CC BY
3
УДК 622.692.4.07 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-3-4-23-31
РАННЯЯ ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ВОЛН
EARLY ASSESSMENT OF DAMAGE TO POLYETHYLENE PIPELINES BASED ON LINEAR DIRECTIONAL WAVES
Палаев А.Г., Тянь Ифань, Ван Цзэхао, Хуан Тяньян
Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9960-8504, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3507-2544, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0002-7359-3823, Email:[email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0000-4062-6495, E-mail: [email protected]
Резюме: При раннем определении повреждений полиэтиленовых трубопроводов на основе линейных направленных волн точное обнаружение и оценка повреждений в трубопроводной системе имеют решающее значение для обеспечения ее эксплуатационной целостности и безопасности. В данной работе используется принцип акустических направленных волн, в частности линейных направленных волн, для выявления потенциальных проблем, таких как утечки или трещины в трубопроводе, с целью снижения рисков до того, как произойдет серьезная поломка. С помощью методов одностороннего или двустороннего возбуждения в трубопровод подаются акустические сигналы. Датчики используются для сбора данных об акустических сигналах в трубопроводе, которые после фильтрации, усиления и анализа во временной области дают ценную информацию о повреждениях трубопровода, что позволяет определить потенциальные места и характеристики повреждений. Для повышения точности и воспроизводимости оценки проводится оптимизация факторов повреждения, размещения датчиков, алгоритмов обработки сигналов и параметров модели для обеспечения оптимальных характеристик. Система способна точно определять снижение уровня воды через 5 и 20 сек после утечки. Средняя локализация повреждений составляет примерно ±0,46 м, что способствует снижению возможных потерь и затрат на обслуживание, одновременно повышая надежность и безопасность полиэтиленовых трубопроводных систем.
Ключевые слова: линейные направленные волны, полиэтиленовые трубопроводы, акустическое возбуждение, сбор данных, обработка сигналов.
Для цитирования: Палаев А.Г., Тянь Ифань, Ван Цзэхао, Хуан Тяньян Ранняя оценка повреждений полиэтиленовых трубопроводов на основе линейных направленных волн // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 3-4. С. 23-31.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-3-4-23-31
Palaev Alexander G., Tian Yifan, Wang Zehao,Huang Tianyang
Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9960-8504, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3507-2544, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0002-7359-3823, Email:[email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0000-4062-6495, E-mail: [email protected]
Abstract: In the early assessment of polyethylene pipeline damage based on linear guided waves, precise detection and evaluation of damage within the pipeline system are crucial to ensure its operational integrity and safety. This paper utilizes the principle of acoustic guided waves, specifically linear guided waves, to identify potential issues such as leaks or cracks within the pipeline, aiming to mitigate risks before severe failures occur. Utilizing either co-located or oppositely located excitation methods, acoustic signals are introduced into the pipeline. Sensors are employed to collect acoustic signal data within the pipeline, which, after filtering, amplification, and timedomain analysis, yield valuable information about pipeline damage, thus identifying potential damage locations and characteristics. To enhance the accuracy and repeatability of the assessment, the optimization of damage factors, sensor placement, signal processing algorithms, and model parameters is undertaken to ensure optimal performance. The system is capable of precisely detecting water level reductions 5 seconds and 20 seconds after a leak occurs. The average damage localization is approximately ±0.46m, which contributes to reducing potential losses and maintenance costs, while simultaneously improving the reliability and safety of polyethylene pipeline systems.
Keywords: linear guided waves, polyethylene pipelines, acoustic excitation, data acquisition, signal processing.
For citation: Palaev A.G., Tian Yifan, Wang Zehao, Huang Tianyang EARLY ASSESSMENT OF DAMAGE TO POLYETHYLENE PIPELINES BASED ON LINEAR DIRECTIONAL WAVES. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 3-4, pp. 23-31.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-3-4-23-31
Введение
С широким применением полиэтиленовых трубопроводов в промышленности и коммунальном хозяйстве необходимость ранней оценки повреждений становится все более актуальной [1]. В процессе эксплуатации полиэтиленовые трубопроводы могут подвергаться воздействию различных факторов, таких как давление, температура и химическая среда, что может привести к их повреждению и в конечном счете к утечкам [2]. Поэтому проведение ранней оценки повреждений на полиэтиленовых трубопроводах, позволяющее своевременно выявить и устранить потенциальные
проблемы, имеет решающее значение для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводной системы [3]. Технология линейных направленных волн (LGW) - это метод неразрушающего контроля, основанный на ультразвуковых принципах и широко используемый для мониторинга состояния инженерных конструкций, в частности трубопроводов и линий электропередач [4]. При использовании полиэтиленовых трубопроводов технология LGW обладает многочисленными преимуществами, такими как возможность удаленного мониторинга, полное покрытие поверхности трубопровода и отсутствие необходимости в проведении
разрушающих испытаний [5-6]. Однако исследования по ранней оценке повреждений в полиэтиленовых трубопроводах с использованием этой технологии относительно ограничены.
