автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Помехоустойчивый метод обнаружения сигнала от дефекта в системах акустико-эмиссионного контроля технологического оборудования

На правах рукописи

Давыдова Дарья Геннадьевна

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛА ОТ ДЕФЕКТА В СИСТЕМАХ Л КУ СТ И КО-Э МИСС ИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 МАР 2015

Уфа 2015

005560301

005560301

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Ризванов Риф Гарифович

Официальные оппоненты:

Пермяков Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» / кафедра «Техносферная безопасность», заведующий кафедрой

Галкин Денис Игоревич

кандидат технических наук, ФГАУ «Научно-учебный центр «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н.Э. Баумана» / подразделение «СертиНК», заместитель руководителя

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ухтинский

государственный технический университет», г.Ухта

Защита диссертации состоится 27 марта 2015 г. в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.neL

Автореферат разослан «¿Я$»9£&РАЛЯ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Разработка эффективных методик акустико-эмиссионного (АЭ) контроля имеет определяющее значение при проведении комплексного диагностического обследования объектов нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности. Одним из ключевых вопросов является сложность расшифровки результатов контроля, обусловленная наложением на сигнал акустической эмиссии шумов. Исследования в этом направлении определяют вектор дальнейшего развития метода акустико-эмиссионного диагностирования оборудования. Перспективные сегодня подходы, связанные с использованием мониторинговых систем, ставят новые задачи в области интерпретации результатов, существенно повышая требования к точности дефектоскопии.

Главное требование, предъявляемое к таким системам - работа в текущих условиях эксплуатации оборудования и своевременное информирование контрольных служб о любых отклонениях в его работе. Немаловажным фактором является снижение потерь от простоев и ремонта оборудования. Кроме того, технические и финансово-экономические проблемы, связанные с заменой отработавших свой ресурс объектов, а также ряд других факторов предполагают создание новых подходов решения задач неразрушающего контроля и технической диагностики.

Внедрение сложных систем мониторинга способно удовлетворить дополнительные потребности предприятий нефтегазового комплекса: проведение работ при заранее неизвестных условиях, в режимах, затрудняющих или делающих невозможным контроль со стороны технического персонала. Существенную неопределенность в процесс интерпретации результатов акустико-эмиссионного контроля вносит фактор наличия шумов различной природы (технологические и конструктивные шумы, внешние механические и электромагнитные помехи и вибрации и пр.).

Целью диссертационной работы является обеспечение возможности обнаружения сигнала от дефекта при акустико-эмиссионном контроле технологического оборудования в условиях высокого уровня шума путем разработки помехозащшценного метода.

В соответствии с данной целью сформулированы следующие задачи:

1 Разработать принцип регистрации данных, позволяющий проводить акустико-эмиссионный контроль в случае, когда отношение сигнал/шум менее единицы.

2 Разработать алгоритм идентификации сигнала от дефекта в высоко зашумленных данных. Создать систему цифровой обработки анализируемых данных с применением адаптивной фильтрации.

3 Экспериментально исследовать эффективность системы регистрации и обнаружения акустико-эмиссионного сигнала, построенной на основе устройства беспороговой регистрации данных и цифровой адаптивной фильтрации.

4 Установить количественные критерии, используемые в качестве диагностических признаков наличия АЭ сигнала от дефекта при АЭ контроле оборудования.

Научная новнзпа

1 Разработан метод обнаружения сигнала от дефекта при акустико-эмиссионном контроле в условиях высокоамплитудных помех (отношение сигнал/шум менее единицы) с использованием беспороговой регистрации данных, обеспечивающий количество ложных идентификаций АЭ импульсов не более 5%, значение функции когерентности не менее 0,8.

2 Впервые установлены количественные критерии для идентификации АЭ сигнала от дефекта в высоко зашумленных данных: функция взаимной корреляции, интервал корреляции, отклонение функции распределения временных интервалов от экспоненциального закона, коэффициенты асимметрии и эксцесса между импульсами АЭ сигнала от дефекта и шума.

Практическая значимость

Наличие помехоустойчивого метода обнаружен™ АЭ сигналов от дефектов позволяет применять АЭ контроль объектов нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности в производственных условиях с высоким уровнем шума.

