КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ВИБРОКОНТРОЛЬ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ВИБРАЦИОНЕН КОНТРОЛ НА СЪОТВЕТСТВИЕТО ТРЪБОПРОВОД ЗА ТРАНСПОРТИРАНЕ НА ГАЗ СИСТЕМА CORRELATION VIBRATION MONITORING OF GAS-TRANSPORT SYSTEM Проф., д.т.н. Игуменцев Е.А., доц., к.т.н. Прокопенко Е.А. Метрологический центр Национальной Акционерной Компании «Нефтегаз Украины» «Восточноевропейский региональный центр метрологии природного газа, нефти и нефтепродуктов», г. Киев, Украина; Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина e-mail: digaz@i.ua A method of failure prediction for a life of metal during the operation is considered. The method has high sensitivity to the complex structural transformations in steel material. It can be successfully used as a rapid method for the continuous quality control of the level of plastic deformation and residual stress along the entire length of the pipeline. diagnostics, gas-transport system, vibration monitoring, gas turbine engine, the spectrum prediction 1. Введение на участке между излучающим и приемным вибраторами де- Создание и совершенствование существующих методов и фектоскопа. средств неразрушающего контроля является актуальной научной проблемой. Известно [1], что в напряженных деталях скорость звука продольных волн в материале уменьшается по сравнению со Затраты на неразрушающий контроль велики, но эти затра- скоростью звука ненапряженной детали. Наиболее известным ты быстро окупаются, так как благодаря контролю на всех эта- способом определения скорости задержки волн является фазо- пах изготовления, приемки и эксплуатации газотранспортного метрический метод для частот порядка 70 кГц. Однако эту за- оборудования резко повышается качество и надежность техно- дачу можно решить и в частотном диапазоне 1,7 кГц. логического процесса. Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) 3. Решение рассматриваемой проблемы выступает одним из определяющих факторов в оценке надеж- Для определения статических напряжений посредством ности трубопроводов в процессе эксплуатации газотранспорт- магнитострикционной трубки в трубопровод вводят продоль- ной системы. ные колебания. Колебания распространяются по кольцу (периметру) и вдоль трубы. Возбуждение гармонических колебаний 2. Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем происходит в частотном диапазоне f со средней частотой (f), Проблемы выявления производственно-технологических равной кольцевой частоте колебаний трубы дефектов, а также эксплуатационных дефектов с целью прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации занимают значительное место в практике неразрушающего контроля газотранспортного оборудования. Одним из методов, эффективно применяемых при определении технического состояния трубопроводов, является вело- f = c/2R, где R — радиус трубы, с — скорость распространения продольных волн. Для кольцевой частоты длина продольной волны, распространяемая вдоль периметра, равна длине окружности 2R. симетрический. При этом используется влияние дефектов на Для регистрации скорости распространения бездисперсных, скорость распространения упругих волн в объекте исследова- не зависящих от частоты распространения продольных волн и ния и длину пути волн между излучателем и приемником упру- дисперсных, зависящих от частоты распространения попереч- гих колебаний. Дефекты регистрируют по изменению сдвига ных волн, используют метод выделения взаимной корреляци- фазы принятого сигнала или времени распространения волны онной функции, т.