RU2799241C1 - Nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures and a device for its implementation - Google Patents
Nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799241C1 RU2799241C1 RU2022130233A RU2022130233A RU2799241C1 RU 2799241 C1 RU2799241 C1 RU 2799241C1 RU 2022130233 A RU2022130233 A RU 2022130233A RU 2022130233 A RU2022130233 A RU 2022130233A RU 2799241 C1 RU2799241 C1 RU 2799241C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vibrations
- ultrasonic
- defect
- sensors
- acoustic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля надземных и подземных протяженных конструкций из ферромагнитных и неферромагнитных материалов [G01N 29/04]. The invention relates to non-destructive testing and can be used to control overground and underground extended structures of ferromagnetic and non-ferromagnetic materials [G01N 29/04].
Дефекты в металлических конструкциях, такие как трещины и коррозия, являются основными источниками катастрофических отказов опасных производственных объектов, и поэтому их мониторинг является важной проблемой. Для объектов с высокой величиной критических отказов, таких как опасные производственные объекты химических и нефтеперерабатывающих производств и объекты атомной энергетики, объекты транспорта нефти и газа, очень важно актуальное получение прямой меры оценки состояния повреждения в материале, а также отслеживание состояния во времени. Однако получение такого измерения сопряжено с многочисленными техническими проблемами, связанными с температурой, протяженностью и воздействием окружающей среды, в сочетании с высокой скоростью износа и ограниченной доступностью таких систем. Defects in metal structures, such as cracks and corrosion, are the main sources of catastrophic failures in hazardous industrial facilities, and therefore their monitoring is an important issue. For objects with a high level of critical failures, such as hazardous production facilities of chemical and oil refining industries and nuclear power facilities, oil and gas transportation facilities, it is very important to obtain a direct measure of the assessment of the state of damage in the material, as well as tracking the state over time. However, obtaining such a measurement is associated with numerous technical problems associated with temperature, extent and environmental influences, combined with a high wear rate and limited availability of such systems.
Характерным примером применения систем неразрушающего контроля являются технологические трубопроводы химических, нефте и газоперерабатывающих производств, объектов атомной энергетики, магистральные и промысловые трубопроводы и другие. Эти объекты содержат большое количество протяженных объектов контроля, таких как резервуары, колонны, котлы, трубопроводы, реакторы, теплообменные аппараты, печи, запорно-регулирующая аппаратура и др. Современный нефтеперерабатывающий завод может иметь длину 500...600 км обвязочных и 1500... 1600 км межцеховых трубопроводов. Эти опасные производственные объекты эксплуатируются в экстремальных условиях и постоянных перегрузках, связанных с высокими температурами, давлениями, вибрациями, агрессивными средами и т.д. Эксплуатация в таких условиях предполагает периодическую оценку технического состояния этих объектов. A typical example of the use of non-destructive testing systems are technological pipelines of chemical, oil and gas processing industries, nuclear power facilities, main and field pipelines, and others. These objects contain a large number of extended control objects, such as tanks, columns, boilers, pipelines, reactors, heat exchangers, furnaces, shut-off and control equipment, etc. A modern oil refinery can have a length of 500...600 km of piping and 1500 km. 1600 km of intershop pipelines. These hazardous production facilities are operated under extreme conditions and constant overloads associated with high temperatures, pressures, vibrations, aggressive environments, etc. Operation in such conditions involves a periodic assessment of the technical condition of these objects.
Поскольку периодический контроль с использованием классических методов неразрушающего контроля и технической диагностики является низко производительным, дорогостоящим и ограниченным по месту и площади контроля, требуются новые методы неразрушающего контроля состояния конструкций. Одним из подходов повышения надежности и безопасности объектов контроля является монтаж стационарных систем мониторинга объектов контроля. Областью применения систем мониторинга в первую очередь являются объекты: 1-й категории риска, внезапный отказ которых может привести к снижению экономических показателей производства на 75-90%, остановке технологического процесса, возникновению аварии или человеческим жертвам; 2-й категории риска, отказ которых может привести к снижению экономических показателей производства на 10-25%, а также оборудование, перекачивающее токсичные, взрывопожароопасные и вредные вещества. Кроме этого, существуют объекты, контроль состояния которых невозможен, экономически дорог или сильно затруднен, например, подземные трубопроводы или надземные технологические трубопроводы, которые имеют изоляционное или защитные покрытие, снимать которое не рекомендуется в силу технических или экономических причин, но под такими покрытиями могут образовываться коррозия или трещины и их состояние необходимо контролировать. Объектами исследования могут быть протяженные конструкции значительной толщины (в диапазоне десятки миллиметров), например, корпуса реакторов, котлов или ректификационных колонн, стены и змеевики печей, трубопроводы и другие объекты, несплошности или трещины, в которых могут быть недоступны для прямого контроля или находиться на значительной глубине. Since periodic testing using classical methods of non-destructive testing and technical diagnostics is low-productivity, expensive and limited in place and area of control, new methods of non-destructive testing of the state of structures are required. One of the approaches to improve the reliability and safety of control objects is the installation of stationary monitoring systems for control objects. The area of application of monitoring systems in the first place are objects: the 1st category of risk, the sudden failure of which can lead to a decrease in the economic performance of production by 75-90%, stop the process, the occurrence of an accident or loss of life; 2nd category of risk, the failure of which can lead to a decrease in the economic performance of production by 10-25%, as well as equipment pumping toxic, explosive and harmful substances. In addition, there are objects whose condition monitoring is impossible, economically expensive or very difficult, for example, underground pipelines or above-ground technological pipelines that have an insulating or protective coating, which is not recommended to be removed due to technical or economic reasons, but under such coatings corrosion or cracks and their condition must be monitored. The objects of study can be extended structures of significant thickness (in the range of tens of millimeters), for example, reactor vessels, boilers or distillation columns, walls and coils of furnaces, pipelines and other objects, discontinuities or cracks in which they may not be available for direct control or be located on considerable depth.
