автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Информационно-измерительная система и метод контроля трубопроводов на основе вейвлет фильтрации сигналов акустической эмиссии

На правах рукописи

Измайлова Евгения Вячеславовна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И МЕТОД КОНТРОЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ

ЭМИССИИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2013 005545359

005545359

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения»

Научный руководитель: Ваньков Юрий Витальевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения»

Официальные оппоненты: Ившин Игорь Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»

Мисевич Павел Валерьевич доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», профессор кафедры «Вычислительные системы и технологии»

Ведущая организация: ОАО «ВНИПИэнергопром», г. Москва

Защита состоится 13 декабря 2013 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 8(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 сайтах http://vak.ed.gov.ru и http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан « 3 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь , л

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.

В ряде населенных пунктов до 60% тепловой энергии, вырабатываемой из первичных энергоносителей, теряется на пути следования к потребителю. Потери происходят из-за разных факторов, в число которых входят два основных типа повреждений, приводящих в конечном итоге к разрушению трубопровода - трещиноподобные дефекты и дефекты коррозионной природы. В этой связи необходим контроль состояния трубопроводов. Внедрение систем контроля тепловых сетей сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством аппаратуры для работы в производственных условиях, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах, отражающих тип дефекта и их связи с критериями разрушения. При проведении контроля трубопроводных систем необходимо применение методов неразрушающего контроля (НК), позволяющих осуществлять обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по всей длине диагностируемого участка. Среди интегральных способов контроля широкое применение в промышленности получил метод акустической эмиссии (АЭ), в частности, при диагностике состояния энергетических агрегатов. Основой метода АЭ является акустическое излучение при пластической деформации твердых сред, трений, прохождении жидких и газообразных сред через узкие отверстия - сквозные дефекты. Эти процессы порождают волны, регистрируя которые, можно судить о протекании процессов и их параметрах. Он позволяет не только обнаруживать наиболее опасные дефекты, развивающиеся в контролируемом объекте, но и оценивать степень их опасности, продлевать эксплуатационный цикл ответственных промышленных объектов, прогнозировать вероятность возникновения аварийных разрушений. Однако метод АЭ обладает и недостатками, основным из которых является низкая помехоустойчивость. В диссертационной работе решается Задача развития метода акустической эмиссии применительно к контролю трубопроводов на фоне шумов.

Объект исследования - сигналы акустической эмиссии на фоне шумов от работающего оборудования.

Предмет исследования - акустико-эмиссионный метод контроля состояния трубопроводов.

Цель исследования - разработка метода и информационно-измерительной системы контроля состояния трубопроводов методом акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи.

1. Обосновать эффективность вейвлет преобразования для очистки от помех эталонного сигнала акустической эмиссии. Определить тип вейвлетов, эффективно выделяющий полезный сигнал на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.

2. Исследовать применимость PSNR (peak signal-to-noise ratio) метрики для обработки затухающих акустических сигналов.

3. Разработать алгоритм и методику, позволяющую обнаруживать дефекты трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии.

4. Разработать опытную установку и провести экспериментальные исследования трубопроводов при разных уровнях шумов.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику контроля трубопроводов методом акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.

Методы исследования. Теоретическая часть основывается на методах подавления и фильтрации шумов вейвлет преобразованием, развитых в работах Daubeches I., Kaiser G., Pen U., Van den Berg J.C., Галягина Д., Фрика П.Г., Дремина И.М., Новикова J1.B., Воробьева В.И., Грибунина В.Г., Петухова А.П., Шитова А.Б., Щукина ЕЛ., Штарка Г.Г., Яковлева А.Н., А кутана М.В. Экспериментальная часть выполнена с применением цифровой обработки сигналов, технологии «Виртуальных приборов» среды графического программирования LabVIEW фирмы National Instrument, и «Signal.ru», предоставившей драйвера, основана на работах Суранова АЛ., Батоврина В.К., Бессонова A.C., Мошкина В.В., Папуловского В.Ф., Бутырина П.А., Васьковской Т.А., Каратаева В .В., Материкина C.B., Тревиса Д., Саго Ю., Иванова В.И., Бигуса ГА., Власова И.Э. Разработанный метод контроля может использоваться в системе мониторинга тепловых сетей на основе геоинформационных технологий, развиваемых авторами James Corbett, Donald Cooke, Maxfîeld, Howard Fisher, Dana Tomlin, William Garrison, Torsten Hagerstrand, Harold McCarty, Ian McHarg, Ашировым A.A., Озеровым Д.А. (ООО «Полигерм»), Ексаевым А.Р. (ИВЦ «Поток»),

Научная новизна заключается в следующем:

1. Обоснована эффективность вейвлет преобразования для фильтрации акустического сигнала от шумов при использовании источника Су-Нильсена (излома графитового стержня, имитирующего АЭ сигналы).

2. Установлена работоспособность PSNR метрики при контроле изделий по анализу затухающих акустических сигналов, позволяющей рассматривать изменения в отдельных частотных диапазонах и не зависящей от фазы сигнала

3. Проанализированы сорок типов вейвлет-базиса и определен тип вейвлета Mexican Hat как эффективно вьщеляющий эталонный сигнал АЭ на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.

4 Разработан новый метод контроля состояния трубопроводов на основе вейвлет фильтрации сигналов акустической эмиссии.

