Способ определения участков коррозии труб методом выделения упругих стоячих волн из микросейсм
METHOD FOR DETECTING PIPE CORROSION AREAS BY ISOLATING ELASTIC STANDING WAVES FROM MICROSEISMS

Изобретение относится к области геофизических методов качественной оценки и контроля состояния инженерных сооружений (труб) при их эксплуатации.
Одна из актуальных проблем диагностики трубопроводов на предмет внутренних дефектов заключается в том, что для наиболее экономически эффективного их устранения необходимо обнаружить и локализовать дефекты на ранней стадии их развития, что особенно важно при работах по выявлению очагов коррозии из-за многократного удорожания ремонта в случае их развития. Что обуславливает не только необходимость периодичности мониторинга состояния конструкции, но и способность используемого диагностического метода реагировать на небольшие изменения в конструкции сооружения или состоянии материала.
Такой контроль может осуществляться различными методами - георадара, ультразвуковой и микроволновой дефектоскопии, инфракрасной термографии, вихретоковых электрических исследований, магнитного контроля на основе собственных магнитных свойств материала [1-10].
На сегодняшний день наиболее точными и широко используемыми среди неразрушающих методов диагностики состояния трубопроводов являются внутритрубные методы: магнитный метод переменного намагничивания основного металла трубопроводов, заключающийся в пропускании переменного электрического тока по стенкам исследуемого трубопровода и измерении распределение переменного магнитного поля внутри стенок трубы, метод электромагнитно-акустического преобразования, заключающемся в трансформации электромагнитных волн в упругие акустические и метод акустического резонанса, являющийся наиболее точным из используемых и, также как и предложенный нами метод, основан на использовании стоячих волн.
Однако все эти методы являются внутритрубными, что накладывает ограничение на применимость данных методов к трубам малого диаметра, трубам с наличием жидкости (магнитный метод переменного намагничивания) и трубам с температурой выше 40° внутри {магнитный метод переменного намагничивания, метод акустического резонанса) [11].
Среди бесконтактных методов диагностики труб в настоящий момент используется бесконтактный магнитометрический метод, основанный на изменении электрического сопротивления материала под действием внешнего магнитного поля, однако из-за низкой помехоустойчивости метода, в отличии от заявляемого метода он может быть применим только на удаленных от городской инфраструктуры трубопроводных магистралях [11].
Задача изобретения состоит в создании способа определения участков коррозии труб, в том числе, на ранней стадии их образования, при размещения регистрирующей аппаратуры снаружи трубы, что делает его более универсальным, не накладывает ограничения на размеры трубы, температуру или характер жидкости внутри нее и позволяет использование как в городской инфраструктуре, так и за ее пределами.
Технический результат от использования изобретения: в отличии от широко используемых методов дефектоскопии, способ позволяет выделять очаги коррозии на ранней стадии их образования, когда большинство методов будет не чувствительно к изменениям, вызванными начальным этапом коррозии с высокой точностью измерений (на лабораторном стенде с точностью измерений ±0.25 мм).
Технический результат достигается предлагаемым способом определения участков коррозии труб методом выделения упругих стоячих волн из микросейсм, в котором регистрируемые на исследуемом участке трубы шумовые записи с высокой частотой дискретизации разбивают на фрагменты и вычисляют их амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом появление дополнительных мод типа сжатия-расширения помимо основных свидетельствует о наличии дефектов конструкции трубы, по горизонтальным компонентам мод сжатия-расширения локализуют местоположение участка коррозии.
В способе путем отслеживания появления дополнительных мод типа сжатия-расширения оценивают расстояние до дефектного участка из соотношения
n
p
где: ƒ - частота моды, n - номер моды стоячих волн, V - скорость продольных волн, h - расстояние от регистратора до дефектного участка.
В способе шумовые записи разбивают на фрагменты длительностью по 8192 отсчета и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов.
В способе также регистрируют вертикальную компоненту мод сжатия-расширения детальным профилированием на участке, локализованном с помощью обработки данных горизонтальной компоненты, и уточняют местоположение участка коррозии и оценивают его размер.
Предлагаемый способ определения дефектных участков труб базируется на описанном ранее пассивном сейсмическом методе [12-17], основанном на выделении из поля сейсмоакустических шумов стоячих волн, образующихся под действием естественных или искусственно созданных внешних акустических шумов, путем накопления большого числа амплитудных спектров шумовых записей.
По результатам физического моделирования и натурных экспериментов, накопление большого числа амплитудных спектров относительно коротких фрагментов шумовых записей приводит к появлению на усредненном спектре регулярных пиков, соответствующих стоячим волнам.
Для стоячих волн типа сжатия-растяжения, характерных для объекта определенной длинны или регистрируемых на некотором удалении от их источника колебаний, наблюдаются пучности этих волн, а их частоты кратны частоте низшей моды:
p
где n - номер моды стоячих волн, V - скорость продольных волн, h - расстояние от источника колебаний до регистратора.