Существуют методы локального неразрушающего контроля (ультразвуковой, вихретоковый, магнитный, электрический, радиографический и др.), когда измеряемый параметр контролируется в локальной области (под датчиком). Существующие методы локального неразрушающего контроля, как правило, проводят лишь выборочный контроль и не проводят измерение 100% тела трубопровода, имеют низкую производительность, требуют значительного объема подготовительных работ: остановки технологического процесса, строительства лесов, снятия и восстановления изоляции, и т.д. Стоимость процессов подготовки – контроля – восстановления трубопроводов приближается к стоимости сплошной замены труб новыми, а в некоторых случаях может в несколько раз превышать ее. Поэтому основными недостатками методов локального неразрушающего контроля являются большие временные и материальные затраты, а также отсутствие возможности контроля протяженных конструкций, недоступных для прямого неразрушающего контроля. There are methods of local non-destructive testing (ultrasonic, eddy current, magnetic, electrical, radiographic, etc.), when the measured parameter is controlled in the local area (under the sensor). The existing methods of local non-destructive testing, as a rule, carry out only selective testing and do not measure 100% of the pipeline body, have low productivity, require a significant amount of preparatory work: shutdown of the technological process, construction of scaffolding, removal and restoration of insulation, etc. The cost of the processes of preparation - control - restoration of pipelines approaches the cost of a complete replacement of pipes with new ones, and in some cases may exceed it several times. Therefore, the main disadvantages of local non-destructive testing methods are large time and material costs, as well as the inability to control extended structures that are inaccessible to direct non-destructive testing.
Существуют методы дистанционного неразрушающего контроля (вибрационные; акустической эмиссии, ультразвуковые, электромагнитно акустические и др.), когда измеряемый параметр контролируется в некоторой ограниченной области на расстоянии от датчика. В методах дистанционного неразрушающего контроля, генерируемые в узлах физические процессы (например, упругие колебания) распространяются на заданное расстояние (дистанцию, площадь) через систему механических и иных связей объекта контроля и достигают мест, где они воспринимаются системой датчиков разного типа. Методы дистанционного неразрушающего контроля имеют преимущество перед методами локального неразрушающего контроля по производительности и возможности контроля участков, расположенных в недоступных для прямого неразрушающего контроля местах. Однако, дистанционные методы имеют ограниченные возможности по точности, разрешающей способности, возможности классификации и ранжирования опасных состояний. There are methods of remote non-destructive testing (vibration, acoustic emission, ultrasonic, electromagnetic acoustic, etc.), when the measured parameter is controlled in a certain limited area at a distance from the sensor. In the methods of remote non-destructive testing, physical processes generated in nodes (for example, elastic vibrations) propagate over a given distance (distance, area) through a system of mechanical and other links of the test object and reach places where they are perceived by a system of sensors of various types. Remote non-destructive testing methods have an advantage over local non-destructive testing methods in terms of productivity and the ability to control areas located in places inaccessible to direct non-destructive testing. However, remote methods have limited capabilities in terms of accuracy, resolution, classification and ranking of hazardous conditions.
Из уровня техники известны системы мониторинга состояния объектов, построенные на основе виброакустических методов контроля [RU 2697159 C1, опубл.: 12.08.2019, RU 2697025 C2, опубл.: 22.05.2019, RU 2516346 C1, опубл.: 20.05.2014]. Также известны системы мониторинга состояния объектов, построенные на основе акустико-эмиссионных методов контроля [RU 2726278 C1, опубл.: 10.07.2020, RU 2750635 C1, опубл.: 30.06.2021, RU 2618760 C1, опубл.: 11.05.2017]. From the prior art, systems for monitoring the state of objects built on the basis of vibroacoustic control methods are known [RU 2697159 C1, publ.: 12.08.2019, RU 2697025 C2, publ.: 05.22.2019, RU 2516346 C1, publ.: 05.20.2014]. Also known are monitoring systems for the state of objects, built on the basis of acoustic emission control methods [RU 2726278 C1, publ.: 07/10/2020, RU 2750635 C1, publ.: 06/30/2021, RU 2618760 C1, publ.: 11.05.2017].
Основными недостатками виброакустических и акустико-эмиссионных методов являются ограниченные возможности по точности, разрешающей способности, возможности классификации опасных состояний. Кроме того, состояния объектов определяются качественно, не определяются размеры и тип дефекта. Обнаруживаемые дефекты – в основном развивающиеся трещиноподобные (продольные, поперечные, одиночные, множественные зоны трещин, трещины в сварных швах и околошовной зоне и пр.). Существенным ограничением является низкое качество обнаружения коррозионных дефектов и напряженно-деформированных состояний. The main disadvantages of vibroacoustic and acoustic-emission methods are the limited possibilities for accuracy, resolution, and the possibility of classifying dangerous states. In addition, the states of objects are determined qualitatively, the size and type of the defect are not determined. Detected defects are mainly developing crack-like (longitudinal, transverse, single, multiple crack zones, cracks in welds and heat-affected zone, etc.). A significant limitation is the low quality of detection of corrosion defects and stress-strain states.
Из уровня техники известны ультразвуковые [RU 171559 U1, опубл.: 06.06.2017, RU 2655983 C1, опубл.: 30.05.2018, CN 101666783A, опубл.: 10.03.2010, US 20090139337A1, опубл.: 04.06.2009] и электромагнитно-акустические методы дистанционного неразрушающего контроля [RU 153796 U1, опубл.: 12.30.2014, RU 112432 U1, опубл.: 10.01.2012, RU 196373 U1, опубл.: 12.27.2019, RU 142323 U1, опубл.: 02.18.2014]. Основными недостатками ультразвуковых и электромагнитно-акустических методов дистанционного неразрушающего контроля являются ограниченные возможности по определению размеров, типа дефекта и степени критичности. Обнаруживаемые дефекты - в основном связанные с потерей металла или сплошности (коррозия, эрозия, расслоения, поры, задиры и пр.). Существенным ограничением является низкое качество обнаружения трещиноподобных дефектов (типа водородное или коррозионное растрескивание под напряжением - КРН), определение их размеров и степени критичности. Ultrasonic devices are known from the prior art [RU 171559 U1, publ.: 06/06/2017, RU 2655983 C1, publ.: 05/30/2018, CN 101666783A, publ.: 03/10/2010, US 20090139337A1, publ.: 04.0 6.2009] and electromagnetically -acoustic methods of remote non-destructive testing [RU 153796 U1, pub.: 12.30.2014, RU 112432 U1, pub.: 01.10.2012, RU 196373 U1, pub.: 12.27.2019, RU 142323 U1, pub.: 02.18 .2014 ]. The main disadvantages of ultrasonic and electromagnetic-acoustic methods of remote non-destructive testing are the limited possibilities for determining the size, type of defect and degree of criticality. Detected defects - mainly associated with the loss of metal or continuity (corrosion, erosion, delamination, pores, scuffs, etc.). A significant limitation is the low quality of detection of crack-like defects (such as hydrogen or stress corrosion cracking - SCC), determination of their size and degree of criticality.