На защиту выносятся

1. Результаты исследований влияния шума на обнаружение сигнала акустической эмиссии от шумов при использовании источника Су-Нильсена

2. Результаты исследований обнаружения дефектов в изделиях PSNR метрикой по анализу затухающих акустических сигналов.

3. Методика обработки сигналов на основе вейвлет разложения, позволяющая обнаруживать сигнал АЭ, уровень которых близок к уровню шумов.

4. Разработанная установка и результаты экспериментальных исследований по обнаружению сигналов акустической эмиссии на фоне шума.

5. Метод контроля дефектов трубопроводов, типа трещина, по анализу сигналов акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования, аттестованных контрольно-измерительных приборов и корректным применением программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими исследователями.

Практическая значимость

Разработанные метод и устройство позволяют обнаруживать сигналы акустической эмиссии на фоне шумов. Разработанная программа и результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке методик контроля опасных производственных объектов и всех видов трубопроводных сетей.

Реализация результатов работы. Алгоритмы обработки акустических сигналов использованы в ООО «Алтек-наука» (г. Санкт-Петербург) при разработке измерительно-диагностического комплекса, филиале ООО «КЭР-Инжиниринг» «ТатНИПИэнергопром» (г. Казань) и институте «ТатНИПИнефть» (г. Бугульма) при разработке методики контроля трубопроводов, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах:

XIV-XVI Аспирантско-магистерских семинарах, КГЭУ, г. Казань, 20102012 г.г.; XI-X1I Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффекгивносгь и энергосбережение», ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при Кабинете Министров РТ», г. Казань, 2010-2011 г.г.; Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), ИГЭУ, г. Иваново, 2011 г.; VI-VIII Всероссийских научных студенческих конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодым», ПГТУ, г. Йошкар-Ола, 2011-2013 г.г.; VI-VIII Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения», КГЭУ, г. Казань, 2011-2013 г.г.; 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», КВАКУ, г. Казань, 16-18 мая 2011 г.; VII-VIII Региональных научно-технических конференциях (с

международным участием) «ЭНЕРГИЯ», ИГЭУ, г. Иваново, 2012-2013 г.г.; Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития», ЮУрГУ, г. Челябинск, 2012 г.; XIX Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ, г. Москва, 2013 г.; XIX Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2013, ТПУ, г. Томск, 2013 г.; Всероссийском круглом столе «Молодежные идеи и проекты, направленные на повышение энергоэффективности и энергосбережение» (IV Ярославский энергетический форум), ЯГТУ, г. Ярославль, 2013 г.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке стипендии Гранта Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям российской экономики на 2012-2014 г.г. (фант СП-2137.2012.1).

Публикации.

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 патента на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора.

Автор принимал непосредственное участие в разработке методики обработки зашумленных сигналов, разработке и создании экспериментального стенда и устройства для контроля трубопроводов, в написании программного обеспечения для регистрации, обработки и анализа данных, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку и анализ экспериментальных данных.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:

1. Разработанный метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

2. Разработка и создание устройства для акустико-эмиссионного контроля тепловых сетей соответствует п.З «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».

3. Разработка программ сбора и обработки сигналов акустической эмиссии соответствует п.б. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающей 106 наименования. Работа изложена на 160 страницах и содержит 55 рисунков, 8 таблиц и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведена общая характеристика работы, ее практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен литературный обзор и оценено состояние проблемы контроля трубопроводов на данный момент. Показано, что проблемы энергоэффективносги при передаче тепловой энергии связаны с контролем состояния тепловых сетей.

Проведен анализ методов неразрушающего контроля (НК), используемых для диагностирования трубопроводов. Установлено, что для решения задач по обнаружению дефектов трубопроводов необходимо использовать интегральные методы, позволяющие контролировать протяженные участки сетей. Одним из них является метод акустической эмиссии (АЭ), обладающий определенными преимуществами по сравнению с традиционными методами НК. Проанализированы недостатки метода АЭ, наиболее существенным из которых, является сильная зависимость результатов контроля от внешних шумов. В выводах главы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены особенности и информативные критерии наличия и роста дефектов при проведении акустико-эмиссионного контроля, реализованные в программе Р1а\уОеАпег, разработанной автором в среде графического программирования ЬаЬУШ^' 9.0.

Акустическая эмиссия материала возникает из-за локальной динамической перестройки его структуры. Рост трещины в объектах, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, происходит, как правило, вязким образом и подчиняется закономерности:

ЛГ = сГ\ (1)

где N - суммарный счет АЭ при развитии трещины; с - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала; К - коэффициент интенсивности напряжений (КИН), зависящий от свойств материала объекта, его геометрии, размера, формы и положения трещины; т - параметр, зависящий от материала, его состояния, условий роста трещины.

На рис. 1 показана часть блок-диаграммы программы, где реализуются суммарный счет АЭ и определение координат источника АЭ по разнице во времени прохождения (РВП) сигнала от одного источника до разнесенных в пространстве датчиков АЭ.

При оценке технического состояния объекта по параметрам АЭ стоит задача классификации источников АЭ. В процессе контроля проводят накопление и обработку данных. После обработки принятых сигналов

результаты контроля представляют в виде идентифицированных и классифицированных источников АЭ.

