Диагностика вибраций магистральных трубопроводов в системах управления движением внутритрубных объектов

УДК 624.21.02

Н.Н. Бочкарев, А.А. Курочкин, М.И. Андреев

Диагностика вибраций магистральных трубопроводов в системах управления движением внутритрубных объектов

Представлены результаты полевых измерений спектральных характеристик вибраций магистрального газопровода при движении очистного скребка. Эксперименты проведены с использованием чувствительного акселерометра, подключаемого к портативному спектроанализатору. Полученные данные демонстрируют возможность определения местоположения и скорости движения внутритрубного объекта в магистральном трубопроводе.

Ключевые слова: вибрации, магистральный газопровод, очистной скребок, спектральные характеристики.

При эксплуатации магистральных газопроводов происходит загрязнение внутренней поверхности трубы продуктами транспортирования и конденсатом, что приводит к снижению скорости потока газа, уменьшению пропускной способности газопровода и ускорению коррозийных процессов. C целью механической очистки и контроля состояния трубопровода в него запускают очистные устройства и дефектоскопы - внутритрубные объекты (ВТО). В некоторых случаях эти устройства застревают внутри трубы. Если не удается заставить ВТО продолжить движение, то устанавливают его местоположение и извлекают с нарушением целостности трубы.

Местоположение застрявшего в трубе ВТО определяют с помощью специальных приборов - сигнализаторов перемещения ВТО. Наиболее эффективна система [1], функционирующая в реальном времени на дальностях до 100 км с точностью 3%, для которой автономный акустический излучатель устанавливается на последний фланец очистительного устройства, а измерительный микрофон через муфту закрепляется во внутритруб-ном пространстве на конце трубопровода. Недостатки устройства очевидны: низкая точность, нарушение целостности трубопровода и необходимость в дополнительном устройстве - акустическом излучателе.

Перспективным представляется вибрационный метод контроля, относящийся к технической диагностике, цель которой - выявление возможностей и условий дальнейшей эксплуатации диагностируемого оборудования и в конечном итоге повышение промышленной и экологической безопасности. Вибрации являются неотъемлемым показателем работы многих природных и техногенных систем, в том числе и трубопроводного транспорта. При движении ВТО воздействует на стенки и внутренние сварные швы трубопровода, возбуждая волновой процесс и ударные импульсы, которые распространяются по стенке трубы на значительные расстояния. Их форма и амплитуда зависят от скорости движения ВТО, размеров внутренних выступов сварных швов и демпфирующих свойств внешней среды трубопровода.

Возникающие ударные импульсы возбуждают колебательные процессы: а) во внутреннем пространстве трубы - нормальные волны, соответствующие модам поперечного резонанса, решение уравнения для которых - обобщенное уравнение Бесселя - хорошо известно для бегущих и стоячих волн [2]; б) в стенке трубопровода - волны Лэмба нулевого порядка - продольная волна и волна сдвига, а также волны Лэмба ненулевого порядка, крутильные волны, которые экспоненциально быстро затухают.

Вибрации трубопровода во время и при отсутствии движения ВТО должны отличаться по форме и спектру вибросигнала. Для установления этих отличий требуется определение частотной области вибраций трубопровода при воздействии на него движущегося ВТО.

В настоящей работе приведены результаты натурных исследований во время очистки участка газопровода Юрга - Новосибирск (Юргинского ЛПУ МГ) очистным скребком в летний период. Датчик-акселерометр был установлен на крановом узле, диаметр которого 0,72 м, и на расстоянии 674 м от камеры запуска очистного скребка. Средняя длина труб, из которых изготовлен трубопровод, - 11,5 м.

Измеренные вибрации газопровода в штатном режиме транспортировки газа показали максимальные амплитуды по виброускорению в частотном диапазоне 2-6 Гц. Это собственные частоты колебаний кранового узла, возбуждаемые работой газоперекачивающего

210

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

оборудования. Поэтому полный частотный диапазон расчетного спектра был принят в диапазоне 2-5000 Гц.

После начала движения очистного скребка по магистральному газопроводу формы виброграмм изменялись, что обусловлено ударами головного фланца скребка о внутренние сварные швы.

Анализ записей виброграмм ударных импульсов, зарегистрированных в экспериментах, позволяет сделать следующие выводы.