Известен НЕЛИНЕЙНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН И ИХ МЕСТОПОЛОЖЕНИЙ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ [RU 2280863 C1, опубл.: 27.07.2006], заключающийся в том, что в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов с частотой посылок F, а также возбуждают в нем низкочастотный сигнал, приводящий к модуляции распространяющейся в твердом теле последовательности ультразвуковых импульсов, в последовательности принятых ультразвуковых импульсов выделяют области анализа для обнаружения в них трещин и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, а по присутствию в спектре гармоник определяют наличие трещин, отличающийся тем, что модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле изменяющуюся по определенному закону с периодом Т последовательность распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения, устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение выделенной области исследования с нахождением в ней максимальных значений амплитуд акустических импульсов, определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент k наличия трещин по формуле:A NONLINEAR ULTRASONIC METHOD FOR DETECTING CRACKS AND THEIR POSITIONS IN A SOLID STATE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION [RU 2280863 C1, publ. it contains a low-frequency signal that leads to modulation of a sequence of ultrasonic pulses propagating in a solid body, in the sequence of received ultrasonic pulses, areas of analysis are selected to detect cracks in them and the spectral composition of the received ultrasonic pulses in the selected areas is examined, and the presence of cracks is determined by the presence of harmonics in the spectrum, characterized in that the modulation of cracks is carried out by a periodic sequence of single acoustic pulses that create in a solid body a sequence of propagating compression and rarefaction acoustic pulses that changes according to a certain law with a period T, a delay in the emission of acoustic pulses is set to ensure that the selected study area coincides with the maximum amplitudes in it acoustic pulses, determine in the spectral composition of the received ultrasonic pulses in the selected areas the harmonic corresponding to a given period of the sequence of acoustic pulses, the amplitude of which determines the coefficient k of the presence of cracks according to the formula:
где Af - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны, Аi - максимальное значение амплитуды акустического импульса, AΩ - амплитуда гармоники, соответствующая периоду последовательности акустических импульсов:where A f is the amplitude of the emitted ultrasonic wave, A i is the maximum value of the acoustic pulse amplitude, A Ω is the harmonic amplitude corresponding to the period of the acoustic pulse sequence:
Ω - частота модуляции, F - частота посылок ультразвуковых импульсов, n - число акустических импульсов в периоде последовательности, и при превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин. Ω is the modulation frequency, F is the frequency of sending ultrasonic pulses, n is the number of acoustic pulses in the period of the sequence, and when the coefficient k exceeds the threshold value determined on the basis of measurements of a defect-free solid, the size of the cracks is judged.
Описанный в аналоге способ в некоторой мере устраняет описанные выше недостатки, однако техническое решение имеет существенное ограничение по дальности контроля, ограниченное в пределах 0,5-1м, и не в полной мере может быть использован для непрерывного дистанционного мониторинга протяженных объектов в виду технических и стоимостных ограничений. The method described in the analog to some extent eliminates the disadvantages described above, however, the technical solution has a significant limitation on the monitoring range, limited within 0.5-1m, and cannot be fully used for continuous remote monitoring of extended objects due to technical and cost restrictions.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ В НАХОДЯЩЕМСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ТРУБОПРОВОДЕ [RU 2673367 C2, опубл.: 06.11.2018], предназначенный для транспортировки, находящейся под давлением текучей среды, включающий следующие шаги:The closest in technical essence is the METHOD AND SYSTEM FOR CONTINUOUS REMOTE CONTROL OF DEFORMATIONS IN A PRESSURED PIPELINE [RU 2673367 C2, publ.: 11/06/2018], intended for transportation of a pressurized fluid, including the following steps:
- установку на трубопроводе множества датчиков, способных передавать и/или принимать направляемые волны, генерируемые в виде упругих колебаний, при этом пары датчиков установлены на соответствующих секциях трубопровода на заранее заданном расстоянии друг от друга;- installation on the pipeline of a plurality of sensors capable of transmitting and/or receiving guided waves generated in the form of elastic vibrations, while pairs of sensors are installed on the respective sections of the pipeline at a predetermined distance from each other;
- выполнение одного или более начальных калибровочных измерений в каждой секции трубопровода, при этом каждое из указанных начальных калибровочных измерений выполняют с помощью генерации и распространения направляемых волн посредством по меньшей мере одного датчика, при этом соответствующие результаты измерений сохраняют в виде вектора результатов измерений;- performing one or more initial calibration measurements in each pipeline section, each of said initial calibration measurements being performed by generating and propagating guided waves through at least one sensor, with the corresponding measurement results stored as a vector of measurement results;
- моделирование генерации и распространения направляемых волн в каждой секции трубопровода с использованием численной модели, основанной на конкретных параметрах, типичных для этого трубопровода и для окружающей среды, в которой установлен указанный трубопровод, при этом соответствующие моделируемые данные сохраняют в виде вектора моделируемых данных;- modeling the generation and propagation of guided waves in each section of the pipeline using a numerical model based on specific parameters typical for this pipeline and for the environment in which the specified pipeline is installed, while the corresponding simulated data is stored as a vector of simulated data;
- повторение шага моделирования до тех пор, пока величина расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными не станет ниже заранее заданного порогового значения (ε(n, ƒk));- repetition of the simulation step until the discrepancy between the measurement results and the simulated data is below a predetermined threshold value (ε(n, ƒk));
- моделирование изменения указанных параметров с использованием указанной численной модели для получения значений указанных параметров, которые могут подвергнуть опасности целостность трубопровода;- modeling the change of said parameters using said numerical model to obtain values of said parameters that may jeopardize the integrity of the pipeline;
- оценка расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными как функции изменения указанных параметров для определения соответствующих аварийных порогов (λ(n,ƒk));- assessment of the discrepancy between the measurement results and the simulated data as a function of the change in the specified parameters to determine the appropriate alarm thresholds (λ(n,ƒk));
- выполнение одного или более фактических измерений в каждой секции трубопровода, при этом результаты измерений сохраняют в виде вектора результатов измерений;- performing one or more actual measurements in each section of the pipeline, while the measurement results are stored as a vector of measurement results;
- повторение шагов выполнения одного или более фактических измерений до тех пор, пока значение расхождения между определенным текущим измерением и предыдущим измерением не превысит по меньшей мере одного из указанных аварийных порогов (λ(n,ƒk)), при этом прохождение по меньшей мере одного из указанных аварийных порогов (λ(n,ƒk)) указывает, что имеются критические изменения в состоянии трубопровода и, таким образом, требуются дальнейшие проверки и анализ.- repeating the steps of performing one or more actual measurements until the value of the discrepancy between a certain current measurement and the previous measurement does not exceed at least one of the specified alarm thresholds (λ(n,ƒk)), while passing at least one of of the indicated alarm thresholds (λ(n,ƒk)) indicates that there are critical changes in the state of the pipeline and thus further checks and analysis are required.
