Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Контроль пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів акустичними методами

Лютак Ігор Зіновійович

Івано-Франківськ 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Івано-Франківськ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Кісіль Ігор Степанович, завідувач кафедри "Методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції" Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу, м. Івано-Франківськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дідковський Віталій Семенович, завідувач кафедри "Акустика та акустоелектроніка" національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", м. Київ;

доктор технічних наук, професор Сучков Григорій Михайлович, завідувач кафедри "Прилади і методи неруйнівного контролю" національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", м. Харків;

доктор технічних наук, професор Заміховський Леонід Михайлович, завідувач кафедри "Комп'ютерні технології і системи управління" Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу, м. Івано-Франківськ.

Захист відбудеться " 20 " травня 2011 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.03 при Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15)

Автореферат розісланий " 19 " квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, професор Дранчук М. М.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Магістральні трубопроводи становлять значну частку в економічному, соціальному, політичному вимірах життя України. Забезпечення високої надійності їх експлуатації є однією з важливих науково-практичних проблем. У сучасних умовах більша частина магістральних трубопроводів експлуатується понад нормативний термін. В Україні та світі не має чітко визначених правил, нормативних документів, що можуть однозначно дати відповідь про безпечне подовження терміну експлуатації магістральних трубопроводів без попереднього контролю пружних властивостей металу їх стінок з огляду на експлуатацію магістральних трубопроводів в різних кліматичних, геологічних зонах, наявності ділянок трубопроводів, що були піддані значним зовнішнім зусиллям внаслідок повеней, зсувів ґрунту, землетрусів, результатів діяльності людини тощо. Для визначення залишкового ресурсу їх роботи необхідно проводити детальний контроль технічного стану, що складно, а іноді неможливо здійснити існуючими методами з огляду на значну їх довжину, обмежений доступ до всієї поверхні. Частково ця проблема вирішується за допомогою застосування діагностичних поршнів, що поширюються на значні відстані всередині магістральних трубопроводів, проте результати їх контролю не є достатньо достовірними і вимагають перевірки іншими методами, не є достатньо повними, оскільки не дають інформації про напружено-деформований стан стінок трубопроводу та значення пружних констант металу цих стінок. В небезпечних місцях магістрального трубопроводу (повітряні переходи, технологічні коліна, малі товщини стінок) внаслідок значної ваги та швидкості руху діагностичні поршні самі можуть бути джерелом небезпеки, створюючи критичні навантаження.

В Україні значний вклад в розвиток неруйнівного контролю трубопроводів внесли Крижанівський Є. І., Карпаш О. М., Грудз В. Я., Заміховський Л. М., Шлапак Л. С., Грінченко В. Т., Скальський В. Р., Кошовий В. В., Куриляк Д. Б., Осадчук В. А., Білокур І. П., Бондаренко А. І., Гузь А. Н., Вікторов І. А., та зарубіжні науковці П. Коулі, Дж. Роуз, М. Лоуве, Т. Кунду, Дж. Ахенбах, Г. Колский та ін.

Складність визначення всіх деструктивних факторів, що діють на магістральні трубопроводи є причиною відмов їх роботи та аварій. Тільки в Євросоюзі реєструється біля 1000 аварій металевих трубопроводів на рік, які пов'язані з важкими травмами і навіть людськими жертвами. В Україні з 2005 р. по 2007 р. мали місце чотири аварії на магістральних газопроводах в результаті чого було припинено газопостачання до багатьох населених пунктів України, значного пошкодження було нанесено навколишньому середовищу, економіці та міжнародній репутації України.

Це свідчить про недосконалість існуючих методів неруйнівного контролю фізико-механічних параметрів стінок магістральних трубопроводів. Основним недоліком акустичних методів контролю фізико-механічних параметрів стінок магістральних трубопроводів є їх точковість, що дозволяє отримувати інформації про об'єкт лише в незначному за розмірами околі місця прикладання первинного перетворювача до поверхні труби. Забезпечення неперервного контролю лише одного параметру (товщини стінки) можливе лише в спеціальних центрах і не може бути застосоване в натурних умовах експлуатації магістрального трубопроводу.

Причиною недосконалості акустичних методів неруйнівного контролю є недостатній розвиток теоретичних засад про поширення пружних коливань в стінках трубопроводів, що не дає можливості застосовувати на практиці в методах та пристроях неруйнівного контролю ультразвукові спрямовані кільцеві хвилі.

Проведений аналіз дозволяє зробити висновок про те, що завдання розвитку теорії, методів та засобів акустичного контролю фізико-механічних параметрів магістральних трубопроводів є актуальним, а їхнє вирішення розв'язує важливу науково-прикладну проблему.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі методів та приладів контролю якості та сертифікації продукції Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу відповідно до плану науково-дослідних робіт в межах госпдоговірних, держбюджетних тем та грандів, в яких здобувач був науковим керівником чи відповідальним виконавцем:

- госпдоговірна тема № 16/2008 "Визначення ступеня овальності в окремих перерізах магістральних трубопроводів на КС "Кременчук" для забезпечення "Регламенту проведення паспортизації технологічних трубопроводів обв'язок обладнання компресорних станцій". Номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ 0108U003020;

- госпдоговірна тема № 267/2004 "Контроль напружено-деформованого стану магістральних газопроводів на підприємствах ДК "Укртрансгаз". Номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ 0105U004995;

- грант Президента України "Розробка нового методу контролю технічного стану нафтогазопроводів та визначення залишкового ресурсу їх роботи" (GP/F13/0134). Номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ 0107U004645;

- грант Президента України "Розроблення нового методу неруйнівного контролю ранніх стадій корозії металевих конструкцій" (GP/F27/0150). Номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ 0110U002628;

