автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов и средств контроля технического состояния линейной части магистральных газопроводов

% 2 Ю; 9 О'

МИНИСТЕРСТВО' НИ31ЕГО И СРГДНЕГО СПШД\Л.;пЗ! О ОБРАЗОВАНИЯ УССР ЬЛКИЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 620.179.1

Лютак Зиновий Петрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ. КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ '

Специальность 05.11.13. -■ приборы и методы контроля

веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Винница - 1990

Работа выполнена на каф-'Дрс "Автоматизированные систеш управления" Винницкого политехнического института

Научный руководитель - доктор техничеисих наук, профессор

Н.В. Кузьмин .

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ю.А. Скрилник -- кэедвдат технических наук, нач. отд. А.К.Вощанов

Будущая организация - Львовский физико-механический институт АН УССР им. Г.В. Карпенко

Защита состоится и 30 " ноября 1990 г. в часов в аудитории 210 ГУН на заседании специализированного Совета #068.34.01 Винницкого политехнического института (286021,Винница, 21, Хмель-ницкое шоссе, 93).

■ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Винницкого политехнического унститута.

Автореферат разослан " 31 " октября 1990 г.

Ваш отзыв, заверенный, в одном экз емгаяре,про с им направить по указанноцу адресу.

Ученый секретарь специализированного Совета К058.34.0Т

к.т.н., доцент

Рудницкий

■п.ч< /

£¿¿1Ы] ОБЩ ХАРАКТЕР/СТИХА РАБОТН

Лк^ал№0сть_теад. Проблема обеспечения надежности магистральных газопроводов в настоящее вреня становится на первый план,особенно в тех случаях,когда конструкционные параметры в связи с объективными и субъективными причинами достигают предельных значений,а последствия аварий приобретают все более серьезный и даже катастрофический характер.

Отличительной чертой магистральных газопроводов является масштабность и различие природно-геологических условий эксплуатации. Газопровод рассматривается как целостная система,которая на протяжении года испытывает различные факторы воздействия,изменяющиеся по всей протяженности. Наилучшим способом обеспечения надежности магистральных газопроводов является исключение возможности зарождения отказов. Основной составной частью магистральных газопроводов является линейная часть,которая состоит из трубопроводов и ответвлений.

Нарушение оплошности горных уклонов при строительстве газопроводов непременно ведет к оползневым процессам при их эксплуатации. Оползень не всегда удается обнаружить при изысканиях и строительство. Несмотря на ряд мер,предотвращающих заблаговременно неблагоприятные условия эксплуатации магистральных газопроводов за счет исключения оползней,на трассах насчитывается мно-' жество опасных участков. Магистральные газопроводы,проложенные в труднодоступной горной или болотистой местности,в процессе эксплуатации кроме обычных нагрузок подвергаются силовому воздействию грунтовых масс,обусловленному оползневыми и эрозионными процессами, приводящими к нарушению устойчивости газопровода,изменению напряженно-деформированного состояния,и в конечном итоге, возникновению аварийных ситуаций.

Однако далеко не каждый опасный участок можегг явиться причиной аварии. Известны случаи многолетней Нормальной ¡эксплуатации опасных участков газопроводов. Это говорит о том, что обеспечить нормальную работу газопроводов невозможно без детальных исследований напряженно-деформированного состояния на опасных участках и объективных методов контроля, за их состоянием и динамикой. Следовательно, определение параметров фактического состояния магистральных газопроводов в период эксплуатации, точный анализ результатов для создания достоверной модели в реальных условиях и принятия правильного решения являются весьма актуальными, имеют важное народнохозяйственное значение.

Целью £аботы_ является разработка методики и средств нераз-рушащего' контроля для. оценки напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов (НДС МГ), повышагэщих информационную достоверность контролируемых параметров* и тем самым позволяющих принимать своевременно меры по предотвращению авари! с тяжелыми последствиями.

Методы исследований^ Теоретические методы базируются на клас сических выводах теории упругости и теории акустоупругости. Обработка экспериментальных данных и сопоставление их с теоретическим базируется на методах математической статистики. Правильность основных теоретических положений, а также возможность практической реализации способов повышения метрологических характеристик контроля проверялись на макетах разработанного устройства в лабораторных и производственных условиях.

