Интенсивное развитие трубопроводного транспорта привело к росту протяжённости магистральных нефтепродуктопроводов. В России за исторически короткий период времени была создана уникальная по протяжённости, производительности и сложности система магистральных трубопроводов. Общая длина магистралей достигла 215 тыс. км. Весь объём добываемой нефти и газа транспортируется по единой системе нефтегазоснабжения из удалённых районов добычи (Западная Сибирь и Средняя Азия) до основных потребителей европейской части стран СНГ и Западной Европы. На своём пути они более 2 тыс. раз пересекают различные водные преграды: реки, озёра, каналы, болота и водохранилища [1].
Подводные трубопроводы (ПТ) работают в различных условиях, находятся под воздействием значительных давлений, течения и волн, поверхностного и донного льда, якорей, волокуш, подвергаются коррозии. Они должны быть прочны, надёжны и безопасны в эксплуатации. Следует учесть, что основные фонды трубопроводного транспорта в значительной степени (на 5070%) изношены [2]. В результате длительной эксплуатации повышается склонность трубного металла к замедленному разрушению вследствие возникновения и развития дефектов, обусловленных комплексом причин конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Это приводит к возникновению аварий. По оценкам специалистов МЧС России аварийность на г трубопроводах с каждым годом возрастает.
Аварии на трубопроводах — это не только огромные потери перекачиваемых продуктов, простои трубопровода, но и непоправимый ущерб, наносимый природе. При нарушении герметичности нефтеили нефтепродуктопро-вода на подводном переходе в воду может быть выброшено от несколько сот до нескольких тысяч кубометров нефти, керосина, бензина и другого продукта. При таком воздействии погибает часть фауны водоёма в зоне распространения нефтяного пятна, загрязняются берега водоёма, гибнут птицы.
В связи с этим остро встала проблема безаварийной эксплуатации, которая базируется, в основном, на тех или иных методах контроля [3−5]. Практически, методы неразрушающего контроля магистральных трубопроводов развивались и совершенствовались одновременно с развитием самих трубопроводов.
Обнаружение утечек на ПТ затрудняется следующими факторами: для защиты от внешних воздействий трубопроводы покрывают антикоррозионной изоляцией, футеровкой и заглубляют в грунт.
Одно из первых мест среди разнообразных средств и способов контроля занимает акустический метод. Связано это с целым рядом уникальных характеристик, присущих акустическому излучению, возникающему при истечении жидкости через сквозное отверстие (свищ, трещина) в стенке трубопровода [68]. Основными из них являются: малая энергетичность, высокая проникающая способность, информативность и степень развития техники приёма и излучения в широком диапазоне частот. Акустический метод эффективен для контроля незначительных утечек при строительстве, капитальном ремонте и эксплуатации трубопроводовприменим для любых конструкций трубопроводов и для любых жидкостей в трубопроводебезопасен с экологической точки зрения.
Поэтому контроль таких важных и ответственных участков трубопроводов как подводные переходы осуществляется преимущественно акустическими течеискателями [9,10].
В течение последних десятилетий как у нас в стране, так и за рубежом ведутся научные исследования с целью разработки технических средств диагностирования состояния ПТ. Однако, необходимо отметить два существенных недостатка таких приборов. Во-первых, слишком низкая производительность контроля и, во-вторых, недостаточная точность определения местоположения дефектов. Вызвано это, главным образом, использованием одноканальной аппаратуры, акустический тракт которой формируется, как правило, одним пье-зопреобразователем, имеющим широкую диаграмму направленности (ДН).
Решение проблемы модификации акустической аппаратуры, направленной на устранение указанных недостатков, является, бесспорно, актуальной задачей.
Одна из проблем, которая возникает при проведении контроля герметичности трубопроводов — это проблема производительности, а следовательно, стоимости производимого контроля. Поэтому крайне необходимо провести контроль по возможности точно, быстро и достоверно определить местоположение дефектов. Такая задача может быть решена с помощью аппаратуры, обладающей достаточно высокой разрешающей способностью. Причём необходимо использовать такую многоканальную аппаратуру, которая даёт возможность производить контроль не в одной точке пространства, а одновременно анализировать состояние некоторой пространственной зоны. Перспективным направлением в разработке таких приборов является применение фазированных антенных решёток (ФАР).
