Повышение точности определения координат АЭ источников при контроле магистральных газопроводов

Жуков А.В.

//Журнал "В мире НК" том 18, №3, 2015г. 

Статья посвящена некоторым методическим вопросам проведения акустико-эмиссионного контроля (АЭК) на объектах магистральных газопроводов. В настоящее время из-за отсутствия методических рекомендаций вопрос выбора типа регистрирующих датчиков АЭ и параметров контроля для конкретного объекта является актуальным. В статье представлены некоторые соображения и рекомендации по выбору оптимальных параметров проведения АЭК. Материал рассчитан на специалистов-практиков в области акустической эмиссии, а также может быть использован при разработке методических положений и рекомендаций при контроле объектов МГ.

Метод акустической эмиссии (АЭ) успешно применяют при контроле технического состояния линейных объектов магистральных газопроводов. Акустическую эмиссию используют для контроля подключающих шлейфов, трубопроводов обвязки компрессорных станций, коллекторов газораспределительных станций, технологических перемычек, переходов магистральных газопроводов через автомобильные, железные дороги и водные естественные преграды. Для различных элементов МГ используют сортамент труб Ø325 - 1420 мм и толщиной стенки от 8 до 24 мм. В условиях подземной прокладки большинства объектов МГ акустико-эмиссионный контроль на них в соответствии с действующими отраслевыми документами производится посредством изготовления шурфов до верхней образующей через каждые 40-60 метров. Как показывает практика, в случае обнаружения опасных источников АЭ, наибольшее число ошибок при их локализации, совершается на стадии выбора типа регистрирующих датчиков АЭ, а также определении оператором полосы частот фильтра на входе регистрирующей АЭ системы.  Последствия таких ошибок могут быть самыми серьезными, вплоть до пропуска критически и катастрофически опасных дефектов.

Известно [1], что точность определения координат источников АЭ на протяженных линейных объектах контроля зависит от корректного задания скорости распространения механической упругой волны от дефекта, распространяющейся по объекту контроля. В работе [2] показано, что в волновом пакете, который составляет  упругий отклик от дефекта на внешнее воздействие, большая часть спектра мощности приходится на 4 компоненты волн Лэмба, а именно нулевые S0 и A0 и первые S1 и A1 симметричные и асимметричные моды. Стоит добавить, что скорость распространения данных волн нелинейным образом зависит от частоты регистрации [3],

Рассмотрим основные закономерности. На рис. 1 представлена дисперсионная кривая моды S0 для толщины стенки магистрального газопровода 8 мм. Видно, что скорость распространения указанной волны меняется  незначительно в пределах частотного диапазона от 0 до 200 кГц. На практике такой выбор позволяет существенно сократить количество осцилляций, препятствующих корректному определению местоположения источника АЭ. При выборе рабочего диапазона полосы частот регистрируемого АЭ сигнала в указанных пределах скорость распространения будет стабильна, а длительность  сигнала, при прохождении его расстояния, в 40 метров, будет не более 200 мкс. 

Низкая точность определения координат источников АЭ для общепринятых подходов по нашему мнению определяется следующими факторами. В  рабочем диапазоне от 30 до 350 кГц скорость моды S0 меняется от 5420 м/с до 1770 м/с (см. рис. 1). При таком наборе скоростей, при прохождении АЭ сигналом 40 метров, отклик от единичного акта АЭ будет представлять собой волновой пакет, состоящий из отдельных осцилляций, суммарной протяженностью до 15 000 мкс. Это происходит по причине существенной дисперсии скоростей отдельных осцилляций в этом волновом пакете. С увеличением расстояния от источника отдельные осцилляции, соответствующие различным частотам, будут быстро удаляться друг от друга, тем самым увеличивая длительность сигнала АЭ. Таким образом, при расчете координат АЭ источника в условиях широкого частотного диапазона, возможны комбинации из таких осцилляций, приходящих на соседние преобразователи, образующие локации со случайными координатами. Говорить о погрешности в данном случае вообще не имеет смысла.

На рис. 2 представлен пример АЭ сигнала (осциллограмма и преобразование Вигнера) при некорректном выборе высокочастотной границы рабочего диапазона. В области стабильной скорости моды S0 АЭ сигнал ослаблен, а в диапазоне частот с сильной зависимостью скорости от частоты АЭ сигнал попадает на частотный диапазон преобразователя и имеет максимальную амплитуду. В результате  на рисунке представлен  волновой пакет большой длительности, разделяющийся на множество отдельных сигналов, каждый из которых, распространяется со своей скоростью.  Хотя, по сути, этот волновой пакет является откликом на единичный акт АЭ.