Например, Сюй Гуочен и другие исследователи разработали новую технологию визуализации, которая использует факторы повреждения и нелинейные ультразвуковые волны Лэмба, способные эффективно обнаруживать и визуально отображать повреждения, вызванные низкоэнергетическими ударами в композитных материалах. Этот метод особенно чувствителен к обнаружению повреждений от низкоэнергетических ударов [7]. В другом исследовании Донг Минг и его коллеги изучили использование нелинейных ультразвуковых направленных волн и методики обращения времени для обнаружения мельчайших трещин в трубопроводах. Генерируя ультразвуковые направленные волны на внешней поверхности трубопровода и принимая их в разных точках, можно отфильтровать все сигналы, кроме третьей гармоники. Затем, обращая эти сигналы во времени и вводя их в модель конечных разностей, моделирование волновых процессов позволяет точно определить специфическую информацию о микротрещинах, такую как их расположение, размер и ориентация [8]. Ван Чжэньчао и его коллеги сосредоточились на оценке надежности сварных соединений полиэтиленовых труб, изучая как краткосрочные, так и долгосрочные характеристики. Исследование показало, что технология ультразвуковых фазированных решеток широко используется для определения надежности сварных соединений, а автоматизация обнаружения и интеллектуальное определение результатов обнаружения являются ключевыми направлениями современных исследований [9]. Наконец, Мэн Йиюань с коллегами провели исследование по неразрушающей оценке уровня усталостного повреждения металлических материалов с помощью технологии ультразвукового контроля, обеспечивающей несущую способность и надежность высокопроизводительных компонентов. На примере чистого промышленного железа они предложили метод неразрушаю-щей оценки, сочетающий критические преломленные продольные волны и рекурсивный количественный анализ для оценки усталостного повреждения материала при низком цикле эксплуатации [10].
Чжан Пэн и другие исследователи рассмотрели вопрос о взаимодействии различных факторов, влияющих на результаты оценки рисков городских газопроводов. Проанализировав причины прошлых газовых аварий, мнения экспертов в отрасли, а также соответствующие нормы и стандарты, они определили 4 первичных и 19 вторичных признаков, создав систему индикаторов для оценки рисков городских газопроводов. Для обеспечения точности оценок риска городских газопроводов они ввели теорию серых систем и метод экспериментальных решений [11]. Чжан Минь и другие исследователи использовали Midas/ GTS для создания полномасштабной трехмерной модели и, основываясь на результатах параметрического анализа взрыва, оценили состояние безопасности мостов при наиболее неблагоприятных сценариях взрыва. Впоследствии они предложили защитные меры для моста. Результаты исследований показывают, что виброскорость в верхней части опор имеет положительную корреляцию с давлением в трубопроводе и отрицательную с радиусом взрыва. Даже
при самых неблагоприятных условиях взрыва виброскорость в верхней части опор соответствует нормативным требованиям. Установка пенопластовых канавок между трубопроводом и мостом может значительно снизить воздействие взрыва трубопровода на мост [12]. Цзян Менгуй и другие исследователи предложили использовать ультразвуковые направленные волны, которые обладают такими преимуществами, как большое расстояние распространения, высокая эффективность обнаружения и минимальное воздействие на окружающую среду. Однако сложность структуры днища и характеристики затухания направленных волн приводят к тому, что датчики получают слабые сигналы от направленных волн, и это затрудняет применение существующих волновых технологий для оценки состояния коррозии днищ больших резервуаров. Кроме того, существующие методы оценки степени коррозионного повреждения требуют в качестве эталонного сигнала сигнал бездефектного состояния, который трудно получить при реальном осмотре [13]. Чжан Цзиинь и другие исследователи считают, что дробеструйное упрочнение как один из методов механического улучшения поверхности вызывает деформационное упрочнение на поверхности заготовки, создает более высокое остаточное сжимающее напряжение, уменьшает зарождение микротрещин при усталостном напряжении и подавляет их распространение, тем самым значительно повышая стойкость детали к усталостному разрушению и коррозионному растрескиванию под напряжением [14].
В данной работе полностью используются акустические принципы, они сочетаются с принципами линейных направленных волн для создания нового метода оценки повреждений. Благодаря распространению акустических волн в трубопроводах можно получить более полное представление о поведении направленных волн и тем самым добиться чувствительного обнаружения внутренних повреждений в полиэтиленовых трубопроводах. В то же время используется метод мониторинга акустических сигналов направленных волн с методом одностороннего возбуждения, то есть путем возбуждения и мониторинга сигналов направленных волн на одной и той же стороне информация о распространении направленных волн может быть получена более непосредственно и точно, что повышает чувствительность к состоянию структуры трубопровода. Выбор подходящих частот и режимов волн возбуждения, обеспечивающих эффективное возбуждение направленных волн, позволяет проводить раннюю оценку повреждений полиэтиленовых трубопроводов, что дает новые идеи для повышения уровня технологии обнаружения повреждений трубопроводов.