Таким образом, зная распределение пиков на осредненном амплитудном спектре, соответствующих модам типа сжатия-расширения, возможно оценить расстояние до дефектного участка, путем отслеживая появления дополнительных мод (помимо основных) типа сжатия-расширения и определения величины h, которая соответствует расстоянию от регистратора до дефектного участка при выборе частоты дополнительной моды.
В качестве объекта исследования рассматривался лабораторный стенд, представляющий собой отрезок стальной трубы, характеризующийся отсутствием или наличием контролируемого очага коррозии с известным расположением. Исследовались собственные колебания образца трубы до и после создания корродированного участка методом, основанным на выделении стоячих волн из сейсмоакустических шумов.
Суть метода сводится к накоплению большого числа амплитудных спектров шумовых записей, в результате чего на усредненных (или накопленных) спектрах появляются последовательности пиков, соответствующие семействам стоячих волн разных типов.
В описываемой серии экспериментов регистрация сейсмоакустических шумов проводилась в лабораторных условиях. Для регистрации использовались пьезокерамические датчики поршневого типа с рабочей частотой от 0 до 50 кГц и цифровой осциллограф в качестве регистратора с выбранной частотой дискретизации 1 мГц.
Регистрация шумов производилась на внешней стенке трубы. Регистрировались вертикальные и горизонтальные компоненты сейсмоакустического шума. Источником акустического шума являлась циркуляция воды в трубе на лабораторном стенде.
При обработке экспериментальных данных, зарегистрированных в каждом эксперименте на отрезке трубы, шумовые записи разбивались на фрагменты длительностью примерно по 8.2 секунд (8192 отсчета), проводилось вычисление амплитудных спектров этих фрагментов и проводилось их накопление.
В результате на амплитудных спектрах проявились резкие пики, соответствующие модам типа сжатия-расширения. На фиг. 1 приведен амплитудный спектр стоячих волн корродированной трубы - горизонтальная составляющая. Римскими цифрами (без звездочки) обозначены номера мод типа сжатия-расширения, соответствующие неповрежденной трубе, а римскими цифрами (со звездочкой) обозначены номера мод типа сжатия-расширения, образованные в результате появления очага коррозии. На фигуре 1 наглядно видно, что частоты мод, соответствующих неповрежденной трубе, идут с равным интервалом и с первой моды по пятую соответствуют 3 кГц, 6 кГц, 9 кГц, 12 кГц, 15 кГц соответственно. Скорость продольных волн исследуемого образца была определена импульсным методом с помощью пьезокерамических источника и приемника и равняется 5438 м/с. Согласно формуле (1) данные моды соответствуют модам типа сжатия-расширения для всей длинны трубы. (3000 Гц=1×5438 (м/с)/2×0,9(м).
Дополнительные моды типа сжатия-расширения, обозначенные римскими цифрами со звездочкой, обладают другой частотой регулярных пиков. И появление таких мод означает появление дефекта конструкции, в нашем случае, вызванном наличием очага коррозии. Установить физическое местоположение корродированного участка можно, зная скорость распространения упругих волн в колонне и пользуясь соотношением (1). Частоты дополнительных мод типа сжатия-расширения, с первую по третью соответствуют 6,64 кГц, 13,28 кГц, 19,92 кГц. При известной скорости пробега продольных волн эти частоты будут соответствовать трубе длинной 0.41 м, что означает наличие дефекта на этом участке, что соответствует расположению участка трубы с искусственно созданным очагом коррозии.
На Фиг. 2 приведено поле изгибных стоячих волн, полученное в результате профильных измерений вертикальной компоненты сейсмоакустического шума с получением шумовых записей и выделению из них амплитудного спектра по используемой методике в каждой точке профиля. Труба измерялась по всей длине с шагом измерения в 0,01 м. На фигуре 2 (а) поле изгибных стоячих волн отражает распределение мод сжатия-расширения (вертикальная компонента), характерного для неповрежденной трубы. Фигура 2 (б) представляет поле изгибных стоячих волн для трубы с очагом искусственной коррозии, расположенном на расстоянии 0.4 м от первой точки профиля.
Видно, что зона коррозии отчетливо проявляется зоной понижения амплитуд стоячих волн, что позволяет наиболее точно локализовать очаг коррозии и выполнить оценку размеров его распространения. Более наглядно данный эффект виден на Фиг. 3, графике обобщенного амплитудного спектра для профильного участка 0.40-0.46 м, который характеризуется наличием очага коррозии на нем. В среднем амплитуда снизилась в 4 раза, по сравнению с неповрежденным участком.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что метод стоячих волн может успешно применяться для обнаружения и локализации дефектных участков труб и трубопроводов, в том числе обнаружения коррозии на ранних стадиях ее развития.
Также показано, что анализ стоячих волн типа сжатия-растяжения, возникающих в трубах под воздействием шумов позволяет точно локализовать местоположение дефектного участка и оценить размер очага коррозии по размеру участка изменения амплитуд стоячих волн.