Рассмотрим моду А0. На рис. 3 представлена дисперсионная кривая моды Аoтакже для толщины 8мм. Для частотного диапазона f> 60 кГц вариации скорости моды А0 составляют порядка 7%, этот участок благоприятен для корректного расчета координат АЭ источника. В диапазоне от 10 кГц до 60 кГц скорость моды А0 меняется от 3000м/с до 1000м/с, в результате при прохождении АЭ сигналом 40 метров сигнал от единичного акта АЭ будет представлять собой волновой пакет протяженностью 27 000 мкс. Отдельные осцилляции в этом волновом пакете также, как и в случае моды S0, будут распространятся каждая со своей скоростью. Возможные комбинации расчета местоположения источников АЭ из таких осцилляций неизменно будут образовывать локации со случайными координатами, заполняющими все поле локационной диаграммы. Говорить о погрешности в данном случае также не представляется возможным.

Подобные выводы также справедливы и при выборе низкочастотной границы частоты рабочего диапазона. Так на рис. 4 представлен пример АЭ сигнала (осциллограмма и преобразование Вигнера) при некорректном выборе нижней частоты рабочего диапазона. В области частот со стабильной скоростью АЭ сигнал практически подавляется, а в диапазоне частот с сильной зависимостью скорости от частоты, напротив, испытывает усиление в полосе частот преобразователя и входного фильтра. В результате, представлен растянутый волновой пакет, разделяющийся на отдельные осцилляции. На более низких частотах затухание сигналов ниже, поэтому при удалении АЭ сигнала от источника верхние гармоники будут затухать быстрее и соответственно, чем больше расстояние от источника, тем сигналы с меньшей скоростью будут преобладать. В таких условиях вычисление координаты АЭ источника также представляется некорректной задачей. Для иллюстрации на рис. 5 показан сигнал при правильном выборе преобразователя АЭ и входного частотного фильтра.

Нет сомнений, что специалистам по АЭ контролю рассмотренные частотные зависимости для нулевых и первых мод А0 и S0 волн Лэмба давно известны, проблема в их применении на практике, поскольку в методических рекомендациях по АЭ контролюспециалистам предлагается измерять скорость непосредственно на объекте контроля. Для каких-то объектов выполнение этой рекомендации приводит к получению адекватных результатов. Но особенность контроля подземных газопроводов заключается в том, что расстояние между преобразователями достаточно большое, что в свою очередь требует учета высокого затухания сигнала. На малых расстояниях между источником и преобразователем будет фиксироваться весь спектр сигнала, время прихода сигнала будет определяться наиболее быстрой составляющей спектра. При удалении в спектре сигнала будут преобладать низкочастотные составляющие и резонансные частоты преобразователя, И  скорость сигнала будет сильно меняться в зависимости от преобладающей частоты. В результате специалисты, измерившие скорость в ближней зоне 2-3 метра, но не угадавшие частотный диапазон, приемлемый для всей зоны контроля, не могут правильно определить координаты источника АЭ. При правильном выборе частотного диапазона скорость будет изменяться не более чем на 5-7% и соответственно координаты дефекта будут определены точно.

Наше исследование показывает, что перед проведением контроля необходимо:

• подбирать рабочий частотный диапазон в зависимости от толщины стенки газопровода;
• выбирать преобразователи с соответствующими частотными характеристиками.
• устанавливать входной фильтр АЭ системы в соответствии с выбранным частотным диапазоном.

Выводы: Для получения корректных результатов при проведении метода АЭ на объектах магистральных газопроводов необходимо:

1.    Подбирать рабочий диапазон преобразователя для каждого трубопровода в зависимости от его толщины таким образом, чтобы скорость распространения АЭ сигнала незначительно менялась во всем диапазоне выбранных частот. Например: толщине стенки трубопровода 8 мм соответствует частотный диапазон от 60 кГц до 200 кГц.

2.    Для повышения качества подавления гармоник АЭ сигналов, лежащих за пределами рабочего диапазона, необходимо применять  соответствующие аппаратные цифровые фильтры на входе АЭ систем.

Литература:

1. Баранов В.М., Гриценко А.И., Карасевич А.М. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса. – М: Наука, 1998. – 304 с.
2. Кузьмин А.Н., Жуков А.В., и др. Практическая оценка метода акустической эмиссии на технологических газопроводах. // В мире НК. 2008, №3 (41), С. 24-26.
3. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. - М: Наука, 1966. - 169 с.