На;£чная новизна з^ботьи. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

- разработана.новая методика оценки напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов, основанная на использовании свойств исследуемого объекта;

- исследовано влияние упругой среды на время распростране-

ния ультразвука;

- получены аналитические зависимости,обезпечивающие связь физико-механических характеристик трубных сталей с акустическими параметрами;

- разработана новая структура ультразвукового устройства контроля НДС МГи предложены принципы ез реализации;

- проведены исследования разработанных устройств с прогнозированием их характеристик методой сравнительных испытаний;

- проведена оценка погрешности,предложены способы повышения точности определения времени распространения ультразвука при помощи разработанного устройства контроля напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов.

Практическая_ценность_работы. Получена аналитическая зависимость, связывающая напряжение в трубных сталях с временем распространения ультразвука.

Разработан ультразвуковой прибор для контроля напряжений магистральных газопроводов в эксплуатационных условиях,что позволяет, за счет определения их технического состояния предупреждать аварии с тякселыми последствиями.

Разработана и предложена методика определения напряжений в магистральных газопроводах без остановки технологического процесса транспортировки продукта в газопроводе.

Предложенный метод и прибор можно применять в других областях народного хозяйства для контроля физико-механических свойств материалов.

Реализауия_работы. На основании проведенных в работе исследований разработано устройство для измерения времени распространения ультразвука в стенках труб газопроводов. Данное устройство

(I II

внедрено и управлении Черкасстрансга^ . Разработана методика контроля,при помощи которой стало возможным проведение рада мероприятий по обеспечении надежности газопроводов.

Ап2^бауия_работы. Основные материалы,диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзной конференции в г. Ивано-Франковске "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа", 1985г.;

- Всесоизной конференции по трубопроводному транспорту "Проб-

» •

лемы трубопроводного транспорта нефти и .газа" в г. Ереване,1938г.;

-Межотраслевом Совете по содействию внедрений научно-технических достижений, г. Москва, 1988 г.

Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы средства контроля демонстрировались на выставке достижений народного хозяйства СССР,международной выставке"Метрология -б5"вт.Мос-кве,международной выставке" ШЧ^ОХ-86" в г; Брно (Чехословакия).

результатам выполненных исследований и разработок опубликовано & печатных работ, из них два авторских свидетельства на изобретения,два положительных решения по заявкам на' изобретения.

Ст2^тща_и_объом_работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех разделов,общих выводов,списка использованной литературы ( включает 138 источников ),приложения. Работа содержит 156 страниц машинописного текста, 19 рисунков, II таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой задачи,определены целл и направления исследований.

проведен анализ состояния и развития методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий. Проанализированы и сопоставлены характеристики существующих ме-

тодо и оредоув меразружкцего шит роля «е.чан^шекй.ч овойссв материалов применительно к условиям работ» магистра пыых газопроводов. Установлено,что в настоящее ирсыя имеется обдирный круг- нерешенных вопросов,которое возникает при оценке состояния магистральных газопроводов.'К ним относятся степень влияния упругих свойств трубвдх сталей на изменение скорости ультразвука, оптимальный рыбор параметров контролируемого объекта,отсутствие технических средств для точных измерений напряженно-деформированного" состояния магистральных газопроводов в условиях эксплуатации. Показано,что наиболее эффективным методом неразрутмшцего контроля опасных участков магистральных газопроводов является ультразвуковой метод контроля,показана эффективность улътраэву-косого контроля по методу синхрокольца,проведено теоретическое • обоснование способов ультразвукового контроля,ш юлнен анализ . точности и достоверности результатов измерений. Определена актуальность дальнейшего развития и обобщения методики контроля, основанной на использовании распространения поперечных волн в сечении тела трубы,поставлены цель и задачи диссертационной работы, а таюке .определены направления исследований и методика их проведения.

Второй, раздел ■ посвящен исследованию объекта контроля,разработке математической модели, идентификации состояния магистральных газопроводов,анализу распространения ультразвука через стенку металла газопроводов в напряженном состоянии,влиянию ссойств металла на время распространения ультразвука,разработке метода контроля напряженно-деформированного - состояния магистральных газопроводов, выбору способов реализация структур« ультразвукового устройства.

