Практическая оценка метода акустической эмиссии на технологических газопроводах

Кузьмин А.Н., Жуков А.В., Харебов В.Г.

//Журнал "В мире НК" №3(41) сентябрь 2008г.

Рис. 1. Обследованный участок трубопровода

Метод акустико-эмиссионного контроля находит все более широкое применение при диагностике различного типа трубопроводных систем в промышленности. Большинство трубопроводов отработало установленный срок и нуждается в своевременном контроле. Однако, проведение такого контроля в полном объеме зачастую осложняется внешними условиями: расположением труб на большой высоте, подземными участками трубопроводов, трубопроводами в обмуровке, изоляции, проходящими в технологических каналах, вблизи стен зданий и сооружений и прочими препятствиями. Отсутствие доступа в потенциально опасных с точки зрения разрушения зонах препятствует получению полной информации о действительном состоянии объекта и в дальнейшем может привести к неблагоприятным последствиям.

В этих условиях применение интегрального метода акустико-эмиссионного контроля [1] для технического диагностирования технологических газопроводов практически не имеет альтернативы. Сложность применения указанного метода заключается в том, что на сегодняшний день нормативной документации, регламентирующей подобный контроль, недостаточно. При этом специалистам-практикам бывает крайне затруднительно самостоятельно решать такие задачи, как определение предельных граничных условий для проведения АЭ диагностики и осуществление корректной фильтрации помех в условиях сильной зашумленности регистрируемого потока событий АЭ. В конечном итоге, допущенные ошибки не позволяют корректно интерпретировать результаты контроля.

Для решения этих вопросов специалисты нашей компании провели ряд экспериментов по изучению свойств распространения упругих волн на реальных газопроводах диаметром от 520 мм до 1220 мм с толщинами от 10 до 16 мм, используя оборудование – акустико-эмиссионную систему Лель /A-Line 32D (DDM)/ с пъезоакустическими преобразователями типа GT200. Объект исследования - газопровод (d1220 мм, h_стенки = 12 мм, сталь 19Г1С), выведенный из эксплуатации в 2008 г., представлен на рис. 1. Обследованный участок представляет собой плеть из пяти труб общей протяженностью 56 метров. Схема установки ПАЭ для определения свойств распространения сигнала АЭ в ближней (ПАЭ №№ 1-4) и дальней (ПАЭ №№ 1,5-9) зонах показана на рис. 2. В точке 1 был установлен имитатор источника АЭ сигналов производства компании «ИНТЕРЮНИС».

Основываясь на предположениях [2], в условиях дальней волновой зоны, максимум спектра мощности регистрируемого АЭ сигнала в тонкостенной модели приходится на начальные моды волн Лэмба. Исходя из этого, в ходе проведения эксперимента регистрирующая аппаратура настраивалась таким образом, чтобы максимальная ее чувствительность приходилась на нулевые (симметричную S_o и антисимметричную А_о) составляющие волн Лэмба [3]. В результирующем волновом потоке акустического излучения регистрировались осциллограммы поступающих на вход сигналов. Дальнейшая их обработка проводилась с применением механизма вейвлет-преобразования и расчета дисперсионных кривых волн Лэмба [4]. Данная операция производилась с применением специализированного ПО компании «ИНТЕРЮНИС», пакете AL_OSC-N v.2.06. На рис. 3 сверху показан характерный пример осциллограммы, зарегистрированной на расстоянии 44,8 м от источника сигналов АЭ. Соответствующие этим сигналам вейвлет-спектрограммы и дисперсионные кривые начальных мод волн Лэмба представлены ниже. Немаловажно отметить тот факт, что представленный вид сигнала четко разделяется на две характерные составляющие с различными временами прихода. При этом, соответствующие этим двум составляющим спектрограммы действительно укладываются в рассчитанные для них теоретические дисперсионные кривые S_o (слева) и А_о (справа) волн Лэмба.

Рис. 3. Вейвлет-спектрограмма мод S_o и А_о на восьмом ПАЭ (44,8метра)

В результате была получена возможность идентифицировать тип распространяющихся волн, а также определить характерные моды. Кроме того, из представленных спектрограмм четко видны многочисленные помеховые составляющие волнового пакета, соответствующие, вероятно, процессам переотражения указанных мод от сварных швов и других структурных неоднородностей. Однако, как показал эксперимент, существенного искажения в форму сигнала они не вносят. На основе этой информации нами был создан эффективный фильтр, позволяющий по виду спектрограммы и дисперсионным кривым выделять характерные моды, соответствующие реальному источнику АЭ.

В дальнейшем не составило большого труда определить свойства регистрируемых компонент волн Лэмба. Так, при совмещении расчетных дисперсионных кривых с максимумами энергий регистрируемых мод на вейвлет-спектрограмме, получаем расстояние до АЭ источника (правый верхний угол спектрограммы на рис. 3). В данном случае, после выделения мод точность вычисления координаты составила 1- 2 %.