Система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в трубопроводе, предназначенном для транспортировки, находящейся под давлением текучей среды, содержащая:A system for continuous remote control of deformations in a pipeline intended for the transportation of a pressurized fluid, comprising:
- множество датчиков, которые могут быть приведены в непосредственный контакт с указанным контролируемым трубопроводом, при этом указанные датчики выполнены с возможностью передачи и/или приема направляемых волн, генерируемых в виде упругих колебаний;- a plurality of sensors that can be brought into direct contact with the specified controlled pipeline, while these sensors are configured to transmit and/or receive guided waves generated in the form of elastic vibrations;
- одно или более локальное управляющее устройство для управления указанными датчиками;- one or more local control device for controlling said sensors;
- блок дистанционного управления, функционально связанный с указанным одним или более локальным управляющим устройством, при этом указанный блок дистанционного управления способен управлять датчиками и хранить результаты измерений для последующей обработки.- a remote control unit operably associated with said one or more local control devices, wherein said remote control unit is capable of controlling sensors and storing measurement results for further processing.
Основной технической проблемой прототипа являются ограниченные технические возможности по обнаружению коррозионных и трещиноподобных дефектов, определению их разметов и типа, а также высокая чувствительность нелинейного метода из-за наличия микротрещин. Причина высокой чувствительности нелинейных методов связана с возрастанием акустической нелинейности из-за наличия микротрещин. Это приводит к тому, что наличие даже небольшой трещины вызывает многократно более выраженную изменчивость нелинейных взаимодействий параметров (проявляющихся уже при относительных небольших деформациях металла порядка 10-4-10-6) по сравнению со слабо меняющимися линейными параметрами. На практике нелинейные взаимодействия можно создать вибрацией, ударом, акустической упругой волной, поэтому методы нелинейной диагностики достаточно разнообразны и основаны на различных нелинейных эффектах, в частности на модуляции высокочастотных ультразвуковых волн низкочастотными колебаниями объекта. Оценки обнаружения трещин линейным и модуляционным методами показало, что для изменения резонансной частоты конструкции на 2-5 % линейным методом трещина должна иметь размер не менее 50-60 % от толщины стенки, а для нелинейного метода — примерно в ~ 10-5 раз меньше, что говорит о высокой чувствительности и преимуществах нелинейного метода.The main technical problem of the prototype is the limited technical capabilities to detect corrosion and crack-like defects, determine their size and type, as well as the high sensitivity of the nonlinear method due to the presence of microcracks. The reason for the high sensitivity of nonlinear methods is associated with an increase in acoustic nonlinearity due to the presence of microcracks. This leads to the fact that the presence of even a small crack causes a much more pronounced variability of the nonlinear interactions of the parameters (manifested already at relative small deformations of the metal of the order of 10 -4 -10 -6 ) compared to weakly changing linear parameters. In practice, nonlinear interactions can be created by vibration, impact, acoustic elastic wave, so the methods of nonlinear diagnostics are quite diverse and are based on various nonlinear effects, in particular, on the modulation of high-frequency ultrasonic waves by low-frequency vibrations of an object. Estimates of crack detection by linear and modulation methods showed that in order to change the resonant frequency of a structure by 2–5% by the linear method, the crack must have a size of at least 50–60% of the wall thickness, and for the non-linear method it should be approximately ~ 10 -5 times smaller, which speaks of the high sensitivity and advantages of the non-linear method.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и обеспечение надежного способа и устройства для дистанционного обнаружения и идентификации несплошности и трещины металла, определения размеров трещин и коррозии, оценок развития дефектов во времени и прогнозирования их вхождения в зону критического состояния.The objective of the invention is to eliminate the shortcomings of the prototype and provide a reliable method and device for remote detection and identification of metal discontinuities and cracks, determining the size of cracks and corrosion, assessing the development of defects over time and predicting their entry into a critical state zone.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности достоверного дистанционного контроля состояния протяженных конструкций с помощью устройства мониторинга состояния протяженных конструкций, выявления коррозионных и трещиноподобных дефектов (типа КРН), определения их размеров и типа. The technical result of the invention consists in providing the possibility of reliable remote monitoring of the state of extended structures using a device for monitoring the state of extended structures, identifying corrosion and crack-like defects (such as SCC), determining their size and type.