' ti . . . . '

Установлено, ..'что трубные стали имелт ярко вираженныа. oj/J'o-тр'опныс сиойсты», обусловленные технологией изготовления, что накладывает на задачу исследования дополнительные условия. Поэто му.для контроля технического состояния газопроводов необходимы, наряду с измерением параметров'газопровода, экспериментальные исследования параметров физико-механического состояния металла газопроводов

Выбор сечений контроля и оптимальный выбор плоскостей в эти сечениях требует определения необходимого количества точек наблк> денид.по сечению и вдоль образующей трубы. Показано, что для контроля сечения требуется выбрать как минимум" две точки наблюдения для опрзделения неизвестного продольного усилия.и момента, действующего в этом сечении.

гЦч -i

GV.pi s

i.

F

JL

£1

Si

ñ

M

(2.1)

где р - площадь сечзния; ¡5 - момент инерции; - расстояние течек наблюдения до горизонтальной оси симметрии сечения. Задача сводигся к решения двух уравнений и определения детерминанта:

4

F т

4 5?с F3

F 9

\Zi

7 £3

Л 2.2')

Доказано, что чем больше величина Д , тем тэчнеа решение задачи. Следовательно, требуется выбирать эти две точки наблюдения по возможности диаметрально про т и со по локннми и принадлежащими плоскости изгиба трубы.

Установлено, что для определения состояния исследуемого участка вдоль образующей требуотся проводить аяализ в двух произвольных сечениях, определяя в них силовые факторы. Чем большга расстояние м£зду точками наблюдения по оси газопровода, тем точнее будет определяться значение искомых параметров.

Проведенные исследования акустоупругих свойств трубных сталей показали, что с изменением нагрузки изменяется время распространения ультразвука. Установлено при этом, что фаза колебания поперечной волны в некотором направлении не равна фазе колебания, распространяющегося в перпендикулярном к нему направлении

1 - Х У» Т1 ) , ( 2.

3 )

- время распространения колебаний в параллельном и перпендикулярном направлениях; К. = 1,2,3... ; ^ = 21 ^ ; ¿, - толщина металла; П. - номер отраженного импульса. Информативным параметром является приращение времени распространения ультразвука.

„ -г- 2К+-/ т т

к

Преобразуя уравнение с учетом воздействия силы, полупим:

дТ« (Т.. + 䱫)-(Т*-дМ

, ( 2.5 )

где • Используя зависимость бе* /¡!Т), где }(- коэффициент

пропорциональности, получим

О'^ к - «Ии)

, ( 2.6 )

двух взаимно-цорпендккулярных плоскостях.

Подученная математическая зависимость времени распростране- . ния ультразвуковой волны, поляризованной в двух ортотропних направлениях, от упругих свойств трубных сталей дает возможность, определясь величину и направление механических напряжений при воздействии нагругтси на контролируемый участок трубы газопровода.

Рассмотрено влияние интерференции лучей т точность измерения времени распространения ультразвуковых волн. Она обусловлена отражением расширяющегося пучка ультразвуковых колебаний от шо-раховатости поверхности металла. Эти колебания, притекшие под углами^« , наводят в преобразователе напряжения, сдвинутые по фазе на произвольный угол ¿. . фаза результирующего поля определяется из векторной суммы напряжений обеих колебаний (рис. 2.1)

иг

где К= тт* ( Ц«и игН&пря*он*я,. ч.и.еденнне первым и вторым коло-

Ц 4 /

банием ); ^ = —| ; - толщина исследуе-

мого образца; .X -• длина полны.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

При повторном отражении ультразвуковой волны вследствие задержки в преобразователе и преобразующих цепях фаза результирующих напряжения определяется ( Рис,2.2 )

Ц^Рг. =

сам * кты-г**)

, ( 2.8 )

¿и

где т« = Прообразуя эти выражения, получим

и- Ка [ Щ -у

, ( 2.9 )

Установлено, что' при равенстве амлитуд сигналов ок'лбка измерения не зависит от фазовых соотношений, обусловленных амплитудами отраженных колебаний , остается постоянной и равной

«-■й

, { 2.10 )

при условий, что ~ " ^ 1

где Д4^ определяет величину ошибки ери измерении времени распространения двух отраженных сигналов , равной

Даъссо&щ.** .

Доказано, что разность времени между двумя последущими отражениями не одинакова и зависит от свойств магериало?, высоты неров-'ноетей и характеристики поверхности, влияшщай на отршеениз и рассеивание лучей. Для различных трубных сталеД зто врекш составляет от 10 до 200 не, что говорит о необходимости выбора одного из многократно отраженных сигналов с целью повышения точности измерен.,я времени распространения ультразвука.

