, что сигнал от прохождения ВТО, при нормальном режиме перекачки продукта по магистральному трубопроводу (скорость перекачки нефти от 1 до 2 м/с, газа от 1 до 5 м/с), можно уверенно регистрировать на фоне шумов трубопровода и собственных шумов аппаратуры, на частотах от 100 до 250 кГц (рисунок 12).

Рисунок 12 - Амплитудно-частотные характеристики акустических сигналов, | возникающих в трубопроводе, заполненном газообразной (а) и жидкой (б) средами, при скорости перекачиваемого продукта 1 м/с: 1 - собственные шумы трубопровода; 2 - шумы, вызванные атмосферными осадками; 3 - шум аппаратуры; 4 - образец из металлической щетки; 5 - образец из резины;

6 - образец из полиуретана

В конечном счете, результаты проведенных лабораторных и полевых экспериментов позволили перейти к натурным экспериментам, проведенным в условиях действующего нефтепровода. Испытания проводились на узле подключения нефтеперекачивающей станции «Орловка» к магистральному I нефтепроводу Александровское - Анжеро-Судженск (690 км). Скорость перемещения нефти 0,74 - 0,75 м/с. Температура воздуха +10 °С.

В результате испытаний произведена запись сигналов с выхода акустического датчика перед прохождением ВТО и в момент их прохождения (рисунок 13). Также произведена запись калибровочного акустического сигнала, введённого в трубопровод по амплитуде равной порогу срабатывания аппаратуры. Сигналы АЭ по амплитуде достаточны для достоверной регистрации прохождения ВТО. Порог регистрации ВТО установлен оптимально, т.е. не было зафиксировано пропусков и ложных срабатываний.

Рисунок 13 - Сигнал на выходе акустического датчика в момент прохождения

очистного устройства типа СКР-3 к месту установки датчика: 1 - сигнал очистного устройства; 2 - калибровочный сигнал, равный по амплитуде порогу

срабатывания аппаратуры

!

В четвертой главе изложены рекомендации по усовершенствованию акустического сигнализатора прохождения ВТО.

При разработке метода и аппаратуры для сигнализации прохождения ВТО, в качестве прототипа использовался сигнализатор прохождения разделителей акустический «СПРА-4». Для выработки рекомендаций по усовершенствованию был рассмотрен алгоритм работы прототипа в котором реализованы частотный, амплитудный и временной виды селекции сигнала при прохождении ВТО на фоне помех и ложных сигналов. На основании проведенного анализа сделан вывод, что алгоритм работы прототипа не позволяет избавиться от помехи, сигнал которой обладает достаточно высокой амплитудой и длится в течение продолжительного времени, а также не обеспечивает необходимой точности определения момента прохождения ВТО контрольной точки.

С целью решения задачи разработки алгоритма регистрации прохождения ВТО акустическим сигнализатором, а также повышения достоверности контроля, предложено устройство, структурная схема которого представлена на рисунке 14, на которое получено решение о выдачи патента РФ на изобретение.

10

11

1 12

. \ \ч\ч

Рисунок 14 - Структурная схема контроля прохождения ВТО: 1 - приемный

преобразователь; 2 - усилитель; 3 - узкополосный фильтр; 4 - пороговое устройство; 5 - формирователь импульсов; 6 - счетчик импульсов; 7 - блок

анализа огибающей; 8 - блок обработки огибающей; 9 - сумматор; 1 0 - микроконтроллер; 11 - исполнительный элемент; 12 - блок самоконтроля работоспособности; 13-ВТО; 14-трубопровод

При движении ВТО в трубопроводе возникает АЭ вследствие трения ВТО о стенку трубопровода. Приемный преобразователь, установленный на

внешней стенке трубопровода, преобразует акустические колебания в электрический сигнал, огибающая спектра которого представлена на рисунке 15, и подает его в широкополосный усилитель. Усиленный во всем диапазоне частот сигнал с усилителя подается на полосовой фильтр, огибающая спектра сигнала будет иметь форму, показанную на рисунке 15.

колебаний, возникающих при движении ВТО; 2 - форма огибающей спектра сигнала после прохождения полосового фильтра

Принимая во внимание теоретический анализ сигналов АЭ, приведенный в главе 2, а также экспериментальные исследования, результаты которых приведены в главе 3, был определен диапазон частот для регистрации момента прохождения ВТО, который составил около 180 кГц.

Амплитудная и временная селекция реализуются аналогично алгоритму, указанному в прототипе (рисунок 16): в случае превышения огибающей сигнала порогового уровня, в пороговом устройстве вырабатывается сигнал, необходимый только для фиксации движения ВТО, а также включается формирователь импульсов. При достижении определенного количества непрерывной последовательности импульсов, счетчик формирует сигнал о прохождении ВТО.

Для того, чтобы аппаратура не давала ложных срабатываний от помехи, акустический сигнал которой обладает достаточно высокой амплитудой и длится в течение продолжительного времени, предлагается вводить в состав аппаратуры блок анализа огибающей, который анализирует форму огибающей акустического сигнала от прохождения ВТО и сравнивает с эталонной, образ которой заложен в память аппаратуры и имеет несколько характерных областей (рисунок 17).

