автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Система автоматического контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков

На правах рукописи

КНЫШОВ Николай Владимирович

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРУБОПРОВОДНЫХ ГИДРОТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ ДЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОВбб17

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Проскуряков P.M.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

, Балюбаш В. А.,

доктор технических наук, профессор

Александров В.И.

Ведущее предприятие - ЗАО «Механобр-инжиниринг».

Защита диссертации состоится 25 октября 2007 г. в 16 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 25 сентября 2007 г

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор / ^ С.Л.ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Поддержание трубопроводной системы в исправном состоянии является важнейшей задачей отрасли, т к аварийный выход ее из строя сопряжен с большими экономическими затратами, связанными как с потерей минерального или энергетического сырья, так и с затратами на ликвидацию последствий этих аварий, восстановление экологической обстановки.

На современном этапе развития трубопроводного транспорта продуктов горного производства особо актуальна задача обеспечения надежности и безаварийности линейной части магистральных трубопроводов В связи с этим проблема периодического диагностирования технического состояния магистральных трубопроводов входит в число первоочередных задач их эксплуатации. Основной задачей диагностирования технического состояния действующих магистральных трубопроводов является раннее обнаружение возникающих в их линейной части дефектов, оценка возможности и сроков дальнейшей эксплуатации трубопроводов при наличии выявленных дефектов и выдача рекомендаций по их устранению

При большом разнообразии физических законов и явлений, которые используются для фиксации времени и места образования утечки, а также ее объема, разработано большое количество методов обнаружения утечек и приборных средств, для их реализации Применение тех или иных методов ограничено параметрами трубопровода, профилем трассы, свойствами пульпы, зависит от направления и режима перекачки, а так же от природно-климатических условий Некоторые методы позволяют установить только факт наличия утечки, с помощью других удается определить также место повреждения, что требует вспомогательных исследований

Цель работы - установление закономерностей распространения единичного импульса давления в трубопроводных гидротранспортных системах для обнаружения инструментальными методами неисправностей (утечек) в трубопроводе.

Идея работы - обнаружение видоизмененных параметров импульсного сигнала давления, вызванных наличием неисправно-

стей (утечек) в трубопроводе, с целью использования этих видоизмененных спектральных характеристик в качестве информативных параметров для инструментальных средств контроля состояния трубопровода Задачи исследований:

На основе существующих методов и средств обнаружения утечек из трубопроводов определена область исследований и основные задачи диссертационной работы

1 Разработка математической модели распространения импульса давления в трубопроводе и проведение экспериментов для оценки адекватности модели. 2. Разработка экспериментальной установки подбор измерительных средств и проведение лабораторных исследований волновых процессов в трубопроводе. 3 Экспериментальные исследования спектральных характеристик отраженного в результате «утечки» из трубопровода сигнала.

4. Разработка способа обнаружения утечек из трубопровода основанного на его сканировании с помощью импульса давления и с помощью стационарного случайного сигнала Методы исследований Для решения поставленных задач использованы методы теории гидродинамики, теории цифровой фильтрации и спектрального анализа, математического моделирования с использованием пакетов МАТЪАВ, МаШСАВ.

Научная новизна состоит в получении измерительной информации целостности трубопроводных систем, которая возникает в результате генерации местом повреждения трубопровода сигнала с индивидуальными спектральными характеристиками Положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, импульсы давления при прохождении по заполненному трубопроводу изменяют свои спектральные характеристики изменяются по фазе, амплитуде и форме в зависимости от технического состояния трубопровода и позволяют определить место утечки с точностью от 10 до 50

м. при расстановке датчиков давления на расстояние 15-20 км друг от друга 2 Корреляционный статистический метод контроля повреждений в пульповоде может быть положен в основу построения системы автоматического контроля, изменяющихся технологических параметров трубопроводной системы Колебания концентрации твердой фазы в транспортируемой пульпе изменяет степень нелинейности на 2-2,5%, что является допустимым для уверенной корректной регистрации статистических характеристик.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций: подтверждается результатами экспериментальных исследований, сходимостью результатов аналитических исследований, полученных различными методами; доказательством адекватности математической модели совпадением полученных результатов аналитическими и инструментальными методами.

