Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРУБОПРОВОДА ПУТЕМ АНАЛИЗА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ МЕТОДОМ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ

Блинов А.В. 1 Максимов П.В. 1 Шиверский А.В. 1 Горохов А.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С помощью разработанной динамической параметрической конечно-элементной модели, описывающей волновые процессы, происходящие в трубопроводе под действием внешних возмущений, проводится серия вычислительных многофакторных экспериментов с целью установления влияния локальных изменений, дефектов, повреждений в трубопроводе на спектр вынужденных колебаний в некоторой исследуемой точке, соответствующей месту возможной установки измерительной аппаратуры. Исследуется влияние дефекта на фронт распространения волны и амплитудно-частотную характеристику полученных сигналов в зависимости от размеров трещины. Показано, что анализ АЧХ поля перемещений на поверхности трубопровода позволяет определить наличие трещины и ее размер. В процессе анализа набора полученных численных решений для различных размеров трещин получено, что в результате возможно создание прикладной методики анализа пригодности исследуемого трубопровода к дальнейшей эксплуатации и оценки его текущего состояния (определение наличия трещин), проводимых на основании серии динамических испытаний.
метод конечных элементов
динамика
моделирование
вибродиагностика
1. Блинов А.В., Максимов П.В. Постановка динамической задачи распространения упругих волн в трубопроводе // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. - №11(30) часть 2. – С 48-50.
2. Блинов А.В. Максимов П.В. Разработка и верификация нестационарной конечно-элементной модели для исследования волновых процессов в трубопроводе // Современные проблемы науки и образования. – 2015. - №1
3. Бочкарев Н.Н., Курочкин А.А. Вибродиагностический контроль движения внутритрубных объектов в магистральных газопроводах // Электронный научный журнал «Нефтяное дело». – 2012. –№5. –С.86-98.
4. Денисов Г.Г. Об импульсе волн при продолжительных колебаниях упругого стержня / Г.Г. Денисов, В.В. Новиков, М.Л. Смирнов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2010. - №5-1. С. 134-137.
5. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. / Б.Е. Победря – М.: Мир, 1975. – 543 с.
6. Сальников А.Ф., Сальников С.А., Щелудяков А.М. Оценка влияния динамических нагрузок на остаточную работоспособность полимерноармированных труб // Газовая промышленность. –2014. –№1(701). –с.52-55.
7. Цветков Р.В., Шардаков И.Н., Шестаков А.П. Анализ распространения волн в подземных газопроводах применительно к задаче проектирования систем мониторинга // Вычислительная механика сплошных сред. – 2013. –Т.6, №3. –С.364-372.
8. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф., Дутлов О.А. Волновая диагностика трубопроводов из полимерно-армированных труб // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. -Т.1. -2014. -с.254-258.

Трубопровод – инженерное сооружение, предназначенное для транспортировки газообразных и жидких веществ. Актуальными являются задачи, связанные с эксплуатацией трубопровода и его ремонтом [3, 7]. Авторами предпринята попытка математического обоснования основанной на принципах вибродиагностики методики оценки остаточной работоспособности трубопроводов. В рамках текущей работы, на основании серии вычислительных экспериментов оценивается возможность определения типа, размера и местоположения дефекта трубопровода путем анализа закономерностей распространения упругих волн в материале трубопровода и оценки спектральных характеристик поля перемещений в локальной области на поверхности трубы. Разработанные в результате исследований математические и компьютерные модели динамических систем представлены в виде виртуальных прототипов, на основе которых разрабатываются расчетные методики проектирования металлургической продукции с применением современных CAD/CAE-систем; научно обосновываются методы вибродиагностики и дефектации готовой продукции высокотехнологичных предприятий.

Объект исследования

Объектом исследования является участок трубопровода, нагруженного внутренним давлением. На внешней и внутренней поверхности трубопровода в результате нарушений технологии производства, либо в процессе эксплуатации возможно образование трещин, снижающих эксплуатационные характеристики трубопровода, приводящих в разрушению конструкции. Оценку размеров трещин и их расположения предлагается проводить на основании анализа картины распространения в трубопроводе упругих волн [4]. Рассматривается участок трубопровода, на одном конце которого расположено регистрирующее устройство, определяющее перемещения точек поверхности исследуемого объекта. Упругие колебания среды вызываются импульсной нагрузкой, приложенной к другому концу трубопровода. Исследуется поле перемещений вблизи регистрирующего устройства, определяется спектр частот вынужденных колебаний поверхности.

Математические и компьютерные модели исследуемого объекта

Для отработки методических подходов к созданию расчетной методики анализа работоспособности трубопроводов на более простых моделях, на текущем этапе задача решалась в осесимметричной постановке для трубы, выполненной из изотропного материала [1, 5]. В рамках общего исследования проблемы выполнено [2]:

1. Построена математическая осесимметричная модель трубопровода, содержащего трещины, неоднородности материала и иные дефекты. Трещины на внутренней и внешней поверхностях трубопровода учитываются в виде дополнительных свободных поверхностей, неоднородности материала – путем локального изменения свойств материала

2. Разработаны нестационарные диссипативные конечно-элементные модели распространения упругих волн в материале трубопровода. Ряд параметров численных моделей задается на основании проведенных ранее натурных экспериментов [6, 8.].