Принципы и возбуждение линейных направленных волн
Основные принципы линейных направленных волн
Линейные направленные волны возникают из поведения звуковых волн при распространении в твердых средах. Когда направленные волны распространяются по трубопроводу, они передаются с минимальным изменением амплитуды, что позволяет точно улавливать определенные частотные составляющие звуковых волн. Основная идея принципов линейных направленных волн заключается в том, что в неповрежденном трубопроводе направленные волны будут
| Рис. 1. Поперечное сечение трубопровода
0
распространяться в соответствии с определенными дисперсионными соотношениями; любые повреждения или изменения приведут к изменению частоты, фазы, формы волны и т.д. Они основаны на линейной зависимости напряжения от деформации и представляют собой упругие волны, распространяющиеся через структуру трубопровода [1517]. В полиэтиленовых трубопроводах на генерацию и распространение линейных направленных волн влияют упругость и геометрическая форма материала трубопровода. Для упрощения процесса анализа анизотропия и потери в твердом материале трубы не учитываются. Цилиндрическая система координат (г, 0, z) задана для трубы с внутренним и внешним диаметрами Я1 и Я2 соответственно. Поперечное сечение трубопровода показано на рис. 1, где 7 представляет собой осевое направление, а окружная направленная волна распространяется в направлении окружного угла 0.
Дисперсионное уравнение для линейных направленных волн имеет вид
анализа внешний диаметр ^) поперечного сечения трубопровода поддерживается постоянным и составляет 20 мм, а толщина стенки (^ изменяется для расчета дисперсионных кривых при различных параметрах размера. Это позволяет понять, как структура и геометрические параметры трубопровода влияют на свойства направленных волн.
Метод одностороннего возбуждения
При оценке повреждений на ранних стадиях ключевым моментом в использовании линейных направленных волн является мониторинг изменений в сигналах волн, поскольку любое изменение структуры трубопровода оставляет следы в направленных волнах. Анализируя изменения таких параметров, как частота, форма и фаза волны, можно точно определить местоположение и оценить степень повреждения трубопровода, что обеспечивает эффективный метод мониторинга и технического обслуживания в режиме реального времени. Для индуцирования акустоупругого эффекта в месте повреждения конструкции был принят метод одностороннего возбуждения, как показано на рис. 2, с использованием двухканального смешанного частотного сигнала возбуждения. Сигнал возбуждения датчика А - ЕА(Ц, а сигнал возбуждения датчика В - ВВ(Ц. Получается одно-канальный сигнал, причем датчик R принимает сигнал R(t). Кроме того, сигнал возбуждения может быть принят в виде синусоидального циклического сигнала. Возбудители А и В закреплены на одной стороне неметаллического трубопровода, а приемный преобразователь R - на противоположной стороне вдоль той же линии. Расстояние между возбудителями А и В равно 1АВ, а расстояние от приемного преобразователя до возбудителя А равно R. Скорость высокочастотного сигнала VA больше скорости низкочастотного сигнала VB. Соответствующие моменты времени, в которые высокочастотный и низкочастотный сигналы достигают приемного преобразователя R, могут быть рассчитаны следующим образом:
^ = VA;
^ = (^ - |ав)/
(2) (3)
(
0
К1 -ю2М
К1 -ю2М \ (К2 -К,)
- к
К1
-ю2М
0
-Кз
Л " и" "0"
У ки1 _0_
(1)
В формуле и1 представляет собой вектор перемещений узлов в сечении трубопровода, а К1, К2, К3, К - общие матрицы сечения трубопровода. Это уравнение представляет собой уравнение с собственными значениями, где каждая к - ю кривая соответствует типу режима направленной волны. Решив соотношение между к - ю, можно рассчитать дисперсионные кривые, что помогает понять поведение направленных волн в трубопроводах. Свойства материала трубопровода заданы следующим образом: материал - сталь, плотность которой составляет 7 932 кг/м3, модуль упругости - 217 ГПа, а коэффициент Пуассона - 0,3. Для удобства
Смешанные сигналы, содержащие высоко- и низкочастотные компоненты [18-20], излучаются с одного конца трубопровода. Чтобы обнаружить нужную область трубопровода, отрегулируйте задержку высокочастотного сигнала так, чтобы два сигнала встретились в заданной области. Получите отраженный сигнал на другом или том же конце трубы и проанализируйте изменения в сигнале. Нелинейный эффект в месте повреждения приводит к различиям в частотном составе
Рис. 2. Одностороннее возбуждение линейной направленной волны
принимаемого и передаваемого сигналов. Сравните разницу сигналов в разных местах, чтобы найти место повреждения и оценить его серьезность. Путем расчетов, используя характеристики линейных направленных волн, анализируя временную разницу распространения сигнала, можно добиться ранней оценки повреждения трубопровода.
Метод ранней оценки повреждений трубопроводов
Моделирование процесса распространения направленных волн в контролируемых условиях позволяет получить экспериментальные данные и аналитическую основу для ранней оценки на основе линейных направленных волн. Структура экспериментальной установки для обнаружения повреждений с помощью направленных волн показана на рис. 3.. Конструкция устройства направлена на интеграцию эффекта тональной модуляции для обнаружения повреждений. Измеряя поток жидкости внутри устройства, изменения температуры и акустическое давление, он использует принцип линейных направленных волн для анализа распространения направленных волн в трубах. Сбор, расчет и обработка данных позволяют более полно понять поведение направленных волн в трубах, обеспечивая эффективные средства для своевременного обнаружения и оценки повреждений [21].