и»«»

А, дБ

И

1,С

<,с

пппппппппппппппппп

«.С

Рисунок 16 - Амплитудная и временная селекция сигнала от прохождения ВТО на фоне помех и ложных сигналов: а - превышение огибающей сигнала порогового уровня; б-сигнал, сформированный при превышении огибающей порогового уровня; в - короткие импульсы, генерируемые формирователем импульсов, при превышении сигналом порогового уровня; г - сигнал, сформированный при достижении определенного количества непрерывной последовательности

импульсов

Рисунок 17 - Временная зависимость огибающей акустического сигнала от

прохождения ВТО

Момент времени соответствует началу зоны приема акустического сигнала от ВТО приемным преобразователем. В момент времени /2, соответствующий моменту прохождения ВТО места установки датчика, наблюдается максимальное значение акустического сигнала. Выход ВТО из зоны приема соответствует причем момент максимального уровня сигнала будет смещен влево, относительно временного центра зоны регистрации. У помех с плавным увеличением и ослаблением уровня сигнала такой зависимости наблюдаться не будет. Такая зависимость огибающей акустического сигнала от прохождения ВТО позволяет выделить характерную

точку - точку экстремума, лежащую внутри зоны приема датчика, в которой уровень огибающей принимает большее (максимальное) значение, по сравнению со значениями в соседних интервалах времени. Включение в состав аппаратуры специального блока - блока обработки огибающей позволит вычислить момент времени, в котором огибающая переходит от возрастания к убыванию, а, соответственно, и момент прохождения ВТО контрольной точки. Причем, чем четче будет выражен момент перехода (что определяется длительностью зоны приема датчиком акустического сигнала), тем точнее можно определить относительный и абсолютный момент времени прохождения ВТО.

Для повышения достоверности все линии анализа акустического сигнала включаются по логической схеме «И». В случае если в сумматор поступили сигналы со всех четырех блоков (порогового устройства, блока временной селекции и блоков обработки и анализа огибающей), то на исполнительный элемент подается единый управляющий сигнал о прохождении ВТО.

Также устройство осуществляет непрерывный самоконтроль работоспособности при помощи блока самоконтроля работоспособности, включающего в себя имитатор сигналов, выполненный на электромагнитном акустическом преобразователе, который позволяет бесконтактно вводить акустические колебания в стенку трубы. Это делает не нужным проведение контроля работоспособности перед пуском внутритрубного объекта, что делает устройство удобным в эксплуатации.

Такое устройство акустического сигнализатора обеспечивает максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшает вероятность несрабатывания (пропуска) или ложного срабатывания сигнализатора, за счет чего повышается помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО через контрольную точку.

Благодаря указанным особенностям аппаратуры обеспечивается более высокая достоверность обнаружения момента прохождения ВТО по трубопроводу, чем у прототипа. Наличие непрерывного самоконтроля делает не нужным проведение контроля работоспособности устройства перед пропуском ВТО.

На основании предложенного алгоритма работы выработаны рекомендации по усовершенствованию акустического сигнализатора прохождения ВТО СПРА-4, основанные на концепции «интеллектуального датчика», который представляет собой единый и независимый комплекс аппаратно-программных средств, способных решать поставленную перед всей системой задачу, учитывая особенности трубопроводов с разными типами перекачиваемого продукта и вида пропускаемого ВТО.

Также выполнена качественная оценка вероятности пропуска и ложной фиксации момента прохождения ВТО контрольной точки из которой видно, что благодаря указанным признакам разработанной аппаратуры обеспечивается

более высокая достоверность обнаружения момента прохождения ВТО по трубопроводу, чем у прототипа.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.

В приложении диссертации приведен акт реализации научных положений и выводов кандидатской диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена совокупность теоретических и экспериментальных исследований возникновения сигналов АЭ, происходящих при движении ВТО. Показано, что основным источником АЭ является трение манжеты ВТО о стенку трубопровода. Возникающие в результате такого взаимодействия фрикционные автоколебания, поддерживаются за счет соударения микровыступов элементов ВТО и стенки трубопровода. На основе анализа информативных параметров сигналов АЭ предложен подход, основанный на сопоставлении амплитуд нескольких спектральных составляющих процесса АЭ, совпадающих с основными собственными частотами применяемых датчиков.

2. Спроектирована лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований параметров АЭ сигналов, полученных в результате прохождения ВТО. Предложена аппаратура для регистрации параметров АЭ.

3. На основе полученных экспериментальных данных выявлены закономерности распределения частотных спектров непрерывной АЭ для установившихся режимов трения различных материалов, достигнутых при соответствующих скоростях скольжения для жидкой и газообразной сред. Полученные результаты показывают, что любое перемещение ВТО по трубопроводу вызывает возникновение сигналов АЭ. Анализ распределения частотных спектров показывает, что увеличение скорости скольжения испытуемых материалов относительно участка стенки трубопровода, как в отсутствие, так и при наличии жидкости, приводит к увеличению амплитуды по всему спектру регистрируемых частот. Качественная зависимость амплитудно-частотных характеристик сигналов АЭ, полученных на лабораторном стенде подтверждена на полевом стенде и в натурных условиях на действующем трубопроводе.

4. Выбраны оптимальные частоты регистрации прохождения ВТО по сигналам АЭ. Проанализированы акустические шумы, обусловленные течением продукта по трубопроводу и атмосферными осадками, влияющие на достоверность контроля прохождения ВТО. Установлено, что сигнал от прохождения ВТО при нормальном режиме перекачки продукта по магистральному трубопроводу можно уверенно регистрировать на фоне шумов трубопровода и собственных шумов аппаратуры на частотах от 100 до 250 кГц.