На рис. 1 представлена виброграмма, соответствующая первым 27 с после начала движения очистного скребка от камеры запуска, расстояние от которой до места установки датчика соответствовало 674 м.

Видно, что на виброграмме появились устойчиво различимые периодические импульсы от виброударов, среднее время повторения которых 2,31 с. На частотном спектре (рис. 2), соответствующем указанному промежутку времени, можно выделить следующие спектральные диапазоны максимальных амплитуд: 2,5-6,8; 588-595; 567-570; 290320; 168-205; 120-135; 69-75; 660-705 Гц.

Для вычисления спектров отдельных виброударов из виброграмм выделялись участки длиной 0,2 с, поскольку время затухания виброудара близко к этому значению. Например, из виброграммы рис. 1 выбираем участок на 1-й секунде, который в развернутом виде показан на рис. 3. Соответствующий спектр виброудара на рис. 4 имеет максимальные значения амплитуды на частотах: 592; 296; 414; 199; 72; 129; 471 Гц.

Частотные спектры вибросигналов на различных участках движения ВТО отличаются в частотном диапазоне 10-1000 Гц.

Время, с

Рис. 1. Виброграмма трубопровода за 0-27 с от начала движения ВТО

Частота, Гц Рис. 2. Спектр вибраций трубопровода за 0-27 с от начала движения ВТО

Время, с Частота, Гц

Рис. 3. Виброудар на 1-й секунде движения ВТО Рис. 4. Спектр виброудара на 1-й секунде

движения ВТО

В спектрах вибраций, вычисленных после начала движения очистного скребка, появляются частоты с максимальными амплитудами в диапазонах: 660-705, 588-595, 567-570, 290-320, 168-205, 120-135, 69-75 Гц. Наличие этих частот свидетельствует о движении ВТО по трубопроводу и является диагностической количественной характеристикой.

Виброграммы всех виброударов имеют сложную форму, однако в них присутствуют характерные детали. Например, коэффициент затухания для характерной частоты 592 Гц имеет значения 8,1-14,9.

Измеряя время между виброударами, что соответствует времени прохождения очистного скребка одного пролета трубопровода, а также зная среднюю длину пролета трубы, можно определить скорость движения ВТО в любой момент времени. Например, среднее время повторения виброударов за интервал 0-138 с - 2,45 с, тогда средняя скорость движения - 4,9 м/с.

Полученные данные демонстрируют возможность определения положения и скорости движения очистного скребка в любой момент времени при непрерывной регистрации вибраций трубопровода.

Предложенный метод контроля движения ВТО технологически прост, поскольку не требует нарушения изоляции трубопровода, сварных работ по установке датчика или специальных приспособлений для его крепления.

Работа выполнена при поддержке госконтракта № 14.740.11.0076 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Литература

1. Супрунчик В.В., Коновалов Н.М., Мызников М.О. Система сопровождения внут-ритрубных снарядов «ССВС-001» // Трубопроводный транспорт. - 2003. - № 12. -С. 9-12.

2. Скучик Е.Н. Основы акустики. - М.: Мир, 1976. - Т. 2. - 542 с.

Бочкарев Николай Николаевич

Д-р физ.-мат. наук, научный сотрудник

Института оптики атмосферы (ИОА) им. В.Е. Зуева СО РАН Тел.: +7-906-951-15-90 Эл. почта: bonic@iao.ru

Курочкин Андрей Александрович

Ведущий инженер по испытаниям ОАО «Научно-производственный центр «Полюс»

Тел.: (382-2) 55-46-94

Эл. почта: kuroch74@mail.ru

Андреев Михаил Иванович

Зам. зав. филиалом каф. компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа в ИОА им. В.Е. Зуева СО РАН Тел.: (382-2) 49-04-76 Эл. почта: ami@nm.ru

Bochkarev N.N., Kurochkin A.A., Andreev M.I.

Diagnostics of trunk pipeline vibrations in control systems of objects movement inside pipeline

The results of experimental measurements of the spectral characteristics of a trunk gas pipeline vibrations are presented for the case of cleaning scraper movement. The experiments have been carried out with the use of sensitive accelerometer connected to portable spectrum analyzer. The data obtained demonstrate a possibility to determine a location and movement velocity of the object inside a trunk pi peline.

Keywords: vibrations, trunk pipeline, cleaning scraper, spectral characteristics.