Указанный технический результат достигается за счет того, что нелинейный модуляционный способ мониторинга состояния протяженных конструкций, характеризующийся установкой на протяженной конструкции объекта контроля множества датчиков, соединенных с устройством мониторинга, генерации и распространения направленных волн, отличающийся тем, что каждый из датчиков выполнен в виде магнитострикционной полосы и содержит продольно расположенные катушки постоянного тока, выполненные с возможностью индуцированного смещения постоянного тока в поперечном направлении и поперечно расположенные вокруг объекта контроля катушки переменного тока с возможностью генерации упругих колебаний в теле объекта контроля в виде крутильной направленной волны, обеспечивающей сжатие и растяжение тела объекта контроля и изменение размеров и положения дефектов в нем, вместе с крутильной волной с помощью генераторов акустических сигналов и ультразвуковых импульсов генерируют акустические низкочастотные колебания и ультразвуковые импульсы, соответственно, которые через мультиплексор от упомянутых генераторов подают на датчики, при этом низкочастотные колебания подают на один датчик, а ультразвуковые колебания на соседний датчик, которые преобразуют упомянутые акустические колебания и ультразвуковые импульсы в механические низкочастотные для модуляции и ультразвуковые для определения местоположения дефекта колебания и направленные навстречу друг другу, которые при прохождении через дефекты в объекте контроля, меняющие под воздействием крутильной волны свои размеры и положение, подвергаются модуляции и отражению в виде эхо-импульсов, упругие колебания и эхо-импульсы при достижении соседнего датчика, к которому были направлены упругие колебания, в его катушке переменного тока преобразуются в электрический сигнал, который передают в обратно в устройство для мониторинга, где в блоке задержки осуществляют вычитание фазовых спектров принятых и генерируемых сигналов и разделение генерирующего сигнала и сигнала, отраженного от дефекта объекта контроля, путем стробирования, после выделения в блоке задержки полезного акустического сигнала, отраженного от дефекта объекта контроля в блоке измерения фазы и амплитуды осуществляют реконструкцию исходного временного масштаба путем сложения фазового спектра, выделенного в результате временной селекции принятого сигнала и фазового спектра генерируемого зондирующего сигнала, из сгенерированных и полученных сигналов формируют осциллограмму и определяют тип дефекта, его размеры и местоположение, при этом тип дефекта определяют по форме эхосигнала на осциллограмме, размер дефекта определяют по отношению амплитуд сгенерированных упругих колебаний и эхо-импульса, а местоположение дефекта определяют по временам между генерированием упругих колебаний и регистрацией эхо-импульсов этих же упругих колебаний с учетом скорости распространения упругих колебаний в теле объекта контроля. The specified technical result is achieved due to the fact that the non-linear modulation method for monitoring the state of extended structures, characterized by the installation of a plurality of sensors on the extended structure of the control object, connected to a device for monitoring, generating and propagating directed waves, characterized in that each of the sensors is made in the form of a magnetostrictive strip and contains longitudinally arranged DC coils made with the possibility of induced DC displacement in the transverse direction and AC coils transversely located around the object of control with the possibility of generating elastic vibrations in the body of the object of control in the form of a torsional directed wave, which provides compression and stretching of the body of the object of control and a change in the size and position of defects in it, together with a torsional wave using generators of acoustic signals and ultrasonic pulses, generate acoustic low-frequency vibrations and ultrasonic pulses, respectively, which are fed through the multiplexer from the mentioned generators to the sensors, while low-frequency vibrations are fed to one sensor, and ultrasonic vibrations to an adjacent sensor, which convert the mentioned acoustic vibrations and ultrasonic pulses into mechanical low-frequency vibrations for modulation and ultrasonic vibrations for determining the location of a defect and directed towards each other, which, when passing through defects in the test object, change their size and position under the influence of a torsional wave , are modulated and reflected in the form of echo pulses, elastic oscillations and echo pulses, upon reaching the adjacent sensor, to which elastic oscillations were directed, are converted in its AC coil into an electrical signal, which is transmitted back to the monitoring device, where in in the delay block, the phase spectra of the received and generated signals are subtracted and the generating signal and the signal reflected from the defect of the control object are separated by gating; scale by adding the phase spectrum extracted as a result of the time selection of the received signal and the phase spectrum of the generated probing signal, an oscillogram is formed from the generated and received signals and the type of defect, its size and location are determined, while the type of defect is determined by the shape of the echo signal on the oscillogram, the size of the defect is determined by the ratio of the amplitudes of the generated elastic vibrations and the echo pulse, and the location of the defect is determined by the time between the generation of elastic vibrations and the registration of echo pulses of the same elastic vibrations, taking into account the propagation velocity of elastic vibrations in the body of the test object.
Устройство мониторинга состояния протяженных конструкций, содержащее множество датчиков, которые могут быть приведены в непосредственный контакт с протяженной конструкцией, при этом указанные датчики выполнены с возможностью передачи и/или приема направляемых волн, генерируемых в виде упругих колебаний, мультиплексор, блок управления, способный управлять датчиками и хранить результаты измерений для последующей обработки, отличающееся тем, что датчик выполнен магнитострикционным с возможностью работы в качества передатчика и приемника упругих колебаний и представляет собой магнитострикционную полосу, опоясывающую участок контролируемого объекта, вокруг короткой оси поперек магнитострикционной полосы по всей ее длине намотана катушка постоянного тока, а в продольном направлении и вокруг контролируемого объекта намотана катушка переменного тока, датчики подключены мультиплексору, выполненному с возможностью адресного подключения датчиков для опроса и получения от них информации, блок управления включает в себя генераторы акустических сигналов и ультразвуковых импульсов и источник питания, подключенные к мультиплексору, генератор акустических сигналов подключен к выходу усилителя мощности, генератор ультразвуковых импульсов подключен к выходу ультразвукового локатора, к ультразвуковому локатору подключены соединенные между собой блок обработки информации и блок задержки, к блоку задержки подключен блок измерения фазы и амплитуды, который также подключен к блоку обработки информации, к блоку обработки информации подключен усилитель мощности, мультиплексор подключен к ультразвуковому локатору.A device for monitoring the state of extended structures, containing a plurality of sensors that can be brought into direct contact with an extended structure, while these sensors are configured to transmit and / or receive guided waves generated in the form of elastic vibrations, a multiplexer, a control unit capable of controlling the sensors and store the measurement results for further processing, characterized in that the sensor is made magnetostrictive with the ability to work as a transmitter and receiver of elastic vibrations and is a magnetostrictive strip encircling the area of the controlled object, a DC coil is wound around the short axis across the magnetostrictive strip along its entire length , and an AC coil is wound in the longitudinal direction and around the controlled object, the sensors are connected to a multiplexer, configured to address the connection of sensors to interrogate and receive information from them, the control unit includes generators of acoustic signals and ultrasonic pulses and a power source connected to the multiplexer , the acoustic signal generator is connected to the output of the power amplifier, the ultrasonic pulse generator is connected to the output of the ultrasonic locator, the interconnected information processing unit and the delay unit are connected to the ultrasonic locator, the phase and amplitude measurement unit is connected to the delay unit, which is also connected to the information processing unit , a power amplifier is connected to the information processing unit, a multiplexer is connected to an ultrasonic locator.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
На фиг.1 схематично показано устройство мониторинга состояния протяженных конструкций, смонтированное на протяженной конструкции.Figure 1 schematically shows a device for monitoring the state of extended structures, mounted on an extended structure.