- грант фонду фундаментальних досліджень України "Розроблення теорії взаємодії потужного акустичного поля із неоднорідностями в металах для нового неруйнівного термоакустичного методу контролю" (№ держреєстрації 0107U009501);

- грант фонду фундаментальних досліджень України "Дослідження та моделювання взаємодії потужного акустичного поля із неоднорідностями в металах" (№ держреєстрації 0108U006619);

- держбюджетна науково-дослідна робота кафедри методів та приладів контролю якості і сертифікації продукції Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу "Наукові основи розробки методів, систем і нормативної бази для вимірювання витрат та контролю обладнання і технологічних параметрів в нафтогазовій галузі" (розділ 2. Контроль технічного стану трубопроводів. Виконавець). Номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ 0109U008878;

- держбюджетна тема по кафедрі програмного забезпечення автоматизованих систем (протокол № 9/34 від 21 травня 2008 р.) 2009-2012 рр. "Розробка теоретичних та прикладних концепцій застосування сучасних інформаційних технологій в нафтогазовій галузі" (Виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності та достовірності контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів шляхом розвитку теорії методів та засобів акустичного контролю.

Для досягнення цієї мети поставлено такі задачі:

- проаналізувати практичні проблеми підвищення безпечної експлуатації магістральних трубопроводів та обґрунтувати підходи для розвитку теорії методів та засобів акустичного контролю пружних властивостей металу їх стінок для забезпечення достовірності та точності результатів контролю з урахуванням умов їх роботи;

- розробити математичні моделі опису поширення горизонтально-поляризованих та мод типу Лемба ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль, відповідне програмне забезпечення їх обчислення та на цій основі визначити дисперсні властивості фазової та групової швидкостей поширення мод цих хвиль в стінці магістральних трубопроводів; розвинути математичну модель опису поширення ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль в частотній області, програмне забезпечення її обчислення;

- розробити математичну модель ультразвукового тракту пристрою контролю ультразвуковими спрямованими хвилями пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів;

- розробити метод неруйнівного контролю дефектів у стінках магістральних трубопроводів модами ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль;

- розробити математичну модель залежності швидкості поширення мод ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль від величини напружено-деформованого стану металу трубопроводів та відповідне програмне забезпечення для її застосування;

- розробити методи контролю величини напружено-деформованого стану металу трубопроводів модами ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль;

- розробити метод контролю величини пружних констант металу магістральних трубопроводів модами ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль;

- розробити пристрій генерування та реєстрації ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль в умовах експлуатації магістральних трубопроводів, що реалізує методи контролю пружних властивостей металу їх стінок ;

- розробити метод та пристрій неперервного контролю товщини стінок магістральних трубопроводів в натурних умовах їх експлуатації об'ємними ультразвуковими хвилями і математичну модель опису параметрів ультразвукового поля, утвореного переходом однорідної хвилі через нерівну геометричну форму границі розділу рідина-стінка труби, розробити програмне забезпечення обчислення параметрів луно-імпульсу за висотою акустичного контакту та його хвильовими параметрами;

- провести аналіз процесів утворення, розвитку термоакустичного явища в стінці магістрального трубопроводу та запропонувати методологію оцінювання концентрації теплового поля в околі дефекту із врахуванням фізико-механічних параметрів сталі та величини потужності акустичного поля;

- розробити нові методи та програмне забезпечення обробки сигналів ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль та об'ємних хвиль для підвищення точності обробки інформативної складової сигналу; метрологічну атестацію пристрою, що реалізує методи неруйнівного контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів, технологію проведення контролю розробленими методами, провести аналіз похибок; провести лабораторні та натурні дослідження розробленими методами та засобами.

Об'єктом досліджень є процеси деградації пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів.

Предметом досліджень є методи та засоби акустичного неруйнівного контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів.

Методи дослідження. При вирішенні задач контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів застосовано методи математичного моделювання фізичних процесів в твердих та рідких середовищах, методи скінченних елементів, методи теорії технічної механіки, методи теорії фізики теплових процесів, методи розв'язування диференційних рівнянь, методи теорії акустики, методи інформаційних технологій розробки програмного забезпечення. При вирішенні задач розроблення засобів акустичного неруйнівного контролю застосовано методи теорії обробки сигналів, методи схемотехніки та конструювання, методи теорії математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Основний науковий результат дисертації полягає у підвищення точності та достовірності контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів шляхом впровадження нових методів ультразвукового контролю в натурних умовах їх роботи з раціональним використанням залучених ресурсів.

Наукова новизна визначається наступними положеннями:

1. Вперше розроблено математичну модель явища акустопружності ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль, що полягає у застосуванні теорії пружності третього порядку Мурнагана. Ця модель дає змогу розраховувати зміну швидкості мод в залежності від величини напружено-деформованого стану металу стінок магістральних трубопроводів.

2. Вперше розроблено метод контролю дійсної величини напружено-деформованого стану металу магістральних трубопроводів за зміною швидкості поширення ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль і дає можливість проводити контроль ділянки труби за одне вимірювання та в складнодоступних місцях для поширених ультразвукових методів. Подальшого розвитку набули методи контролю перерозподілу величини напружено-деформованого стану по околу та по довжині магістрального трубопроводу, що базуються на явищі акустопружності мод ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль, що дають можливість проводити контроль без даних про швидкість поширення цих мод у ненапруженому металі.

3. Вперше розроблено метод контролю пружних констант металу стінок магістральних трубопроводів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями, який полягає у визначенні зміни часу поширення кільцевих хвиль в стінці труби в залежності від значень пружних констант, що дає змогу збільшити достовірність визначення опору металу магістрального трубопроводу до деформацій при прикладених до нього зовнішніх зусиллях.