5. Предложена структурная схема акустического сигнализатора и алгоритм обработки сигналов АЭ от прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания (пропуска) и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО через контрольную точку. На предложенное устройство получено решение о выдачи патента РФ на изобретение. Предложены рекомендации по усовершенствованию акустического сигнализатора прохождения ВТО СПРА-4, основанные на концепции «интеллектуального датчика», который представляет собой единый и независимый комплекс аппаратно-программных средств, способных решать поставленную перед всей системой задачу, учитывая особенности трубопроводов с разными типами перекачиваемого продукта и вида пропускаемого ВТО.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Калиниченко, А. Н. Обзор современных технологий контроля регистрации прохождения внутритрубных объектов (ВТО) по трубопроводу / А. Н. Калиниченко // Репутация & качество, 2008. - № 11 Спецвыпуск : Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века». - С. 195-200.

2. Калиниченко, А. Н. Анализ возможности бесконтактной регистрации прохождения внутритрубных объектов (ВТО) по трубопроводу / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин // Известия Томского политехнического университета, 2008. - Т. 312, № 2. - С. 182-188.

3. Калиниченко, А. Н. Установка для исследования акустических сигналов, возникающих при прохождении внутритрубных объектов / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин // Современные техника и технологии: сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 3-х томах - Томск, ТПУ, 12-16 апреля 2010. -Томск: Изд. ТПУ, 2010. - Т. 3. - С. 99-101.

4. Устройство акустического контроля прохождения внутритрубных объектов : заявка 2009131795 Рос. Федерация : МГПС Р17Б5/06 / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин, А. С. Чекалин. - № 2009131795/06 ; заявл. 21.08.2009.

5. Калиниченко, А. Н. Акустическая эмиссия при трении манжеты внутритрубного объекта о стенку трубопровода / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин IIВ мире неразрушающего контроля. — 2010. - № 4(50).

6. Калиниченко, А. Н. Влияние характера фрикционного взаимодействия элементов внутритрубных объектов и стенки трубопровода на параметры акустической эмиссии / А. Н. Калиниченко // Качество-стратегия XXI века: Материалы XV Международной научно-практической конференции - Томск, 8-9 декабря 2010. - Томск: Изд. ТПУ, 2010.

7. Калиниченко, А. Н. Акустический шум действующего трубопровода / А. Н. Калиниченко, В. К. Кулешов // Качество-стратегия XXI века: Материалы XV Международной научно-практической конференции - Томск, 8-9 декабря 2010. - Томск: Изд. ТПУ, 2010.

8. Калиниченко, А. Н. Особенности распространения сигналов акустической эмиссии в оболочках трубопроводов / А. Н. Калиниченко // Качество-стратегия XXI века: Материалы XV Международной научно-практической конференции - Томск, 8-9 декабря 2010. - Томск: Изд. ТПУ, 2010.

Издательство «В-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637768 Подписано к печати 2.3. 44. ZDfO. Формат 60*847«. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. iТираж 100 экз. Заказ 72. 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, теп. 49-09-91. E-mail: bvm@sibmail.com

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СРЕДСТВА И УСЛОВИЯ КОНТРОЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ

ВНУТРИТРУБНЫХ ОБЪЕКТОВ (ВТО)

1.1 Структура объектов системы трубопроводного транспорта нефти и газа

1.2 Внутритрубные очистные и диагностические устройства

1.3 Анализ методов и средств контроля прохождения ВТО 16 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 БЕСКОНТАКТНЫЙ КОНТРОЛЬ ПРОХОЖДЕНИЯ ВТО НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ

ЭМИССИИ (АЭ)

2.1 Теоретическая модель возникновения АЭ в оболочке трубопровода, образующихся трением при прохождении ВТО

2.2 Выбор информативных параметров АЭ

2.3 Влияние характера фрикционного взаимодействия на параметры АЭ

2.4 Особенности распространения АЭ в оболочках трубопроводов 59 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ

И РАСПРОСТРАНЕНИЯ АЭ ПРИ ДВИЖЕНИИ ВТО

3.1 Лабораторная установка для генерации АЭ

3.2 Аппаратура для регистрации параметров АЭ при проведении испытаний

3.3 Результаты экспериментальных исследований

3.4 Акустический шум действующего трубопровода

3.5 Выбор оптимальных частот регистрации прохождения ВТО

3.6 Результаты проведенных испытаний 101 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ АКУСТИЧЕСКОГО

СИГНАЛИЗАТОРА ПРОХОЖДЕНИЯ ВТО СПРА

4.1 Обнаружение и распознавание сигналов при прохождении ВТО на фоне помех

4.2 Структурная схема акустического сигнализатора и алгоритм обработки сигналов АЭ при прохождении ВТО

4.3 Качественная оценка достоверности контроля прохождения ВТО контрольной точки

4.4 Методика построения аппаратуры акустического контроля прохождения ВТО через контрольную точку 122 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Строительство^ новых и модернизация действующих трубопроводных систем нефтегазового комплекса России предполагает улучшение работы контрольно-измерительных приборов* и средств автоматики.

Внутритрубные объекты (ВТО) различного технологического назначения, движущиеся с. потоком перекачиваемого продукта - механические разделители для» перекачки нефти- с различными физико-химическими свойствами, устройства для очистки полости трубы, профилемеры, дефектоскопы -достаточно широко используются при строительстве и эксплуатации трубопроводов.

