СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ В МОРСКИХ ЛЕДОСТОЙКИХ ПЛАТФОРМАХ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION AND DIAGNOSTICS OF DEFECTS IN MARINE ICE-RESISTANT PLATFORMS

Изобретение относится к инфразвуковой диагностике и предназначено для использования в стационарных ледостойких морских платформах башенного типа.
Известны способы обнаружения и диагностики дефектов в металлических конструкциях морских сооружений, основанные на акустической эмиссии дефектов в виде трещин, утоньшения элементов конструкции вследствие коррозии, раковин, отслоения металла [1]. Согласно описанию способ акустико-эмиссионного контроля предназначен для выявления потенциально опасных дефектов магистральных трубопроводов, но может быть применен для контроля и других линейно-протяженных металлических конструкций, например мачт или башен. При контроле к испытуемой конструкции прикладывают внешние изгибающие усилия. В процессе пластической деформации конструкция издает звуки, обусловленные раскрытием трещин, или скольжением кромок сварных швов при нарушении их сплошности. Звуки улавливаются накладными акустическими датчиками и регистрируются в компьютере. О наличии дефектов и их характере судят по амплитуде и частоте спектра акустической эмиссии. Применительно к поставленной задаче недостаток данного способа заключается в необходимости прикладывать к конструкции дополнительные внешние усилия, которые бы деформировали конструкцию в такой степени, при которой образуются акустические сигналы. Для диагностики морской платформы потребовались бы внешние изгибающие усилия башни в сотни тонн, что практически не реализуемо.
Известны также способы и устройства акустической дефектоскопии, основанные на просвечивании ультразвуковым лучом потенциально опасных узлов конструкции [2, 3]. В этих устройствах анализ отраженных импульсов от потенциальных дефектов конструкции выполняют аналоговым или цифровым методом по величине задержки отраженных сигналов, их амплитуде, форме и спектральному составу. Временная задержка отраженных акустических сигналов позволяет определить расстояние до дефекта, а амплитуда, форма и спектральная характеристика дают количественную и качественную оценки. Для мониторинга дефектов морской платформы, находящейся в эксплуатации, методы традиционной акустической дефектоскопии не пригодны, так как пока не могут выполняться в автоматическом режиме и требуют постоянного участия обслуживающего персонала.
Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности признаков является "Способ и устройство для обнаружения и диагностики дефектов газовых трубопроводов" [4]. Этот способ, использующий естественный шум газового потока, заключается в том, что на трубе устанавливают накладной датчик продольных колебаний, с его помощью записывают в память вычислительного устройства оцифрованный шумовой сигнал, содержащий в себе отражения от дефектов трубопровода, а затем вычисляют функцию автокорреляции записанного сигнала, при этом координаты дефектов определяют по положению максимумов функции автокорреляции на временной оси, а классификацию дефектов производят по амплитуде, длительности и форме корреляционных максимумов. Устройство для обнаружения и диагностики дефектов трубопроводов содержит датчики продольных колебаний, установленные на фиксированных расстояниях вдоль трубы, усилители сигналов от датчиков, аналого-цифровые преобразователи и интерфейсные блоки для связи с компьютером.
Недостатком способа и устройства выбранного прототипа является невозможность его использования в объемных стальных конструкциях с разветвленной структурой составных элементов, какими являются морские платформы. В таких конструкциях шумовой сигнал звукового диапазона имеет многократные переотражения от концевых элементов, а не только от дефектов, что не позволило бы выделить полезный сигнал и использовать его для целей диагностики.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства обнаружения и диагностики дефектов, свободных от недостатков аналогов и прототипа. Требуется построить систему диагностики, которая бы позволила обнаруживать и осуществлять непрерывный мониторинг дефектов морских ледостойких платформ, потенциально подверженных аварийным ситуациям. Указанная цель достигается предлагаемым способом и устройством, реализующим этот способ.
