Способ диагностики технического состояния трубопровода путем анализа декремента модального затухания
METHOD FOR DIAGNOSING THE TECHNICAL CONDITION OF A PIPELINE BY ANALYZING THE MODAL DAMPING DECREMENT

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля, а именно к вибрационной диагностике и может быть использовано для анализа технического состояния трубопроводов.
Известен способ неразрушающего контроля узлов тележек железнодорожных вагонов и устройство для его реализации (патент РФ 2480741, 26.10.2011), заключающийся в том, что размещают на поверхности контролируемого объекта источники акустических колебаний, вводят акустические колебания в контролируемый объект, принимают и регистрируют затухающие акустические колебания, отраженные от дефекта, посредством лазерного сканирования, преобразуют результаты измерения в электрический сигнал с последующей электронной обработкой полученных сигналов, в том числе с применением компьютера, управляемого специальной программой, с запоминанием результатов обработки в памяти процессора компьютера и возможностью вывода их на дисплей, при этом местоположение источника акустических колебаний и приемника отраженных акустических сигналов на поверхности контролируемого объекта, выбирают в зависимости от конструкции конкретного контролируемого узла; ввод акустических колебаний в контролируемый объект осуществляют посредством нанесения механических ударов в определенной зоне, зависящей от типа конкретного объекта; прием отраженных акустических сигналов осуществляют посредством титановой иглы, установленной в упругом элементе, являющейся одновременно модулятором оптической системы лазерного сканера, а специальная программа для осуществления компьютерной обработка результатов измерения разработана с использованием вейвлет-анализа.
Одним из недостатков данного способа является низкая информативность колебаний ввиду массивности объекта контроля и малого размера дефекта. Другим недостатком является возбуждение посредством удара по контролируемому объекту, удар должен быть очень сильным ввиду большой массы объекта и строго нормируемым по силе и месту удара.
Известен способ технического диагностирования упругих трубопроводов и устройство для его осуществления (патент РФ №2468263, 21.09.2010), заключающийся в том, что испытуемый трубопровод заполняют жидкостью, подаваемой насосом, генератором импульсных возмущающих воздействий создают в ней импульсы с частотой, равной частоте собственных колебаний испытуемого трубопровода с жидкостью, после прекращения этого воздействия осуществляют сброс избыточного давления с помощью регулируемого клапана, в процессе сброса определяют параметры затухающих колебаний давления жидкости в испытуемом трубопроводе и по отклонению их от эталонных значений судят о техническом состоянии и остаточном ресурсе испытуемого трубопровода, причем после создания импульсного возмущающегося воздействия производят гидроудар в испытуемом трубопроводе путем резкого перекрытия движения потока жидкости запорным клапаном, в процессе которого определяют параметры затухающих колебаний давления жидкости в испытуемом трубопроводе.
Недостатком данного способа является сложность конструкции и необходимость использования громоздкого и дорогостоящего оборудования. Кроме того, гидроудар является элементом разрушающего контроля, и может привести к порче оборудования. Другим недостатком является то, что колебания возбуждаются не в самом объекте контроля, а в жидкости, находящейся в нем.
Известен способ для неразрушающего контроля многослойных изделий и устройство для его реализации (патент РФ №2168722, 22.06.1998), заключающийся в нанесении механических ударов по поверхности контролируемого изделия и анализе реакции изделия на эти удары, отличающийся тем, что удары наносятся свободно падающим ударником, изготовленным из ферромагнитного материала, а в момент отскока на него воздействуют строго дозированным электромагнитным импульсом, придающим ударнику дополнительное ускорение вверх и компенсирующим потери энергии при ударе, обусловленные затратами энергии на создание в изделии и окружающем пространстве упругих акустических волн (внутреннее трение) и пластическую деформацию поверхностных слоев соударяющихся тел, причем величину этих потерь определяют путем измерения периода установившихся колебаний ударника или амплитуды этих колебаний.
Недостатком данного способа является низкая достоверность регистрируемых сигналов, так как микрофон регистрирует не только колебания объекта контроля, но и посторонние шумы, при этом у микрофона имеется собственный фон. Кроме того, при прохождении информативного сигнала от колеблющейся поверхности до микрофона через воздушную среду часть информации может быть утеряна или заглушена посторонними шумами.
Известен способ инерциального возбуждения механических колебаний в упругой оболочке (патент РФ на изобретение №2705515, 11.03.2019), заключающийся в генерировании механических колебаний, регистрации параметров колебаний стенок упругой оболочки посредством чувствительного элемента и дальнейшем анализе параметров этих колебаний в персональном компьютере, отличающийся тем, что на стенке упругой оболочки устанавливают источник колебаний, представляющий собой инерциальный резонатор, состоящий из электропривода и закрепленного на его валу эксцентрика, при вращении которого возникают инерционные силы, реализующие через ось привода вибрационное воздействие на стенки упругой оболочки.