Практическая значимость работы: Найденные информативные параметры технического состояния трубопровода могут быть положены в основу синтеза системы автоконтроля целостности трубопровода, что позволит построить систему автоматического контроля

Личный вклад автора. Предложен принцип автоконтроля технического состояния трубопроводов, предложена структура, принцип действия и структура автоматической системы контроля, в основу которой заложены информативные параметры и статистические характеристики сканирующих импульсов

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы обсуждались на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2003, 2004 г в СПИ И (ТУ), 3-ей Межрегиональной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера проблемы и решения», апрель 2005 года, Воркутинский горный институт.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в издании ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе-

ния, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 130 страницах, включает в себя 39 рисунков и 17 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы и сформулирована идея работы

В первой главе проведен анализ методов контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков Приведены достоинства и недостатки существующих методов контроля Сформулированы основные цели и задачи исследований

Во второй главе разработана математическая модель распространения импульса давления в трубопроводе с учетом различных граничных и начальных условий Показано влияние твердой фазы на величину вязкости пульпы и скорости распространения звуковой волны. Проведены теоретические исследования процессов распространения давления и скорости в простом трубопроводе, что позволяет решать задачи о периодических движениях жидкости при общем виде граничных условий, в том числе для сложных и разветвленных систем трубопроводов

В третьей главе описывается соотношение между спектральным составом импульса давления, наличием утечек и их местоположением на трубопроводе

В четвертой главе приводится описание экспериментальной установки, результаты экспериментальных исследований, приведены результаты обработки экспериментальных данных.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целями и решенными задачами

На основании проведенных исследований сформулированы следующие научные положения.

1.Установлено, импульсы давления при прохождении по заполненному трубопроводу изменяют свои спектральные характеристики изменяются по фазе, амплитуде и форме в зависимости от технического состояния трубопровода и позволяют оп-

ределить место утечки с точностью от 10 до 50 м при расстановке датчиков давления на расстояние 15 - 20 км друг от друга.

Для нахождения информативного параметра транспортируемого потока как носителя информативных параметров, характеризующих отклонения от эталонных значений, в работе получены разными методами уравнения движения транспортируемой среды, а) методом аналогии течения жидкости и протекания электрического тока.

дР = д(ру) Хру1 дх ~ Ы т дР д{ру) дх дх

Здесь Л — коэффициент гидравлического сопротивления в формуле Дарси-Вейсбаха,

Я — гидравлический радиус сечения \м\ Уравнения (1) содержат нелинейный член ^^

(1)

Ш

Па

м

Однако,

принимая множитель

ЛУ 8Я

постоянным, равным его среднему Лу

значению по длине и времени, —- = 2а , можно получить линеаризм?

зованную систему для функций /л>

кг

м2 ■с

Р [Па]

массо-

вой скорости и давления:

дх Э/ дР _ , д{рм)

(2)

= с дх дх

б) импедансным методом, по аналогии с методом пассивного четырехполюсника

Решение этих уравнений дает следующие выражения для значений давления и скорости в любой точке х2 в любой момент времени

Рк (Х2 ) - Рк (Х1 > ФИ (Х2 + ¿Л (Х1 > ФИ (Х2 - X, )= о

Ч(х2)-^(х,)ск!к{х2 -X,) + (х2 - х1) = О, (3)

к

Изменение давления (1) по длине трубопровода (х) [.м] и в функции времени (7) [с] зависит от скорости среды у

м_ с

и плот-

ности р

кг

17

, которые, зависят от соотношения т/ж (твердое к

жидкому), уравнения (2) представляют собой уравнения пассивного (или гидравлического) четырехполюсника, связывающие соответствующие гармоники давления и скорости, которые и будем считать нашими основными информативными параметрами в каждой частотной области. Если просканировать транспортный поток импульсом давления прямоугольной формы, то процесс распространения волны давления в такой системе описывается системой уравнений (2) с начальными условиями