Одной из проблем, связанных с использованием ВТО, является определение их местоположения при движении в. трубопроводе в реальном времени. Контроль перемещения ВТО по трубопроводу необходим для решения ряда технологических задач. Знать положение устройства необходимо-также в случае его остановки или застревания, чтобы целенаправленно и с наименьшими затратами организовать его извлечение либо проталкивание.

В настоящее время в системах трубопроводного транспорта России в эксплуатации находится около десяти тысяч устройств для сигнализации прохождения ВТО. Такие устройства можно разделить на две группы: контактные (механические) и бесконтактные (акустические и« магнитные):

Подавляющую- часть этих устройств составляет аппаратура, регистрирующая акустические или электрические поля, т.к. сигнализаторы механического принципа менее надежны и производятся в ограниченном количестве. Доля устройств, работающих на акустическом (пассивном) методе регистрации прохождения ВТО составляет около 70 %.

Анализ статистических данных [85] показывает, что при применении существующих акустических сигнализаторов имеются факты несрабатывания, при прохождении ВТО,- или ложного срабатывания, т.е. другими словами — такие устройства обладают недостаточной достоверностью контроля. Это обусловлено тем, что природа физического взаимодействия ВТО со стенкой трубопровода до сих пор остается во многом не изученной из-за сложности постановки экспериментов и многообразия процессов, сопровождающих относительное движение двух тел, находящихся в контакте.

Контакт осуществляется посредством дисков, манжет и др., изготовленных из материалов стойких к истиранию. При определенных условиях трения скольжения в сопряжении- возникают упругие колебания, которые можно зафиксировать, применяя специальную аппаратуру. Можно считать, что упругие колебания, в том числе сопровождающиеся акустической эмиссией, обусловлены фрикционными свойствами материалов, составляющих пару трения - интенсивностью износа и коэффициентом трения [48].

В литературе указывается достаточно противоречивая информация по выбору частотного диапазона, в котором должен работать акустический сигнализатор: в одном случае эта частоты от 10 кГц до 4 МГц [80], в другом случае - от 100 до 200 кГц [81]. В связи с этим существует проблема - какой частотный диапазон использовать для достоверного контроля прохождения ВТО.

Перспективным направлением решения данной проблемы является изучение АЭ при фрикционном взаимодействии материалов при помощи установок, обеспечивающих возможность проведения измерений в широком диапазоне скоростей скольжения элементов пары трения, при воздействии различных по составу сред.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка метода и аппаратуры регистрации момента прохождения ВТО контрольной точки акустическим методом.

Для достижения поставленной цели- в работе решаются следующие задачи:

- выявить закономерности формирования и распространения сигналов акустической эмиссии (АЭ) в стенке функционирующих нефте- и газопроводов, вызванных движением ВТО;

- провести теоретические и экспериментальные исследования параметров АЭ сигнала, полученного в результате прохождения ВТО;

- исследовать характеристики акустических шумов, наводимых работой трубопровода и условиями окружающей среды;

- разработать алгоритм регистрации прохождения ВТО и оценить его достоверность;

- разработать структурную схему акустического сигнализатора прохождения ВТО.

Объектом исследования являются процессы, возникающие при трении элементов ВТО о стенку трубопровода.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать решению поставленных задач. При исследовании характеристик сигналов АЭ применялись методы механических испытаний. При обработке данных использовались методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и случайных процессов.

Часть экспериментальных исследований выполнялись на магистральных нефтепроводах ОАО «Центрсибнефтепровод» на территории Томской области. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с помощью специального программного обеспечения.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- впервые экспериментально выявлены закономерности изменения параметров сигналов АЭ, возникающих в стенке трубопровода, в зависимости от условий фрикционного взаимодействия;

- получены зависимости, описывающие влияние воздействий, не связанных с движением ВТО, на сигнал АЭ, формируемый в стенке трубопровода;

- разработан алгоритм работы и структурная схема аппаратуры акустического контроля прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО.

На защиту выносятся следующие положения:

- утверждение, что на основании' экспериментально полученных закономерностей- изменения параметров сигналов АЭ, определена верхняя граница частотного диапазона, в котором необходимо регистрировать сигнал АЭ от прохождения ВТО, которая составляет 250 кГц;

- утверждение, что эффективная ширина полосы частот внешних акустических шумов, не связанных с движением ВТО, достигает 100 кГц, что определяет нижнюю границу частотного диапазона, в котором необходимо регистрировать сигнал АЭ от прохождения ВТО;

- алгоритм работы и структурная схема акустического сигнализатора прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования параметров сигналов > АЭ, возникающих при трении элементов ВТО о стенку трубопровода, позволяют достоверно определять момент прохождения ВТО контрольной точки. Полученные результаты позволили предложить структурную1 схему акустического сигнализатора и алгоритма обработки сигналов АЭ от прохождения ВТО. На. предложенное устройство получено положительное решение о выдаче патента.

Результаты проведенных исследований используются в новой модификации акустического сигнализатора СПРА-4.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- XIII Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века», г. Томск, декабрь 2008г.

- Международной научно-практической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», г. Томск, сентябрь 2008г.

- XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, апрель 2010г.

- II Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в методе акустической эмиссии», г. Москва, ноябрь 2010г.

- XV Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века», г. Томск, декабрь 2010г.

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ и получено положительное решение о выдаче патента.