Рис. 1. Часть блок-диаграммы программы, реализующей суммарный счет импульсов АЭ и определение координат источника АЭ

Так как АЭ представляет собой импульсный случайный процесс, аппаратура АЭ должна обеспечивать выделение параметров этого процесса с тем, чтобы можно было оценить техническое состояние контролируемого объекта. Динамический диапазон сигналов АЭ при выполнении контроля достигает 100 дБ и более. Наиболее распространенным диапазоном частот при АЭ контроле компактных объектов (например, сосудов) является диапазон 100. ..200 кГц, а для контроля трубопроводов диапазон 10. ..60 кГц.

Для регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии автором разработана программа 1тСоип1ег в среде программирования ЬаЬУШ^Л/ 11.0. Программа обеспечивает выполнение следующих функций: подключение к АЦП и запись сигнала; чтение записанных данных и их графическое воспроизведение; определение максимального и минимального значения сигнала; определение счета импульсов. На рис. 2 и 3 представлены части блок-диаграммы программы регистрации и обработки сигналов.

Рис.2. Часть блок-диаграммы программы, регистрирующей и записывающей сигнал

Рис.3. Часть блок-диаграммы программы, определяющей количество импульсов

Основным фактором, ограничивающим эффективность АЭ контроля, являются шумы. Шумы подразделяются в зависимости от источника происхождения на акустические (механические) и электромагнитные; от вида сигнала на импульсные и непрерывные; от места положения источника на внешние и внутренние. К источникам акустических шумов относятся работа насосов, моторов и других механических устройств, потоки жидкости; процессы трения, например, трение конструкций в местах опор; процессы, связанные с ударными возмущениями. К источникам электрических и

электромагнитных шумов можно отнести земляные контуры, включенные силовые цепи, радио и навигационные передатчики.

Согласно правил организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов ПБ 03-593-03 уровень непрерывных акустических или электромагнитных шумов (иш) не должен превышать (Уша + 6 дБ (11ш < (7пор = (/„,, + 6 дБ). Здесь (Упор -пороговое напряжение. Ограничения по импульсным шумам (помехам) устанавливаются исходя из условий, при которых проводят испытания. Рекомендуется, чтобы средняя частота регистрации импульсных помех не превышала 0,01 Гц (т.е./пом < 0,01 Гц). Проведение контроля в условиях повышенной частоты регистрации импульсных помех (т.е. при выполнении неравенства /пом > 0,01) возможно при научно-техническом обосновании возможности выявления требуемых источников АЭ.

Для выделения полезных сигналов может использоваться технология плавающего порога, являющаяся эффективной при условии, что не происходит существенной потери АЭ данных. Сигналы АЭ, уровень которых близок к уровню шумов, такими методами выделить невозможно.

В связи с тем, что источники шумов по характеристикам формы сигналов отличаются от эмиссии, связанной с дефектами, их отделяют путем использования математических методов дискриминации на компьютере, в частности фильтрации.

Частотная фильтрация основана на различии частотного спектра сигналов АЭ и помех. Метод частотной фильтрации наилучшие результаты дает при выделении сигнала АЭ из механических шумов.

Известны методы выборочного отбора и записи данных, базирующиеся на факторах времени, нагрузки или местоположения в пространстве. Такую машинную обработку можно проводить и после измерения, и во время процесса отображения информации (графического фильтрования), и уже после испытаний в процессе послетестовой обработки, используя программы послетестовой фильтрации.

В последние годы для исследования характеристик сигналов стала применяться технология вейвлет анализа. Особенности ее использования для выделения сигналов акустической эмиссии на фоне шумов рассмотрены в третьей главе.

В третьей главе проанализированы достижения других авторов в области вейвлет фильтрации сигналов и проведены исследования использования вейвлетов с разными характеристиками для фильтрации от шумов сигналов акустической эмиссии. Процессы типа ударов, трения, течей, шума уличного транспорта, работающего технологического оборудования являются источниками нежелательных шумов, часто превышающих уровень от сигнала АЭ при развитии трещины.

В отличие от традиционно применяемого при анализе данных преобразования Фурье, результаты, полученные с помощью вейвлет анализа, обладают большей информативностью и способны непосредственно улавливать такие особенности данных, которые при традиционном подходе

анализировать затруднительно. Исследована возможность применения Р8Ш метрики для контроля изделий по анализу затухающих сигналов. Аббревиатура РБЫИ. является термином, означающим соотношение между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума, искажающего значения сигнала, рассчитывается по формуле:

PSNR = 20 х /.»«

Max value

min (b',b)

(2)

где \1ax_value - амплитуда сигнала максимально возможной мощности, допустимая в данном представлении звукового сигнала; С-Ц] и С)Ц] - значения амплитуд скейлограмм эталонного и исследуемого сигнала; />л и Ъ - количество сдвигов вейвлет базиса для первого и второго сигнала соответственно; /, и /2 - параметры, выделяющие из общей скейлограммы частотную полосу для исследования. Обоснована применимость РБИЯ метрики при контроле изделий по анализу затухающих акустических сигналов, позволяющей рассматривать изменения в отдельных частотных диапазонах и не зависящей от фазы сигнала.

В работе исследовали сорок типов вейвлет-базиса с разными

характеристиками (табл. 1.). Т б 1

Мнемоническое обозначение Название вейвлета Характеристика соответствующего вейвлета

Meyer Мейера С бесконечной гладкостью

Morlet Марлета Вейвлет с бесконечным носителем

Mexican Hat Мексиканская шляпа

Haar Хаара Ортогональные вейвлеты с конечной маской

Db№ Добеши

Sym № Симлеты

Coif № Койфлеты

Bior № Биортогональные Биортогональные вейвлеты с конечной маской

s(n)=f(n)+ke(n)) (3)

с равномерным шагом по аргументу и, гдsf(n) - полезная информационная составляющая; е(п) - шумовой сигнал, например, белый шум определенного уровня со средним нулевым значением.

