Автоматизированный метод контроля состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика на импульсные воздействия Серов, Виктор Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 года, приоритетными направлениями развития энергетики и теплоснабжения являются снижение удельных затрат топлива при производстве и потреблении энергоресурсов за счет применения энергосберегающих технологий и оборудования, увеличение надежности теплоснабжения, а также сокращение тепловых потерь при транспортировке теплоносителя. Успешное решение этих задач связано с модернизацией основного теплофикационного оборудования, использованием новейших высокоэффективных теплоизоляционных материалов для теплозащиты трубопроводов, а также с совершенствованием методов расчета и контроля тепловых сетей.

С экологической и экономической точки зрения, целесообразнее предупреждать возникновение утечек в трубопроводах, а не только констатировать их возникновение. Для этого существует большое многообразие дефектоскопов, различных как по принципу действия, так и по способу обработки сигнала. Наиболее достоверными на сегодняшний день признаны акустические дефектоскопы. Однако и они имеют ряд недостатков: сложности в определении вида дефекта, трудности с обнаружением локальных дефектов размером менее 20 см в диаметре, неверная классификация групп одинаковых по размеру дефектов, локализованных в пределах 10 метров.

Внедрение акустико-эмиссионной диагностики трубопроводов сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством акустико- эмиссионной аппаратуры для работы в производственных условиях, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах акустической эмиссии, отражающих тип дефекта и связь с критериями разрушения, т.е. характеризующих степень опасности той или иной стадии предразрушения конструкции от развивающегося дефекта.

Вышеизложенные ограничения области применения и недостатки существующих приборов делают актуальной задачу разработки усовершенствованных метода контроля и акустического диагностического комплекса.

Объект исследования - эксплуатационные, производственно- технологические и конструктивные дефекты трубопроводов.

Предмет исследования - метод контроля состояния трубопроводов.

Цель исследования - разработка автоматизированного метода и аппаратно- программного комплекса для контроля технического состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика трубопроводов на импульсные воздействия.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

1. Определение частотных диапазонов наличия нескольких очагов коррозионного поражения трубопроводов.

2. Исследование изменения информативных критериев наличия дефектов в зависимости от давления жидкости в трубопроводе.

3. Разработка алгоритма анализа сигналов и программы идентификации дефектов.

4. Проведение экспериментальных исследований трубопроводов с циркулирующей жидкостью для идентификации дефектов.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработка метода контроля состояния трубопроводов на основе анализа акустического отклика на импульсные воздействия.

Методы исследования. При выполнении исследований применялись методы механики деформируемого твердого тела, конечно-элементного анализа, нейросете- вых алгоритмов обработки результатов измерений.

Научная новизна.

4. 1. Разработан и создан экспериментальный виброакустический комплекс для исследования трубопроводов, основанный на анализе акустического отклика на импульсные воздействия.

   2. Определена зависимость между давлением в системе трубопроводов и частотным спектром колебаний очагов коррозии, заключающаяся в том, что при увеличении давления жидкости в трубопроводе наблюдается интенсивное увеличение амплитуд и частот дефектного участка трубопровода. Такой эффект объясняется возникновением вибрации, значение виброускорения которой выше в месте уменьшения толщины стенки.

   3. Разработан метод контроля состояния трубопроводов на основе анализа сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

   Практическая значимость.

   4. 3. 1. Определены частотные диапазоны в акустических спектрах собственных колебаний трубопроводов, свидетельствующие о наличии нескольких очагов коррозионного поражения.

         2. Разработаны алгоритм анализа акустических сигналов и программа идентификации дефектов.

         На защиту выносятся

         4. 3. 2. 1. Информативные критерии наличия коррозионного поражения напорного трубопровода, определяемые с использованием метода конечных элементов.

                  2. Результаты экспериментальных исследований, выявившие различия в спектрах частот собственных колебаний трубопроводов и частот очагов коррозионного поражения.