Впервые разработан адаптивный обнаружитель (детектор) дефектов технологического оборудования в условиях наличия высокоамплитудного шума (отношение сигнал/шум менее единицы).

Предложенный комплекс интегрирован в систему технического диагностирования, применяемую в филиале «ИНТЕРЮНИС-УРАЛ» ООО «ИНТЕРЮНИС» (г.Екатеринбург) и ООО «Стратегия ПК» (г.Екатеринбург), при проведении АЭ контроля технических устройств нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности: технологических трубопроводов, сосудов под давлением, камер пресса, ректификационных колонн, а также при АЭ мониторинге состояния осевых сильфонных трубопроводных компенсаторов.

Защищаемые положепия

1 Устройство беспороговой регистрации данных АЭ контроля.

2 Помехозащгаценный метод обнаружения АЭ сигнала от дефекта, основанный на адаптивной фильтрации, при отношении сигнал/шум менее единицы.

3 Количественные критерии для идентификации АЭ сигнала от дефекта в высоко зашумленных данных.

4 Результаты лабораторных и производственных исследований предложенного метода АЭ контроля технологического оборудования.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа, 2011 г.), V Международной заочной научно-практической конференции молодых ученых

«Актуальные проблемы науки и техники» (г.Уфа, 2012 г.), VI Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза» (г.Уфа, 2012 г.), VII Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза» (г.Уфа, 2013 г.), XXVI Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г.Екатеринбург, 2013 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах, из них 3 статьи -в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 104 наименований, содержит 127 страниц машинописного текста, включая 39 рисунков, 11 таблиц и 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность выполненного автором комплекса научных исследований.

В первой главе критически проанализированы существующие подходы к обнаружению дефектов при АЭ контроле технических устройств. Рассмотрены основные работы и публикации по проблемной области диссертационного исследования отечественных и зарубежных авторов: Баранова В.М., Карпова О.Н., Барат В.А., Харитонова К.О., Виноградова А., Валеева В.Г., Язовского A.A., Нигматуллина P.P., Чеботаревой ИЛ., Уидроу Б., Стирнза С., Роджерса М., Карена М., Хаупта Н. и др. Рассмотрены основные рабочие модели проведения АЭ

контроля, интегрированные в реальные производственные условия, приведены методологические основы существующей нормативной базы (ПБ 03-593-03). Проведен анализ современных методов оценки текущего состояния техпологического оборудования нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности с применением АЭ контроля. В результате проведенного обзора сделан вывод: существующие подходы оценки технического состояния используют амплитудную пороговую фильтрацию АЭ сигнала. Таким образом, обнаружение сигнала от дефекта при АЭ контроле возможно только когда сигнал от дефекта имеет амплитуду, существенно превышающую шум. Установлено, что актуальной проблемой является модернизация системы оценки технического состояния оборудования с использованием АЭ контроля в следующих направлениях: повышение точности идентификации дефектов, улучшение помехозащищенности метода.

Сформулирована цель и задачи работы, решение которых составляет содержание диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрен подход, позволяющий модернизировать АЭ контроль с учетом основных факторов технического диагностирования реального оборудования нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности: высокий уровень шумовых помех, сложная форма сигнала. Принципиальная схема помехоустойчивого обнаружителя сигнала от дефекта в АЭ системах приведена на рисунке 1.

Ключевыми элементами предложенного в работе помехоустойчивого метода обнаружения сигнала от дефекта при АЭ контроле в сильно зашумленных условиях являются:

■ Беспороговая регистрация данных (БРД) при АЭ контроле оборудования опасных производственных объектов.

■ Адаптивная цифровая фильтрация (АФ) АЭ данных, способная подстраиваться под конкретные условия проведения технического диагностирования.

■ Критериальная система оценки результатов АЭ контроля. Оценка эффективности предложенного помехоустойчивого метода.