4. Вперше розроблено метод неперервного контролю товщини стінок магістральних трубопроводів із нерівномірною поверхнею в умовах їх експлуатації об'ємними ультразвуковими хвилями, який полягає у забезпеченні постійного акустичного контакту на його ділянці, що дає змогу проводити контроль як основного металу, так і зварних з'єднань. Для підвищення точності контролю запропонованим методом розроблено математичну модель опису параметрів ультразвукового поля утвореного переходом однорідної хвилі через нерівну геометричну форму границі розділу рідина-стінка труби.

5. Вперше побудована математична модель ультразвукового тракту пристрою контролю ультразвуковими спрямованими хвилями пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів, що враховує параметри коливань первинного перетворювача. Ця модель становить теоретичну основу для створення процедур обробки експериментальних сигналів з метою виключення з результатів вимірювання швидкості поширення ультразвукових спрямованих хвиль систематичних похибок, які вносяться первинними перетворювачами.

6. Подальшого розвитку набули метод неруйнівного контролю дефектів у стінках магістральних трубопроводів та математичні моделі опису поширення ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль в часовій та частотній областях, що дає змогу виявляти як поверхневі так і донні дефекти на певній ділянці за одне вимірювання та проводити контроль в складнодоступних місцях для поширених методів ультразвукового контролю.

7. Подальшого розвитку набули теоретичні основи і методологія оцінювання та прогнозування параметрів термоакустичного явища на основі досліджень концентрації теплової енергії в околі дефекту при існуванні потужного акустичного поля, що дає змогу розробляти нові методи контролю дефектів в стінках магістральних трубопроводів.

Практичне значення одержаних результатів

- розроблено та виготовлено систему КТУ-1 (контроль труб ультразвуковий), розроблено і затверджено в установленому порядку “Технологію проведення неруйнівного контролю нафтогазопроводів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями” цією системою;

- розроблено та виготовлено пристрій УНКТ-1 неперервного контролю товщини стінок магістрального трубопроводу в умовах експлуатації ультразвуковими об'ємними хвилями, програмне забезпечення розрахунку ультразвукового поля утвореного переходом однорідної хвилі через нерівну геометричну форму границі розділу рідина-стінка труби та розрахунку параметрів луно-імпульсу при контролю товщини стінки труби;

- розроблено програмне забезпечення в пакеті математичного числення Matlab, що дозволяє отримувати дисперсні властивості групової та фазової швидкостей поширення горизонтально-поляризованих та мод типу Лемба ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль в стінках магістральних трубопроводів;

- розроблено програму в пакеті прикладних програм Ansys, що дозволяє проводити аналіз дисперсних властивостей ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль засобами скінченних елементів із застосуванням модального підходу, розроблено програму в пакеті прикладних програм Comsol, що дозволяє розраховувати розподіл поля ультразвукової спрямованої кільцевої хвилі в стінці труби в частотній області;

- розроблено програму розрахунку частоти сигналу ультразвукової хвилі в реальному часі в середовищі Matlab, модель обробки аналогового сигналу реалізованого в середовищі Simulink;

- розроблено і затверджено в установленому порядку “Методику метрологічної атестації системи ультразвукового контролю труб КТУ-1”, що дозволяє проводити метрологічну атестацію системи контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями;

- розроблено алгоритми обробки сигналів об'ємних та спрямованих кільцевих хвиль, які полягають у виокремленні інформаційних складових із загального сигналу з завадами, визначенні частоти сигналу в реальному часі, визначенні часу приходження вибраного періоду луно-імпульсу, що дає змогу на відміну від існуючих методів підвищити точність обробки сигналів при реалізації методів ультразвукового неруйнівного контролю стінок магістральних трубопроводів.

Проведені лабораторні дослідження контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями, які підтверджують ефективність розроблених методів і засобів.

На державному підприємстві “Придніпровські магістральні нафтопроводи” ВАТ “Укртранснафта” впроваджені методи контролю пружних властивостей металу стінок магістральних нафтопроводів (контроль величини напружено-деформованого стану, наявності дефектів в стінках трубопроводів, контроль значення пружних констант: модуля Юнга та коефіцієнта Пуассона) ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями, що дозволить підвищити безпеку їх експлуатації.

На державному підприємстві Науково-виробничий центр "Техдіагаз" дочірньої компанії "Укртрансгаз" впроваджені методи контролю параметрів технічного стану магістральних газопроводів (контроль величини напружено-деформованого стану, наявності дефектів в стінках трубопроводів, контроль значення пружних констант: модуля Юнга та коефіцієнта Пуассона) ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями. Здійснено контроль повітряних переходів магістральних трубопроводів розробленою системою КТУ-1 згідно “Технології проведення неруйнівного контролю нафтогазопроводів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями”. Виявлено перевищення допустимих напружень в повітряному переході магістрального газопроводу "Союз" 2439-й км. через р. Саджавка розташованого в с. Глибівка, Богородчанського р-н., Івано-Франківської обл. Результати впровадження дозволять підвищити надійність та безпеку експлуатації магістральних газопроводів.

На державному виробничо-ремонтному технічному підприємстві "Укргазенергосервіс" впроваджено та передано систему КТУ-1 та методи контролю параметрів технічного стану магістральних газопроводів (контроль величини напружено-деформованого стану, наявності дефектів в стінках трубопроводів, контроль значення пружних констант: модуля Юнга та коефіцієнта Пуассона) ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями. Здійснено контроль наявності дефектів, пружних констант, величини напружено-деформованого стану на магістральних газопроводах компресорних станцій в м. Богородчани Івано-Франківської обл. та м. Бар Вінницької обл.