Полученные результаты также хорошо иллюстрирует рис. 4, где представлены осциллограммы (слева) и соответствующие им спектрограммы с дисперсионными кривыми для сигналов АЭ, зарегистрированных на разных удалениях от источника. Видно, что чем дальше источник сигнала АЭ находится от регистрирующего устройства, тем большее число помех участвует в формировании результирующей спектрограммы. Однако, принципиальной отличительной особенностью представленных рисунков является тот факт, что по мере удаления от источника сигнала АЭ на осциллограммах виден постепенно растягивающийся по времени фронт волны с большим количеством отдельных осцилляций, а на вейвлет-спектрограмме присутствует четкое разделение регистрируемых мод волн Лэмба и помеховых сигналов.

Рис. 4. Характерный вид мод So и Ао через а) 11.2; б) 22.4; в) 33.6; г) 44.6; д) 56 метров от АЭ источника. Полоса пропускания фильтра аппаратуры на входе сигнала АЭ: 30-500 KHz

Рис. 5. Характеристики распространения компонент волн Лэмба: а - затухание моды Ао и So; б – изменение скорости в зависимости от расстояния до источника

На рис. 5 представлены характеристики распространения волн Лэмба на обследуемом участке. Отметим, что с удалением от источника затухание сигнала уменьшается обратно пропорционально расстоянию, а свойства мод практически перестают меняться. Так, при удалении от источника на 20 м, затухание симметричной компоненты уменьшается до 0,5 Дб/м, а скорость распространения достигает значения 5120 м. На расстоянии 60 м от источника АЭ сигнал уверенно фиксируется. С увеличением расстояния сигнала АЭ от источника затухание сигнала не превышает 0,1 дБ/м, рис. 5(а). Отсюда сделан вывод, что максимальное расстояние между ПАЭ может достигать 100-120 м, что хорошо согласуется с расчетными данными работы [5], но для гарантированного приема АЭ сигналов рекомендуется ограничивать расстояние 70-80 м и, соответственно, возможен одновременный контроль одной 24 канальной системой Лель /A-Line 32D (DDM)/ до 2 км трубопроводов.

Приведем еще один пример практического применения механизма вейвлет-анализа при диагностике реального объекта. Специалисты нашей компании в 2008 году проводили АЭ контроль газопровода диаметром 520 мм с толщиной стенки 12 мм, марка стали Ст20, протяженность участка 431 м. В результате контроля на одном из участков газопровода обнаружен активный АЭ источник (рис. 6).

Рис. 6. Схема расстановки ПАЭ и местоположение АЭ источника 

На рис. 7 представлен сигнал, принятый на ближайший датчик. Особенностью этого сигнала является то, что между модами S_o и А_о, несмотря на достаточно большую разницу во времени прихода, происходит эффект наложения из-за большой длительности So. Аппаратура, при этом, фиксирует этот эффект как один сигнал, который на осциллограмме и в стандартной постобработке также практически не разделяется. Проблема заключается в том, что сигнал, представленный на рис. 7, будет иметь скорость распространения моды S_o порядка 5050 м/с (который, однако, существенно быстрее затухает с расстоянием), поэтому сигнал, пришедший на дальний 1 канал будет иметь скорость моды А_о порядка 3200 м/с. Из этого следует, что координаты источника будут вычислены неверно. Погрешность в данном случае достигает 2-х метров! При большем удалении АЭ источника от ПАЭ погрешность будет возрастать. 

По виду вейвлет-спектрограммы на рис. 7 внизу, напротив видно, что компоненты, несмотря на большое количество шумов, имеют четкое разделение, а максимум спектра мощности приходится на антисимметричную нулевую компоненту Ао волны Лэмба, которая смещена вправо. С помощью вейвлет-анализа и теоретически рассчитанных дисперсионных кривых, определяем компоненты волн Лэмба, при этом точность определения координат дефекта достигает 2-3 процента.

Выводы:

1. С применением специального программного обеспечения компании «ИНТЕРЮНИС» отработаны на практике современные механизмы обработки и анализа сигналов потока событий АЭ на реальных трубопроводных системах.

2. Установлены граничные условия проведения АЭ контроля технологических газопроводов, повышающие вероятность обнаружения дефекта и точность определения их местоположения.

3. Представленные в статье результаты могут быть положены в основу как конкретных методических рекомендаций для диагностики газопроводов различного назначения, так и при разработке мониторинговых диагностических систем.

Литература

1. Шип В.В., Муравин Г.Б., Чабуркин В.Ф. Вопросы применения метода АЭ при диагностике сварных трубопроводов. // Дефектоскопия, 1993г., № 8, стр.17-23.
2. Егоров Н.Н., Тоом К.Э. Использование поверхностных и нормальных волн в ультразвуковой дефектоскопии. – «Контроль и диагностика», 2004г., № 6., стр. 6.
3. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. - М.: Наука. 1966г., стр. 169.
4. Вейвлет-анализ сигналов АЭ в тонкостенных объектах. Терентьев Д.А., Елизаров С.В., ООО «ИНТЕРЮНИС», г. Москва, стр. 15.
5. Буденков Г.А., Недзвецкая О.В., Сергеев В.Н., Злобин Д.В. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов. // Дефектоскопия, 2002г., № 2 стр. 29-36.