Формирование акустических изображений с помощью ФАР является областью техники, которая значительно выросла за последнее время и нашла широкое применение в медицине, при неразрушающем контроле, а также в различных областях гидроакустики [11,12]. Визуализация акустического излучения, невидимого простым глазом, позволяет в реальном масштабе времени обнаружить различного рода сквозные дефекты в стенке трубопровода, повысить информативность измерений и расширить возможности измерительной техники. с.
Целью работы является разработка метода и многоканальной системы неразрушающего контроля целостности подводных трубопроводов на основе регистрации сигналов акустической эмиссии, позволяющей определять местоположение дефекта с высокой точностью и обеспечивающей визуализацию акустического поля в реальном масштабе времени.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач. 1. Классификация и сравнительный анализ неразрушающих методов контроля с точки зрения производительности и точности обнаружения утечек в подводных трубопроводах (ПТ) для определения наиболее перспективных путей достижения поставленной цели.
2. Исследование: а) возможности применения методов синтезирования акустической апертуры с помощью фазированных антенных решёток (ФАР) для обнаружения утечек на ПТб) зависимости между дефектометрическими характеристиками и синтезированной ДН на основе расчёта структуры акустического поля. в) возможности использования методов звуковидения для визуализации структуры акустического поля в зоне контроля.
3. Создание инженерной методики проектирования акустического тракта многоканальной аппаратуры контроля утечек ПТ.
4. Разработка аппаратной части и программного обеспечения прибора контроля, имеющего высокую разрешающую способность и обеспечивающего визуализацию сигналов акустической эмиссии (АЭ), соответствующих сквозным дефектам, в реальном масштабе времени.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе использования принципа Гюйгенса, интегрального исчисления, теории случайных процессов, преобразований Фурье и численных методов. При расчетах и моделировании применялся пакет программ математического моделирования MathCAD. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях, на специальном полигоне и в полевых условиях.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается сравнением математических моделей процессов сканирования и визуализации акустического поля с экспериментальными исследованиями действующей системы контроля.
Научная новизна состоит в том, что: — предложен способ обработки акустических сигналов двумерной ФАР, заключающийся в перемножении с последующим суммированием сигналов преобразователей каждой антенной решётки, дающий возможность существенно увеличить её разрешающую способность.
— впервые получены аналитические выражения для расчёта разрешающей способности двумерной ФАР, состоящей из двух линейных эквидистантных ортогонально ориентированных антенных решёток, содержащих круглые и прямоугольные преобразователи, в зоне дифракции Фраунгофера. С 1 помощью созданной математической модели акустического поля получены ф графики ДН, посредством которых оценена разрешающая способность двумерной ФАР в зоне дифракции Френеля.
— показано, что вероятностный характер сигналов АЭ, генерируемых сквозным дефектом, снижает точность фиксации его местоположения. Предложен механизм повышения достоверности контроля путём усреднения сплайнами регистрируемых сигналов.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований: <* - разработан и защищён патентом способ обработки сигналов ФАР, позволяющий существенно увеличить её разрешающую способность.
— предложена неэквидистантная структура ФАР, которая при сохранении высокой разрешающей способности, позволяет в три раза расширить зону контроля по сравнению с эквидистантными ФАР.
— создана методика инженерного расчёта геометрических параметров ФАР.
4 — разработаны и изготовлены акустический, электронный тракты, создано программное обеспечение прибора пассивной локации ПАЛ-121 с визуализацией сигналов АЭ в реальном масштабе времени.
Личный вклад автора. Основные научные исследования, теоретические выводы и рекомендации, макетирование, а также моделирование на ЭВМ щ, получены автором самостоятельно. Постановка задач теоретических исследований и экспериментальные исследования в полевых условиях выполнялись совместно с соавторами, фамилии которых указаны в списке опубликованных работ.
Реализация результатов работы. В результате диссертационной работы разработан пассивный акустический локатор ПАЛ-121, который использован в ОАО «Магистральные нефтепроводы Центральной Сибири» для обнаружения местоположения коррозионного свища водопровода на базе ЛПДС «Орловка" — в МУП «Северский водоканал» для обнаружения коррозионного свища на подводном участке южного кольцевого водовода г. Северска. Прибор ПАЛ-121 внедрён и используется на кафедре промышленной и медицинской электроники электрофизического факультета Томского политехнического университета (ТПУ) при проведении лабораторных работ «Изучение способов электронного сканирования» по дисциплинам «Электронно-промышленные устройства» и «Применение ультразвука в медицине» для студентов, обучающихся по специальностям 210 106, 200 401.