Диссертационная работа изложена на 141 листе, иллюстрируется 69 рисунками, 4 таблицами, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и электронных ресурсов из 99 библиографических ссылок и приложения. В приложении приводятся документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1;. На основании проведенного анализа сделан вывод, что алгоритм работы прототипа не позволяет избавиться: от помехи, сигнал которой' обладает достаточно высокой; амплитудой и длится в течение продолжительного; времени, »атакже не обеспечивает необходимой точности. определения: момента прохождения ВТО контрольной точки.

2. Предложена структурная схема акустического сигнализатора и алгоритм обработки сигналов АЭ от прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания (пропуска) и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО через контрольную точку. На предложенное устройство получено решение о выдачи патента РФ на изобретение. Предложены рекомендации по усовершенствованию: акустического сигнализатора прохождения ВТО СШРА-4, основанные на'концепции «интеллектуального датчика», который представляет собой единый и независимый комплекс аппаратно-программных; средств, способных решать поставленную перед всей системой задачу, учитывая особенности трубопроводов с разными типами перекачиваемого продукта и вида пропускаемого ВТО.

3. Выполнена качественная оценка; вероятности пропуска и ложной фиксации момента прохождения ВТО контрольной точки из которой видно, что благодаря указанным признакам разработанной аппаратуры обеспечивается более высокая достоверность обнаружения момента прохождения ВТО по трубопроводу, чем у прототипа.

127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена совокупность теоретических и экспериментальных исследований возникновения сигналов АЭ, происходящих при движении ВТО. Показано; что основным источником. АЭ< является трение манжеты ВТО о стенку трубопровода. Возникающие в результате такого взаимодействия фрикционные автоколебания, поддерживаются за счет соударения микровыступов элементов ВТО и стенки трубопровода. На основе анализа информативных параметров сигналов АЭ предложен подход, основанный на сопоставлении амплитуд нескольких спектральных составляющих процесса АЭ, совпадающих с основными собственными частотами применяемых датчиков.

2. Спроектирована лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований параметров АЭ сигналов, полученных в результате прохождения ВТО. Предложена аппаратура для регистрации параметров АЭ.

3. На основе полученных экспериментальных данных выявлены закономерности распределения частотных спектров непрерывной АЭ для установившихся режимов трения различных материалов, достигнутых при соответствующих скоростях скольжения для жидкой и газообразной сред. Полученные результаты показывают, что любое перемещение ВТО по трубопроводу вызывает возникновение сигналов АЭ. Анализ распределения частотных спектров показывает, что увеличение скорости скольжения испытуемых материалов относительно участка стенки трубопровода, как в отсутствие, так и при наличии жидкости, приводит к увеличению амплитуды по всему спектру регистрируемых частот. Качественная зависимость амплитудно-частотных характеристик сигналов АЭ, полученных на лабораторном стенде подтверждена на полевом стенде и в натурных условиях на действующем трубопроводе.

4. Выбраны оптимальные частоты регистрации прохождения ВТО по I сигналам АЭ. Проанализированы акустические шумы, обусловленные течением продукта по трубопроводу и атмосферными осадками, влияющие на достоверность контроля прохождения ВТО. Установлено, что сигнал от I прохождения ВТО при нормальном режиме перекачки продукта по магистральному трубопроводу можно уверенно регистрировать на фоне шумов трубопровода и собственных шумов аппаратуры на частотах от 100 до 250 кГц.

5. Предложена структурная схема акустического сигнализатора и алгоритм обработки сигналов АЭ от прохождения ВТО, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму, уменьшают вероятность несрабатывания (пропуска) и ложного срабатывания сигнализатора, повышают помехоустойчивость и точность определения момента прохождения ВТО через контрольную точку. На предложенное устройство получено решение о выдачи патента РФ на изобретение. Предложены рекомендации по усовершенствованию акустического сигнализатора прохождения ВТО СПРА-4, основанные на концепции «интеллектуального датчика», который представляет собой единый и независимый комплекс аппаратно-программных средств, способных решать поставленную перед всей системой задачу, учитывая особенности трубопроводов с разными типами перекачиваемого продукта и вида пропускаемого ВТО.

1. Трубопроводный транспорт нефти и газа : учебник для вузов / Р; А. Алиев, В. Д. Белоусов, А. Г. Немудров и др. —2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1988.-367 с.

2. Богданов, Е. А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования : учебное пособие / Е. А. Богданов. М. : Высшая школа, 2006. — 279 с.

3. Трубопроводный транспорт нефти : учебник для вузов : в 2 т. / Г. Г. Васильев, Г. Е. Коробков, А. А. Коршак и др. ; Под ред. С. М. Вайнштока. М. : Недра, 2002-2004. .Т. 1. - 2002. - 408 с.

4. Трубопроводный транспорт нефти : учебник для вузов : в 2 т. / Г. Г. Васильев, Г. Е. Коробков, А. А. Коршак и др. ; Под ред. С. М. Вайнштока. М. : Недра, 2002-2004. .Т. 2. - 2004. - 621 с.

5. Климовский, Е. М. Очистка полости и испытание магистральных и промысловых трубопроводов / Е. М. Климовский. 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Недра, 1972.-256 с.

6. Коннова, Г. В. Оборудование транспорта и хранения нефти и газа : учебное пособие / Г. В. Коннова. 2-е изд. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2007. -128 с.

7. Коршак, А. А. Диагностика объектов нефтеперекачивающих станций : учебное пособие / А. А. Коршак, Л. Р. Байкова. Уфа : ДизайнПолиграфСервис, 2008. - 172 с.