Известен виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций (патент РФ на изобретение №2734724, 20.04.2020),согласно которому осуществляют генерирование звуковых колебаний с резонансной частотой посредством динамического излучателя и регистрацию сигнала динамического излучателя посредством чувствительного элемента, отличающийся тем, что осуществляют генерирование волн Лэмба с резонансной частотой, находящейся в диапазоне от 250 до 15000 Гц, при этом регистрацию колебаний осуществляют через одинаковые интервалы по всей длине диагностируемого объекта, далее по результатам измерений, регистрируемых чувствительным элементом, строят график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения, производится анализ полученных результатов, в точках, где график амплитуд колебаний трубопровода выходит за пределы доверительного интервала, находится зона дефекта, а определение размера дефекта основывается на степени выхода графика амплитуды колебания трубопровода за пределы доверительного интервала.
Недостатком данных способов является невысокая достоверность ввиду того, что возбуждение резонансных, незатухающих колебаний в стенке объекта контроля колебаний происходит непрерывно, из-за чего может быть заглушена информативная часть спектра, несущая информацию о наличии и размерах дефекта, при этом необходимо производить большое количество сканирующих операций в связи с необходимостью возбуждения нескольких резонансных частот объекта контроля.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа диагностики технического состояния трубопровода путем анализа модального декремента затухания и перераспределения колебательной энергии по модам в процессе затухания полезного сигнала, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение достоверности и точности оценки технического состояния трубопровода с применением мобильного и не дорогостоящего оборудования.
Технический результат достигается тем, что в способе диагностики технического состояния трубопровода путем анализа декремента модального затухания, согласно которому осуществляют генерирование механических колебаний в стенке трубопровода посредством инерциального резонатора и регистрацию колебаний трубопровода посредством пьезоэлектрического датчика, согласно предлагаемому изобретению, инерциальным резонатором возбуждают резонансные колебания в стенке трубопровода, после чего при мгновенном отключении внешнего источника питания инерциального резонатора происходит дальнейшее вращение резонатора по инерции с замедлением частоты вращения при выбеге резонатора до полной остановки; во время выбега резонатора происходит непрерывная регистрация затухающих колебаний стенок трубопровода пьезоэлектрическим датчиком; записанный затухающий сигнал колебания стенок трубопровода разбивается на необходимое количество одинаковых временных интервалов, по каждому из которых формируется спектр для последующего сравнения полученных временных спектров на предмет перераспределения колебательной энергии в этих спектрах, при этом по декременту затухания каждой частоты судят о наличии и размерах дефекта; при этом критерием, определяющим необходимое количество одинаковых временных интервалов, является скорость затухания записанного сигнала: чем меньше скорость затухания сигнала, тем больше количество одинаковых временных интервалов; при этом величина одинаковых временных интервалов определяется частотой дискретизации технических средств.
Для определения оптимального количества интервалов, исходя из мощности выборки, используется формула Стерджесса:
Затем весь диапазон значений от минимального до максимального разбивается на равные части, при этом ширина интервала определяется по формуле:
min
max
max
min
где первый интервал начинается в X, а последний интервал заканчивается в X (с номером m). X и X являются крайними значениями признака - максимальным и минимальным соответственно, а признаком является амплитуда затухающего сигнала.
Сущность способа поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема реализации предлагаемого способа (фигура 1):
1 - персональный компьютер;
2 - аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователь;
3 - инерциальный резонатор;
4 - пьезоэлектрический датчик;
5 - трубопровод.
Способ диагностики технического состояния трубопровода путем анализа декремента модального затухания осуществляется следующим образом.
Из персонального компьютера 1 подают сигнал через цифроаналоговый преобразователь 2 на инерциальный резонатор 3, который начинает генерировать в трубопроводе 5 вынужденные колебания с резонансной частотой. После чего при мгновенном отключении внешнего источника питания инерциального резонатора происходит вращение резонатора по инерции, при этом происходит замедление частоты вращения при выбеге резонатора до полной остановки; во время выбега резонатора происходит непрерывная регистрация затухающих колебаний стенок трубопровода пьезоэлектрическим датчиком 4. Сигнал от пьезоэлектрического датчика направляется в персональный компьютер 1 через аналого-цифровой преобразователь 2. Записанный затухающий сигнал колебания стенок трубопровода разбивается на необходимое количество одинаковых временных интервалов, по каждому из которых формируется спектр для последующего сравнения полученных временных спектров на предмет перераспределения колебательной энергии в этих спектрах, при этом по декременту затухания каждой частоты судят о наличии и размерах дефекта.