к. каждый пик соответствует времени () прихода подобного виброакустического сигнала от одного дат- чика к другому, генерируемого посредством магнитострикци- и равно 0,5; 0,33 и 0,25. Причем, чем меньше отношение шума онной трубки. Если расстояние между датчиками равно L, то к сигналу, тем больше это соотношение после логарифмирова- скорость распространения звука равна c = L/. ния, а коэффициенты усиления для рассмотренных случаев Статические напряжения в трубе (с), выраженные через дельном случае, когда отношение шума к сигналу стремится к время распространения звука, равны: c 2 E Gт равны: 5; 33; 250. Коэффициенты усиления возрастают и в пре- т 1 Gт , нулю, стремятся к бесконечности. Таким образом, логарифми(1) где E, G т — модуль упругости и модуль линейного упрочне- рование превращает корреляционную функцию гармонического сигнала в корреляционную функцию широкополосного шума. Автокепстр Кхх() гармонического (узкополосного случай- ния; ного переходящего в гармонический) процесса равен: m — предел текучести материала трубы; Sin2πBш τ Bш a1 Cos 2πf 0 τ К хх 2 , σ τ 2πBш τ — сдвиг времени сигнала при напряженном состоянии трубы (). При фиксированной разнице запаздываний пики взаимной и автокорреляционной функций, соответствующий определен- где a1 (3) 4σ A2 lg 4 Bш2 f 02 lg e ; 4 π ным тракам, выделяются тем труднее, чем уже полоса частот 0 — коэффициент аппроксимации узкополосного случайно- шума. В предельном случае, когда источник шума испускает го процесса (дельта функции) Гауссовым распределе- гармонические колебания, корреляционная функция каждого нием; тракта есть косинусоида, и выделение отдельных траков вооб- A, f0 — амплитуда и частота гармонических колебаний. ще невозможно. Приближенно можно считать, что если полоса Соотношение (3) уже не обладает недостатками корреляцион- частот выходного сигнала равна Вш, то для надежного выделе- ной функции и может быть использовано для определения ста- ния пиков корреляции, соответствующим отдельным тракам, тических напряжений в газопроводе. запаздывания в любой паре траков должны удовлетворять не- Для экспериментальной проверки соотношения (1) использовалась акустическая эмиссия: аппаратура фирмы «Брюль и равенству [2] j k 1 Вш , j, k 1,2,..., n . (2) Къер»; диагностический комплекс ЕМА-1; система АЭ, разработанная в Украинской инженерно-педагогической академии. Ширина полосы в одну октаву, когда f = Вш, удовлетворяет Система АЭ состоит из четырех датчиков, входного усили- неравенству (2). После выделения пиков авто- и взаимного теля, коммутатора, АЦП, согласующей платы и персонального кепстров определяют время распространения продольных и компьютера. Резонансная частота датчиков 200250 кГц, так- поперечных волн вдоль периметра и образующей трубы. Каж- товая частота платы АЦП 20 МГц. Разработанное программное дый пик автокепстра соответствует времени прихода попереч- обеспечение позволяет определять: энергетический спектр; ной и продольной волны вдоль периметра трубы и фиксируется амплитудный спектр; временные импульсы; скорость нараста- одним вибродатчиком. Каждый пик перекрестного кепстра ния и наклона импульсов. соответствует времени прихода поперечной или продольной Акустическая эмиссия применялась для регистрации скоро- волны вдоль образующей трубы и фиксируется двумя вибро- сти распространения упругих волн (с) и определения микроде- датчиками. фектов в газопроводе. Результаты обследования газопроводов Корреляционная функция гармонического процесса в слу- позволили сделать вывод об информативности системы АЭ. чайном широкополосном шуме равна сумме корреляционных Для регистрации статических напряжений в трубопроводе нами функций гармонического процесса и широкополосного шума. была проделана работа, которая расширяет область исследова- Заметим, что корреляционная функция быстро сходится к ко- ний по установлению корреляционных зависимостей между синусоидальному члену, соответствующему гармонической магнитными и механическими параметрами для трубных ста- составляющей процесса. Максимальное значение соответствует лей и учитывает влияние действующих нагрузок и условий t = 0 и равно сумме спектральных составляющих гармониче- нагружения. В качестве основного контролируемого магнит- ского процесса и широкополосного шума. Логарифмирование ного параметра была выбрана величина коэрцитивной силы. такого сигнала как бы увеличивает составляющую широкопо- Для определения зависимости коэрцитивной силы от лосного шума. Например, если соотношение шума к спек- напряжений были проведены механические испытания на од- тральной