3. Выполнена верификация разработанных численных моделей.

4. Проведена серия вычислительных экспериментов для изучения картины распространения упругих волн, вызванных приложением импульсного силового воздействия с известными характеристиками.

5. Определен динамический отклик системы в характерных точках.

В данной работе, для серии полученных ранее численных решений задачи о распространения упругих волн в трубопроводе, содержащим дефекты, трещины или локальные неоднородности, анализируются амплитудно-частотные характеристики поля перемещений в предполагаемой точке практического измерения вынужденных колебаний поверхности трубопровода вибро-акустической аппаратурой. Для проведения спектрального анализа нестационарного поля перемещений точек на поверхности трубопровода использован алгоритм Быстрого преобразования Фурье.

Анализ волнового процесса в трубопроводе с дефектом (трещиной)

Для предварительно определенных полей перемещений конструкции [2], содержащей повреждения в виде трещины, начинающейся на внешней поверхности трубопровода и распространяющейся вдоль радиуса вглубь материала на величину h проведен спектральный анализ системы и выполнено исследование влияния возможного дефекта на амплитудно-частотные характеристика (АЧХ) конструкции. Некоторые наглядные изображения спектров для трещин с длинами h=0.3*H и h=0.5*H (где H – толщина трубопровода), а также для конструкции без повреждений показаны на рисунках 1-3.

Рис. 1. Спектр сигнала для трубопровода без повреждений

Рис. 2. Спектр сигнала для трубопровода с трещиной, глубиной h=0.3 H

Рис. 3. Спектр сигнала для трубопровода с трещиной, глубиной h=0.5 H

На рисунке 1 красными цифрами отмечены ключевые гармоники, значения частот отмеченных гармоник и амплитуды колебаний приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Зависимость частот от длины трещины

испытаний

Дефект

Частота гармоники, Гц*10-5

1

2

3

4

5

6

1

Нет

0.0219

0.4963

0.9974

1.4530

1.6740

1.7240

2

h=0.3 H

0.0219

0.4916

1.0050

1.4540

1.5440

1.6050

3

h=0.5 H

0.0219

0.4885

-

1.4530

1.5440

1.5660

Таблица 2

Зависимость амплитуд гармоник от длины трещины

испытаний

Дефект

Амплитуда гармоники, м*10-5

1

2

3

4

5

6

1

Нет

0.6657

0.2815

0.1586

2.7720

0.1586

0.1236

2

h=0.3 H

0.6450

0.3870

0.1427

1.7170

0.2215

0.1144

3

h=0.5 H

0.5926

0.2986

-

2.1110

0.1544

0.2453

 

Из таблицы 1 видно, что наличие в трубопроводе трещины приводит к изменению спектральных характеристик конструкции, при этом, ряд характерных гармоник остаются неизменными (гармоники 1, 4), а некоторые гармоники сдвигаются, причем степень их изменения зависит от величины повреждения трубопровода (гармоники 2, 3, 6).

Анализ зависимости амплитуд гармоник от величины повреждения в текущей постановке задачи проводить нецелесообразно, так как величины амплитуд колебаний зависят от диссипативных свойств материала трубопровода; для корректного описания особенностей процесса затухания распространения упругих волн в среде, определения коэффициентов диссипации требуются дополнительные натурные эксперименты.

Заключение

С помощью разработанной динамической параметрической конечно-элементной модели, описывающей волновые процессы, происходящие в трубопроводе под действием внешних возмущений, проведена серия вычислительных многофакторных экспериментов с целью установления влияния локальных изменений, дефектов, повреждений в трубопроводе на спектр вынужденных колебаний в некоторой исследуемой точке, соответствующей месту возможной установки измерительной аппаратуры. Исследовано влияние дефекта на фронт распространения волны и амплитудно-частотную характеристику полученных сигналов в зависимости от размеров трещины. Показано, что анализ АЧХ поля перемещений на поверхности трубопровода позволяет определить наличие трещины и ее размер.

Анализ набора полученных численных решений для различных размеров трещин показал, что в результате возможно создание прикладной методики анализа пригодности исследуемого трубопровода к дальнейшей эксплуатации и оценки его текущего состояния (определение наличия трещин), проводимых на основании серии динамических испытаний.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).

Рецензенты:

Шевелев Н.А., д.т.н., профессор кафедры «Динамика и прочность машин» ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет , г. Пермь;

Сметанников О.Ю., д.т.н., профессор кафедры «Вычислительная математика и механика» ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет ,г. Пермь.


Библиографическая ссылка

Блинов А.В., Максимов П.В., Шиверский А.В., Горохов А.Ю. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ ТРУБОПРОВОДА ПУТЕМ АНАЛИЗА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ МЕТОДОМ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23345 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074