Процедура удаления шума выполнялась с использованием вейвлетов и включала следующие операции:

- Вейвлет разложение сигнала s(n). Значение уровня разложения определяется частотным спектром информационной части f(n) сигнала. Тип и порядок вейвлета влияет на качество очистки сигнала от шума в зависимости от формы сигналов f(n).

- Задание типа и пороговых уровней очистки по данным о характере шумов. Пороговые уровни очистки могут быть гибкими (в зависимости от номера уровня разложения) или жесткими (глобальными).

- Модификация коэффициентов детализации вейвлет разложения в соответствии с установленными условиями очистки.

- Восстановление полезного сигнала на основе коэффициентов аппроксимации и модифицированных детализационных коэффициентов.

Выбор вейвлета и глубины разложения зависят от свойств сигнала. Более гладкие вейвлеты создают более гладкую аппроксимацию сигнала, и наоборот - «короткие» вейвлеты лучше отслеживают пики аппроксимируемой функции.

Для исследования вейвлет фильтрации сигналов, полученных при использовании метода АЭ, был создан лабораторный стенд, на который был получен патент на полезную модель, проведены эксперименты, результаты которых изложены в четвертой главе.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Работы проводились на лабораторном стенде для исследования трубопроводов с циркулирующей жидкостью и возможностью повышения давления на исследуемом участке до 0,4 МПа (рис. 4).

Л 4 ^е

!

гскь

^ I .'. . . .

г

11

АЦП-ПАИ

С

ПК

3

Рис. 4. Экспериментальный стенд для исследования участка трубопровода: 1 - вентиль; 2 - манометр; 3,6 - датчики акустической эмиссии, 4 - трубопровод; 5 - источник Су-Нильсена; 7 - обратный клапан; 8 - емкость; 9 - насос; 10 - АЦП-ЦАП; 11 - персональный компьютер.

Рис. 5. Фотографии стенда и его элементов

Оценка погрешности результатов измерений на стенде проводилась вероятностно-статистическим методом, согласно ГОСТ 8.207-76. Оценка результатов измерений проводилась путем получения среднего арифметического 30 наблюдений амплитуды сигнала акустической эмиссии:

П

(4)

п

Установлено, что с учетом полученных значений для измерительного комплекса ДЛ =±0,1286 В, при доверительной вероятности Р = 0,95 при результатах измерений А = 0,4633 В.

Характерные сигналы, от эталонного источника акустической эмиссии, записанные в ходе экспериментов с незаполненным, заполненным участком трубопровода и с циркулирующей по трубопроводу при разных давлениях жидкостью приведены на рис. 6-9.

"1

г:

- - - — с - - - -- —

- — - — —

; _ - - - - ... -•

- р — — —

1» « . «ш м

Рис. 7. Сигнал в трубе с водой

Рис. 6. Сигнал при незаполненной ____трубе_____

- - -

- 4-

1>

_ 4_ —

— —— - -

Рис. 8. Сигнал в трубе с водой с работающим насосом (РШ6=0,01 МПа)

Рис. 9. Сигнал в трубе с водой с работающим насосом (Рю^ОДб МПа)

Первую серию измерений проводили на незаполненной трубе с выключенным насосом, имитировали сигнал АЭ (проскок трещины от источника Су-Нильсена), записывали его и обрабатывали. Сигнал отчетливо просматривался (рис. 6). Во второй серии измерений заполнили трубу водой и повторили действия - сигнал хорошо просматривался, но часть энергии сигнала рассеялась в воде (рис. 7). Третья серия измерений проводилась при циркуляции жидкости по контуру. Исследования проводили при шести разных давлениях в трубе (0,01; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 МПа). По мере увеличения давления в контуре изменялось соотношение «полезный сигнал-шум». При давлении Ризб = 0,01 МПа сигнал просматривается на фоне шума от работающего насоса (рис. 8), а при давлении Риз6 = 0,25 МПа уровень шума был сравним с уровнем сигнала, поэтому сигнал АЭ визуально не определяется (рис. 9).

Результат обработки вейвлет фильтрацией зашумленного сигнала (типа приведенного на рис. 9) представлен на рис. 10. Сигнал обработан программой \VaveDenoise, разработанной автором в среде программирования ЬаЬУ1ЕМг 9.0.

40- >0

I

jf 15 -

0 -

О 20 О -10 Ю 60 О 80 О 1С« Tin 50 12 » 14 х) т XI 18« ЭО 20

Рис. 10. Обработанный вейвлет фильтрацией (типом Mexican Hat) сигнал от излома грифеля о поверхность заполненной трубы с работающим насосом

По результатам исследований была создана установка для мониторинга состояния трубопроводов натурных объектов (рис. 11), на которую был получен патент на полезную модель.

Рис. 11. Принципиальная схема установки для мониторинга состояния трубопроводов: 1 - аналого-цифровой преобразователь; 2 - персональный компьютер; 3 - два пьезоэлектрических датчика; 4 - тележка; 5 - планка; 6 - прорезиненные стержни;

7 - отверстия; 8 - трубопровод

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с применением результатов исследований.