В общем случае, комплекс подразумевает создание обнаружителя (детектора) дефектов, основанного на БРД и цифровой обработке АЭ сигнала. Идея БРД предполагает исключение детектора-дискриминатора из схемы контроля, присутствующего во всех существующих АЭ системах. Отказ от принципа амплитудной дискриминации позволил осуществить непрерывную запись сигнала без потери информативности, что открывает широкие возможности для обработки АЭ сигнала и интерпретации результатов контроля.

Цифровая обработка зарегистрированного сигнала реализована с применением адаптивной фильтрации. В общем случае, работа фильтра предполагает использование двух раздельных преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) -независимых информационных канала. При этом один датчик должен быть удалеп от потенциальных дефектов-источников АЭ в объекте контроля. Отсутствие АЭ сигнала от дефекта на участке, где установлен вспомогательный датчик, является определяющим условием работоспособности классической схемы АФ. Последнее условие не всегда выполнимо при АЭ диагностике реальных объектов, поскольку априорно присутствует неопределенность расположения дефекта в объекте контроля. В этом отношении гораздо большее практическое значение, особенно при построении систем АЭ мониторинга в реальном времени, имеет схема АФ с одним информационным каналом на входе. Данный канал содержит только регистрируемый временный ряд из аддитивной смеси АЭ сигнала и шума, поступающий с единственного ПАЭ, расположенного вблизи дефекта-источника АЭ в объекте контроля. В настоящей работе одноканальная структура АФ была реализована посредством модификации алгоритма фильтрации, которая позволила осуществить сценарий «слепой» адаптации. Суть предложенного подхода состоит в задании временной задержки, эквивалентной введению виртуального эталонного сигнала. Величина задержки определяется соотношением времен корреляции шума и сигнала.

Рисунок 1 - Схема помехоустойчивого метода обнаружения АЭ сигнала при беспороговой регистрации данных

Для оценки эффективности алгоритма фильтрации предложены численные критерии, основанные на различии статистических, спектральных и корреляционных свойств сигнала от дефекта и стационарного шума. С этой целью реализована постобработка данных АФ, состоящая из четырех независимых этапов: кросскорреляционная экспресс-диагностика, расчет интервалов корреляции, анализ временных интервалов между импульсами, а также статистический анализ АЭ сигнала и шума.

Предложенный в работе подход АЭ контроля характеризуется выполнением следующих условий:

- независимость работы алгоритма от условий проведения АЭ контроля (наличие различного рода шумов);

- исключение ошибок обработки АЭ данных по причине неточного определения предельных граничных условий при пороговой регистрации АЭ сигналов и некорректной фильтрации помех;

- выявление дефектов, инициирующих слабый АЭ сигнал вследствие малой активности источника акустической эмиссии; повышение точности выявления зарождающихся дефектов оборудования;

- выявление дефектов, инициирующих слабый АЭ сигнал вследствие удаленности от датчика; независимость расположения датчиков АЭ от участков с возможными дефектами.

В третьей главе приведено описание экспериментальных методов, аппаратных средств и материалов, использованных в работе. Система БРД была специально спроектирована для задачи измерения и анализа АЭ сигнала на базе серийного модуля преобразователя напряжений Ь-Сагс1 Е20-1(Ю (производство ООО «Л-КАРД», г. Москва). Отличительной чертой использования модуля Ь-Саг<1 при АЭ контроле является принцип непрерывной (без использования порога дискриминации) записи АЭ сигнала, поступающего с выхода регистрирующей цепочки. Данное обстоятельство существенно отличает Ь-Сагё от существующих систем регистрации данных АЭ. В аппаратной схеме регистрации сигнала уровень шумов и различного рода помех принципиального значения не имеет и может быть существенно выше полезного сигнала. Предложенная схема АЭ также включает АЭ преобразователи (ОТ-200, Ы)-11), предварительные усилители, широкополосные усилители. Цифровая обработка АЭ сигнала реализована в программном комплексе МАТЬАВ. Предложенная схема беспороговой регистрации апробирована как в лабораторных условиях, так и при контроле производственного оборудования действующих опасных производственных объектов.

