авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Система автоматического контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кнышов Николай Владимирович






Система автоматического контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков


Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009






Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Р. М. Проскуряков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

В. А. Балюбаш

доктор технических наук, профессор

В. И. Александров

Ведущее предприятие - ЗАО «Механобр инжиниринг»

Защита диссертации состоится « » _____ 2009 г. в 16__ч. 15__ мин. на заседании диссертационного совета Д212.224.07. в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан «___»____ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ




ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Поддержание трубопроводной системы в исправном состоянии является важнейшей задачей отрасли, т.к. аварийный выход ее из строя сопряжен с большими экономическими затратами, связанными как с потерей минерального или энергетического сырья, так и с затратами на ликвидацию последствий этих аварий, восстановление экологической обстановки.

На современном этапе развития трубопроводного транспорта продуктов горного производства особо актуальна задача обеспечения надежности и безаварийности линейной части магистральных трубопроводов. В связи с этим проблема периодического диагностирования технического состояния магистральных трубопроводов входит в число первоочередных задач их эксплуатации. Основной задачей диагностирования технического состояния действующих магистральных трубопроводов является раннее обнаружение возникающих в их линейной части дефектов, оценка возможности и сроков дальнейшей эксплуатации трубопроводов при наличии выявленных дефектов и выдача рекомендаций по их устранению.

При большом разнообразии физических законов и явлений, которые используются для фиксации времени и места образования утечки, а также ее объема, разработано большое количество методов обнаружения утечек и приборных средств для их реализации. Применение тех или иных методов ограничено параметрами трубопровода, профилем трассы, свойствами пульпы, зависит от направления и режима перекачки, а также от природно-климатических условий. Некоторые методы позволяют установить только факт наличия утечки, с помощью других удается определить также место повреждения, что требует вспомогательных исследований. Актуальность проблемы демонстрируется таблицей:

Зависимость доли дефектных труб от срока их службы, %. Таблица

Характеристика трубопровода До 10 лет 10-20 лет 20-30 лет
Бездефектные трубы 88,1 74,4 64,7
Трубы с дефектами 11,9 25,6 35,3
В т. ч. с опасными дефектами 0,05 0,34 0,44



Цель работы: установление закономерностей распространения единичного импульса давления в трубопроводных гидротранспортных системах для обнаружения инструментальными методами неисправностей трубопровода.

Идея работы: обнаружение видоизмененных параметров импульсного сигнала давления, вызванных наличием неисправностей трубопровода, с целью использования этих видоизмененных спектральных характеристик в качестве информативных параметров для инструментальных средств контроля состояния трубопровода путем сравнения статистических характеристик реального спектра с эталонным.

Задачи исследований:

На основе существующих методов и средств обнаружения утечек из трубопроводов определена область исследований и основные задачи диссертационной работы:

1. Разработка математической модели распространения импульса давления в трубопроводе и проведение экспериментов для оценки адекватности модели при добавлении к жидкому потоку твердой фазы.

2. Разработка экспериментальной установки и проведение лабораторных исследований волновых процессов в трубопроводе.

3. Экспериментальные исследования спектральных характеристик виброакустических колебаний ВАК трубопровода, вызванных импульсом давления, проходящим по транспортируемой среде.

4. Разработка способа обнаружения неисправностей трубопровода, основанного на его сканировании импульсом давления и с помощью сигнала, генерируемого последовательностью гидроударов в трубопроводе.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории гидродинамики, теории цифровой фильтрации и анализа эталонного и реального спектров ВАК трубопровода, математического моделирования с использованием пакетов MATLAB, MathCAD.

Научная новизна состоит в способе получения измерительной информации о техническом состоянии трубопроводных систем. Информация получена путем преобразования (ВАК) трубопровода, имеющих в месте повреждения индивидуальные спектральные характеристики.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Динамический диапазон колебания концентрации твердой фазы в транспортируемой по трубопроводу жидкой среде в диапазоне 0,25 0,35 объема изменяет степень нелинейности среды на 2 2,5%, что является допустимым для уверенной корректной регистрации гидродинамических характеристик потока с целью определения линейной координаты неисправности трубопровода.
  2. В основу построения систем автоматического контроля изменяющихся параметров технического состояния трубопроводной системы положен спектральный статистический метод, основанный на сравнении эталонных и реальных АЧХ спектров виброакустических колебаний (ВАК) трубопровода.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований, сходимостью результатов аналитических исследований, полученных различными методами; доказательством адекватности математической модели, совпадением полученных результатов аналитическими и инструментальными методами.