Расчет коэффициентов повреждения становится критически важной задачей, направленной на учет множества параметров сигналов направленных волн, таких как частота, форма волны, амплитуда и т.д., для формирования комплексного показателя оценки, который помогает количественно определить степень повреждения. Построение коэффициентов повреждений включает в себя частотные параметры, характеристики формы волны, изменения амплитуды, анализ энергетического спектра, фазовые соотношения и информацию об изображении повреждений, как показано ниже.
1. Повреждения обычно приводят к изменению частотных составляющих сигналов направленных волн. С помощью методов спектрального анализа, таких как преобразование Фурье, из сигналов направленных волн, полученных до и после повреждения, извлекается частотная информация. Частотные параметры в рамках коэффициентов повреждений могут отражать меняющиеся тенденции распространения направленных волн в трубопроводах.
2. Структурные изменения в трубопроводах, вызванные повреждениями, могут привести к искажению формы сигналов направленных волн. Проводя анализ форм во временной области и извлекая такие характеристики, как форма и амплитуда, параметры характеристик формы волны в рамках факторов повреждения могут представлять общее влияние повреждения на вид сигналов направленных волн.
3. Наличие повреждений часто сопровождается изменением амплитуды сигналов направленных волн. Амплитуда сигналов направленных волн до и после повреждения сравнивается с помощью таких методов, как анализ амплитудного спектра. Амплитудные параметры в рамках коэффициентов повреждения могут быть использованы для оценки влияния повреждения на силу сигналов направленных волн.
4. Анализ энергетического спектра - это метод, который визуализирует распределение энергии сигналов направленных волн в частотной области. Сравнение энергетического спектра до и после повреждения позволяет выявить спектральные изменения, вызванные повреждением. Параметры энергетического спектра в рамках факторов повреждения могут дать информацию о степени воздействия повреждения.
5. Повреждения приводят к изменению фазовых соотношений различных частотных составляющих в сигналах направленных волн. С помощью фазового анализа можно извлечь информацию о фазе различных частотных составляющих в сигналах направленных волн. Фазовые параметры в рамках коэффициентов повреждения могут быть использованы для отражения влияния повреждения на фазовые соотношения сигналов направленных волн.
6. Комбинируя сканирование поперечных сечений и всех акустических узлов, характеристики распространения сигналов направленных волн используются для визуализации повреждений. Информация о факторах повреждения, полученная с помощью изображений, может помочь точно определить конкретное место повреждения и оценить вероятность его возникновения, тем самым обеспечивая более точную основу для количественной оценки тяжести повреждения.
Рис. 3. Принцип обнаружения характеристик акустической волны: 1 - устройство, содержащее воду в сосуде, 2 - прибор для измерения внутреннего давления жидкости, 3 - устройство для управления потоком жидкости, 4 - насос для пополнения воды, 5 - насос для циркуляции жидкости. 6 - прибор для измерения расхода жидкости, 7 - электроприбор, вырабатывающий тепло, 8 - оборудование для нагрева с помощью газа, 9 - резистор для измерения температуры, 10 - датчик для измерения акустического давления. 11 -контейнер с почвой, 12 - небольшое отверстие для слива жидкости, 13 -оборудование для сбора данных, 14 - компьютер для вычисления и обработки данных
12
11
7
■ Рис. 4. Оптимизация процесса оценки повреждений
обработки сигналов и численное моделирование для точного обнаружения и оценки повреждений в полиэтиленовых трубопроводах на ранней стадии. Это помогает предотвратить возможные сбои в работе трубопровода и обеспечивает безопасность эксплуатации.
Результаты расчетов коэффициентов повреждений представляют собой комплексный показатель для процесса оценки повреждений, объединяющий множество параметров в целостную меру повреждений. Таким образом, в процессе оптимизации оценки ущерба это позволяет более целенаправленно сосредоточиться на ключевых факторах, влияющих на оценку ущерба. Введение коэффициентов повреждений позволяет упростить многопараметрический анализ, делая процесс оценки более эффективным и оперативным. Процесс оптимизации оценки повреждений показан на рис. 4, где собраны сигналы отклика полиэтиленовых трубопроводов в неповрежденном и поврежденном состояниях. С помощью численных методов смоделируйте сигналы отклика в неповрежденных и поврежденных условиях для сравнения и анализа. Проверьте точность собранных ответных сигналов с помощью экспериментов, в частности в неповрежденном и поврежденном состояниях. Удалите шум из сигналов, чтобы лучше понять истинную реакцию сигнала. Рассчитайте по сигналам коэффициент повреждения, который может служить индикатором серьезности или наличия повреждений. Получите энергетические спектры сигналов до и после повреждения, чтобы определить изменения, вызванные повреждением. Рассчитав коэффициент повреждений и совместив его со сканированием поперечных сечений и всех акустических узлов, выполните визуализацию повреждений. С помощью методов визуализации определите местоположение повреждений и оцените вероятность их возникновения, тем самым выявив точки с наибольшей вероятностью повреждений. Оптимизированная оценка линейных повреждений сочетает в себе экспериментальные данные, методы
Результаты оценки и обсуждение
Когда в трубопроводе происходят повреждения или изменения, скорость распространения и характеристики направленных волн меняются, что приводит к колебаниям уровня воды. Отслеживая изменения уровня воды и улавливая тонкие колебания в распространении направленных волн, можно осуществлять чувствительное обнаружение состояния трубопровода. В данной работе для обнаружения направленных волн используется уровень воды, что является неразрушающим методом. По сравнению с традиционными методами проверки, такими как демонтаж или физический осмотр, мониторинг уровня воды не требует разрушительного вмешательства в трубопровод. Кроме того, изменения уровня воды могут отражать состояние распространения направленных волн в режиме реального времени, что позволяет осуществлять непрерывный мониторинг. Такая оперативность крайне важна для ранней оценки, поскольку позволяет быстро обнаружить изменения после возникновения повреждений, что способствует своевременному принятию необходимых мер по обслуживанию или ремонту для предотвращения дальнейшего ущерба.