На державному виробничо-ремонтному технічному підприємстві "Укргазенергосервіс" впроваджено та передано пристрій УНКТ-1 неперервного контролю товщини стінок магістрального трубопроводу. Проведено перевірку пристрою УНКТ-1 на газопроводах компресорної станції в м. Богородчани Івано-Франківської обл., що показала необхідну точність та ефективність застосування пристрою.

На підприємстві "Подільський експертно-технічний центр" впроваджено та передано пристрій УНКТ-1 неперервного контролю товщини стінок магістрального трубопроводу. Проведено перевірку методики та пристрою УНКТ-1 на зразках та елементах паропроводу IV-ї категорії ТЕЦ Красилівського цукрового заводу. Встановлено достовірність результатів контролю пристроєм УНКТ-1.

Матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі підготовки бакалаврів, спеціалістів і магістрів напрямку приладобудування та приладів і систем неруйнівного контролю в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно: розвиток теорії, методів та засобів акустичного контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів, розроблення математичних моделей: поширення горизонтально-поляризованих та мод типу Лемба ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль в часовій та частотній областях, модель ультразвукового поля, утвореного переходом однорідної хвилі через нерівну геометричну форму границі розділу рідина-стінка труби, модель опису процесу генерування ультразвукової спрямованої кільцевої хвилі чутливим елементом із застосуванням імерсійного акустичного контакту; розроблення методів та пристрою контролю напружено-деформованого стану, величини пружних констант та наявності дефектів ультразвуковими спрямованими кільцевими хвилями, методу та пристрою неперервного контролю товщини стінок магістральних трубопроводів об'ємними ультразвуковими хвилями.

У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: розроблення підходу реалізації термоакустичного методу неруйнівного контролю технічного стану металевих конструкцій, обґрунтування хвильового аспекту та застосування теорії механіки руйнування в термоакустичному методі [17]; концепція та методологія застосування Р-снейк алгоритму для знаходження дефектів в металевих виробах на основі термоакустичного методу контролю [18]; математичний опис і спосіб збудження окремої моди ультразвукової спрямованої кільцевої хвилі в стінці трубопроводу, підхід виокремлення інформативної складової із групи мод з використанням декількох ультразвукових первинних перетворювачів [19]; ідея та обґрунтування напрямку, постановка задачі досліджень взаємодії неоднорідності в металі із ультразвуковою хвилею, розроблення моделі тертя при контакті твердих тіл [20]; метод визначення параметрів загасання хвиль Лемба в ізотропному пружному середовищі, математичний опис процесу загасання ультразвукової хвилі [21]; методи проектування та тестування, реалізація програмного забезпечення, підхід моделювання клієнт-серверної частини програми з використанням універсальної мови моделювання [22]; розроблення методу обробки ультразвукового сигналу в частотній області, побудова адаптивного алгоритму та програмного забезпечення [23]; математична модель поширення ультразвуку в металах в залежності від величини навантажень [24]; концепція дослідження модальних параметрів повітряних переходів магістральних газопроводів, метод обробки експериментальних результатів [25]; підхід для моделювання скінченними елементами поширення ультразвукової поверхневої хвилі в металевій пластині при змінених фізико-механічних властивостях поверхневого шару [26]; алгоритм обробляння сигналів ультразвукових поверхневих хвиль, що базується на теорії вейвлет перетворення [27]; ідея та обґрунтування напрямків досліджень, дослідження фізичних процесів в магістральних трубопроводах [28]; модель поширення ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль, проведення лабораторних досліджень генерування та аналізу сигналів [29]; ідеї та технічні рішення нових принципів і конструкторських вдосконалень ультразвукових пристроїв [32, 33]; метод обчислення поширення ультразвукової хвилі в металі [35]; математична модель поширення ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль [38].

Апробація роботи. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: VI International Conference "Strategy of Quality in Industry and Education", Varna, Bulgaria, 2008, 2010; Міжнародній науково-технічної конференції "Електромагнітні і акустичні методи неруйнівного контролю матеріалів і виробів ЛЕОТЕСТ", Славське Львівської обл., 2009, 2010; Відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України "Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи", Львів, 2009; 6-а Національно-технічній конференції і виставці "Неруйнівний контроль та технічна діагностика", Київ, 2006, 2009; Шестнадцатой международной конференции "Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики", г. Ялта, 2008, 2009; IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications, Sofia, Bulgaria, 2005; The 8-th conference of computer aided sciense, industrial and transport "TransComp 2004", Zakopane, Poland, 2004; 8-й міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України - 2004", Судак, 2004; 3-й науково-технічній конференції "Приладобудування 2004 стан і перспективи", Київ, 2004, 2008; "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2008)", Харків, 2008; Международной конференции "Научные основы внедрения новых технологий в эпоху Нового Возрождения", Туркменистан, 2009; Міжнародній науково-технічній конференції "Нафтогазова енергетика: проблеми та перспективи", м. Івано-Франківськ, 2009; Міжнародній науково-технічній конференції "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні" ІКТМ'2007", м. Харків, 2007; Міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсозберігаючі технології у нафтогазовій енергетиці" ІФНТУНГ-40", м. Івано-Франківськ, 2007.

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 45-и публікаціях, в тому числі в 1 монографії, 28 статтях (із них 15 одноосібних) у фахових наукових виданнях ВАК України, в 3-х одноосібних патентах України, 2-х патентах України на корисну модель та 11-ти публікаціях (із них 9 одноосібних) за матеріалами міжнародних та всеукраїнських науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, висновку, додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 433 сторінок, із них 288 сторінки основного тексту, що включає 57 рисунків і 7 таблиць. Список використаних джерел 243 найменування на 24 сторінках, 14 додатків на 120 сторінках.