Практическая значимость работы: Найденные информативные параметры технического состояния трубопровода могут быть положены в основу синтеза системы автоконтроля целостности трубопровода, что позволит построить систему автоматического контроля.

Личный вклад автора. Предложен принцип автоконтроля технического состояния трубопроводов, принцип действия и структура автоматической системы контроля, в основу которой заложены информативные параметры и статистические характеристики сканирующих импульсов

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы обсуждались на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2003, 2004 г в СПГГИ (ТУ), 3-ей Межрегиональной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», апрель 2005 года, Воркутинский горный институт.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 в издании, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 130 страницах, включает в себя 39 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы и сформулирована идея работы.

В первой главе проведен анализ методов контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков. Приведены достоинства и недостатки существующих методов контроля. Сформулированы основные цели и задачи исследований.

Во второй главе разработана математическая модель распространения импульса давления в трубопроводе с учетом различных граничных и начальных условий. Показано влияние твердой фазы на величину вязкости пульпы и скорости распространения звуковой волны. Проведены теоретические исследования процессов распространения давления и скорости в простом трубопроводе, что позволяет решать задачи о периодических движениях жидкости при общем виде граничных условий, в том числе для сложных и разветвленных систем трубопроводов.

В третьей главе описывается соотношение между спектральным составом импульса давления, наличием утечек и их местоположением на трубопроводе.

В четвертой главе приводится описание экспериментальной установки, результаты экспериментальных исследований, приведены результаты обработки экспериментальных данных.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целями и решенными задачами.

На основании проведенных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

1.Динамический диапазон колебания концентрации твердой фазы в транспортируемой по трубопроводу жидкой среде в диапазоне 0,25 0,35 объема изменяет степень нелинейности среды на 2 2,5 %, что является допустимым для уверенной корректной регистрации гидродинамических характеристик потока с целью определения линейной координаты неисправности трубопровода.

На основе анализа существующих методов и систем обнаружения утечек в трубопроводе как альтернативный вариант предложен метод сканирующего трубопровод единичного импульса давления как носителя информативного параметра о состоянии транспортной трубопроводной системы. Описание гидродинамических процессов в трубопроводе при сканировании его единичным импульсом позволяет получить соответствующие уравнения, решение которых дает выражения для значений давления и скорости в точке в любой момент времени ; а так же получить уравнения для определения координаты места повреждения

, (1)

где x1 – местоположение источника импульса.

Изменение давления по длине трубопровода [м] и в функции времени [с] зависит от скорости среды [м/c] и плотности [кг/м3], которые, в свою очередь, зависят от концентрации твердого в транспортируемой среде. Это иллюстрируется осциллограммой (рис.1), полученной на упругой жидкости.





При наличии утечки в трубопроводе наблюдается «отклик» системы на единичный импульс давления. Данный сигнал интерпретируется как информативный параметр о наличии утечки и местоположении этой утечки на трубопроводе. На рис.1 изображены сигналы с датчика давления и пьезокерамического датчика колебаний трубопровода. Т.о, опытным путем подтверждается: корреляционная связь показаний датчиков; т.е. метод акустической эмиссии подтверждает метод виброакустических колебаний с незначительным запаздыванием, что для практических целей не имеет значения.

Рис.1. Характеристики: 1 –сигнал с датчика давления; 2 – сигнал с пьезодатчика (ВАК)

Характеристики, полученные на стенде рис.4 для трубы диаметром dтр=12,7мм, заполненного водой с отверстием диаметром dо=2мм с координатой x=10м при сканировании трубопровода единичным импульсом давления.

Этот факт позволил предложить принципиально иной способ выделения и распространения информативного параметра потока. Суть его заключается в следующем: технологические гидроудары присутствуют в ТС всегда и «пронизывают» ТС на всем ее протяжении. Широкополосные импульсы высокой энергетической эффективности вызывают виброакустические колебания стенок трубопровода (не акустическую эмиссию потока).