Обнаружение утечек
В данном моделировании основное внимание уделяется изменению уровня воды в начальной и конечной точках для оценки ситуации с утечкой в полиэтиленовом трубопроводе. Изменения уровня воды в начальной и конечной точках моделирования показаны на рис. 5. При утечке уровень воды в начале, конце и точке утечки начинает колебаться, что в конечном итоге приводит к снижению уровня воды на обоих концах трубопровода по сравнению с начальным уровнем воды. Степень изменения уровня воды в основном зависит от площади отверстия утечки. Если площадь отверстия утечки велика, то после стабилизации снижение уровня воды будет более значительным, а колебания уровня воды - более заметными. Когда утечка происходит в течение 100 секунд, скорость потока в начальной и конечной точках начинает колебаться, и чем больше площадь отверстия утечки, тем больше величина колебаний потока. Это связано с тем, что наличие полиэтиленового трубопровода приводит к колебаниям потока воды в месте утечки. Следует отметить, что предпосылкой данной модели является то, что расход на начальном этапе остается неизменным и в
И.б 11.5 11.4 11.3 11.2 11.1 11.0 10.9 10.8
•т I
конечном итоге стабилизируется на уровне 10 м3/с. Скорость потока на конце зависит от размера отверстия утечки; чем больше площадь отверстия, тем больше утечка и, соответственно, меньше стабилизированная скорость потока на конце. Технология основана на принципе, что линейные направленные волны - это тип колебательных волн, которые могут распространяться через трубные конструкции и очень чувствительны к изменениям внутри трубопровода. При изменениях потока воды, вызванных утечкой, линейные направленные волны могут более точно контролировать и определять характеристики колебаний потока воды. Такая чувствительность делает линейные направленные волны мощным инструментом для своевременного обнаружения и оценки повреждений труб.
При оценке повреждений, основанной на технологии линейных направленных волн,изменения уровня воды связаны с сигналами направленных волн, распространяющихся по трубопроводу. Используя изменения в сигналах направленных волн, можно обнаружить повреждения и оценить их серьезность. Анализ взаимосвязи между изменениями уровня воды и сигналами направленных волн позволяет обнаружить и оценить повреждения на ранней стадии, что дает возможность своевременно принять меры по ремонту или замене оборудования для предотвращения потенциальных разрушений трубопровода. Изменения уровня воды на всем протяжении линии показаны на рис. 6. На ранних стадиях утечки, чем больше площадь отверстия, тем сильнее колебания уровня воды. Через 5 сек после утечки по сравнению с тем, что было до нее, уровень воды снижается по всей длине трубопровода с 11,6 м до 10,9 м. Уровень воды через 20 сек после утечки еще более значительно снижается по всей длине трубопровода. При оценке повреждений, основанной на технологии линейных направленных волн, изменения уровня воды связаны с сигналами направленных волн, распространяющихся по трубопроводу. Таким образом, используя изменения сигналов направленных волн, можно обнаружить повреждения и оценить их серьезность. Анализ взаимосвязи между изменениями уровня воды и сигналами направленных волн позволяет обнаружить и оценить повреждения трубопровода на ранних стадиях, что дает возможность своевременно принять меры по ремонту или замене оборудования для предотвращения возможных аварий трубопроводов. Чувствительность и точность технологии линейных направленных волн позволяют проводить оценку повреждений для
| Рис. 5. Изменение уровня воды в начале и в конце
| Рис. 6. Изменение уровня воды в трубопроводе 11.7
*
¥
х
I
X
Стабильное состояние 5 секунд после утечки 20 секунд после утечки Новое устойчивое состояние
I
*
* *
9
-1.
■ 9 ▼ ■
* 5 _1_
2000 4000 6000
8000 10000
Расстояние (м)
12000 14000 16000
заблаговременного выявления проблем в трубопроводной системе, что обеспечивает надежную работу трубопровода и предотвращает потенциальные риски безопасности.