Р(х,0) = р„, (4)

v(x,0) = 0;

и граничными условиями1

р(0, КО) = Ро,

p(0,0<t<T) = pi, (5)

р(0, í>x) = ро, v (/, t) =0

На рис 1 приведены зависимости распределения давления от времени в сечениях Хо = 0,1 м, 38 м для задачи о распространении импульса давления прямоугольной формы длительностью т в простом трубопроводе постоянного диаметра d [л*]длины / \м\, правый конец которого закрыт

Результаты численных расчетов определения мест утечки для сечения хо = 0,1 м, 38 м при наличии "утечки" приведены на рис 2, 3, соответственно

X — "I" С

2 (б) =с(*'-*0)

В расчетах принято- ра = 0,1 • 106 Па; р0 = 0,2 • 106 Па; р, = 0,3 Па; т = 10"3 с, с = 1100 м/с, й = 12,7 • 10"3 м; = 0,1 кг/с, / = 40 м

г г

I

Рис 1 Распределение импульса давления по времени в сечении хо ~ 0,1 м для трубопровода постоянного диаметра <1 - 12,7 мм, длиной / = 40 м, заполненного водой

\

-Ау»

Рис 2 Распределение давления по времени в сечении х0 — 0,1 м для трубопровода постоянного диаметра <1-12,7 мм длиной 1 = 40 м, заполненного водой, с закрытым правым концом и "утечкой" на расстоянии X] = 25 м

Рис 3 Распределение давления по времени в сечении х0- 38 м для трубопровода постоянного диаметра й = 12,7 мм длиной 1 = 40 м, заполненного водой, с закрытым правым концом и "утечкой" на расстоянии XI = 25 м Можно оценить расстояние до "утечки" х, [л*] по импульсам, отраженным от преграды "утечка" или прошедшим через "утечку".

Сравнивая рисунки (1-3) видим, что единичный импульс давления длительностью 0,001 с проходя через «утечку», создает отрицательные ударные волны, распространяющиеся со скоростью звука в данной среде вправо и влево от ее местонахождения

Здесь х0 [м]— расстояние от начала трубопровода до "датчика", т е до сечения, в котором регистрируется распределение давления в зависимости от времени; £0 [с] — время, за которое импульс, создаваемый в начале трубопровода дойдет до "датчика", I — время за которое импульс прошел через датчик, дошел до утечки и отраженную от утечки волну зафиксировал датчик, — время, за которое импульс дошел от утечки до датчика Таким образом, регистрируя отраженный от «утечки» импульс в его временном интервале, можно не только констатировать факт «утечки», но и вычислить где эта «утечка» имеет местоположение на трубопроводе

На практике приходится иметь дело не только с линейными трубопроводами, а с реальной транспортной системой, поэтому

предлагаемые методики на практике нужно трансформировать для конкретных случаев Таким образом, можно утверждать, что есть отклик трубопровода с утечкой на единичный импульс давления. Это и есть искомый информативный параметр о наличии утечки Изложенное позволяет также судить о том, что может быть найдено и положение этой утечки на трубопроводе.

Наличие твердой фазы в пульпе вносит искажения в характер распространения импульса в многофазной среде а также меняется скорость распространения импульса в среде В диссертационной работе было предложено рассчитывать зависимость вязкости пульпы /л [Па • с]

и скорости распространения звука с

используя методы теории

м с

обобщенной проводимости и приведения к элементарной ячейке, моделирующий неоднородную среду

В методах моделирования структуры пульпы возможны разные подходы к решению задачи Наиболее распространенным является метод перехода к элементарной ячейке Гипотеза об адекватности хаотической и упорядоченной структур предполагает, что эти структуры (рис 4) характеризуются одинаковыми эффективными свойствами, если свойства компонентов и их концентрацией одинакова.