На фиг.2 показаны спектрограммы стробированного сигнала от полости (а) и от трещины (б) при использовании устройства.Figure 2 shows the spectrograms of the gated signal from the cavity (a) and from the crack (b) when using the device.
На фиг.3 показаны изменения амплитуды модуляции при сканировании по ширине трубы с поджатой трещиной (а, в) и трубы с приоткрытой трещиной (б, г) при различных амплитудах возбуждения, где I - изменение амплитуды сигнала, II - изменение модуляции для амплитуд возбуждения от 0до 0,5 мм.Figure 3 shows changes in the modulation amplitude when scanning across the width of a pipe with a compressed crack (a, c) and a pipe with an open crack (b, d) at different excitation amplitudes, where I is the change in the signal amplitude, II is the change in modulation for the excitation amplitudes from 0 to 0.5 mm.
На фиг.4 показаны изменения сигналов при локации со стороны трещины (а) и полости (б).Figure 4 shows the changes in the signals during the location of the crack (a) and the cavity (b).
На фиг.5 показаны результаты измерений при локации со стороны полости (а, б) и со стороны трещины (в, г), где а, в — изменение амплитуды сигнала принятой ультразвуковой волны, б, г — изменение амплитуды модуляции, I — полость; II — трещина; III — конец трубы. Figure 5 shows the results of measurements during location from the side of the cavity (a, b) and from the side of the crack (c, d), where a, c is the change in the signal amplitude of the received ultrasonic wave, b, d is the change in the modulation amplitude, I is the cavity ; II - crack; III - the end of the pipe.
На фиг.6 показаны изменения амплитуды модуляции при локации со стороны трещины, где трещина находится на расстоянии 131 см, а отверстие на расстоянии 146 см.Figure 6 shows the changes in the modulation amplitude during location from the side of the crack, where the crack is at a distance of 131 cm, and the hole is at a distance of 146 cm.
На фигурах обозначено: 1 – датчик, 2 – объект контроля, 3 – магнитострикционная полоса, 4 – катушка постоянного тока, 5 – катушка переменного тока, 6 – мультиплексор, 7 – блок управления, 8 – генератор акустических сигналов, 9 – генератор ультразвуковых импульсов, 10 – источник питания, 11 – усилитель мощности, 12 – ультразвуковой локатор, 13 – блок обработки информации, 14 – блок задержки, 15 – блок измерения фазы и амплитуды.The figures indicate: 1 - sensor, 2 - test object, 3 - magnetostrictive strip, 4 - DC coil, 5 - AC coil, 6 - multiplexer, 7 - control unit, 8 - acoustic signal generator, 9 - ultrasonic pulse generator , 10 - power supply, 11 - power amplifier, 12 - ultrasonic locator, 13 - information processing unit, 14 - delay unit, 15 - phase and amplitude measurement unit.
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Наиболее опасными повреждениями трубопроводов являются трещины и трещиноподобные дефекты (называемые стресс-коррозией или коррозионным растрескиванием под напряжением - КРН), так как они имеют тенденцию стремительного роста с течением времени и приводят к необратимым последствиям: разрушению конструкции, разрыву трубопровода и др. Появившаяся трещина развивается с течением времени тем быстрее, чем она глубже и чем больше возмущающие факторы. В отличие от трещин, коррозионные дефекты (полости каверны, отверстия, свищи и т.п.) являются повреждениями, которые хотя и могут увеличивать свои размеры, но эти изменения происходят медленно и прогнозируемо, не приводя к быстрым катастрофическим изменениям свойств конструкции. Именно поэтому возникает необходимость в разработке новых способов раннего обнаружения и дистанционного мониторинга состояния трещин (трещиноподобных дефектов, микротрещин, колоний трещин) при периодическом контроле за их возникновением и развитием в процессе эксплуатации конструкции. Эта информация о наличии и размере трещин позволяет определять и оценивать остаточный ресурс, при котором конструкция не изменит своих физико-механических свойств, снизить риск разрушений и увеличить безопасность его эксплуатации. The most dangerous damage to pipelines are cracks and crack-like defects (called stress corrosion or stress corrosion cracking - SCC), as they tend to grow rapidly over time and lead to irreversible consequences: structural failure, pipeline rupture, etc. The resulting crack develops over time, the faster it is, the deeper it is and the greater the perturbing factors. Unlike cracks, corrosion defects (cavern cavities, holes, fistulas, etc.) are damages that, although they can increase in size, but these changes occur slowly and predictably, without leading to rapid catastrophic changes in structural properties. That is why there is a need to develop new methods for early detection and remote monitoring of the state of cracks (crack-like defects, microcracks, crack colonies) with periodic monitoring of their occurrence and development during the operation of the structure. This information about the presence and size of cracks makes it possible to determine and evaluate the residual life, in which the structure will not change its physical and mechanical properties, reduce the risk of damage and increase the safety of its operation.