Предложено создать модель мониторинга системы теплоснабжения работающей в режиме реального времени на базе геоинформационной системы, так как решение задач диагностики трубопроводов без учета «географической» привязки сетей к плану территории неэффективно.

Описывается понятие «электронная модель» систем теплоснабжения. Перечислены возможности геоинформационной системы

Показана возможность создания на основе разработанного метода аппаратно-программного комплекса для обнаружения утечек теплоносителя и контроля состояния трубопроводов на основе геоинформационной системы ZULU, работающего в режиме реального времени (рис. 12).

Предложенная информационно-измерительная система мониторинга состояния тепловых сможет функционировать совместно с электронными

картами систем теплоснабжения населенных пунктов, разрабатываемыми в настоящее время в соответствии с требованиями Федерального закона № 190 от 27.07.2010 г. «О теплоснабжении»._

^Vi-1 ~ - J щ

S. у-ЦТ « , \\ Г" ~ ||. I VJ ;> }} ■ aU Ш

' - ■ ' , щ

|Р-! ^ тр'Т гт—|l , vö 1 ......

Рис. 12. Электронная модель системы теплоснабжения

Результатом работы аппаратно-программного комплекса будет являться вывод на экран монитора диспетчера системы тепловых сетей, информации о наличии на контролируемом участке трубопровода дефекта, его размере и местоположении.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.

В приложении диссертации приведены патенты на полезные модели, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и акты реализации результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована эффективность вейвлет преобразования для очистки от помех эталонного сигнала акустической эмиссии. Определен тип вейвлета Mexican Hat как эффективно выделяющий эталонный сигнал АЭ на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.

2. Обоснована работоспособность PSNR метрики при акустическом контроле изделий по анализу затухающих акустических сигналов.

3. Разработан алгоритм обнаружения и идентификации дефектов по параметрам акустической эмиссии на фоне шума.

4. Разработана методика на основе вейвлет разложения, позволяющая обнаруживать дефекты трубопроводов по анализу сигналов АЭ на фоне шума.

5. Разработана опытная установка и проведены экспериментальные исследования трубопроводов.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан метод контроля дефектов трубопроводов акустической эмиссией на основе вейвлет фильтрации.

Поставленная цель диссертационной работы достигнута.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, 2 патента на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Публикации в гаданиях, включенных в перечень ВАК РФ:

1. Ваньков Ю.В., Серов В.В., Зиганшин Ш.Г., Измайлова Е.В. Изучение влияния коррозионных дефектов на параметры колебаний трубопроводов на ранней стадии зарождения / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. — 2011,—№ 11-12.—С. 141-149. —ISSN 1998-9903.

2. Акутин М.В., Ваньков Ю.В. Измайлова Е.В. Метод кошроля технического состояния лопаток 1 ТУ по параметрам свободных колебаний / Весшик КГТУ им. А.Н.Туполева».-2012.-№3.-С. 26-32.-ISSN 2078-6255.

3. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Выделение сигналов акустической эмиссии на фоне шумов вейвлет фильтрацией / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2013.-№9-10.-С. 135-I38.-ISSN 1998-9903.

Свидетельства и патенты:

4. Патент РФ № 108551, МПК F 17 D 3/00. Устройство для диагностирования трубопроводов / Серов ВВ, Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Акутин М.В., Измайлова Е.В. - Опубл. 20.092011, Бкш. № 26.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618176 Neurotracer / Серов В.В., Ваньков Ю.В., Зиганшин ШГ., Акутин М.В., Измайлова Е.В. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ. 18.10.2011.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012617704 FlawDefiner / Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В., Серов ВВ., Горбунова Т.Г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ. 27.08.2012.

7. Патент РФ № 129255, МПК G 01 N 29/00. Установка для мониторинга состояния трубопроводов / Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В., Серов В.В., Загрегдинов А.Р., Кондратьев А.Е. -Опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.

Публикации в других изданиях:

8. Izmailova Е. & Vankov Y. The use of the virtual LabVIEW instrument in acoustic émission control of condition of heat networks // «Scientifïc enquiiy in the contemporaiy world: theoretical basics and innovative approach» - USA: L&L Publishing, Titusville, FL, 2012. Vol. 4Technical Sciences, 1SBN-13:978-1481823036,ISBN-10:1481823035,P. 110-112.

9. Ваньков ЮВ, Серов ВВ., Зиганшин ШГ, Измайлова ЕВ. Методы колебаний при контроле трубопроводных систем / В мире неразрушающего контроля. Серия Акустический контроль. - 2013.-№3(61).-С. 54-58.-ISSN 1609-3178.

Публикации в материалах конференций:

10. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. «Использование виртуального прибора LabVIEW при контроле акустической эмиссией» / Материалы XIX Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»-Москва: МЭИ, 2013. Т. 2, С. 111.

11. Измайлова ЕВ., Ваньков ЮВ. Снижение трудоемкости акустической диагностики состояния трубопроводов / Материалы XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СГГ-2013 - Томск: ТПУ, 2013. Т. 1,С. 160-161.

12. Измайлова Е.В., Ваньков ЮВ. Акустико-эмиссионный диагностический комплекс / Материалы VIII Международной научно-технической конференции «ЭНЕРГИЯ-2013»—Иваново: ИГЭУ, 2013. Т. 1,4.1,С. 109-112.