2. Основний зміст роботи

магістральний трубопровід пружний метал

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичну значущість отриманих результатів дисертаційних досліджень, їх апробацію та публікації.

У першому розділі досліджено сучасний стан проблеми контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів та підвищення точності та достовірності контролю.

Проведений аналіз дає підстави стверджувати, що сучасний стан ультразвукових методів неруйнівного контролю має ряд недоліків, які не дозволяють застосовувати їх ефективно. До таких недоліків слід віднести:

- недостатній розвиток теорії поширення ультразвукових коливань, що не дозволяє в повній мірі застосовувати спрямовані хвилі для контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів;

- недостатня функціональність існуючих засобів для ультразвукового контролю спрямованими хвилями;

- наявність обмежень (щодо засобів генерування та прийому пружних коливань) у застосуванні об'ємних ультразвукових хвиль при неперервному контролі стінок магістральних трубопроводів в експлуатаційних умовах;

- недостатній розвиток методів обробки сигналів при використанні ультразвукових спрямованих хвиль.

На підставі викладеного сформовані основні завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі викладено теоретичні основи поширення пружних коливань в пластині, розроблено математичні моделі обчислення параметрів ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль (УСКХ) в стінці трубопроводу (горизонтально-поляризованих мод та мод типу Лемба); приведено теоретичні основи, що пояснюють спосіб утворення та поширення ультразвукових спрямованих хвиль в стінці труби; представлено способи селективного збудження мод УСКХ прямим первинним перетворювачем.

На основі математичних залежностей показано, що поздовжні та поперечні ультразвукові хвилі можуть поширюватись в будь-якому напрямку в пружному середовищі (при відсутності границь розділу середовищ), причому швидкість поширення таких хвиль не залежить від напрямку. При наявності границь розділу середовища хвильова енергія переноситься спрямованими ультразвуковими хвилями.

Приведені математичні описи поширення симетричної та антисиметричної мод ультразвукових спрямованих хвиль для пластини із границями розділу середовище пластини - повітря у формі прямої лінії. Показано, що для опису поширення спрямованих хвиль у пружному середовищі із криволінійними границями розділу необхідно взяти до уваги радіус кривизни.

Для опису поширення горизонтально-поляризованих мод УСКХ розроблено математичну модель:

(1)

де k - кутове хвильове число; DJ та DY - асимптотичні ряди Дебая; kt- хвильове число об'ємної поперечної хвилі; r1, r2 - відповідно внутрішній та зовнішній радіуси труби; r, , z - осі циліндричної системи координат (вісь z співпадає із віссю трубопроводу).

Введення рядів Дебая дозволило вирішити задачу сходження математичної моделі опису поширення горизонтально-поляризованих мод УСКХ для магістральних трубопроводів з великими значеннями діаметрів та товщин стінки при частотах, що застосовуються в неруйнівному контролі (більше 1 МГц).

(2)

де

- параметр, який розраховується із виразу

.

В роботі представлено формули для обчислення похідних функцій Дебая.

Для використання розв'язку необхідно визначити граничні умови на межі розділу середовищ поверхонь труби та зовнішнім і внутрішнім просторами. В загальному розглянуто такі випадки граничних умов: а) пружне середовище - повітря, б) пружне середовище - рідина. У випадку границь розділу пружне середовище - повітря тангенційні компоненти напружень дорівнюватимуть нулю, оскільки вся хвильова енергія буде відбиватись від цього розділу середовищ (для спрощення зроблено припущення, що передана в повітря хвильова енергія є дуже малою і не впливає на загальний розв'язок):

(3)

де - напруження в елементарному об'ємі пружного середовища.

У випадку границь розділу пружне середовище - рідина, прийнято, що рідина є ідеальною, тобто в ній відсутні зміщення в напрямку осі z:

(4)

де u - зміщення в елементарному об'ємі пружного середовища.

Додатково застосовано гармонійну граничну умову Неймана, яка є загальноприйнятою умовою поширення гармонійних акустичних коливань:

(5)

Результати обчислення математичної моделі згідно з розробленою програмою в середовищі Matlab, показує значну кількість мод.

Математична модель опису поширення мод типу Лемба УСКХ розроблена, враховуючи, що коливання елементарного об'єму такої хвилі є поляризованими в напрямках r та . Тому опис поля механічних коливань елементарного об'єму середовища описуватиметься двома диференційними рівняннями для кожної об'ємної хвилі Гi, які формують УСКХ

Як видно, компоненти напружень rr та r , що описують параметри мод УСКХ, формуються чотирма об'ємними ультразвуковими хвилями, поздовжніми та поперечними.

Для знаходження невідомих амплітуд об'ємних хвиль необхідно розв'язати таке характеристичне рівняння:

(6)

де ij - члени характеристичної матриці, які визначаються частотою та хвильовим числом.

Елементи матриці є такими:

(7)

де m - індекс, що дорівнює 1 для перших двох рядків матриці і дорівнює 2 для останніх двох рядків;

- змінна.

Математична модель розв'язується числовим методом розробленою програмою

Розроблені математичні моделі дають змогу поводити аналіз зміни хвильових параметрів мод в залежності від величини пружних властивостей стінок магістральних трубопроводів та здійснювати селективний вибір мод при їх генеруванні ультразвуковим первинним перетворювачем.

Приведено застосовування модального підходу для обчислення параметрів УСКХ в стінці труби. Результати модального аналізу продемонстрували наявність в об'єкті дослідження власних форм коливань, які залежать від частоти.