1. Способ обнаружения и диагностики дефектов в конструкции ледостойких морских платформ башенного типа, использующий собственные изгибные колебания платформы под действием ледовых нагрузок, волнения и ветра, заключается в том, что на платформе устанавливают двухкомпонентный датчик горизонтальных ускорений и с его помощью регистрируют в компьютере амплитуду, форму и частотный спектр колебаний, содержащих в себе информацию о наличии и характере дефектов в напряженных узлах конструкции. Затем вычисляют количественные оценки дефектов по формулам, устанавливающим связь между параметрами колебаний и дефектами, при этом образование трещин и разрывов в опорных узлах конструкции определяют по наличию и амплитуде четных гармоник в спектре колебаний, а суммарную количественную оценку усталости металла определяют по снижению добротности колебаний, проявляющейся в ширине спектра основной гармоники.
2. Устройство по п.1, содержащее двухкомпонентный датчик горизонтальных ускорений, усилители сигнала датчика, аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок, отличается тем, что устройство дополнено двумя активными RC-фильтрами инфразвукового диапазона, при этом связи между узлами устройства выполнены согласно Фиг.1.
Преимущество предлагаемого способа, позволяющего устранить недостатки аналогов и прототипа, заключается в том, что он позволяет обнаруживать и постоянно оценивать дефекты в виде трещин и разрывов опорных узлов, а также усталость металла в стационарных конструкциях башенного типа в непрерывном режиме в течение всего срока эксплуатации.
Принцип действия способа основан на том, что при возникновении дефектов в виде трещин и разрывов сварных швов в критичных сечениях морской платформы, твердо стоящей на дне, ее изгибная жесткость нарушается. При наклоне платформы в сторону раскрытия трещин и разрывов ее жесткость снижается, а при движении в обратную сторону восстанавливается до исходного уровня. В результате нарушения симметрии изгибной жесткости длительность и размах отрицательного и положительного полупериодов колебаний конструкции становится различной. Из теории спектров известно, что нарушение симметрии положительного и отрицательного полупериодов колебаний (длительности или амплитуды) приводит к появлению в спектре четных гармоник - второй, четвертой и т.д. При других типах искажений гармонического колебания, но при сохранении симметрии положительного и отрицательного полупериодов, в спектре присутствуют только нечетные гармоники - третья, пятая и т.д. Таким образом, спектральный анализ наличия четных гармоник в спектре колебаний позволяет обнаруживать и количественно оценивать наличие трещин и разрывов в напряженных узлах конструкции платформы.
Если мелкие, но многочисленные усталостные трещины присутствуют одинаково с обеих сторон конструкции платформы в плоскости колебаний, то симметрия не нарушается и четные гармоники не образуются. Но и в этом случае при наличии большого числа мелких трещин общая изгибная жесткость конструкции снижается, а главное возрастают потери на внутреннее трение, в результате чего снижается добротность колебательной системы. Снижение добротности проявляется в том, что продолжительность колебаний платформы, вызванных одиночным силовым импульсом, снижается пропорционально этому показателю. В качестве примера можно привести хрустальный бокал, имеющий высокую добротность колебаний. При ударе по корпусу хрустальный бокал звучит долго, издавая чистый тон. При наличии трещины в стенке бокала звучание быстро затухает, а в тоне прослушивается дребезг. Спектральный анализ такого звучания обнаруживает четные гармоники и низкую добротность. Таким образом, добротность колебательной системы является мерой скорости затухания колебаний. Применительно к морской платформе снижение добротности ее изгибных колебаний от исходного значения является интегральным диагностическим признаком усталости металла независимо от наличия в спектре четных гармоник. Снижение добротности колебаний проявляется при больших амплитудах, когда происходит раскрытие средних и мелких трещин. Такие явления наблюдаются в активные периоды ледовых нагрузок, или в штормовую погоду с высоким волнением и сильным ветром. Показатель добротности измеряется спектральным методом по ширине полосы основной гармоники колебаний. Существует критический уровень снижения добротности, при котором состояние платформы считается аварийным. Частота колебаний не может использоваться в качестве диагностического признака, поскольку зависит не только от суммарного количества трещин, но также от уровня технологической загрузки платформы, уровня воды в море, обледенения и других факторов.