13. Ваньков Ю.В., Серов В.В., Ярцева Н.В., Измайлова Е.В. Анализ изменения частот трубопровода в результате развития коррозионного дефекта и варьирования давления теплоносителя / Материалы XI Международного симпозиума «Энергоресурсоэффекгивносгь и энергосбережение» - Казань: ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при КМ РТ», 2010. С. 189 - 195.

14. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Метод акустической эмиссии при диагностировании состояния тепловых сетей / Материалы Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения) - Иваново: ИГЭУ, 2011. С. 195 -198.

15. Измайлова ЕВ., Ваньков Ю.В. Акустическая эмиссия при контроле состояния тепловых сетей /Материалы Международной молодежной научной конференции «Научному прогрессу-таорчесгво молодых» - Йошкар-Ола: Г И Ч'У, 2011.42, С.92-93.

16. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Разработка методики контроля тепловых сетей методом акустической эмиссии / Материалы XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамериые процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»-Казань: КВАКУ, 2011. Ч. 1, С. 38-39.

17. Измайлова ЕВ., Ваньков Ю.В. Нахождение местоположения дефекта трубопровода методом акустической эмиссии в среде графического программирования Lab VIEW / Материалы XII Международного симпозиума «Энергоресурсоэффекгивносгь и энергосбережение» - Казань: ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при КМ РТ», 2011.С.316-323.

18. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Регистрация параметров сигнала источника акустической эмиссии в Lab VIEW / Материалы VII Региональной научно-технической конференции (с международным участием) «ЭНЕРГИЯ-2012» - Иваново: ИГЭУ, 2012. С. 66- 70.

19. Измайлова ЕВ., Ваньков ЮВ. Реализация суммарного счета импульсов акустической эмиссии при диагностировании дефектов трубопровода в среде LabVIEW / Материалы VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» - Казань: КГЭУ, 2012г. Т. 2, С. 77 - 78.

20. Измайлова ЕВ., Ваньков ЮВ. Реализация источника Су-Нильсена для проверки работоспособности акустико-эмиссионной аппаратуры / Материалы Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развитая»-Челябинск: ЮУрГУ, 2012. Т. 1, С. 115-117.

21. Измайлова Е.В., Ваньков ЮВ. Диагностирование дефектов трубопровода с помощью разработанного мобильного устройства / Материалы VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» -Казань: КГЭУ, 2013. Т. 2, С. 70 - 71.

Подписано к печати 05.11.2013 Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз.

Издательство КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» кгэу (ФГБОУ ВПО «КГЭУ»)

На правах рукописи

04201 45334-3

Измайлова Евгения Вячеславовна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И МЕТОД КОНТРОЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ваньков Юрий Витальевич

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений 5

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1. Проблема энергоэффективности 10

1.2. Контроль состояния тепловых сетей 11

1.3. Методы контроля трубопроводов 13

1.4. Метод акустической эмиссии 20

1.4.1. Сравнение метода акустической эмиссии с другими методами контроля

1.4.2. Диапазон применения метода акустической эмиссии 24

1.4.3. Достоинства и недостатки метода акустической эмиссии 2 8

1.5. Повышение эффективности эксплуатации тепловых сетей ^ путем разработки методики их диагностирования

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования 34 ГЛАВА 2. АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ 3 6

2.1. Особенности акустико-эмиссионного контроля 36

2.2. Классификация источников акустической эмиссии 39

2.3. Аппаратура, используемая при акустико-эмиссионном ^ контроле

2.4. Методы определения координат источников акустической

эмиссии

2.5. Погрешность вычисления координат 55

2.6. Проблема зашумленности 58

2.6.1. Виды шумов 58

2.6.2. Борьба с шумами 60

2.7. Выводы по главе 63

ГЛАВА 3. ВЕИВЛЕТ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

3.1. Основные понятия теории вейвлетов 64

3.1.1. История появления вейвлетов 65

3.1.2. Особенности вейвлетов 66

3.2. Применение теории и практики вейвлет преобразования в приложениях распознавания сигналов и неразрушающего 70 контроля

3.3. Использование РБИЯ метрики для выявления дефектов в ^ изделиях

3.4. Особенности использования вейвлетов в борьбе с шумами 80

3.5. Выводы по главе 82 ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА

84

ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИИ

4.1. Экспериментальный стенд для исследования участков труб 84

4.2. Измеряемые параметры сигналов 86

4.3. Приборное обеспечение 88

4.4. Методика проведения экспериментов 91

4.5. Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании незаполненной трубы, и их анализ

4.6. Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании контура, заполненного жидкостью, и их анализ

4.6.1. Анализ полученных результатов 108

4.6.2. Оценка погрешности экспериментального стенда для ^ исследования нагруженной трубы с циркулирующей жидкостью

4.7. Устройство для мониторинга трубопроводов 114

4.8. Выводы по главе 117

102

105

ГЛАВА 5. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ 118 ТЕХНОЛОГИЙ

5.1. Электронные модели систем теплоснабжения 118

5.2. Возможности ГИС ZULU 122

5.3. Выводы по главе 133 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 13 7 ПРИЛОЖЕНИЕ 149

Список сокращений ASME - Американское Общество Инженеров Механиков ASTM - Американское Общество Контроля и Материалов MARSE - площадь под огибающей сигнала

MONPAC - технология MONPAC стандарт ASME для новых сосудов

PSNR - соотношение между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума, искажающего значения сигнала

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

АЭ - акустическая эмиссия

ВВП - быстрое вейвлет преобразование

БП - блок питания

ГВС - горячее водоснабжение

ГИС - геоинформационная система

ГТУ - газотурбинная установка

Д - датчик

МНК - методы неразрушающего контроля

НК - неразрушающий контроль

ОИ - объект исследования

ПАЭ - преобразователь акустической эмиссии

ПБ - Правила промышленной безопасности

ПК - персональный компьютер

ПО - программное обеспечение

РВП - разница времени прихода сигнала

САПР - система автоматизированного проектирования и машинной графики

ТД - техническая диагностика

ТЭЦ - Теплоэлектроцентраль

У - предусилитель

ФЗ - федеральный закон

ФНЧ - фильтр низких частот

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

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.