Перевагами модального підходу є можливість знаходження дисперсних параметрів УСКХ труб, в яких існує овальність, що дозволяє значно розширити область використання таких хвиль в неруйнівному контролі. Його недоліком є складність обчислення параметрів УСКХ при селективному генеруванні та реєстрації мод ультразвуковими первинними перетворювачами.

Проведено аналіз підходів збудження мод УСКХ. Детально розглянуто два основних способи генерування УСКХ. До першого належить спосіб, при якому розміщення первинного перетворювача є нормальним до поверхні труби. Другим способом є застосування нахиленого первинного перетворювача. Встановлено, що кожний із способів генерування УСКХ може бути застосований для неруйнівного контролю. В кожному способі генерується власний набір мод, що дозволяє розширити можливості ультразвукового контролю за допомогою УСКХ.

В третьому розділі розроблено математичну модель типового ультразвукового тракту пристрою контролю пружних властивостей металу стінок магістральних трубопроводів, в якому реалізується контактний спосіб збудження і прийому (реєстрації) ультразвукових хвиль і який складається з двох п'єзоелектричних перетворювачів, які пов'язані між собою металевим хвилеводом; розроблено математичну модель поширення УСКХ в частотній області; представлено модель загасання амплітуди УСКХ при поширенні одної та кількох мод одночасно; розроблено математичну модель генерування УСКХ в стінці труби первинним перетворювачем.

В розробленій математичній моделі типового ультразвукового тракту враховано, що енергія від генеруючого первинного перетворювача переноситься в хвилеводі кількома десятками симетричних та антисиметричних мод Лемба, що поширюються в радіальному напрямку. Кожна із мод Лемба має різні частотні залежності фазової і групової швидкостей. Сумування цих мод в точці спостереження (приймального первинного перетворювача) супроводжується додатковими часовими та фазовими зсувами імпульсу, що призводить до появи дисперсійної систематичної похибки визначення часу приходу ультразвукового сигналу.

Результати розрахунку параметрів симетричних та антисиметричних мод Лемба згідно розроблених математичних моделей представлено та показано початкову ділянку частотного спектру хвильових чисел симетричних і антисиметричних хвиль Лемба відповідно. Номери нормальних хвиль показані на рисунках курсивом. По осі абсцис у правій півплощині відкладається безрозмірне хвильове число

;

по осі ординат - безрозмірна частота

,

(s - швидкість хвиль зсуву в матеріалі хвилеводу). Тонкими штриховими лініями у правій півплощині показані залежності ж = Щ (ця пряма виділена малою латинською літерою s) і (пряма виділена символом ), де

;

н - коефіцієнт Пуасона. Прямі і s визначають хвильові числа поздовжніх і зсувних хвиль, що не взаємодіють між собою. Хвильові числа симетричних хвиль Лемба показані штриховими кривими, на які накладено відрізки суцільних кривих. Ці криволінійні відрізки виділяють частотний діапазон, в межах якого групова швидкість відповідної нормальної хвилі має найбільше значення в порівнянні з іншими модами. Графіки групових швидкостей g / s (g - групова швидкість) показані в лівій півплощині суцільними кривими. Штриховими кривими в лівій півплощині показані графіки фазових швидкостей f / s (f - фазова швидкість). Групові швидкості антисиметричних хвиль Лемба мають найбільші значення, порівняно з іншими модами, не в одному, а в декількох частотних діапазонах. Це є істотною їх відмінністю від симетричних хвиль Лемба, групові швидкості яких домінують в одному частотному діапазоні. З цієї причини у правій півплощині не зроблено виділення частотних діапазонів.

Виділені ділянки дисперсійних кривих, досить щільно прилягають до прямої , тобто хвильові числа в межах цих ділянок незначно відрізняються від хвильового числа поздовжньої хвилі. При симетрична хвиля Лемба максимально відбирає енергію від джерела пружних збурень, якщо воно забезпечує поздовжні пульсації в області навантаження пластини зовнішніми силами. Таким чином, енергоємність і, отже, енергоперенесення, що забезпечується симетричною хвилею Лемба, яка збуджується джерелом поздовжніх зміщень, є максимальною у частотному діапазоні, де її групова швидкість стає найбільшою, порівняно з груповими швидкостями інших симетричних мод.

Розроблено математичну модель контактного п'єзоелектричного первинного перетворювача в режимі збудження хвиль Лемба, що враховує геометричні, електричні, механічні параметри його конструктивних елементів та геометричні, механічні параметри хвилеводу.

Розрахунки потоків потужності мод Лемба, що поширюються в напрямку від генеруючого первинного перетворювача в хвилеводі виконувалися для п'єзоелектричного перетворювача з кераміки ЦТС-19 (з товщиною чутливого елемента h=10-3м, радіусом 210-3м, вихідним опором генератора 100 Ом), який знаходиться на поверхні сталевої пластини, півтовщина якої 10-2 м. На виході генератора електричних сигналів підтримується різниця електричних потенціалів 1 В. По вертикальній осі відлічуються абсолютні значення потоків потужності в мікроватах. Графік потоку потужності для кожної моди побудований на окремому вертикально розташованому перерізі, основа якого розташована на горизонтальній площині рисунка. Номери перерізів n, що відповідають номерам мод симетричних і антисиметричних хвиль Лемба, проставлені уздовж бічних сторін горизонтальних площин.

Чітко виражені сплески рівнів потужності спостерігаються в околі частоти 8,2, що обумовлено першим радіальним резонансом п'єзокерамічного диска. На частотах >8,2 ефективність збудження хвиль Лемба різко падає. На частотах >12 статус домінуючих за рівнями переносної енергії набувають перші симетрична і антисиметрична моди Лемба.