Эксперимент №1 «Акустико-эмиссионный контроль с использованием модельного сигнала и имитатора шума»

Регистрация данных при АЭ контроле в лабораторных условиях проводилась с использованием имитаторов АЭ импульсов и шума. В ходе эксперимента произведена запись трех блоков данных: полезный сигнал - периодический временной ряд, зарегистрированный на модельном объекте при работе имитатора сигнала АЭ; аддитивный шум — искусственно сгенерированный временной ряд при работе модельного источника широкополосного шума; зашумленный сигнал -

временной ряд, записанный при одновременной работе имитатора сигнала АЭ и модельного источника широкополосного шума. Регистрация сигналов производилась при различном соотношении сигнал/шум. Запись файлов производилась с использованием платы сбора данных Ь-Сагс1 Е20-10, регистрация велась в двухканальном режиме (рисунок 2). Частота дискретизации составляла 2,5МГц. Для регистрации сигнала, шума и их смеси использовались пьезоэлектрические преобразователи акустической эмиссии типа СТ-200.

; "аа!

модуль ЬСатй Е20-10 ; "раг ПК

МаИаЬ

экспериментальная часть

Рисунок 2 — Принцип построения эксперимента регистрации акустико-эмиссионного сигнала с использованием имитаторов импульсов и шума

Эксперимент №2 «Акустико-эмиссионный контроль при гидравлическом испытании сосуда, имеющего трещиноподобный дефект на корпусе»

С целью исследования АЭ сигнала от реального дефекта проведен АЭ контроль сосуда высокого давления с вваренным в стенку обечайки ослабляющим элементом. Запись АЭ данных проводилась при гидравлическом испытании сосуда: нагружение осуществлялось ступенчато с 0 МПа до 12 МПа с шагом 0,1 МПа до момента

образования дефекта. При АЭ контроле зарегистрированы одиночные высокоамплитудные импульсы АЭ, что свидетельствует о возникновении трещиноподобных дефектов. Зарегистрированные источники АЭ соответствуют процессам зарождения микродефектов на эффективных концентраторах напряжений и дальнейшему возникновению микрорастрескивания в области нагружения. Наличие дефектов подтверждены в ходе АЭ диагностирования и проведения дополнительного дефектоскопического контроля с применением метода магнитной памяти металла, измерения твердости, а также капиллярного контроля.

Важно отметить, что трещиноподобный дефект в обечайке сосуда был надежно выявлен с использованием стандартной пороговой системы АЭ контроля за счет того, что сигнал от дефекта значительно превышал уровень шумовой помехи. Задача обнаружения такого рода сигнала в рамках данной работы не актуальна, поскольку решена в существующих механизмах пороговой фильтрации. Поэтому с целью проверки работы предложенного помехоустойчивого механизма АЭ контроля потребовалась специальная подготовка входных данных, включающая создание «синтезированного» шума. Созданный зашумленный сигнал полностью сохранил свойства реального шума. Таким образом, синтезированный зашумленный сигнал (отношение сигнал/шум порядка 0.03) может быть использован для отработки предложенного подхода помехоустойчивого обнаружения сигнала от дефекта в условиях сильнозашумленного входного сигнала.

Эксперимент №3 «Акустико-эмиссионный контроль сильфонных осевых трубопроводных компенсаторов в режиме мониторинга»

Техническое диагностирование компенсаторов проводилось с одновременным использованием штатной многоканальной акустико-эмиссионной установки A-Line 32D (производство ООО «Интерюнис»), а также системы БРД (производство ООО «Стратегия НК»). Контроль компенсаторов осуществлялся в режиме естественных условий, возникающих в процессе эксплуатации (без вывода из эксплуатации и остановки работы установки).

При АЭ контроле с использованием системы A-Line применялись преобразователи акустической эмиссии типа GT-200 в полосе частот 100-^-350 кГц.

Порог амплитудной дискриминации находился в диапазоне 26-42 дБ и устанавливался для каждого датчика индивидуально. Классификация зарегистрированных A-Line 32D источников АЭ проводилась согласно ПБ 03-593-03 с использованием амплитудно-динамического и интегрального критериев.