8. Шварц, М. Э. Обнаружение разделителей и скребков в подземных трубопроводах / М:Э.Шварц, А.Е. Гулько М.: ВНИИОЭНГ, 1968. - 51 с.

9. Шварц; М. Э. Средства; очистки трубопроводов : обзорная информация / М. Э. Шварц. М:: ЦНИИТЭИМС, 1969. - 40 с.

10. Трубопроводная:арматура ::учебное пособие / Ф. М. Мустафин, А. Г. Гумеров, Н: Ш Коновалов и др. Уфа : Изд-во УГНТУ, 2003. - 204 с.

11. Проектирование и эксплуатация насосных и компрессорных станций : учебник / А. М. Шаммазов, В. Н. Александров, А. И. Гольянов и др. -М. : Недра-Бизнесцентр, 2003. 404 с.

12. Каталог приборов для обследования трубопроводов и контроля ремонтных работ / Селиверстов В. Г., Алексашин С. П., Куприна Н. Д! и др. -М: ООО «ИРЦТазпром», 2001. 92 с.

13. Коршак, А. А. Основы нефтегазового дела : учебник / А. А. Коршак, А. М. Шаммазов. Уфа : ДизайнПолиграфСервис, 2001. — 544 с.

14. Нечваль, М. В. Последовательная перекачка нефтей и нфтепродуктов по магистральным трубопроводам / М. В. Нечваль, В. Ф. Новоселов, П. И. Тугунов. М. : Недра, 1976. - 221 с.

15. Шелухин, В. И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта / В. И. Шелухин. — М.: Транспорт, 1990. 119 с.

16. Тугунов, П. И. Эксплуатация магистральных трубопроводов / П. И. Тугунов, М. В. Нечваль, В. Ф. Новоселов, Ш. Н. Ахатов. Уфа : Башкирское книжное издательство, 1975. - 160 с.

17. Борисов, Б. В. Управление магистральными трубопроводами / Б. В. Борисов. М: Недра, 1979. - 215 с.

18. Калиниченко, А. Н. Анализ возможности бесконтактной регистрации прохождения внутритрубных объектов (ВТО) по трубопроводу / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин // Известия Томского политехнического университета. 2008. - Т. 312, № 2. - С. 182-188.

19. Якимов, В. Н. Автоматизированная информационная система контроля перемещения самодвижущегося внутритрубного снаряда / В. Н. Якимов, Н. В. Шустук // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. - № 2. - С. 50-54.

20. Климовский, Е. М. Методы и оборудование для определения местоположения очистных и разделительных устройств в трубопроводе / Е. М. Климовский, Ю. В. Колотилов // Транспорт нефти. 1987. - С. 12-16.

21. Петров^ В. И. Методы определения местоположения и сопровождения внутритрубных объектов с поверхности земли над трубопроводом Электронный ресурс. Режим доступа : http://ww\v.aprodit.ru/ArticIelMethodsforTracingaPigru.html, свободный. Загл. с экрана;

22. Устройство для. индикации местоположения поршня в трубопроводе : а.с. 315035 СССР : МПК G01D15/14. / Е.М. Климовский, И. Е. Нёйфельд, В; F. Селиверстов; А. И.- Тоут и др. № 1361901/18-10 ; заявл. 04.09.1969 ; опубл. 21.09.1971, Бюл. № 28. - 3 с.

23. Силинский; Ю. А. Опыт применения радиоактивных изотопов для обнаружения очистных устройств в магистральных нефтепроводах / Ю. А.Силинский, А. Я. Корбут // Транспорт и хранение нефти № нефтепродуктов. -1981.-№2-С. 16-18.

24. Валуева, Н. А. Сигнализатор прохождения очистных и разделительных: устройств по магистральным- трубопроводам / ГГ. А. Валуева, М1 А. Лаврентьев, С. Л: Львов //Трубопроводный транспорт. 1990. - №4. - С. 54-58.

25. Петров; В. . И: Некоторые рекомендации по использованию низкочастотных приборов- для? обнаружения Электронный ресурс. — Режим доступа. : http://www.aprodit.rii/Article2UsingDevicesforFinding-aPigru. html, свободный. Загл. с экрана.

26. Киселев, А. П. Подпрыгивание нагрузки и излучение звука при сухом трении / А. П. Киселев, В. А. Лазарев // Журнал технической физики. -1997.-Т. 67, №5.-С. 137-139.'

27. Дубравин, А. М. Анализ акустической эмиссии на микротрибометре возвратно-поступательного типа / А. М: Дубравин, О.' Ю. Комков, Н. К. Мышкин // Трение и износ. 2004. - Т. 25, N4. - С. 363-367.

28. Колубаев, А. В. Влияние упругих возбуждений на формирование структуры поверхностного слоя стали Гадфильда при трении / А. В. Колубаев, Ю. Ф. Иванов, О. В. Сизова и др. // Журнал технической физики. 2008. - Т. 78, Вып. 2. - С. 63-70.

29. Гриценко, Б. П. Роль акустических колебаний, генерируемых при трении, в разрушении материалов трибосистем / Б. П. Гриценко // Трение и износ. 2005. - Т. 26, №5. - С. 481-488.

30. Баранов, В. М. О взаимосвязи амплитудного распределения сигналов акустической эмиссии со статистическими характеристиками поверхностей трения / В. М. Баранов, Е. М. Кудрявцев, Г.А. Сарычев // Трение и износ. 2005. - Т. 20, №2. - С. 189-192.