Обнаружение усталостных повреждений
Датчики были размещены в различных положениях от D1 до D4 на испытательных образцах для сбора линейных ультразвуковых сигналов при различных циклах усталости. D1 - центральная позиция в верхней части трубопровода, D2 - центральная позиция в левой части трубопровода, D3 - центральная позиция в правой части трубопровода, D4 - центральная позиция в нижней части трубопровода. Были извлечены характерные параметры сигналов обнаружения. При различном количестве циклов усталости тенденции изменения основной волны и линейного коэффициента были в основном последовательными, но отличались от тенденций изменения линейных направленных волн. На рис. 7 показаны изменения амплитудных
Рис. 7. Изменение значений амплитуды: а - амплитудная кривая спектра основной частоты; б - кривая амплитуды частоты линейной направленной волны
1 усталости
а
б
Изменение Точность
сигнала направленной определения места Тест
волны, % повреждения (м)
I Таблица 1
Результаты испытаний на надежность и воспроизводимость
Число Уровень воды Уровень воды Уровень воды
экспериментов перед утечкой, м через 5 сек, м через 20 сек, м
1 11,48 11,4 11,33 5,2 ±0,5 Исходные
2 11,49 11,41 11,34 5 ±0,4 Повторяемость
3 11,5 11,39 11,32 5,4 ±0,5 Повторяемость
4 11,47 11,38 11,31 5,1 ±0,45 Повторяемость
5 11,46 11,37 11,3 5,3 ±0,45 Повторяемость
6 11,47 11,38 11,31 5,1 ±0,5 Повторяемость
7 11,48 11,39 11,32 4,9 ±0,4 Повторяемость
8 11,49 11,4 11,33 5,2 ±0,45 Повторяемость Среднее 11,48 11,39 11,32 5,15 ±0,46
значений частоты. На рис. 7э представлена кривая амплитуды спектра частот основной волны. Амплитуда основной волны значительно превышает амплитуду линейной направленной волны. Относительный коэффициент нелинейности в основном зависит от основной волны, что приводит к тенденции изменения относительного коэффициента нелинейности в соответствии с основной волной, не способной отразить изменения в нелинейном ультразвуковом отклике. Это свидетельствует о превосходстве методов, основанных на линейных направленных волнах, в работе с основной волной, что позволяет более чувствительно фиксировать расширение мелких трещин или повреждений. На рис. 7б показана тенденция изменения линейных значений амплитуды направляемой волны, которая сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения числа циклов усталости, достигая своего максимального значения при 11 400 циклах усталостной прочности. В диапазоне усталостной прочности от 0 до 11 500 циклов усталостные повреждения постепенно накапливаются, что приводит к постепенному усилению линейного отклика и внезапному снижению амплитуды линейной направленной волны. Это подчеркивает преимущества методов, основанных на
линейных направленных волнах, в оценке степени усталостного повреждения, способных своевременно и точно обнаружить процесс перерастания мелких трещин в макроскопические дефекты.
Анализ надежности и повторяемости
Для дополнительной проверки осуществимости метода, основанного на линейных направленных волнах, в табл. 1 приведены результаты испытаний на надежность и повторяемость. Площадь отверстия для утечки оставалась одинаковой во всех испытаниях, 1-8, составляя 0,045 м2, что указывает на то, что в экспериментах использовался один и тот же размер отверстия для утечки. Уровень воды перед утечкой немного отличался в разных экспериментах, но разница была незначительной и составляла примерно от 11,47 до 11,50 м. Уровни воды через 5 и 20 сек после утечки показали изменения во времени. Во всех экспериментах уровень воды постепенно снижался, но это снижение было минимальным. Столбец, показывающий изменение сигналов направленных волн, представляет собой процентное изменение сигналов. Значения в этом столбце также слегка варьируются в разных экспериментах, но все они находятся
в диапазоне от 5,0 до 5,4%. Точность локализации повреждений указывает на точность определения местоположения повреждений, составляя в среднем около ±0,46 м. При испытаниях на повторяемость площадь утечки, уровень воды до утечки, изменение уровня воды после утечки и процентное изменение сигналов направленных волн находятся в одинаковых диапазонах, демонстрируя хорошую повторяемость при одинаковых условиях. Согласованность размеров отверстия утечки, начального уровня воды, изменений уровня воды и изменений сигналов направленных волн сохраняется в разумных пределах, а точность локализации повреждений остается относительно стабильной, что подтверждает эффективность линейной оценки направленных волн в различных условиях.
Заключение
В данной статье предлагается метод ранней оценки повреждений в полиэтиленовых трубопроводах на основе линейных направленных волн. Используя принципы распространения звуковых волн, он позволяет эффективно обнаруживать и оценивать повреждения в трубопроводных системах. Выводы следующие:
1. Процентное изменение сигналов направленных волн также слегка варьируется в разных экспериментах, но все они находятся в диапазоне от 5,0 до 5,4%. Это указывает на то, что отклик сигналов направленных волн относительно постоянен в разных экспериментах, что делает его важным параметром для оценки повреждений и надежным инструментом для управления трубопроводом.
2. Максимум обнаружения линейных направленных волн появляется при усталостной прочности 11 400 циклов, а трещины появляются только после 15 000 циклов. Чувствительность к мелким трещинам и возможность мониторинга процесса усталостного разрушения в режиме реального времени делают его надежным методом нераз-рушающего контроля, оказывающим существенную поддержку в безопасной эксплуатации трубопроводных систем.
3. В ходе испытаний на надежность и повторяемость площадь отверстий для протечек оставалась неизменной в разных испытаниях и составляла 0,045 мм2. Метод ранней оценки повреждений полиэтиленовых трубопроводов на основе линейных направленных волн отличается высокой надежностью и воспроизводимостью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zheng Dukui, Li Jingfa, Yu Bo. Discussion on the life prediction method of polyethylene pipelines in hydrogen environment. Oil & Gas Storage and Transportation, 2023, vol. 42, no. 8, pp. 882-893.