Устройство БРД было специально спроектировано для задачи измерения и анализа АЭ сигнала на базе серийного модуля преобразователя напряжений L-Card E20-10D (производство ООО «Л-КАРД», г. Москва). Регистрация сигнала АЭ велась в широкой полосе частот фильтра 30+500 кГц посредством датчика LD-11 и широкополосного предусилителя. В каждой серии замеров принимали участие два компенсатора. Существенно, что расстояние между датчиками выбиралось таким образом, чтобы исключить вероятность попадания АЭ сигнала от дефекта на оба измерительных канала.

Поскольку при АЭ контроле были выявлены источники АЭ, оценка их допустимости оценивалась в ходе дополнительного дефектоскопического контроля. Работы включали вибрационную диагностику, металлографическое исследование структуры материала и электронно-зондовый микроанализ с использованием сканирующего электронного микроскопа FE-SEM Zeiss £igma VP.

Четвертая глава содержит анализ результатов, полученных с применением разработанного адаптивного обнаружителя (детектора) дефектов. На этапе предварительной оценки АЭ данных установлено отсутствие корреляционной зависимости сигнала от дефекта и сигнала помехи, что подтвердило возможность применения адаптивной фильтрации. На примере модельного эксперимента проведена адаптивная фильтрация АЭ данных в стандартном двухканальном режиме работы. В исходных данных сигнал от имитатора дефекта полностью подавляется шумом (отношение сигнал/шум менее -13 дБ). Адаптивный алгоритм обеспечивает не только эффективное обнаружение единичных АЭ сигналов от дефекта в аддитивной смеси с помехой, но и выделение АЭ сигнала от дефекта, т.е. восстанавливает его исходную форму (с учетом масштаба) и положение на временной оси. Однако поскольку получение сигнала «чистой» помехи в реальных условиях АЭ контроля невыполнимо по ряду причин, схема АФ в двухканальном

режиме работы может использоваться только при наличии сформированной базы данных образцовых сигналов от развивающихся дефектов.

Использование адаптивного шумоподавителя в одноканальном режиме работы также обеспечивает обнаружение АЭ сигналов от модельных и реальных дефектов в объекте контроля (рисунки 3 и 4). Количество ложных идентификаций АЭ импульсов составило не более 5%.

10000 5000 0

-5000 -10000

250 время,с

50 100 150 200 250 время,с

Рисунок 3 - Результат фильтрации высоко зашумленных данных акустико-эмиссионного контроля при работе адаптивного алгоритма с одним входным сигналом а — смесь сигнала и шума (красный). На ее фоне показан инициированный акустико-эмиссионный сигнал от дефекта (синий); б - АЭ сигнал, обнаруженный на выходе фильтра. Отношение сигнал/шум порядка 0.05

10000

-юооо

отн.ед. о зоооо

20000

10000

10 12 14 16 время .с

г

50 100 150 частота. кГц

Рисунок 4 - Результат фильтрации высоко зашумленных данных акустико-эмиссионного контроля при гидравлическом испытании сосуда, имеющего развивающуюся трещину, при работе адаптивного фильтра с одним входным сигналом а - сигнал от дефекта (синий) на фоне зашумленного (красный); 6 - очищенный сигнал на выходе фильтра; в - функция взаимной корреляции исходного «полезного» и очищенного сигналов; г - функция когерентности исходного «полезного» и очищенного сигналов

Для оценки качества фильтрации рассчитаны функции взаимной корреляции, когерентности АЭ и коэффициента корреляции сигналов на входе и выходе фильтра. Результаты приведены на рисунках 4в и 4г. Как видно из рисунка 4в, положение максимумов взаимной корреляционной функции на временной оси совпадает с соответствующими импульсами АЭ сигнала на входе и выходе АФ. Из рисунка 4г следует, что функция когерентности в регистрируемой полосе частот слабо отличается от единицы.