Предлокена новая мотодкка контроля механических характеристик металла трубы непосредственно на действующем газопроводе без остановки технологического процесса перекачки газа и использования какого-либо образца для определения упугих.констант, характеризующих свойства металла.

В работе доказано, что применение методики лабораторных и&следований, основанные на использовании стандартного образца металла, в эксплуатационной практике вызывает ряд трудностей. Это связано с тем, что для оценки величины напршиений требуется образец с такими же физико-механнческими свойствами, что и исс-• ледуемый газопровод, что не всегда возможно осуществить на действующих газопроводах из-за больного разнообразия прочностных свойств трубных,сталей и необходимости дополнительного лабораторного испытания образца для определения акусто-упругих констант, характеризующих механические свойства металла.

определены направления разработки технических средств для реализации методики контроля напряженно-дефор-

миро рапного состояния магистральных газопроводов. ГллвноЙ зад*-чей в разработке ультразвукового устройства для измерения вреу.еки распространения ультразвука методом рециркуляции является обеспечение высокостабильной работы всех звеньев сисземы, так как только при этом условии можно добиться удовлетворительных метрологических характеристик. Для измерения времени распространения ультразвука используется способ преобразования временного интервала в количество меток. Принцип измерения Бремени распространения ультразвука основан на частотно-шпульсном методе рециркуляции ультразвуковых колебаний, отраженных на границе раздела двух ерзд с различной плотностью. В металле импульсы ультразвука терлюг свою интенсивность, многократно отражаясь он противоположных плоскостей, В результате электрические сигналы^ принятые преобразователем, представляют собой ряд затухающих радиоимпульсов.

Для реализации устройства использован принцип обработки сигнала при переходе через нулевую ось' на определенном его уровне в обеих направлениях, что дало возможность уменьшить погрешность от квантования и избавиться от зависимости результатов измерения от формы и величины амплитуды { рис. 3.1 ).

ц

¿и

41_Л

Рис. 3.1.

Для реализаций этого привдииа. в разработанна« устройстве предложен и ревизован блок счета номера периода и блок счета номера отражения, что дало возможность увеличить точность измерения путем исключения неоднозначности перезапуска генератора определенной полуволной выбранного -отраженного импульса.

Доказано, что стабильность работы всего устройства зависит в наибольшей степени от стабильности амплитуды сигнала генератора возбувденпя, фазой,к сдвигов и нелинейных искажений мевду входным и выходным сигналами за время одного цикла измерения.

Определено, что величина механических напряжений в металле

равна

С= К - &±г ) , ( 3.1 )

где С - напряжение} К - коэффициент связи; 'Д^ий^" приращение времени распространения ультразвука $ двух перпендикулярных направлениях. Величина погрешности вычисляется по формуле

Г(?=~\/£рг* ' , (з.2 >

где погрешность определения сечения образца;

5Т-погрешность определения времени распространения ультразвука в двух плоскостях; Б(л1- методическая погрешность;

£ГР - Погрешность нагрузочной установки.

Доказано, что абсолютная погрешность измерения напряжений для трубных сталей составляет не больше 3% от6г(напряжения текучести), а относительная погрешность измерения времени распространения ультразвука -не более Показано,.что повышение точности измерения времени распространения ультразвука достигается при увеличении номера отраженного сигнала, которым перезапускается генератор.

В четвертом раздела рассмотрены вопросы практической реализации результатов научных исследований,а также

1Гз

организационно-технические мероприятия по контролю напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов. Контроль в зависимости от стоящих задач может проводиться в непрерывном режиме или периодическом, каждый из которых имеет свои особенности, что дает возможность идентификации влияния различных факторов, определяющих изменение состояния магистральных газопроводов. Детальное изучение конструкции газопроводов, данных прочностного расчета и условий эксплуатации позволяют составлять рациональную схему расстановки тензо - и ультразвуковых преобразователей, производить выбор оптимального их количества.

. Проведены лабораторные испытания образцов из трубной стали, основанные на тензометрическом, акустическом и теоретическом методах,определения величины напряжений (рис, 4.1 ).

с

О- теоретически!! я-акустический

чг-тензометрический

25 М

На&риш,КГ

ло 45 га Рис. 4.1.

