Безконтактні теплові методи виявлення трубопроводів та дефектів в них

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині розкрита суттєвість наукової задачі, обґрунтована актуальність її розв'язання, показано зв'язок роботи із науковими планами і темами, визначені мета і завдання досліджень, сформульовані наукова новизна і практична значимість отриманих результатів, наведені дані про публікації автора та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан методів контролю трубопроводів і наведена їх стисла характеристика. Особлива увага приділена тепловому методу контролю, як методу, що швидко розвивається і має великі перспективи. Показано, що розвиток теплового методу неможливий без підвищення його інформативності. Тобто потрібен поступовий перехід від теплової дефектоскопії та дефектометрії до томографії та діагностики, як напрямків, що дозволяють отримати найбільш повну інформацію про ОК та його працездатність. Обробку отриманої внаслідок теплового обстеження інформації неможливо проводити без відповідних теплофізичних моделей та методів їх аналізу. Огляд сучасного стану теплового контролю показав, що найбільше використання в ньому знайшли одномірні та двомірні теплофізичні моделі, які описують досить прості об'єкти. Причому більшість з цих моделей є чисельними і внаслідок цього мають обмежену швидкодію. Існуючі аналітичні моделі можуть застосовуватись тільки для певного обмеженого кола простих об'єктів. Також в аналітичних моделях в багатьох випадках похибка може сягати 50 % внаслідок спрощень в них. Крім того аналіз джерел показав, що існуючі в тепловому контролі теплофізичні моделі не можуть бути використаними для трубопроводів тому, що побудовані для інших класів об'єктів.

Проведений аналіз показав, що для рішення задач теплової діагностики трубопроводів перспективним являється поєднання аналітичних і чисельних методів рішення задач теплопровідності. Це може дозволить уникнути недоліків властивих кожному з цих методів зокрема. В цих методах теплофізичні процеси, що проходять в ОК, описуються точними аналітичними рівняннями, але їх рішення знаходиться чисельними методами, за допомогою обчислювальних машин. Зроблено висновок, що для підвищення ефективності теплових методів контролю (підвищення чутливості, швидкодії, зменшення похибок і т.п.) необхідна розробка нових методів і алгоритмів теплової діагностики трубопроводів, а також реалізація цих алгоритмів у вигляді закінчених програмних продуктів.

У другому розділі розглянуті питання побудови теплофізичної моделі

трубопроводу з дефектами та без, прокладеного в грунті. Для рішення цієї задачі проведений аналіз можливостей застосування уже відомих моделей теплового неруйнівного контролю для рішення задач контролю трубопроводів. При цьому враховувалося, що трубопровід являє собою об'ємне джерело тепла, розташоване біля поверхні нескінченного півпростору, на границі якого існують складні граничні умови, що змінюються в часі. У випадку появи дефектів з'являються додаткові джерела тепла складної форми в обсязі півпростору. Встановлено, що для побудови теплофізичної моделі потрібно розглядати:

- обмежений тривимірний півпростір;

- наявність джерел тепла усередині цього півпростору, і зовнішнього потоку тепла на поверхні області;

- складні граничні умови, що змінюються в часі.

У зв'язку з цим була розроблена теплофізична модель, що забезпечує:

- розгляд тривимірної області з досить великими розмірами, при яких на границях впливом теплового потоку трубопроводу можна зневажити і вважати всі границі області, крім верхньої, теплоізольованими;

- введення на верхній границі області граничних умов за законом Ньютона, з температурою навколишнього середовища і потоком сонячної радіації, що змінюються з часом;

- заміну дефектів трубопроводу, що мають складну геометричну конфігурацію крапковими чи сферичними еквівалентними джерелами тепла.

Для аналізу моделі запропоновано використовувати чисельний метод рішення нестаціонарного рівняння теплопровідності Фур'є, відомий як метод кінцевих різниць. За допомогою цього методу проводилося чисельне моделювання для джерел тепла довільної форми розташованими усередині області (трубопровід і дефекти)і на верхній поверхні розглянутої області (потік сонячної радіації).

Аналіз моделі за допомогою розробленого методу полягав у розрахунку надлишкового температурного поля на поверхні ґрунту як функції:

- параметрів самого трубопроводу (глибини залягання L, діаметра трубопроводу D_тр і температури речовини Т_тр);

- параметрів передбачуваного дефекту (місця розташування x_деф, y_деф, z_деф і потужності витоку тепла Q_деф);

- параметрів ґрунту (теплопровідності ) і поверхні (коефіцієнта тепловіддачі поверхні ).