                  3. Способ определения размера коррозионного дефекта трубопровода анализом частот колебаний на основе нейросетевого алгоритма.

                  4. Метод контроля технического состояния трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии нейронной сетью Кохонена.

                  Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов.

                  Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования, аттестованных контрольно-измерительных приборов и применением современных программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими методами, повторяемостью измерений и их соответствием данным, опубликованным в научной литературе другими исследователями.

                  Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII - XIII Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Сочи - Москва, МГУПИ, 2009 - 2010); X, XI Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, ЦЭТ РТ при КМ РТ, 2009 - 2010); XVI Международной научно- технической конференции «Бенардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2011); II, III, VI Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2007, 2008, 2011); Всероссийских научных молодежных конференциях по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, МарГТУ, 2009 - 2011); XIX, XXII, XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВВКУ, 2007, 2010, 2011); VI Всероссийской научно- технической конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (Казань, КГТУ, 2010), аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ.

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе статей в издании, входящем в перечень ВАК - 2, патент на полезную модель - 1, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ - 1, публикаций в сборниках докладов международных и всероссийских конференций - 15.

                  Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в численном моделировании, разработке алгоритма анализа сигналов, в создании программного обеспечения для анализа данных, разработке и изготовлении измерительного комплекса, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку и анализ экспериментальных данных.

                  Реализация работы. Разработанная методика и измерительно- диагностический комплекс внедрены на предприятии ОАО "Казаньоргсинтез", что подтверждено соответствующим актом реализации научных исследований.

                  Соответствие диссертации научной специальности.

                  Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследования Паспорта специальности:

                  4. 3. 2. 4. 1. определение частотных диапазонов в акустических спектрах трубопроводов, свидетельствующих о наличии нескольких очагов коррозионного поражения, а также нахождение зависимости между давлением в системе трубопроводов и частотным спектром колебаний очагов коррозии соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и не- разрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

                              2. разработка и создание экспериментального виброакустического комплекса для исследования трубопроводов, основанного на анализе акустического отклика на импульсные воздействия, соответствует п. 3. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»;

                              3. разработка алгоритма анализа акустических сигналов и программы идентификации дефектов трубопроводов соответствует п. 6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

                              Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 31 таблицу и 10 приложений на 30 страницах. Библиографический список включает 142 наименования.

                              Похожие диссертации на Автоматизированный метод контроля состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика на импульсные воздействия

                              

                              Виброакустический способ и информационно-измерительная система контроля состояния трубопроводов на основе конечноэлементного анализа и нейросетевого моделированияЗиганшин Шамиль Гаязович

                              

                              РАЗРАБОТКА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ И ПРОЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА ИМПУЛЬСНОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕДанн Денис Дмитриевич

                              Научные основы методов и средств контроля экологического состояния автотранспорта и его воздействия на окружающую средуХватов, Владимир Филиппович

                              

                              Совершенствование магнитометрического метода дистанционного контроля местоположения поперечных сварных швов и напряженных состояний подземного стального трубопроводаЛюбчик Анна Николаевна

                              

                              ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ АВТОТРАНСПОРТА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ СЕВЕРНЫХ ГОРОДОВЦыплакова Елена Германовна

                              

                              Методы и приборы контроля содержания фосфора при воздействия ультразвука на активный илКазаков Алексей Владимирович

                              

                              Метод и средства контроля ударного объема, совместимые с токовым воздействиемЯковенко Михаил Викторович

                              

                              Интерполяционный метод контроля состояния воздушной среды районов с неоднородностью ландшафта местности при техногенных аварияхВепренцева Ольга Николаевна

                              

                              Метод контроля состояния подшипников качения на основе сравнения вейвлет скейлограммАкутин Михаил Викторович

                              

                              Метод контроля состояния моторных масел по концентрации продуктов старения и противоизносным свойствамВерещагин Валерий Иванович