В качестве объекта опробования методики выделения упругих стоячих волн была выбрана чугунная труба отопления жилого многоквартирного дома. Проводилась регистрация горизонтальной компоненты акустического шума. Время накопления данных составило 2 часа, однако кондиционные данные были получены через первые 12 минут. Для регистрации использовались пьезокерамические датчики поршневого типа с рабочей частотой от 0 до 50 кГц и цифровой осциллограф в качестве регистратора с выбранной частотой дискретизации 1 мГц.
На Фиг. 4 представлен полученный амплитудный спектр стоячих волн (горизонтальная компонента), на котором отчетливо выделяются множественные серии периодических пиков, соответствующих модам типа сжатия-расширения, вызванных как отражением упругих волн от конца трубы, так и внутренними дефектами, и неоднородностями, в том числе возможными корродированными участками.
Таким образом была продемонстрированная принципиальная возможность использования методики выделениях упругих стоячих волн из сейсмоакустического шума на действующих инженерных объектах.
Описанную методику возможно применить и к протяженным трубопроводам при использовании широкополосных геофонов с рабочей частотой до 300 Гц, что позволит проводить работы на участках длинной около 500 м.
Использованные источники информации
1. М. Mosharafi, S.B. Mahbaz, М.В. Dusseault, Ph Vanheeghe. Magnetic detection of corroded steel rebar: Reality and simulations. //NDT & E International, Volume 110, 2020, 102225, ISSN 0963-8695.
2. M. Choquet,  M. Massabki,  N.C. Bellinger, D. Forsyth, С.E. Chapman, R. Gould, J.P. Komorowski, and J.-P. Monchalin. Laser-ultrasonic detection of hidden corrosion in aircraft lap joints: Results from corroded samples. // AIP Conference Proceedings 557:1, 300-307, 2001
3. Mona Abouhamad, Thikra Dawood, Ahmad Jabri, Mohammed Alsharqawi, Tarek Zayed. Corrosiveness mapping of bridge decks using image-based analysis of GPR data // Automation in Construction, Volume 80, 2017, Pages 104-117, ISSN 0926-5805.
4. De Alcantara, N.P., Jr.; Da Silva, F.M.; Guimaraes, M.T.; Pereira, M.D. Corrosion Assessment of Steel Bars Used in Reinforced Concrete Structures by Means of Eddy Current Testing. Sensors 2016, 16, 15.
5. Baek, S., Xue, W., Feng, M.Q. et al. Nondestructive Corrosion Detection in RC Through Integrated Heat Induction and IR Thermography. J Nondestruct Eval 31, 181-190 (2012).
6. Jane W. Maclachlan Spicer, Robert Osiander, Leonard C. Aamodt, Robert B. Givens, "Microwave thermoreflectometry for detection of rebar corrosion," Proc. SPIE 3400, Structural Materials Technology HI: AnNDT Conference, (31 March 1998)
7. SeyedBijan Mahbaz, Maurice B. Dusseault, Giovanni Cascante, Philippe Vanheeghe; Detecting Defects in Steel Reinforcement Using the Passive Magnetic Inspection Method. Journal of Environmental and Engineering Geophysics; 22 (2): 153-166.
8. Subhra Majhi, Abhij it Mukherj ее, Nithin V. George, Victor Karaganov, Brian Uy. Corrosion monitoring in steel bars using Laser ultrasonic guided waves and advanced signal processing. // Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 149,2021,107176, ISSN 0888-3270
9. ShengHua Jiang, Hao Wang, AoZhou Liu. Rebar corrosion monitoring using magnetic gradient and partial modulus. // Measurement, Volume 164, 2020, 107994, ISSN 0263-2241.
10. Michel Saade, Samir Mustaphaio Assessment of the structural conditions in steel pipeline under various operational conditions - A machine learning approach. // Measurement, Volume 166, 2020,108262, ISSN 0263-2241.
11. Стренадко И.М., Чуйко Д.Е., Цыцеров E.H. Практический опыт диагностики и оценки состояниятрубопроводов тепловых сетей с использованием внутритрубных дефектоскопов. [Электронный ресурс]; // URL: http://www.rosteplo.ru
12. Федин К.В., Колесников Ю.И., Нгомайезве Л. Определение толщины льда по стоячим волнам // Процессы в геосредах. - 2019. - №4 (22). - С. 528-533
13. Колесников Ю.И., Федин К.В., 2017. Прямое определение резонансных свойств верхней части разреза по микросейсмам: натурный эксперимент. Технологии сейсморазведки, №3, с. 5-21.
14. Колесников Ю.И., Федин К.В., Нгомайезве Л. О влиянии сезонных изменений резонансных свойств приповерхностных грунтов на сейсмобезопасность сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2019. No 3. С. 56-64.
15. Kolesnikov YI, Fedin KV. Detecting underground cavities using microtremor data: physical modelling and field experiment. Geophys Prospect 2018; 66:342-53.
16. Kolesnikov YI, Fedin KV. Ngomayezwec L. Direct determination of resonant properties of near-surface sediments using microtremor // Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume 125, October 2019, 105739.
17. Колесников Ю.И., Федин K.B., Лакиморе H. Экспериментальное обоснование применения акустических шумов для диагностирования надземных трубопроводов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2019. - №2. - С. 49-58