В ряде населенных пунктов до 60 % тепловой энергии, вырабатываемой из первичных энергоносителей, теряется на пути следования к потребителю. Потери происходят из-за разных факторов, в число которых входят два основных типа повреждений, приводящих в конечном итоге к разрушению трубопровода - трещиноподобные дефекты и дефекты коррозионной природы. В этой связи необходим контроль состояния трубы. Внедрение систем контроля тепловых сетей сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и

эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством аппаратуры для работы в производственных условиях, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах, отражающих тип дефекта и их связь с критериями разрушения. При проведении контроля трубопроводных систем необходимо применение методов неразрушающего контроля (НК), позволяющих осуществлять обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по всей длине диагностируемого участка. Среди интегральных способов контроля получил широкое применение в промышленности метод акустической эмиссии (АЭ), в частности, при диагностике состояния энергетических агрегатов, в том числе корпусов ядерных реакторов. Он позволяет не только обнаружить наиболее опасные дефекты, развивающиеся в контролируемом объекте, но и оценить степень их опасности, продлевать эксплуатационный цикл ответственных

промышленных объектов, прогнозировать вероятность возникновения аварийных разрушений. Однако метод АЭ обладает и недостатками, основным из которых является низкая помехоустойчивость.

В диссертационной работе решается задача развития метода акустической эмиссии применительно к контролю трубопроводов.

Общая характеристика работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающей 106 наименований. Работа изложена на 160 страницах и содержит 55 рисунка, 8 таблиц и 7 приложений.

Практическая значимость работы

Разработанные метод и устройство позволяют обнаруживать сигналы акустической эмиссии на фоне шумов. Разработанная программа и результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке методик контроля опасных производственных объектов и всех видов трубопроводных сетей.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Обоснована эффективность вейвлет преобразования для фильтрации акустического сигнала от шумов при использовании источника Су-Нильсена (излома графитового стержня, имитирующего АЭ сигналы).

2. Установлена работоспособность PSNR метрики при контроле изделий по анализу затухающих акустических сигналов, позволяющей рассматривать изменения в отдельных частотных диапазонах и не зависящей от фазы сигнала.

3. Проанализированы сорок типов вейвлет-базиса и определен тип вейвлета Mexican Hat, как эффективно выделяющий эталонный сигнал АЭ на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.

4 Разработан новый метод контроля состояния трубопроводов на основе вейвлет фильтрации сигналов акустической эмиссии.

На защиту выносятся

1. Результаты исследований влияния шума на обнаружение сигнала акустической эмиссии от источника Су-Нильсена.

2. Результаты исследований обнаружения дефектов в изделиях Р8ЫЯ метрикой по анализу затухающих акустических сигналов.

3. Методика обработки сигналов на основе вейвлет разложения, позволяющая обнаруживать сигнал АЭ, уровень которых близок к уровню шумов.

4. Разработанная установка и результаты экспериментальных исследований по обнаружению сигналов акустической эмиссии на фоне шума.

5. Метод контроля технического состояния трубопроводов, типа трещина, по анализу сигналов акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) при поддержке стипендии Гранта Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, 20122014 г.г. (грант СП-2137.2012.1).

Основные вопросы диссертационной работы изложены в 3 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ [1-3], 2 статьях в рецензируемых журналах [25, 26], 2 патентах на полезную модель [27, 28], 2 авторских свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ [29, 30] (2 заявки [31, 32] на стадии опубликования), 19 материалах конференций [424].

Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Х1У-ХУ1 Аспирантско-магистерских семинарах (КГЭУ, г. Казань, 2010-2012 г.г.); Х1-ХП Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и

энергосбережение» (Департамент информационно-издательской и образовательной деятельности ГАУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан», г. Казань, 2010-2011 г.г.); VI - VIII Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (КГЭУ, г. Казань, 2011-2013 г.г.); Всероссийской научной студенческой конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодым» (МарГТУ, г. Йошкар-Ола, 2011-2013 г.г.); на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (КВАКУ, г. Казань, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), посвященной 130-летию изобретения электродуговой сварки H.H. Бенардосом (ИГЭУ, г. Иваново, 2011 г.); VII - VIII Региональной научно-технической конференции (с международным участием) «ЭНЕРГИЯ» (ИГЭУ, г. Иваново, 2012-2013 г.г.); Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития» (ЮУрГУ, г. Челябинск, 2012 г.); XIX Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, Москва, 2013 г.); XIX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» СТТ-2013 (ТПУ, г. Томск, 2013 г.); IV Ярославском энергетическом форуме (ЯГТУ, г. Ярославль, 2013 г.).