Сигналы на выходе датчика ускорений содержат как низкочастотную, так высокочастотные составляющие звуковых частот. При этом амплитуда высокочастотных составляющих, обусловленных технологическими шумами платформы (работа буровых механизмов, двигателей и т.п.), может на три порядка превышать полезный низкочастотный сигнал, поскольку амплитуда ускорений пропорциональна квадрату частоты. Для выделения низкочастотного полезного сигнала на фоне многократно превосходящих шумов необходимо применение полосовых фильтров с достаточно большим коэффициентом передачи. Этому условию удовлетворяют активные RC-фильтры, построенные на базе операционного усилителя с положительной обратной связью через RC-цепь с комплексным импедансом.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности обнаружения и диагностики трещин и разрывов в напряженных узлах конструкции морских нефтегазовых платформ, а также усталости металла в процессе эксплуатации. Результат достигается тем, что устройство, содержащее двухкомпонентный датчик горизонтальных ускорений, установленный на палубе морской платформы, дополнено двумя активными RC-фильтрами инфразвукового диапазона.
Блок-схема устройства приведена на Фиг.1. В состав устройства входят: двухкомпонентный датчик ускорений 1, активные RC-фильтры инфразвукового диапазона 2, буферные усилители сигналов датчика 3, аналого-цифровой преобразователь 4, интерфейсный блок 5, формирующий последовательный интерфейс для связи с компьютером по кабельной линии. Блоки устройства связаны между собой так, что выходы датчика 1 подключены к входам активных RC-фильтров 2, выходы фильтров подключены к входам усилителей 3, выходы усилителей поданы на входы аналого-цифрового преобразователя 4, который связан параллельной шиной с входом интерфейсного блока 5.
Работа устройства происходит следующим образом.
Под действием динамической составляющей ледовых нагрузок, волнения и ветра морская ледовая платформа башенного типа, твердо стоящая на дне, испытывает изгибные колебания с частотой, близкой к собственному резонансу, в диапазоне от 0,2 до 1 Гц. Амплитуда колебаний зависит от изгибной жесткости и момента инерции платформы, а также от величины переменной составляющей воздействующих внешних сил и от их периодичности. Двухкомпонентный датчик ускорений, установленный на палубе платформы, воспринимает две ортогональные проекции горизонтальных колебаний и передает их в компьютер. Компьютер геометрически суммирует две проекции колебаний и вычисляет полный вектор. В компьютере анализируются также амплитуда основной гармоники колебаний и частотный спектр. Из полного спектра выделяются три четных гармоники со второй по шестую, определяются их амплитуды и вычисляется количественная оценка дефекта по эмпирической формуле.
Измеряется ширина спектральной линии основной гармоники и по ней вычисляется добротность собственных колебаний конструкции. Полученное значение добротности сравнивается с исходным паспортным значением при вводе сооружения в эксплуатацию и дается оценка усталости металла в напряженных углах за период от начала эксплуатации.
Информация об обнаруженных дефектах и усталости металла накапливается в базе данных компьютера, что позволяет отслеживать развитие дефектов и прогнозировать аварийные ситуации.
Источники информации
1. RU 2207562, 27.06.2003 г. Способ акустико-эмиссионного контроля технического состояния трубопроводов.
2. RU 97100536, 10.02.1999 г. МПК G01N 29/00. Многопараметрический дефектоскоп.
3. RU 2089896, 10.09.1997 г. МПК G01N 29/10. Способ исследования дефектов трубопровода и устройство для его осуществления.
4. RU 2422814, 09.04.2010 г. МПК G01N 29/04. Способ и устройство для обнаружения и диагностики дефектов газовых трубопроводов (прототип).