Встановлено, що перепад температури на поверхні ґрунту над трубопроводом, який обумовлено протіканням речовини по ньому, може становити декілька градусів, а температурна аномалія, зумовлена витоком речовини у 2-3 рази більше, що є достатнім для виявлення місць залягання трубопроводів і дефектів у них, а також визначення їхніх параметрів.

У загальному випадку на поверхні ґрунту температура повітря (Т_п) і потужність сонячного випромінювання (Q_п) не є константами. Якщо вважати шар атмосфери, що знаходиться біля поверхні ґрунту, рівномірно нагрітим можна зневажити конвекційним перемішуванням. Відомо, що добові і сезонні коливання температури мають гармонійний закон і збуджують температурні хвилі, що поширюються від поверхні ґрунту в глибину.

З огляду на це припущення граничні умови на поверхні ґрунту можна представити у наступному вигляді:

(1)

- середньодобова температура повітря; - максимальне відхилення від середньодобової температури повітря; t - час доби ( 0 < t < 24); t_{н -} початкова фаза коливання; Q_max - максимальна потужність сонячного випромінювання, що поглинається, поверхнею Землі; A_max - максимальний кут підйому Сонця над обрієм; t_п - тривалість світлового дня; t_нс - початкова фаза коливання.

В третьому розділі безпосередньо розглянуті питання вирішення задач теплової діагностики трубопроводів, тобто визначення параметрів трубопроводу і дефектів в ньому на підставі отриманого теплового розподілу на поверхні грунту та деяких апріорних даних. Для вирішення цієї задачі був розроблений числено-аналітичний метод аналізу даних теплового контролю заснований на застосуванні теорії потенціалів. При використанні числено-аналітичного методу теплофізична модель об'єкту контролю дещо видозмінюється.

По-перше, не потрібне завдання області кінцевих розмірів, по-друге, трубопровід і дефекти в ньому представляються у вигляді крапкових еквівалентних джерел тепла.

Для двовимірного випадку аналітичне вираження, що зв'язує температуру на поверхні ґрунту з параметрами ґрунту трубопроводу і можливих дефектів, має такий вигляд:

(2)

Аналогічно для тривимірного випадку:

(3)

При використанні виразів (2) (3) значення інтегралів знайти аналітично важко, і вони визначаються приблизними методами, а рішення зворотної задачі теплопровідності зводиться до мінімізації функціонала f(r). При цьому вдається скоротити обсяг необхідних обчислень порівняно з чисельними методами у сотні разів. Що у свою чергу дає можливість при тій же потужності обчислювальних машин вирішувати одну чи декілька з наступних задач:

- прискорення процедури обчислення;

- підвищення точності одержуваних результатів за рахунок збільшення числа осередків сітки при чисельному інтегруванні;

- варіювати при рішенні зворотних задач теплопровідності більшу кількість параметрів.

У роботі також показана можливість розкладання отриманих аналітичних функцій, що описують розподіл температури на поверхні грунту над трубопроводом, у ряд Фур'є з наступним проведенням спектрального аналізу. Аналіз спектра, що відповідає різного роду дефектам, дає можливість з більшою вірогідністю виявляти й ідентифікувати їх, особливо під час впливу різних перешкод.

Слід зауважити, що розроблений метод не дозволяє задавати зміну граничних умов, а також аналізувати розвиток теплового поля над дефектом у часі. Таким чином, розроблені моделі і запропоновані методи їхнього аналізу по суті є взаємодоповнюючими. Вибір методу для аналізу залежить від конкретних умов навколишнього середовища і вимог до проведення теплового контролю.

Після локалізації місця дефекту і визначення його природи, у багатьох випадках важливо знати інші параметри дефекту. У випадку дефекту типу "витік" таким параметром може бути кількість речовини, що витікає з трубопроводу.

Після виділення теплового сліду дефекту, обсяг дефекту можна визначити за наступною формулою:

(4)

Вираз (4) застосовується тільки у випадку, якщо весь процес теплообміну відбувається усередині ґрунту.

Четвертий розділ присвячено питанням розробки методик та алгоритмів проведення теплового обстеження трубопроводів, а також їх програмній реалізації.

На підставі проведених досліджень було розроблено методику та запропоновано алгоритм розшифровки даних ТНК трубопроводів. Який має наступний вигляд:

одержання термограми об'єкту (вимір температурного поля на поверхні грунту над трубопроводом);

аналіз термограм з метою виявлення температурних аномалій;

- визначення попередніх координат розташування дефекту xдеф, yдеф, zдеф по максимуму температурного перепаду на поверхні грунту;

виділення частини термограми, що підлягає аналізу;