В разделе 4.4.3 проведена оценка эффективности помехоустойчивого алгоритма адаптивной фильтрации при работе в одноканальном режиме. Поскольку предложенный в работе метод АЭ контроля в высоко зашумленных условиях (отношения сигнал/шум менее единицы) носит уникальный характер, возможность проверки его работоспособности с применением существующих методик контроля отсутствует. По этой причине качество работы помехоустойчивого алгоритма адаптивной фильтрации оценивалось с использованием независимых механизмов постобработки данных, предложенных в главе 2: кросскорреляционная диагностика, расчет интервалов корреляции, анализ временных интервалов, статистический анализ. При оценке эффективности фильтрации исследовалось влияние величины линии задержки на качество обнаружения и выделения сигнала от дефекта, поскольку ключевым элементом предложенного алгоритма адаптивной фильтрации при работе в одноканальном режиме является виртуальный эталонный сигнал. Вычисление критериев оценки эффективности АФ, предложенных в разделе 2.3, позволило сделать следующие выводы:

- увеличение взаимной корреляции в выходных каскадах двухканального адаптивного обнаружителя может служить диагностическим признаком появления зарождающихся дефектов в объекте контроля (рисунок 5);

- установлено, что для шума интервал корреляции, коэффициенты асимметрии и эксцесса не чувствительны к величине задержки. Таким образом, важный диагностический признак наличия сигнала на одном из выходов АФ -чувствительность интервала корреляции, коэффициентов асимметрии и эксцесса к величине задержки;

отн.ед. 0.0Д 0.03 0.02 0.01

а) о -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05

отн.ед. 0.8 0.6 0.4 0.2

б) о -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

Рисунок 5 - Функция взаимной корреляции выходных сигналов двухкаскадного адаптивного фильтра при работе алгоритма с одним информационным каналом (отношение сигнал/шум порядка 0.03) а - кросскорреляционная функция отфильтрованных АЭ сигналов; б - кросскорреляционная функция шумов

- отклонение функции распределения временных интервалов между импульсами от экспоненциального закона может являться признаком наличия сигнала от дефекта в зашумленном АЭ сигнале.

Применение предложенного в работе устройства БРД для обнаружения АЭ сигнала от дефекта в условиях нестационарного шума проиллюстрировано на

примере данных, полученных при акустико-эмиссионном контроле осевых сильфонных трубопроводных компенсаторов. Для решения поставленной задачи был применен подход АЭ контроля, сочетающий в себе одновременное использование пороговой АЭ системы (A-Line, производство ООО «ИНТЕРЮНИС»), а также АЭ системы на основе беспороговой регистрации данных. При этом АЭ система БРД применялась как инструмент обнаружения нестационарных помех. Функция АЭ системы A-Line заключалась в локализации источника АЭ сигнала от дефекта. Задача обнаружения нестационарных помех, приводящих к ложному срабатыванию стандартной пороговой АЭ системы, представляла интерес, прежде всего, потому, что техническое диагностирование оборудования, работающего при термодинамических нагрузках, сопровождается большим количеством нестационарных шумов различной природы.

В ходе акустико-эмиссионного контроля с применением стандартной АЭ аппаратуры были выявлены компенсаторы с источниками АЭ. Временные зависимости пиковых амплитуд АЭ сигналов, превышающих порог дискриминации, представлены на рисунках 6а и 7а. При использовании амплитудно-динамического и интегрального критериев было установлено, что обнаруженные источники АЭ соответствуют активному источнику II класса опасности (компенсатор №1, рисунок ба) и критически активному источнику III класса опасности (компенсатор №3, рисунок 7а), что свидетельствует о наличии опасных развивающихся дефектов. Обнаруженные при этом лоцируемые АЭ сигналы имеют высокоамплитудный, дискретный характер. Для сравнения на рисунках 66 и 76 приведены соответствующие амплитудно-динамические параметры и локационная диаграмма, полученные при контроле бездефектных компенсаторов (компенсаторы №2 и №4).

На рисунках 6в, 6г, 7в приведены статистические параметры АЭ сигналов при контроле компенсаторов с применением БРД. Для наглядности рассмотрены как компенсаторы, которые по результатам контроля с применением АЭ системы A-Line признаны бездефектными (компенсаторы №2 и №4), так и компенсаторы, имеющие источники АЭ (компенсаторы №1 и №3).