В зависимости от дефектов трубопровода (локальное утоньшение, трещины, коррозия) спектральные свойства ВАК (например, АХЧ) для этих участков труб имеют индивидуальные признаки. Сами же гидроудары (512 раз в сутки) следуют во времени по случайному закону.

Известен факт, что трубы разрушаются как от уровня энергетического воздействия на них со стороны потока, так и от частоты и закономерности следования импульсов. Потому идея предполагаемого метода диагностики труб (см. табл.) может быть упрощенной: в лабораторных условиях определяется уровень критического воздействия (число импульсов - гидроударов).

Т.о, можно утверждать, что есть отклик трубопровода с неисправностью на единичный импульс давления. Это и есть искомый информативный параметр о наличии утечки. Изложенное позволяет также судить о том, что может быть найдено и положение этой утечки на трубопроводе.

На практике приходится иметь дело не только с линейными трубопроводами, а с реальной транспортной системой, поэтому предлагаемые методики на практике нужно трансформировать для конкретных случаев.

Наличие твердой фазы в пульпе вносит искажения в характер распространения импульса в многофазной среде, а также меняется скорость распространения импульса в среде. В диссертационной работе было предложено рассчитывать зависимость вязкости пульпы и скорости распространения звука , используя методы теории обобщенной проводимости и приведения к элементарной ячейке, моделирующий неоднородную среду.

В методах моделирования структуры пульпы возможны разные подходы к решению задачи. Наиболее распространенным является метод перехода к элементарной ячейке. Гипотеза об адекватности хаотической и упорядоченной структур предполагает, что эти структуры (рис.2) характеризуются одинаковыми эффективными свойствами, если свойства компонентов и их концентрация одинакова.

В рассматриваемом случае неоднородности одного вида расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и элементарная ячейка обладает свойством представительного элемента, т.е. минимального объема неоднородной системы, физические и геометрические свойства которого соответствуют свойствам всего массива.

Рис.2.Схема перехода от хаотической структуры материала с изолированными включениями к соответствующей ей упорядоченной структуре.(1 – твердое вещество; 2 - жидкость).

Используя дробление ячейки сечениями Рэлея, получим следующие соотношения для вязкости пульпы в случае адиабатного (2), изотермического (3) и комбинированного (4) способов дробления.

(2)

(3)

(4)

- динамическая вязкость среды ,

- концентрация второй компоненты (твердая составляющая).

На рис.3. представлены расчетные зависимости вязкости пульпы от концентрации твердого для различных способов дробления элементарной ячейки.

Как видно из рисунка 3, при изменении концентрации от 0,25 до 0,35 части твердого в общей доле пульпы, вязкость пульпы изменяется очень незначительно, и это обстоятельство подтверждает тот факт из практического опыта эксплуатации трубопроводов, что перемещаемый по трубопроводу поток можно считать упругой средой, и все аналитические выражения, используемые в математических моделях потока, справедливы и поток, как упругая среда, является хорошим каналом для передачи информации в виде спектра изменяющегося давления.

 Расчетные зависимости значения-23

Рис.3. Расчетные зависимости значения вязкости пульпы от концентрации твердой фазы.(1-изотермическое дробление;2-адиабатное дробление;3-комбинированное дробление)

Для повышения надежности и качества работы гидротранспортных систем в СПГГИ(ТУ) на кафедрах электротехники и электромеханики и горно-транспортных машин разработана система автоматического контроля повреждений трубопроводных гидротранспортных магистралей для многокомпонентных потоков.

Эта система реализована на опытном стенде, который представлен на рис.4.

Динамические процессы в гидросистеме исследуются с помощью датчиков давления, в качестве чувствительных элементов используется слой пьезокерамики, нанесенный на мембрану датчика. Сигнал от них передается через плату сбора данных на микропроцессорную систему, на которой реализован алгоритм цифровой фильтрации сигнала и выделение информативных параметров.

 Лабораторная установка испытаний-24

Рис.4. Лабораторная установка испытаний труб различной изношенности, их тестирование, обучение эталонного нейросетевого эквивалента системы диагностики, где ИДВАК – интеллектуальный датчик вибро-акустических колебаний; 1, 2, 3, 4 – участки трубопровода с различной степенью изношенности(см. таблицу).

Создание систем автоконтроля целостности трубопроводной системы пульповодов подразумевает решение двух задач:



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.