2. Sun Haitao, Ling Ligong, Chen Shushan. Technical requirements for the application of nuclear-grade high-density polyethylene pipelines in nuclear power plants. China Plastics, 2021, vol. 35, no. 4, p. 5.
3. Wang Zhigang, Yang Bo, Li Shiping, Zhai Wei, Huang Guojia. Research on creep damage behavior and service life prediction method of polyethylene pipes with defects. Plastic Industry, 2020, vol. 48, no. 11, p. 4.
4. Da Y, Dong G, Shang Y. Circumferential defect detection using ultrasonic guided waves: An efficient quantitative technique for pipeline inspection. Engineering Computations, 2020, vol., 37, no. 6, pp. 1923-1943.
5. Li Zhaopu, Qiao Liang, Wen Jiongming. The effect of hot-melt welding process parameters on the mechanical properties of polyethylene pipelines. Plastic Science and Technology, 2023, vol. 51, no., 9, pp. 35-39.
6. Hu Zongyao, Jiang Nan, Zhou Chuanbo. Size effect of dynamic response of blasting vibration on high-density polyethylene corrugated pipe. Journal of Vibration Engineering, 2022, no. 003, p. 035.
7. Xu Guochen, Chen Zhenhua, Li Chenggeng. Nonlinear lamb wave feature imaging of low-energy impact damage in CFRP laminates. Journal of Mechanical Engineering, 2023, vol. 59, no. 10, pp. 40-47.
8. Dong Ming, Yu Xiangjun, Ma Hongwei. Ultrasonic echo modeling method based on space pulse response and finite element hybrid. Acta Acustica, 2023, vol. 48, no. 5, pp. 996-1003.
9. Wang Zhenchao, Zhang Ying, Peng Yijuan. Research on the reliability evaluation method of polyethylene pipeline hot-melt joints. China Plastics, 2022, vol. 36, no. 1, p. 12.
10. Meng Yiyuan, Lin Li, Chen Jun, Jin Shijie, Luo Zhongbing. Nondestructive evaluation of pure iron fatigue damage based on the recursive quantitative analysis of critical refracted longitudinal waves. Journal of Materials Engineering, 2022, vol. 50, no. 10, pp. 172-178.
11. Zhang Peng, Yang Zongqiang, Shen Hao. Application of Grey theory and DEMATEL in the risk assessment of urban gas pipelines. Journal of Safety and Environment, 2023, vol. 23, no. 9, pp. 3036-3043.
12. Zhang Min, Wei Wei, Xu Wensheng. The impact of underground gas pipeline explosion on the safety of bridge structures. Journal of Civil Engineering and Management, 2023, vol. 40, no. 1, pp. 27-33.
13. Jiang Menghui, Xu Jichao, Zhu Wujun. Nonlinear ultrasonic guided-wave inspection of the bond strength of plate components. Technical Acoustics, 2023, vol. 42, no. 4, pp. 468-474.
14. Zhang Jiyin, Yao Changfeng, Tan Jing. Research progress on the effect of shot peening induced residual stresses on fatigue performance and deformation control. Journal of Mechanical Engineering, 2023.
15. Wang Liping, Liu Zizun, Zhao Shuaining, Chao Lie. Study on temperature tensile test of municipal polyethylene water supply pipes. Water & Wastewater Engineering, 2021, vol. 47, no. S02, pp. 439-446.
16. Wang Mingjun, Xi Jianxia, Wang Wanrou. Analysis of the effect of acoustic disturbances on inner and outer scales of atmospheric turbulence and the refractive index power spectrum. Acta Physica Sinica, 2023, vol. 72, no. 12, pp. 159-169.
17. Yi Duzheng, Feng Zao, Zhu Xuefeng. Study on the propagation characteristics of low-frequency acoustic excitation in drainage pipes under variable working conditions. Journal of Vibration and Shock, 2023, vol. 42, no. 18, pp. 259-267.
18. Rodgers E C, Mariani S, Cawley P. The use of circumferential guided waves to monitor axial cracks in pipes. Structural Health Monitoring, 2023, vol. 22, no. 4, pp. 2609-2625.
19. Jia Wenlong, Sun Yibin, Tang Ding. Intelligent identification method of gas pipeline leak pressure drop signal based on support vector machine. Progress in Chemical Engineering, 2022, no. 009, p. 041.
20. Han Yishi, Li Xian, Zhong Yongming. Design and research on a reconfigurable microwave photonic mixer. Advances in Laser and Optoelectronics, 2023, vol. 60, no. 19.
21. Yang Liwei, Xing Wenwen, Zhang Liping. Health status assessment of sewerage system based on GA optimized BP neural network model. Water & Wastewater, 2021, vol. 47, no. 9, p. 9.
REFERENCES
Zheng Dukui, LiJingfa, YuBo. Discussion on the life prediction method of polyethylene pipelines in hydrogen environment. Oil & Gas Storage and Transportation, 2023, vol. 42, no. 8, pp. 882-893.