Рис 4 Переход от хаотической структуры материала с изолированными включениями к соответствующей ей упорядоченной структуре (1 - твердое вещество, 2 - жидкость)

В рассматриваемом случае неоднородности одного вида расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и элементарная ячейка обладает свойством представительного элемента, т е минимального объема неоднородной системы, физические и геометрические свойства которого соответствуют свойствам всего массива

Используя дробление ячейки сечениями Рэлея, получим следующие соотношения для вязкости пульпы в случае адиабатного (7), изотермического (8) и комбинированного (9) способов дробления

Их

(7)

2

Ии _^т2+(1-т23) (8)

1-4

+ (9)

А 2 1-Цт2

//- динамическая вязкость среды \Па ■ с], концентрация второй компоненты твердая составляющая т2.

На рис.5 представлены расчетные зависимости вязкости пульпы от концентрации твердого для различных способов дробления элементарной ячейки

Как видно из рисунка 5 при изменении концентрации от 0,25 до 0,35 части твердого в общей доле пульпы, вязкость пульпы изменяется очень незначительно, и это обстоятельство подтверждает тот факт из практического опыта эксплуатации трубопроводов, что перемещаемый по трубопроводу поток можно считать упругим элементом, и все аналитические выражения используемых в математических моделях потока справедливы и поток, как упругая среда, яв-

ляется хорошим каналом для передачи информации в виде спектра изменяющегося давления

Рис 5 Расчетные значения вязкости пульпы от концентрации твердой фазы (1-изотермическое дробление, 2-адиабатное дробление, 3-комбинированное дробление)

Для повышения надежности и качества работы гидротранспортных систем в СПГГИ (ТУ) на кафедрах электротехники и электромеханики и горно-транспортных машин разработана система автоматического контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков

Эта система реализована на опытном стенде, который представлен на рис 6

Нестационарные процессы в гидросистеме исследуются с помощью датчиков давления, используемых в качестве чувствительных элементов. Сигнал от них передается через плату сбора данных на микропроцессорную систему, на которой реализован алгоритм цифровой фильтрации сигнала и выделение информативных параметров.

1тчики давления

Рис б Схема экспериментальной установки для исследования гидротранспортных систем 1 — двигатель, 2 — насос; 3 — зумпф, 4—мерная емкость; 5 — индукционный расходомер, 6—электронагреватель; 7 - пробковый кран, 8 — опытный теплообменник, 9 - термометр; 10- терморезисторы; 11 - переключатель, 12 —мост постоянного тока МО-62, 13-дифманометры ДТ-50 Создание систем автоконтроля целостности трубопроводной системы пульповодов подразумевает решение двух задач

• выделение информативных параметров, однозначно указывающих на возникновение нарушений, например, утечек или коррозионно истонченной области трубопровода, инструментальным образом определение местонахождение этих нарушений или утечек,

• передача определенной по информации о параметрах, на значительные расстояния по трубопроводу и надежной регистрации ее с помощью чувствительного элемента датчиков системы автоконтроля.

Как отмечалось выше, информативным параметром, независимым от начальных условий, является отклик системы в месте утечки в виде импульса распространяющегося в обе стороны от утечки. В работе приводятся аналитические исследования распространения импульса по трубопроводу в зависимости от того, на какое расстояние можно расставлять датчики, чтобы с уверенностью зарегистрировать сигнал и обработать его для использования в автоматической системе автоконтроля трубопровода

2.Корреляционный статистический метод контроля повреждений в пульповоде может быть положен в основу построения системы автоматического контроля, изменяющихся технологических параметров трубопроводной системы. Колебания концентрации твердой фазы в транспортируемой пульпе изменяет степень нелинейности на 2-2,5%, что является допустимым для уверенной корректной регистрации статистических характеристик

На практике большие затруднения вызывают отсутствия датчиков давления, способных воспроизвести широкий спектр изменения давления. В датчиках давления используемых в эксперименте (типа

Из теории статистических измерений известно, что для случайного стационарного сигнала корреляционная функция ^"зависит аргументов следующим образом К(п, /) = К(п — I)

Для стационарного сигнала математическое ожидание та -

постоянно, а корреляционная функция зависит лишь от разности аргументов

Давление есть носитель информативного параметра по трубопроводу При введении его в эксплуатацию, случайный стационарный сигнал подвергается цифровой фильтрации в маршрутных контроллерах по известному алгоритму (рис 7) и записывается в контроллеры в виде параллельного кода, как эталонный сигнал (исправный трубопровод). При отклонении параметров трубопровода

МРХ 2053)

(Ю)

мания

Рис. 7 Схема преобразования сигнала в контроллере спектр сигнала изменяется, отклонение спектра регистрируется в маршрутных контроллерах, в виде кода поступает либо через сотовую сеть мобильной связи, либо через систему GPS - в диспетчерский пункт системы управления трубопроводом (рис 8).