Прибор ПАЛ-121 экспонировался:
— на VI, VIII Всероссийских универсальных научно-производственных инновационных выставках — ярмарках «Интеграция», г. Томск, 2001, 2003 гг.;
— на Ш-ей межрегиональной специализированной выставке — конгрессе «Нефть и газ 2002», г. Томск, 2002 г.;
— на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2003», г. Новочеркасск, 2003 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
— IV и V областных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск, 1998, 1999;
— V и VI международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Новосибирск, 2000, 2002;
— VI, VII, VIII международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск, 2000;2002;
— Южносибирской Международной научной конференции студентов и молодых учёных «Экология Южной Сибири». Абакан, 2001;
— Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы». Рязань, 2001;
— III межрегиональном семинаре «Автоматизация технологических процессов в нефтегазовом комплексе». Томск, 2002;
— круглом столе «Повышение эксплуатационной надёжности и экологической безопасности трубопроводного транспорта». Томск, 2003;
— 10-м международном симпозиуме ИМЕКО ТК7 «Развитие науки об измерениях». Санкт-Петербург, 2004.
На проведение исследований по проекту «Система визуализации источников сигналов АЭ» получен грант губернатора Томской области в 2002 г. и индивидуальный грант для молодых учёных ТПУ в 2004 г.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 13 печатных работ [146−158], в том числе получен патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 158 наименований, содержит 166 страниц основного машинописного текста, 66 рисунков и 9 таблиц.
ВЫВОДЫ.
1. Использование результатов, полученных в ходе теоретического анализа, позволяет осуществить инженерное проектирование двумерной ФАР для обнаружения сигналов АЭ, генерируемых утечками в ПТ.
2. Разработан и изготовлен прибор контроля герметичности ПТ ПАЛ-121, что подтверждает практическую реализуемость предложенного метода обра.
• ботки сигналов акустической ФАР.
3. Относительная точность регистрации местоположения источника сигналов АЭ составила 1°.2°. На расстоянии 8 метров абсолютная точность оказалась не хуже ±14 см.
4. Максимальная дальность действия разработанной аппаратуры составила 8,8 м при диаметре сквозного дефекта, равного 0,4 мм, и давлении в трубопроводе, равном 10 атм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В заключении сформулируем основные результаты проведённой работы:
1. Рассмотрены различные методы и средства контроля герметичности трубопроводов, выявлены их достоинства и недостатки. Показано, что перспективным направлением в разработке течеискателей является применение акустических ФАР, позволяющих реализовывать высокую точность и оперативность контроля.
2. Предложен способ обработки акустических сигналов ФАР, дающий возможность увеличить примерно в два раза её разрешающую способность. В результате исследования предложенного способа с помощью принципа Гюйгенса получены аналитические выражения в зоне дифракции Фраунгофера и графики ДН в зоне дифракции Френеля для расчёта разрешающей способности антенных решёток двух конфигураций, состоящих из круглых и прямоугольных преобразователей. Разработана модель процесса сканирования и визуализации акустического поля с помощью таких решёток.
3. Для увеличения зоны контроля предложена неэквидистантная структура ФАР. Разработана модель процесса сканирования и визуализации акустического поля с её помощью. Показано, что, имея высокую разрешающую способность, такая конструкция позволяет существенно увеличить зону одновременного исследования. с.
4. Доказано, что случайный характер сигналов АЭ приводит к изменениям как амплитуды, так положения и формы визуального образа. Это затрудняет работу оператора и снижает точность фиксации местоположения дефекта. Для повышения точности определения положения источника АЭ предложено использовать усреднение сплайнами результатов контроля.
5. Разработана методика инженерного расчёта, позволяющая точно определить геометрические параметры ФАР. Практически реализована двумерная ФАР, имеющая конфигурацию «коллинеарного креста» и состоящая из двух линеек по 6 прямоугольных преобразователей в каждой, расположенных ортогонально.
Созданы аппаратная и программная части пассивного акустического локатора ПАЛ-121, имеющего высокую разрешающую способность и обеспечивающего визуализацию источников сигналов АЭ в реальном масштабе времени на мониторе ЭВМ.
Выполнены лабораторные и натурные испытания разработанного прибора ПАЛ-121, результаты которых отражены в протоколах испытаний. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили достоверность основных теоретических положений работы.
Получены акты использования результатов диссертационной работы в ОАО «Магистральные нефтепроводы Центральной Сибири», в МУП «Северский водоканал» и на кафедре промышленной и медицинской электроники электрофизического факультета ТПУ.