плотности гармонического сигнала равно 0,1; 0,01 и ноосное статическое растяжение плоских образцов низколеги- 0,001, то после логарифмирования это соотношение возрастает рованной стали до начала шейкообразования. Механические испытания были выполнены на разрывной машине типа 5. Заключение А 804/1474 с максимальной нагрузкой 25 т. Исходным матери- Поскольку коэрцитивная сила как физический параметр яв- алом служили вырезанные продольные участки трубы дей- ляется достаточно устойчивой к действию упругих напряжений ствующего магистрального газопровода. Размеры образцов: и при этом чрезвычайно чувствительной к действию необрати- длина 210 мм, ширина 30 мм, толщина 11 мм. мых пластических деформаций, присутствию остаточных ме- Для проведения измерений коэрцитивной силы был подго- ханических напряжений в структуре ферромагнитной стали, товлен коэрцитиметр КРМ-Ц. Градуировку прибора произво- полученные однозначные устойчивые характеристики Hc() дили на эталонных образцах с известными значениями коэрци- использованы как тарировочные для контроля уровня напря- тивной силы. Погрешность измерений в лабораторных услови- жений в нагруженных газопроводах. Для этого необходимо на ях составляет 0,1 А/см в диапазоне измерений 1 — 20 А/см. основе измерений коэрцитивной силы на действующем газо- Измерения коэрцитивной силы (Hc()) производили в направ- проводе при рабочем давлении Рраб, с учетом поправочного лении действия растягивающей нагрузки, вдоль оси деформа- коэффициента, который по нашим данным составляет 0,94, ции, не освобождая образцы из клиновых захватов разрывной определить уровень действующих напряжений по тарировоч- машины. ным кривым. В ходе эксперимента выполнялось поступенчатое растяже- Рассматриваемый метод диагностики ввиду высокой чув- ние образцов с шагом примерно 6 МПа, в диапазоне прилагае- ствительности к комплексу структурных превращений в мате- мых нагрузок 0 — МПа. На каждой ступени нагруже- риале стали может быть успешно использован как экспресс- ния, не снимая прилагаемой растягивающей нагрузки max, на метод для непрерывного качественного контроля уровня пла- образцах измерялась коэрцитивная сила в напряженном состо- стических деформаций, остаточных напряжений по всей длине янии. После чего деформирующая нагрузка снижалась до неко- трубопровода, max 0,2, с целью прогнозирования остаточно- торого промежуточного напряжения ' < т, соответствующего го ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации. 5,8102 расчетному уровню рабочих напряжений в условиях эксплуаЛитература тации магистрального газопровода, и также выполнялось измерение коэрцитивной силы в нагруженном состоянии. Далее 1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и нагрузка снималась до нуля ( = 0), и примерно через 10 с, не- изделий: Справочник в 2-х кн. под редакцией В.В. Клюева. обходимых для релаксации действия внешних растягивающих Кн. 2. — М.: Машиностроение, 1976. — 295с. напряжений, измерялись характеристики Hc() в разгруженном состоянии. Условно полученные кривые Hc() можно разбить 2. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. — М: Мир, 1983. — 312с. на два участка с различными углами наклона: участок, соответствующий области упругих напряжений, > т, и участок, соответствующий процессу пластического деформирования, . < т. В области упругих напряжений до достижения металлом предела текучести т коэрцитивная сила остается практически постоянной, равной начальному значению, при этом ход кривых, соответствующий нагруженному и разгруженному состоянию образцов, полностью совпадает. Значительное приращение Hc происходит в зоне временного упрочнения и при 125 МПа составляет 70% от начального уровня. Суммарное увеличение коэрцитивной силы от начального недеформированного уровня до момента шейкообразования составляет 225 — 260 %. При повторных испытаниях после снятия нагрузки до нуля и повторных растяжениях до max ход кривых первоначального и повторного нагружений полностью совпадают, т.е. гистерезис 0 < max < в отсутствует. характеристик Hc() в области