Из равенства (10) следует, что если на вход линейной трубопроводной системы подать стационарный тестовый сигнал, то на выходе системы также будет случайный стационарный сигнал.

Общая схема образования измеряемого сигнала и процесса его преобразования в целях получения информации о величине, которая должна быть измерена, представлена на рис 7

На рис 9. представлены результаты измерений на трубопроводе (транспортируемая среда - вода), а на рис. 8 концепция построения автоматической системы контроля трубопровода

Рис 8 Автоматическая система контроля технико-технологических параметров трубопроводной сети

Из рис. 9 видно, что случайный стационарный сигнал, сканирующий трубопроводную систему модулируется в местах утечки гармониками высоких частот и значительных амплитуд (10)

и,п>В

10 ЮО 200 х.м

Рис 9 Функция корреляции на экране ПК при утечке на расстоянии 10 и

200м

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-практическая задача - установление зависимостей изменения информативных параметров импульса давления сканирующего транспортируемую среду или стационарного случайного сигнала, колебания давления создаваемого маршрутными пульпонасосами от наличия утечек и их местонахождения на трубопроводе

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем

1 Разработана математическая модель потока гидротранспортной системы как основа для выявления и разделения информативных параметров контроля.

2 Показано, что датчики давления преобразуют спектр давления в электрический сигнал и могут быть расставлены с частой 15 -

20 км по линейной части трубопровода

3 Эталонный и измеряемый спектр, преобразованный контролером в цифровой код, согласуется с сотовой телефонной сетью, являющейся каналом связи объекта с центральным диспетчером системы

4 Динамический диапазон изменения плотности пульпы в пределах технологических регламентов обогатительных фабрик не искажает информативные параметры сканирующих сигналов

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1 Маларев В И Исследование скорости течения гидросмеси в горизонтальном пульповоде / Маларев В.И, Николаев АК, Кнышов Н В // Гидравлика и пневматика (ГиП) 2004 г №1314. С. 13-14.

2 Маларев В.И. Исследование вязкости пульпы продуктов горно-обогатительного производства / Маларев В И, Кнышов Н.В , Николаев А.К.// Народное хозяйство республики КОМИ, научно технический журнал Воркута, Сыктывкар, Ухта 2005 г. том 14 №1-3 С 385-388.

3 Проскуряков Р.М. Исследование режимов работы гидротранспортной системы на экспериментальной установке / Проскуряков Р М, Маларев В.И, Кнышов Н В // Горный информационно-аналитический бюллетень 2005 г.№3. С.289-290

4 Маларев В И Система контроля прорыва магистральных пульповодов на базе акустико-эмиссионного метода/ Проскуряков Р М, Маларев В И, Кнышов Н В // Освоение минеральных ресурсов севера' проблемы и решения: Труды 4-ой Межрегиональной научно-практической конференции 12-14 апреля 2006 г., Филиал СПГТИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». - Воркута 2006 г. С.231-234.

5. Кнышов Н.В. Экспериментальная установка для исследования режимов работы гидротранспортных систем/ Кнышов Н В., Маларев В И, Проскуряков Р.М // Проблемы машиноведения и машиностроения Межвузовский сборник, Вып №37, 2007 г С 141-143

6 КнышовНВ Моделирование реологических свойств пульпы при гидротранспортировании минерального сырья/ Кнышов Н В., Маларев В И., Проскуряков Р М. // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвузовский сборник, Вып №37, 2007 г С.137-140.

РИЦСП1 ГИ 21 09 2007 3 409 Т 100 экз 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д 2