31. Козырев, Ю.П. Частотный спектр сигналов акустической эмиссии при трении / Ю. П. Козырев, Е. Б. Седакова // Трение, износ, смпзка. — 2007. -Т. 9, №1(30).

32. Смолин, А. Ю. О возможности изучения деформационных процессов в поверхностном слое при трении по акустическим спектрам / А. Ю. Смолин, С. А. Добрынин, С. Г. Псахье // Письма в журнал технической физики. 2009. - Т. 35. - Вып. 24. - С. 1-11.

33. Колубаев, А. В. Генерация звука при трении скольжения / А. В. Колубаев, Е. А. Колубаев, И. Н. Вагин, О. В. Сизова // Письма в журнал технической физики. 2005. - Т. 31, №19. - С. 6-13.

34. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / Под ред. А. В. Чичинадзе. — М. : Машиностроение, 2003. 575 с.

35. Свириденок, А. И. Акустические и электрические методы в триботехнике / А. И. Свириденок и др. ; под ред. В. А. Белого. Минск : Наука и техника, 1987.-280 с.

36. Грешников, В. А. Акустическая эмиссия : Применение для испытаний; материалов и изделий / В. Л. Грешников, Ю. Б. Дробот. М; : Изд-во стандартов, 1976. -272 с.

37. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов : учебное пособие / А. Б. Сергиенко. СПб. : Питер, 2002. - 608 с.

38. Баранов, В. М. Акустическая эмиссия при трении / В. М.Баранов, Е. М. Кудрявцев, Г. А. Сарычев, В. М. Щавелин. М.: Энергоатомиздат, 1998. -256 с.

39. Физическая; акустика : пер. с англ. / под ред. У. Мэзона. М. : Мир, 1973.-592 с.

40. Крагельский, И. В. Фрикционные автоколебания / И: В. Крагельский, Н. В. Гитис.-Ml : Наука, 1987.- 184 с.

41. Первозванский, А. А. Трение сила знакомая, но таинственная / А.

42. A. Первозванский,// Соросовский образовательный журнал. 1998. - №2, С. 129-134. '

43. Смолин,. А. Ю. О возможности идентификации упругих волн, генерируемых в зоне контакта пары трения / А. Ю.Смолин, Иг. С. Коноваленко, С. F. Псахье И Письма в журнал технической физики. 2007. — Т. 33, №14. С. 34-41.

44. Криштал, М. М. Спектральные и энергетические характеристики акустической эмиссии при трении и износе / М. М. Криштал, Д. JI. Мерсон, А.

45. B. Чутунов//Тяжелое машиностроение. — 2007. №12.- С. 14^-18

46. Справочник по технической акустике : Пер. с нем. / Под ред. М. Хекла и X. А. Мюллера. — JL: Судостроение. 1980. - 440 с.

47. Буданов, Б.В. Взаимосвязь трения и колебаний / Б.В. Буданов^ В.А. Кудинов, Д.М. Толстой // Трение и износ. 1980. - Т. 1, № 1. С. 79-89,

48. Поллок, А. Акустико-эмиссионный контроль // Авторская перепечатка из книги Металлы (METALS HANDBOOK). 1989. - Т. 17. С. 278-294

49. Протокол испытаний промышленных образцов прибора СПРА-4 : протокол испытаний промышленных образцов прибора сигнализатора прохождения очистных устройств СПРА-4 / ФГНУ «НИИ интроскопии», ОАО «Центрсибнефтепровод». 2007. - 8 с.

50. Горбунов, А. И. О затухании ультразвука в трубопроводе с движущейся жидкостью. / А. И. Горбунов, Ю. И. Лыков, А. С. Острицкий // Дефектоскопия. 1983. - №7. - С. 87-89.

51. Штин, И. В. Опыт эксплуатации сигнализаторов прохождения ВТО типа СПРА-4 / И. В. Штин, А. П. Тарасов, А. Г. Размыслов, Б. М. Лапшин // Трубопроводный транспорт нефти. 1998. - № 8. — С. 31-32.

52. Сигнализатор рычажный типа CP и СРУ : руководство по эксплуатации / ОАО «Салаватнефтемаш». 2003. - 19 с.

53. Мугаллимов, Ф. М. Анализ причин застреваний и повреждений очистных устройств в трубопроводах / Ф. М. Мугаллимов, // Нефтяное хозяйство. М. - 2000. - № 8, С. 71-74.

54. Сигнализатор прохождения разделителей магнитный СПРМ-1 : паспорт / ООО «Фонон». 2008. - 9 с.

55. Мерсон, Д. Л. Применение методики анализа спектральных образов сигналов акустической эмиссии для исследования повреждаемости покрытий TiN на стальной подложке / Д. Л. Мерсон, А. А. Разуваев, А. Ю. Виноградов // Дефектоскопия. 2002. - № 7. - С. 37-46.

56. Щавелин, В. M. Анализ акустического излучения при фрикционном взаимодействии твердых тел / В1 М. Щавелин, Г. А. Сарычев, В. М. Баранов, А. П. Грязев // Трение и износ. 1985. - Т. 6, № 1. - С. 39-47.

57. A method and apparatus for detecting leak of fluid containing means : patent 1349120 (GB) : МПК G01M3/24 / Osaka gas kabushiki kaisha (JA). -17866/72 ; заявл. 18.04.1972 ; опубл. 27.03.1974. 13 с.