За поддержку в работе, ценные указания и замечания автор искренне благодарит научного руководителя - заведующего кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» Казанского государственного энергетического университета Ванькова Юрия Витальевича.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Проблема энергоэффективности

Проблема энергосбережения и повышения энергоэффективности в последнее время активно и громко обсуждается на всех уровнях политической власти - от Президента и «Единой России» до губернаторов, их замов и помощников. Среди специалистов эта тема обсуждается не так громко, т.к. проблема воспринимается как печальная неизбежность, да и некогда обсуждать - нужно обеспечить работу отрасли и ее способность греть людей, а в условиях кризиса, когда денег с трудом хватает только на латание, это непросто.

Принят Федеральный закон № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической энергоэффективности...» [33]. В ряде регионов при поддержке ВЭБа (Внешэкономбанк) реализуют крупные программы модернизации ЖКХ, в которых обязательным пунктом идет раздел «энергоэффективность». Впрочем, раздел этот весьма формальный. Упомянутый Фонд содействия реформированию ЖКХ на самом деле имеет отношение только к «Ж» - т.е. жилищному ремонту, собственно же коммунальное хозяйство опять остается падчерицей. А за шумными компаниями по вворачиванию энергосберегающих лампочек населению как-то уходит в тень тот факт, что износ сетей ЖКХ в регионах РФ составляет 65-90%, от четверти до трети протяженности трубопроводов требуют немедленной замены, в сетях теряется от половины до 70% подаваемого туда тепла и воды, что ведет к значительному перерасходу топлива, энергии и ресурсов. Регулярные аварии в прогнивших трубах, когда без необходимых услуг по всей стране оказываются тысячи и даже десятки тысяч человек, обостряют социальную обстановку, их ликвидация обходится в несколько раз дороже, чем плановый ремонт такого же объема.

Подготовка к отопительному сезону по-прежнему выливается в отчеты о создании резервов топлива на зиму для котельных, которые при дырявых

сетях снова будут обогревать главным образом сами себя и воздух. Денег для массовой замены изношенных труб либо нет совсем, либо удается выбить незначительные суммы, в результате ежегодные объемы ремонта сетей почти в два раза отстают от их физического износа и проблема только усугубляется. Число аварий уже давно превысило 2-2,5 случаев в год на километр сетей и продолжает увеличиваться, приближаясь к «точке невозврата» (по оценке специалистов это 3-3,5 аварии на километр), что чревато массовым системным сбоем в масштабах целых регионов. Возможные последствия этого развития ситуации некоторые специалисты характеризуют как «подземный Чернобыль», начало которого с учетом срока эксплуатации сетей прогнозируется ими для малых и средних городов РФ на 2010-2011 гг.

Таким образом, крайне острая проблема есть, и ее решение необходимо государству, населению, экономике в целом. Снабженцы в МУПах на местах поясняют: «кому нужны долговечные трубы, мы живем от регулярных закупок и аварийных ремонтов, за ликвидацию которых платят в 3-4 раза больше, чем за плановые работы. А денег в случае аварии начальники всегда найдут из областного или даже федерального бюджета, никуда не денутся -социальный фактор властям себе дороже». Так и продолжается по кругу: труба - земля - авария - новая труба - земля...

1.2. Контроль состояния тепловых сетей

Тепловые сети - это сложный комплекс, включающий в себя как трубопроводы, так и сооружения, насосное оборудование с арматурой, системы автоматики с контрольно-измерительными приборами, систему оперативно-диспетчерского и ремонтного обслуживания, системы проектирования монтажа и приемки в эксплуатацию.

Основной производственной задачей при эксплуатации тепловых сетей является обеспечение надежного, бесперебойного теплоснабжения

потребителей с заданными технологическими параметрами, потому что тепловые сети - это наиболее уязвимое на сегодняшний день звено во всей цепочке теплоснабжения «генерация - транспорт - распределение».

Реальное состояние тепловых сетей таково, что и вначале XXI в. происходят повреждения, которые сопровождаются не только временным отключением потребителей, но и травмированием людей и материальным ущербом третьим лицам.

Срок эксплуатации трубопроводов [34], нормативно определенный значением 25 лет, во многих случаях не соответствует их реальному ресурсу. Ускоренная коррозия металла до сих пор является главным препятствием для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации тепловых сетей.

Условия коррозионного воздействия на металл в различных зонах залегания тепловых сетей сильно отличаются. В эксплуатационных районах информация о техническом состоянии трубопроводов формируется, главным образом, по результатам регламентных обходов, сведений о расположении смежных подземных коммуникаций, на основании данных о происходящих ранее повреждениях, о типе и состоянии тепловой изоляции, заливании и подтопляемости каналов и подземных сооружений, исправности дренажной системы, дат предшествующих перекладок и т.п. Однако большая часть тепловых сетей все же остается недоступной для непосредственного осмотра.

Для рационального использования трудовых и финансовых ресурсов уже недостаточно руководствоваться такими оценками, как «совсем плохо» или «еще терпимо». Необходимо как можно более точно, определять координаты мест коррозионных разрушений металла и минимально необходимые границы производства капитального ремонта для продления остаточного ресурса работы трубопроводов, т.е. времени, в течение которого транспортировка по ним теплоносителя будет проходить без повреждений. Сделать это можно только на основании комплексного учета различных факторов путем применения методов неразрушающего контроля.

Показате