70.0 63.0 56.0 49.0 42.0

70.0 63.0 56.0 49.0 42.0

компенсатор N21

f

I

■-'■■.'■i-Лх,- „Tj'.^'.tij-": '

100 200 300 400 500 Время, с

компенсатор №2

200 300 Время, с

0 0009-

0 0008-

? 0 0007-

а

fr

* 0 0005-

0 0004-

0 0003-

0 0002-

1.2S-005-1B-00S

48-006 2е--ООб-

компенсатор №1

/

200 300 400 Время, с

компенсатор №2

J_Il

300 400 Время, с

Рисунок 6 - Результаты АЭ контроля компенсаторов №1 и №2. а,б) временные зависимости пиковых амплитуд АЭ сигналов, превышающих порог дискриминации (A-Line). Квадратными рамками выделены лоцируемые источники АЭ на дефектном объекте; в,г) локальные значения дисперсии АЭ сигналов (БРД)

a) |

6)

s <

70.0 53.0 56.0 49.0 42.0

70.0 63.0 56.0 49.0 42.0

• a ' . ù

•л?.

компенсатор №3

а я ■ .

" ' " " S » ; ■

100

200

300 400 Время,с

500

компенсатор №4

; ".. . ' ■ ; - ' э.

ib, , К . :г'

; M ¡h ¡^¡i. i й-:

.. r• .).::>•■&• i'! к.

компенсатор №3

¡компенсатор №4

1 i

300 Время, с

Рисунок 7 - Результаты АЭ контроля компенсаторов №3 и №4 а,б) временные зависимости пиковых амплитуд АЭ сигналов, превышающих порог дискриминации (A-Line). Квадратными рамками выделены лоцируемые источники АЭ на дефектном объекте; в) локальные значения среднего квадратичного значения АЭ сигналов (БРД)

Практическая значимость анализа рисунков 6в, бг, 7в заключается в том, что появляется возможность выявить наличие нестационарной высокоамплитудной помехи, «подстраивающейся» под вид «полезпого» сигнала АЭ. Так на рисунках 6в и 6г отклонения статистических характеристик от фонового шума оказались идентичными, что свидетельствует о наличии высокоамшштудной помехи, приходящей на оба измерительных канала одновременно. Это позволило сделать вывод о бездефектной природе зарегистрированных в ходе акустико-эмиссионного контроля источников АЭ П класса опасности (компенсатор №1). Косвенно этот факт был подтвержден в ходе повторного контроля данного компенсатора, где источники АЭ не были выявлены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный в настоящей работе помехоустойчивый метод обнаружения сигнала от дефекта в системах акустико-эмиссионного мониторинга позволяет повысить безопасность эксплуатации технологического оборудования нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности за счет своевременного обнаружения дефекта в условиях интенсивных помех. Проведена апробация метода в лабораторных условиях и на действующем опасном производственном объекте. Оценена эффективность предложенного метода.

Резюмируя, основные выводы и результаты диссертационного исследования можно сформулировать следующим образом:

1 Показано, что в условиях, когда использование существующих пороговых систем АЭ контроля оборудования нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности в условиях высокоамплитудных помех нерезультативно, оптимальным методом обнаружения АЭ сигнала является беспороговая регистрация данных.

2 Для анализа данных беспороговой регистрации АЭ контроля в условиях эксплуатации при наличии высокоамплитудного шума предложено использовать алгоритм адаптивной фильтрации с одним информационным каналом на входе (механизм «слепой» адаптации). Установлено, что применение указанного способа

фильтрации позволяет надежно обнаруживать АЭ сигнал от дефекта на фоне высокоамплитудного шума при отношении сигнал/шум много меньше единицы. Показано, что выбор оптимальных настроечных параметров АФ и оценка эффективности работы фильтра могут быть осуществлены на основе расчета корреляционных, статистических и вероятностных свойств сигнала и шума.

3 Установлены количественные критерии, использованные в качестве диагностических признаков наличия АЭ сигнала от дефекта: коэффициент взаимной корреляции в выходных каскадах двухканального адаптивного обнаружителя, величина интервала корреляции, коэффициенты асимметрии и эксцесса, степень отклонения функции распределения временных интервалов между импульсами от экспоненциального закона. Указанные параметры могут служить основой построения системы принятия решения для идентификации дефектов при АЭ контроле технического состояния оборудования в условиях высокоамплитудных шумов.