58. Патронов К. С. Контроль целостности магистральных продуктопроводов по акустическим колебаниям оболочки : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.11.13 / К. С. Патронов. ОмГТУ. - Омск : ОмГТУ, 2007. - 147 с.

59. Баранов, В. M«. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса : Монография / В. М. Баранов и др. М. : Наука, 1998. - 304 с.

60. Супрунчик, В. В. Автоматизированная система сопровождения внутритрубного снаряда в нефтепроводе / В. В. Супрунчик, В. Я. Батищев, Д. П. Ким, Г. Р. Мунасипов и др. // Трубопроводный транспорт нефти. 1999. - № 5. - С. 27-29.

61. Riemsduk, A. J. betreiebsunterechungsfreie aufspurung von geringfügigen undichtheiten von roholpipelines / A. J. van Riemsduk, H. Bosselaar // Erdoel-Erdgas-Zeitschrift, 86 Jg. 1970. - C. 12-18.

62. Naudascher, E. Acoustic leakage detection in pipelines / E. von Naudascher, W. W. Martin // Akustische leckerkennung in rohrleitungen. 1975. -C. 452-461.

63. Ткаченко, В. Г. О вибрации трубопровода- при турбулентном течении жидкости / В. F. Ткаченко // Акустический журнал. — 1989. — № 1. С. 179-181.

64. Лапшин, Б. М. Анализ затухания звука в трубе с жидкостью при акустико-эмиссионном контроле герметичности продуктопроводов1 / Б. М. Лапшин, Е. Д. Николаева, И. М. Рубинович // Дефектоскопия. — 1991. — № 2. -С. 80-88.

65. Стопский, С. Б. Акустическая спектрометрия : (методы и аппаратура спектрального анализа) / С. Б. Стопский. Л. : Энергия, 1972. - 136 с.

66. Тугунов, П. И. Определение ударного давления в нефтепроводе с газонасыщенной нефтью при переходных режимах / П. И. Тугунов, Р. А. Брот, С. Е. Кутуков // Нефтегазовое дело. 2005. - Т. 3. - С. 199-205.

67. Калиниченко, А. Н. Акустическая эмиссия при трении манжеты внутритрубного объекта о стенку трубопровода / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин // В мире неразрушающего контроля. 2010. - № 4(50).

68. Баранов, В. М. Акустико-эмиссионные приборы ядерной энергетики / В. М .Баранов, К. И. Молодцов. М. : Атомиздат, 1980. - 144 с.

69. Грешников, А. А. Акустическая эмиссия / А. А. Грешников, Ю. Б. Дробот. М. : Изд-во стандартов, 1976. - 272 с.

70. Кувшинов, Г. И. Акустическая кавитация у твердых поверхностей / Г. И. Кувшинов, П. П. Прохоренко ; Под ред. В. К. Кедринского. Мн. : навука тэхшка, 1990.- 112 с.

71. Протокол заседания техсовета ОАО «Транснефть» : протокол / ОАО «АК «Транснефть». 2002. - 3 с.

72. Устройство акустического контроля прохождения внутритрубных объектов : Положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ : МПК Р17Б5/06 / А. Н. Калиниченко, Б. М. Лапшин, А. С. Чекалин. № 2009131795/06 ; заявл. 21.08.2009.

73. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике / Под. ред. К. Б. Вакара. М. : Атомиздат, 1980. -216 с.

74. Трипалин, А. С. Акустическая эмиссия. Физико-механические аспекты / А. С. Трипалин, С. И. Буйло. Ростов на Дону : изд-во Ростовского ун-та, 1986. - 160 с.

75. Супрунчик, В. В. Система сопровождения внутритрубных снарядов «ССВС-001» / В. В. Супрунчик, Н. М. Коновалов, М. О. Мызников // Трубопроводный транспорт нефти, 2003. № 12. - С 9-12.

76. Березняков, А. И. О взаимосвязи процесса трения с акустическим излучением поверхности / А. И. Березняков // Трение и износ, 1996. Т. 6.

77. Запорожец, В. В. Динамические характеристики прочности поверхностных слоев и их оценка / В. В. Запорожец // Трение и износ, 1980. Т. 1, № 4. - С. 602-609.

78. Рапопорт, Л. С. Исследование динамики процессов трения металлов методом акустической эмиссии / Л. С. Рапопорт, Ю. Н. Петров, В. Е. Вайнберг, И. М. Воронина // Трение и износ, 1981. Т. 2, № 2. - С. 305-309.

79. Носовский, И. Г. Исследование процессов деформирования и разрушения поверхностных слоев металлов при трении методом акустической эмиссии / И. Г. Носовский, Е. А. Миронов, Н. Г. Стадниченко // Трение и износ, 1982.-Т. 3, № 3. — С. 531-536.

80. Филатов, С. В. Акустическая эмиссия при абразивном изнашивании металлов / С. В. Филатов // Трение и износ, 1982. Т. 3, № 3. - С. 559-562.

81. Волченко, В. Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением1 статистических методов / В. Н. Волченко. М. : Изд-во стандартов, 1974. — 159 с.

82. Розина, М. В. Неразрушающий контроль в судостроении: Справочник дефектоскописта / М. В. Розина, Л. М. Яблоник, В. Д. Васильев. -Л. : Судостроение, 1983. 152 с.