Sun Haitao, Ling Ligong, Chen Shushan. Technical requirements for the application of nuclear-grade high-density polyethylene pipelines in nuclear power plants. China Plastics, 2021, vol. 35, no. 4, p. 5.
Wang Zhigang, Yang Bo, Li Shiping, Zhai Wei, Huang Guojia. Research on creep damage behavior and service life prediction method of polyethylene pipes with defects. Plastic Industry, 2020, vol. 48, no. 11, p. 4. Da Y, Dong G, Shang Y. Circumferential defect detection using ultrasonic guided waves: An efficient quantitative technique for pipeline inspection. Engineering Computations, 2020, vol., 37, no. 6, pp. 1923-1943. Li Zhaopu, Qiao Liang, Wen Jiongming. The effect of hot-melt welding process parameters on the mechanical properties of polyethylene pipelines. Plastic Science and Technology, 2023, vol. 51, no., 9, pp. 35-39.
Hu Zongyao, Jiang Nan, Zhou Chuanbo. Size effect of dynamic response of blasting vibration on high-density polyethylene corrugated pipe. Journal of Vibration Engineering, 2022, no. 003, p. 035.
Xu Guochen, Chen Zhenhua, Li Chenggeng. Nonlinear lamb wave feature imaging of low-energy impact damage in CFRP laminates. Journal of Mechanical Engineering, 2023, vol. 59, no. 10, pp. 40-47.
Dong Ming, Yu Xiangjun, Ma Hongwei. Ultrasonic echo modeling method based on space pulse response and finite element hybrid. Acta Acustica, 2023, vol. 48, no. 5, pp. 996-1003.
Wang Zhenchao, Zhang Ying, Peng Yijuan. Research on the reliability evaluation method of polyethylene pipeline hot-melt joints. China Plastics, 2022, vol. 36, no. 1, p. 12.
Meng Yiyuan, Lin Li, Chen Jun, Jin Shijie, Luo Zhongbing. Nondestructive evaluation of pure iron fatigue damage based on the recursive quantitative analysis of critical refracted longitudinal waves. Journal of Materials Engineering, 2022, vol. 50, no. 10, pp. 172-178.
Zhang Peng, Yang Zongqiang, Shen Hao. Application of Grey theory and DEMATEL in the risk assessment of urban gas pipelines. Journal of Safety and Environment, 2023, vol. 23, no. 9, pp. 3036-3043.
Zhang Min, Wei Wei, Xu Wensheng. The impact of underground gas pipeline explosion on the safety of bridge structures. Journal of Civil Engineering and Management, 2023, vol. 40, no. 1, pp. 27-33.
Jiang Menghui, Xu Jichao, Zhu Wujun. Nonlinear ultrasonic guided-wave inspection of the bond strength of plate components. Technical Acoustics, 2023, vol. 42, no. 4, pp. 468-474.
Zhang Jiyin, Yao Changfeng, Tan Jing. Research progress on the effect of shot peening induced residual stresses on fatigue performance and deformation control. Journal of Mechanical Engineering, 2023.
Wang Liping, Liu Zizun, Zhao Shuaining, Chao Lie. Study on temperature tensile test of municipal polyethylene water supply pipes. Water & Wastewater Engineering, 2021, vol. 47, no. S02, pp. 439-446.
16. Wang Mingjun, Xi Jianxia, Wang Wanrou. Analysis of the effect of acoustic disturbances on inner and outer scales of atmospheric turbulence and the refractive index power spectrum. Acta Physica Sinica, 2023, vol. 72, no. 12, pp. 159-169.
17. Yi Duzheng, Feng Zao, Zhu Xuefeng. Study on the propagation characteristics of low-frequency acoustic excitation in drainage pipes under variable working conditions. Journal of Vibration and Shock, 2023, vol. 42, no. 18, pp. 259-267.
18. Rodgers E C, Mariani S, Cawley P. The use of circumferential guided waves to monitor axial cracks in pipes. Structural Health Monitoring, 2023, vol. 22, no. 4, pp. 2609-2625.
19. Jia Wenlong, Sun Yibin, Tang Ding. Intelligent identification method of gas pipeline leak pressure drop signal based on support vector machine. Progress in Chemical Engineering, 2022, no. 009, p. 041.
Han Yishi, Li Xian, Zhong Yongming. Design and research on a reconfigurable microwave photonic mixer. Advances in Laser and Optoelectronics, 2023, vol. 60, no. 19.
Yang Liwei, Xing Wenwen, Zhang Liping. Health status assessment of sewerage system based on GA optimized BP neural network model. Water & Wastewater, 2021, vol. 47, no. 9, p. 9.
2.
3.
4.
5
6
9.
10.
11
12
13
14
15
20
21
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Палаев Александр Григорьевич, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет.
Тянь Ифань, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет.
Ван Цзэхао, бакалавр кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет. Хуан Тяньян, бакалавр кафедры цифровых медиатехнологий, Чэндускийтехнологический университет.
Alexander G. Palaev, Cand.Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Tian Yifan, Postgraduate Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Wang Zehao, Undergraduate Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University. Huang Tianyang, Undergraduateof Digital Media Technology, Department of Computer, Chengdu Technological University.