4 Работоспособность алгоритма проверена при проведении акустико-эмиссионного контроля в лабораторных условиях, а также на действующих опасных производственных объектах в ходе технического диагностирования сосуда высокого давления и сильфонных осевых трубопроводных компенсаторов.

5 Традиционный метод акустико-эмиссионного контроля, а также метод, основанный на беспороговой регистрации, являются взаимодополняющими и могут применяться одновременно, что позволяет исключить ложные локации, возникающие при работе стандартной пороговой АЭ системы в условиях интенсивных нестационарных помех.

Перспективным развитием предложенного подхода беспороговой регистрации данных и цифровой обработки является повышение эффективности алгоритма обнаружения акустико-эмиссионного сигнала от дефекта.

Основные результаты опубликованы в 9 научных трудах:

в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК

1 Шайбаков, P.A. Основные аспекты оценки технического состояния технологических трубопроводов / Р.А.Шайбаков, Д.Г.Давыдова, А.В.Жуков, Д.Б.Журавлев, Н.Х.Абдрахманов, А.Г.Марков // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №4. - С. 258-270.

URL: http://www.ogbus.ru/authors/ShaybakovRA/ShaybakovRA_l.pdf

2 Шайбаков, P.A. Помехоустойчивый метод акустико-эмиссионного мониторинга резервуаров / Р.А.Шайбаков, Д.Г.Давыдова, А.Н.Кузьмин, Н.Х.Абдрахманов, А.Г.Марков // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №4. - С. 448-464.

URL: http://www.ogbus.ru/authors/ShaybakovRA/ShaybakovRA_2.pdf

3 Давыдова, Д.Г. Оценка технического состояния осевых сштьфонных трубопроводных компенсаторов без вывода из эксплуатации / Д.Г.Давыдова, А.Н.Кузьмин, В.И.Гроховский, Р.Г.Ризванов, Е.Г.Аксельрод, Н.Х.Абдрахманов // Научно-технический журнал «Нефтегазовое дело». - 2014. - т.12, №1,- С. 172-178.

в других изданиях

4 Давыдова, Д.Г. Адаптация механизмов беспороговой регистрации данных к методу акустико-эмиссионного контроля / Д.Г.Давыдова, Е.А.Суворова, АН.Кузьмин // Актуальные проблемы науки и техники. Сборник научных трудов ТУТ Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. - С. 271-272.

5 Давыдова, Д.Г. Дефекты технологических трубопроводов: типология, оценка влияния на эксплуатацию / Д.Г.Давыдова // Промбезопасность-Приуралье Уфа: Изд-во «Промбезопасность-Приуралье», 2012. - №8. - С. 14-15.

6 Давыдова, Д.Г. Возможности беспороговой регистрации сигналов акустической эмиссии / Д.Г.Давыдова, А.Н.Кузьмин // Актуальные проблемы науки и техники. Сборник научных трудов V Международной заочной научно-практической конференции молодых ученых. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2012. - С. 293-296.

7 Шитов, Д.В. Повышение энергоэффективности теплоносителей с применением систем мониторинга технологических параметров / Д.В.Шитов, Д.Г.Давыдова, Д.Б.Журавлев // Технадзор. -2014. - №2. - С. 108-109.

8 Журавлев, Д.Б. Локализация повреждений изоляционных покрытий трубопроводов / Д.Б.Журавлев, А.В.Жуков, Д.Г.Давыдова // Технадзор. - 2014. -№3. - С. 84-86.

9 Давыдова, Д.Г. Экспертная оценка состояния оборудования: мониторинг, техническое диагностирование и электронная паспортизация / Д.Г.Давыдова, Д.Б.Журавлев, А.В.Жуков, Р.Г.Ризванов // Технадзор. - 2014. - №4. - С. 88-89.

Подписано в печать 17.02.2015. Формат 60*90 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 105. Отпечатано в типографии ИПЦ УрФУ 620000, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4