Структурная нелинейность, проявляющаяся в материалах с дефектами нарушения сплошности, может на 2-4 порядка превышать обычные линейности однородных сред. Наличие трещин в твердом теле приводит к сильному росту его квадратичной упругой нелинейности, связанной с проявлением нелинейности трещины при ее сжатии и растяжении, а также с концентрацией напряжений вблизи края трещины или нелинейности контактов Герца для шероховатых поверхностей. В частном случае двухмодульной модели, в фазе сжатия трещина "призакрывается" и действующий модуль упругости приближается к значению, характерному для сплошной среды, а в фазе разрежения трещина раскрывается и значение модуля уменьшается. Structural nonlinearity, which manifests itself in materials with discontinuity defects, can exceed the usual linearities of homogeneous media by 2–4 orders of magnitude. The presence of cracks in a solid leads to a strong increase in its quadratic elastic nonlinearity associated with the manifestation of the nonlinearity of the crack during its compression and tension, as well as with the stress concentration near the edge of the crack or the nonlinearity of Hertz contacts for rough surfaces. In a particular case of a two-module model, in the compression phase, the crack "closes" and the effective elastic modulus approaches the value characteristic of a continuous medium, and in the rarefaction phase, the crack opens and the modulus value decreases.
Большинство современных акустических измерительных преобразователей генерируют звуковую волну непосредственно в испытуемом материале одним из двух главных способов. Most modern acoustic transducers generate a sound wave directly into the material under test in one of two main ways.
Первый способ включает использование силы Лоренца, а второй способ включает использование магнитострикционных сил. The first method involves the use of the Lorentz force, and the second method involves the use of magnetostrictive forces.
Для передачи звуковой волны в стенку трубопровода в соответствии с первым способом в металлической поверхности с помощью переменного тока наводят вихревой ток. При наличии постоянного магнитного поля может возникнуть сила Лоренца, которая приводит к колебательному движению «сетки» металла в стенке трубопровода. Нарушения однородности этой металлической сетки (например, дефекты, такие как трещины) создают отражения ультразвуковой волны. Эти отраженные волны, вступая во взаимодействие с магнитным полем, создают вихревой ток, который, в свою очередь, наводит ток в линии. Этот ток образует принимаемый сигнал, который в дальнейшем может обрабатываться и анализироваться. In order to transmit a sound wave into the pipeline wall, in accordance with the first method, an eddy current is induced in the metal surface using alternating current. In the presence of a constant magnetic field, a Lorentz force may arise, which leads to an oscillatory movement of the "grid" of metal in the pipeline wall. Disturbances in the homogeneity of this metal mesh (eg defects such as cracks) create reflections of the ultrasonic wave. These reflected waves, interacting with the magnetic field, create an eddy current, which in turn induces a current in the line. This current forms the received signal, which can be further processed and analyzed.
Электромагнитные акустические измерительные преобразователи, передающие звуковую волну в соответствии со вторым способом, используют магнитострикционные силы, создаваемые магнитным полем переменного тока. Эти электромагнитные акустические измерительные преобразователи могут принимать звуковую волну и преобразовывать ее в электрический сигнал с использованием обратного магнитострикционного эффекта. Electromagnetic acoustic transducers transmitting a sound wave according to the second method use magnetostrictive forces generated by an alternating current magnetic field. These electromagnetic acoustic transducers can receive a sound wave and convert it into an electrical signal using the inverse magnetostrictive effect.
Магнитострикционный эффект относится к явлениям изменения физических размеров ферромагнитных материалов, которое происходит в результате изменений намагниченности. В магнитострикционных приложениях генерация и обнаружение механических волн обычно достигается путем введения импульсного тока в передающую катушку и магнитострикционный материал (например, полосовой), охватывающий и прилегающий к объекту контроля. Изменение намагниченности внутри материала, расположенного рядом с передающей катушкой, заставляет материал локально изменять свою длину в направлении, параллельном приложенному полю. Это резкое локальное изменение размерности, которое является магнитострикционным эффектом, генерирует механическую волну (называемую направленной волной), которая проходит через ферромагнитный материал с определенной фиксированной скоростью (которая обычно меньше скорости звука). Когда механическая волна отражается обратно от конца ферромагнитного материала или от дефекта ферромагнитного материала и достигает катушки обнаружения, механическая волна генерирует изменяющийся магнитный поток в катушке обнаружения в результате обратного магнитострикционного эффекта. Этот изменяющийся магнитный поток индуцирует электрическое напряжение внутри катушки обнаружения, которое пропорционально величине механической волны. Передающая катушка и катушка обнаружения могут быть идентичными.The magnetostrictive effect refers to the phenomena of change in the physical dimensions of ferromagnetic materials, which occurs as a result of changes in magnetization. In magnetostrictive applications, the generation and detection of mechanical waves is usually achieved by injecting a pulsed current into a transmitting coil and a magnetostrictive material (eg, strip) surrounding and adjacent to the test object. A change in magnetization within a material adjacent to the transmitting coil causes the material to locally change its length in a direction parallel to the applied field. This abrupt local change in dimension, which is the magnetostrictive effect, generates a mechanical wave (called a directed wave) that travels through a ferromagnetic material at a certain fixed speed (which is usually less than the speed of sound). When the mechanical wave is reflected back from the end of the ferromagnetic material or from a defect in the ferromagnetic material and reaches the detection coil, the mechanical wave generates a changing magnetic flux in the detection coil as a result of the inverse magnetostrictive effect. This changing magnetic flux induces an electrical voltage inside the detection coil which is proportional to the magnitude of the mechanical wave. The transmit coil and the detection coil may be identical.
Преимуществами использования магнитострикционного эффекта для неразрушающего контроля являются:The advantages of using the magnetostrictive effect for non-destructive testing are:
волноводный метод используется для дистанционного контроля на относительно большие расстояния;the waveguide method is used for remote monitoring over relatively long distances;
имеет высокую чувствительность магнитострикционных датчиков способных обнаружить дефект с поперечным сечением менее 1% от общего поперечного сечения конструкций;has a high sensitivity of magnetostrictive sensors capable of detecting a defect with a cross section of less than 1% of the total cross section of structures;
долговечность магнитострикционных датчиков;durability of magnetostrictive sensors;
отсутствие необходимости прямого контакта датчика с исследуемым материалом;no need for direct contact of the sensor with the test material;
большой диапазон механических волн в исследуемом материале;a large range of mechanical waves in the material under study;
малые массогабаритные характеристики и простоту реализации;small weight and size characteristics and ease of implementation;
низкая стоимость реализации. low implementation cost.