Розроблено математичну модель опису поширення УСКХ в частотній області. Рівняння, що описує поширення пружних коливань спрямованих хвиль в частотній області є таким:

(8)

де - перетворення Фур'є зміщення елементарного об'єму;

-

комплексне число, дійсна частина якого відповідає константі жорсткості пружного середовища а уявна частина відповідає загасанню амплітуди; xі - Декартові координати; с - густина пружного середовища; - частота.

Граничні умови задано у вигляді узагальненого рівняння Неймана:

(9)

де ni - вектор нормалі до границь розділу пружного середовища; бij , гij , qij , gi - коефіцієнти матриць рівняння Неймана.

У випадку моделювання поширення УСКХ матриці бij та гij дорівнюватимуть нулю. Ненульова матриця qij буде присутньою на всіх границях розділу середовища, оскільки вона визначає, що хвиля може поширюватись у їх околі. Матриця gi буде визначена на тій границі розділу середовищ, де буде присутнім джерело коливань. На всіх інших границях розділу матриця gi дорівнюватиме нулю.

Форма середовища стінки труби, де поширюється УСКХ, задається розподілом ненульових значень густини та констант матриці жорсткості у Декартовій системі координат так:

(10)

де -

функціонал визначення профілю стінки труби; r1, r2 - відповідно внутрішній та зовнішній радіуси труби.

Обчислення переміщень елементарного об'єму визначається граничними умовами, оскільки отримання розв'язку для них передбачається в тому місці середовища, де є ненульові значення густини та жорсткості. Граничні умови для ультразвукових хвиль на внутрішній та зовнішній границях стінки труби будуть вільними:

(11)

де

відповідно координата середовища на границі розділу метал-повітря стінки труби.

Обчислення математичної моделі проводиться розробленою програмою в середовищі Comsol. Результати обчислень дозволили провести аналіз зміни частотних характеристик мод, що одночасно поширюються в стінці магістрального трубопроводу, встановити закони зміни їх хвильових параметрів, що дозволило реалізувати методи ультразвукового контролю.

Для визначення ефективної ділянки контролю по околу стінки магістральних трубопроводів проведено аналіз та розроблено модель загасання амплітуди мод УСКХ, обчислити основні тенденції, тренди, форму кривих загасання.

Розроблено математичну модель генерування УСКХ в стінці труби первинним перетворювачем. Розв'язок математичної моделі отримано розробленою програмою. Отримана математична модель дозволила отримати нові знання про процеси утворення УСКХ, унаочнити розподіл хвильових параметрів в стінці труби та більш ефективно застосовувати ці хвилі на практиці.

В четвертому розділі розроблено методи контролю величини напружено-деформованого стану, пружних констант, наявності дефектів в металі стінок магістральних трубопроводів за допомогою УСКХ; розроблено математичну модель акустопружності УСКХ.

Для розроблення методу контролю дефектів за допомогою УСКХ було розроблено математичну модель взаємодії мод цих хвиль із дефектом. Для обчислення моделі розроблено програмне забезпечення на основі методу скінченних елементів. Отримані луно-імпульси від відбитих від дефектів хвиль показують, що їх амплітуда виокремлюється із завад. Проведений аналіз сигналу УСКХ відбитого від дефекту в частотній області.

Із частотного аналізу можна побачити, що луно-імпульс від дефекту відрізняється від іншої частини сигналу УСКХ своїм частотним діапазоном і має пікову форму. Це дозволяє стверджувати, УСКХ розподілена по товщині стінки неоднорідно в частотному діапазоні. У результаті порівняння величин спектрів трьох частин сигналу УСКХ можна зробити висновок про значну амплітуду тієї частини сигналу, яка формувалась хвилею відбитою від дефекту.

Це дозволило визначити необхідні параметри для проведення контролю дефектів в стінках магістральних трубопроводів за допомогою УСКХ.

Розроблено підхід визначення місцеположення дефекту по околу стінки труби та по товщині стінки на основі аналізу луно-сигналів отриманих від горизонтально-поляризованих мод та мод типу Лемба УСКХ.

Розроблено математичну модель акустопружності ультразвукових спрямованих кільцевих хвиль. Швидкість поширення мод обчислюється із модального підходу опису поширення УСКХ за таким рівнянням:

(12)

де E - модуль Юнга, - коефіцієнт Пуассона.

Врахування зміни швидкості поширення мод УСКХ внаслідок явища акустопружності, що описано теорією пружності Мурнагана, обчислюється так:

(13)

де c, c0 - відповідно швидкості ультразвуку в деформованому та недеформованому середовищах; f, f0 - відповідно частоти отримані внаслідок розв'язку (12) в деформованому та недеформованому середовищах; d - відносні деформації.

Рівняння (12) та (13) складають основу математичної моделі акустопружності УСКХ.

Розв'язок математичної моделі акустопружності мод УСКХ показав: а) коефіцієнт акустопружності для однієї моди залежить від частоти) моди реагують на зміну величини напружено-деформованого стану неоднаково.

Проведені дослідження є достатніми для застосування мод УСКХ для контролю величини напружено-деформованого стану в стінці труби.

На основі розробленої математичної моделі акустопружності УСКХ розроблено метод контролю дійсних значень напружень металу стінки магістрального трубопроводу. Різниця швидкостей поширення мод УСКХ в напружено-деформованому стані С та ненапружено-деформованому стані С0 металу стінки магістрального трубопроводу відповідає певній величині напружень д, що отримується із розрахунку математичної моделі, що описує явище акустопружності УСКХ:

(14)

На практиці, в умовах експлуатації магістральних трубопроводів, виникає необхідність отримати знання про перерозподіл напружень металу стінок як по околу труби, так і по довжині трубопроводу. Розроблено методи визначення перерозподілу напружень як по околу, так і по довжині трубопроводу шляхом порівняння швидкостей поширення мод УСКХ в певних ділянках трубопроводу.