Акустический способ определения напряжений проводился с помощью разработанного устройства. В приборе предусмотрена диагностика работоспособности всех структурных блоков, основанная на использовании сигнала помехи, полученного йз импульса возбуждения преобразователя. Разработанный прибор прошел межведомственны«

испытания и успешно используется в системе Мшгазпрома для определения напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов. •

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результата диссертационной работы сводятся к следующему: . ' .

1. Проведенный анализ технического состояния линейной части магистральных газопроводов показал, что одним из важнейших факторов, влияющих на эксплуатационные параметры в сложных условиях, является его напряженно-деформированное состояние.

2. На основании разработанной методики установлено, что наиболее рациональным способом контроля напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов на опасных участках является комплексный подход с применением тензометрических и акустических устройств, позволяющих вести наблюдения с учетом рабочих параметров магистральных газопроводов вне зависимости от свойств материала и технологии изготовления.

, 3. Разработана и исследована математическая модель прохождения ультразвука в упругой зоне трубных стаяей. Получена аналитичес--. кая зависимость параметров распространения ультразвука с Бвличи-. ной напряжения трубных сталей.

4. Проведен,анализ существующих методов ультразвуковых измерений и обоснованы способы реализации выбранного метода контроля. .

5. Сформулированы требования и разработана структурная схема устройства для определения времени распространения ультразвука Методом синхрокольца.

6. Исследована и оценена величина погрешности контроля нгшрд-женно-доформ'-лотнного состояния магистральных газопроводов и обоснованы способы повышения точности измерений. Покапано, что погрешность измерения напряжений предложенным методом не превышает 3% от напряжения текучести, ,

. 7. Обоснован выбор параметров измерительных преобразователей. Предложена конструкция устройства с преобразователем совмещенного типа.

8. Разработано и внедрено в производство в п/о "Черкасстранс-газ" ультразвуковое устройство для кднтроля напряжений в трубных сталях. Фактический экономический эффект, получзнный от внедрения прибора, составляет 61,1 тыс. руб. на одном исследуемом участке газопровода.

ПУБЛИКАЦИИ'.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в следующих работах:'

1. A.C. СССР № 1538664. Устройство для измерения скорости ультразвука.// И;В. Перун, З.П.Лютак, Т.Л. Левицкий, З.В. Харио-новский, В,П. Троценко, П.П. Бородавкин.

2. A.C. № 1529687. Устройство для измерения скорости ультразвука.// И.В. Перун, З.П. Дотай, П.П. Бородавкин, В.П. Троценко.

3. Лгатак 3.11., Варанов М.Ю., Троценко В.П. Разработка технических средств для измерения напряженного состояния труб газопроводов.// Проблемы трубопроводного транспорта.нефти и газа.-Тезисы докладов Всесоюзной н/т конференции.- Ивано-Франковск. 19&5г.

4. Гнатюк Я.Д., Веркалец Я.Д., Баранов М.Ю.,-Кадыров A.M.,

Лют&к З.П. Экспериментальные исследования сварочных напряжений яри сооружении трубопроводов.//Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа.- Тезисы докладов Всесоюзной н/т конференции.- Ивано-Франковск. 1985.

б, Перун И.В., Лютак З.Б., Высочанский В.В. Разработка малогабаритных устройств для измерения напряженного состояния труб газонефтепроводов.//Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа.- Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной конференции,-Ереван. 1988.

6. Лютак З.П..',Чененко В.Я. У л ьтра^эвукоше методы и средства контроля физико-мзхаиитеския свойств материала.//Соверменствова-ние ресурсосберегающих технологий и охраны окружающей среды.-Тезисы докладов республиканской н/т конференции.- Ивано-Франковск. 1990.

7. Положительное ремекие на заявку # 422375б/28/СМ5598. Устройство для кзжргнт скорости ультразвука.//З.П. Лкяак, Б.М.ДК'

веев, М.М. Марковский. От 6,01.1990.

8. Положитьльноо решение на заявку № 4710387/27/069570. Устройство для дистанционного управления сварочным током по сварочному кабелю,//И.В. Перун, З.П, Лютак, В.Н. Коваль, И.М. Мага-севич, Е.М, Голий. В.В. Высочанский.

Подписано в печать 29.10.90г. Печать офсеяная. Звк, К» 49. Тир. 100 экз. Винницкий политехнический институт СКТБ "Модуль", Хмелькицкое шоссе , 97