Контроль напружень на основі УСКХ проводиться на певній ділянці стінки труби (наприклад, довжиною 300 мм) за одне вимірювання, що дозволяє отримувати інтегральну оцінку їх розподілу та дозволяє збільшити чутливість методу від 10-ти до 20-ти разів у порівнянні із методом нормального вводу акустичної хвилі в стінку труби.

Проведено аналіз причин зміни величини пружних констант в стінках магістральних трубопроводів, визначено характер їх деградації.

Розроблено залежності, що дозволяють визначати величину пружних констант металу стінки магістрального трубопроводу за допомогою УСКХ. В залежності є коефіцієнт kEi (де i є порядковим номером моди), що дозволяє враховувати особливості поширення кожної моди. Зроблено поправку на зміну швидкості поширення пружних хвиль від величини напружено-деформованого стану, що викликана тиском робочого продукту на величину сР. Це дозволяє проводити моніторинг величини пружних констант стінок магістрального трубопроводу в робочому стані. Рівняння визначення величини пружних констант за швидкістю поширення мод УСКХ є таким:

(15)

де ДcіP - зміна швидкості поширення від тиску робочої речовини магістрального трубопроводу, сі - фазові швидкості мод УСКХ, Сij - пружні константи.

Приведений результат обчислення залежності швидкості поширення мод УСКХ від зміни величини модуля Юнга, , показує нелінійний характер зміни їх швидкості.

Отримані результати є достатніми для застосування мод УСКХ для контролю величини пружних констант металу стінок магістральних трубопроводів.

П'ятий розділ присвячений розробці методів контролю металу стінок магістральних газопроводів об'ємними ультразвуковими хвилями. Розроблено математичну модель поширення об'ємних ультразвукових хвиль через межу розділу рідина-сталь нерівної форми; розроблено теоретичні засади термоакустичного методу контролю наявності дефектів.

Проведено аналіз типів дефектів стінок магістральних трубопроводів. Встановлено, що неперервний ультразвуковий контроль товщини стінок магістральних трубопроводів в натурних умовах значно підвищить безпеку їх експлуатації. В результаті аналізу виявлено, що стінки магістральних трубопроводів внаслідок відшарування ізоляційного покриття, наявності зварних з'єднань, поверхневої корозії, технологічних та експлуатаційних ушкоджень мають нерівну форму поверхні, що зменшує чутливість та точність ультразвукової товщинометрії. Для підвищення ефективності застосування неперервного ультразвукового контролю товщини стінки розроблено математичну модель поширення ультразвукової однорідної хвилі через нерівну геометричну форму границі розділу рідина-стінка труби, де граничні умови на межі рідина-стінка труби є такими:

(16)

(17)

де Ni(p(xN)) - інтерполянт головної поверхні обчислений за проекцією точки залежної поверхні; n - вектор-нормаль, що направлений в рідину; p - довільне варіаційне поле тиску; Sfs - об'єднання поверхні рідини та сталі в місці контакту, де імпеданс рідини залежить виключно від поля тиску та його варіацій і не залежить від контакту із поверхнею сталі; u - зміщення елементарного об'єму на поверхні рідини; um - зміщення елементарного об'єму на поверхні сталі; S - поверхня контакту; AN - площа залежної поверхні, що є в околі точки контакту; xN - точка на поверхні контакту спільна для двох середовищ, t - час.

До математичної моделі входять рівняння, що описують поширення ультразвукових коливань в рідкому шарі та стінці труби і є відомими рівняннями коливань елементарного об'єму пружного середовища. Для розв'язку математичної моделі розроблено програму мовою Python. Проведено аналіз результатів розв'язку цієї моделі

Виявлено закономірності величини амплітуди та структури розподілу акустичного поля в залежності від висоти нерівностей границі розділу рідина-стінка труби, що дозволяє збільшити точність та достовірність ультразвукового контролю товщини.

Проведено аналіз параметрів акустичного поля при зміні густини нерівностей та частоти ультразвукової хвилі. Побудовано залежності, що визначають тренди основних акустичних параметрів і дозволяють кількісно оцінювати їх зміну, що підвищує точність контролю.

Розроблено метод та виготовлено пристрій неперервного контролю товщини стінок магістральних трубопроводів в натурних умовах їх експлуатації, на що отримано патент України. Особливість запропонованого в пристрої способу полягає у забезпеченні постійного імерсійного акустичного контакту на всій ділянці контролю як гладких так і нерівних поверхонь магістрального трубопроводу. Додаткова перевага пристрою полягає у можливості переносити його вручну внаслідок невеликих розмірів і ваги. Для оптимального налаштування параметрів пристрою (висоти акустичного контакту при врахуванні хвильових параметрів рідини) розроблено програмне забезпечення мовою С++.

Розроблено теоретичні основи і методологія оцінювання та прогнозування параметрів термоакустичного явища в околі дефекту при існуванні потужного акустичного поля. Для кількісної оцінки теплового поля розроблено математичну модель взаємодії потужного акустичного поля із тріщиною, де до відомих рівнянь поширення об'ємних хвиль додаються залежності, що описують явище термопластичності металу:

(18)

де rpl - потік теплової енергії, - коефіцієнт перетворення теплової енергії від непружної деформації, - напруження, еpl - швидкість пластичної деформації, pl - скалярна величина пластичної деформації, n - вектор напрямку потоку зусилля, що залежить від напружень, пластичної деформації та температури .