Кроме того, магнитострикционный метод является комплексным и интегральным в своем применении, в том, что метод может обнаруживать как внутренние, так и внешние дефекты, тем самым обеспечивая 100% объемный волноводный контроль. In addition, the magnetostrictive method is complex and integral in its application, in that the method can detect both internal and external defects, thereby providing 100% volumetric waveguide control.
Использование магнитострикционных датчиков в неразрушающем контроле протяженных конструкций оказалось очень эффективным в контроле несплошностей, включений и коррозии в различных типах ферромагнитных и неферромагнитных структур. Датчик запускает короткую продолжительность импульсов продольных, поперечных или крутильных волн в исследуемой структуре и обнаруживает эхо-сигналы волн, отраженные от аномалий, таких как дефекты в структуре. Поскольку управляемые волны могут распространяться на большие расстояния (обычно 10-15 метров или более), метод может очень быстро контролировать всю область в границах структуры. Для сравнения, другие традиционные методы неразрушающего контроля, такие как Акустический контроль (ультразвуковой метод НК); Радиационный контроль (рентгеновский метод НК); Электромагнитный (вихретоковый) контроль., проверяют только локальную область, непосредственно прилегающую к используемым датчикам. Поэтому использование магнитострикционных датчиков предлагает очень экономически эффективные средства для быстрого осмотра больших площадей протяженных конструкций с минимальными требованиями к подготовке объекта контроля, такими как подготовка поверхности, строительные леса и удаление-восстановление изоляции. The use of magnetostrictive sensors in the non-destructive testing of extended structures has proven to be very effective in monitoring discontinuities, inclusions and corrosion in various types of ferromagnetic and non-ferromagnetic structures. The sensor fires short duration pulses of longitudinal, shear or torsional waves in the structure under study and detects wave echoes reflected from anomalies such as defects in the structure. Because guided waves can travel long distances (typically 10-15 meters or more), the method can very quickly control the entire area within the boundaries of the structure. In comparison, other traditional non-destructive testing methods such as Acoustic testing (ultrasonic NDT method); Radiation control (X-ray NDT method); Electromagnetic (eddy current) testing., check only the local area immediately adjacent to the sensors used. Therefore, the use of magnetostrictive sensors offers a very cost-effective means for quickly inspecting large areas of extended structures with minimal object preparation requirements such as surface preparation, scaffolding, and insulation removal-remediation.
Использование нелинейного модуляционного способа мониторинга протяженных конструкций позволяет с разрешением не хуже единиц миллиметров определять местоположение одиночных дефектов и устанавливать их тип. The use of a nonlinear modulation method for monitoring extended structures makes it possible to determine the location of single defects and determine their type with a resolution no worse than a few millimeters.
Сущность заявленного нелинейного модуляционного способа мониторинга протяженных конструкций заключается в возбуждении объекта контроля 2 низкочастотными модами колебаний и одновременном излучении в нем ультразвуковой волны с возможностью изменения в процессе колебаний объекта акустических характеристик трещин с дальнейшим приемом и обработки ультразвуковой волны, отраженной от дефектов. Результат обработки представляют в виде спектра, в котором присутствуют, как несущая частота ультразвуковых колебаний, так и продукты нелинейного взаимодействия в виде комбинационных (боковых) частот. Наличие трещины или множества трещин определяют по соотношению спектральных составляющих несущей и комбинационных частот. The essence of the claimed non-linear modulation method for monitoring extended structures consists in excitation of the
Обусловленная микроструктурой нелинейность трещины связана с изменениями свойств и площади контактов в месте разрыва сплошности среды. Такую среду называют бимодульной, т.к. деформации растяжения и сжатия, вызванные упругими колебаниями, описываются линейным законом Гука, но с различными значениями модулей упругости. Значение нелинейности зависит от степени поджатия. Поскольку при растяжении и сжатии контакты внутри трещины могут раскрываться и закрываться под действием упругих колебаний, то такой механизм нелинейности называется «хлопающей» нелинейностью. На использовании этого механизма и основан нелинейный модуляционный способ мониторинга протяженных конструкций. The non-linearity of the crack caused by the microstructure is associated with changes in the properties and area of contacts at the point of discontinuity in the medium. Such an environment is called bimodular, because tensile and compressive deformations caused by elastic vibrations are described by Hooke's linear law, but with different values of elastic moduli. The value of the non-linearity depends on the degree of compression. Since, under tension and compression, the contacts inside the crack can open and close under the action of elastic vibrations, such a nonlinearity mechanism is called “flapping” nonlinearity. The non-linear modulation method for monitoring extended structures is based on the use of this mechanism.
Нелинейный способ мониторинга заключается в локации дефекта ультразвуковыми высокочастотными волнами диапазона частот сотен килогерц и одновременной низкочастотной модуляции его акустическими колебаниями в диапазоне частот до сотен герц. В результате взаимодействия дефект проявляет нелинейные акустические свойства и происходит изменение спектрального состава высокочастотной волны, в котором появляются дополнительные составляющие на комбинационных частотах. При превышении их уровня по отношению к уровню высокочастотной компоненты, то дефект классифицируется как трещина, в противном случае как полость. The non-linear method of monitoring consists in locating a defect with ultrasonic high-frequency waves in the frequency range of hundreds of kilohertz and simultaneous low-frequency modulation of it by acoustic vibrations in the frequency range up to hundreds of hertz. As a result of the interaction, the defect exhibits nonlinear acoustic properties and the spectral composition of the high-frequency wave changes, in which additional components appear at combination frequencies. If their level is exceeded in relation to the level of the high-frequency component, then the defect is classified as a crack, otherwise as a cavity.
При использовании нелинейного способа возникает необходимость определения размеров трещин. Для этого в заявленном способе используется подход, основанный на сравнении уровней модуляции, получаемых для однотипных объектов при одинаковых условиях измерения. Для количественной оценки степени трещиноватости по результатам ультразвуковых измерений используют коэффициент модуляции или коэффициент опасности трещин k. When using a non-linear method, it becomes necessary to determine the size of cracks. To do this, the claimed method uses an approach based on comparing the modulation levels obtained for objects of the same type under the same measurement conditions. To quantify the degree of fracturing according to the results of ultrasonic measurements, the modulation coefficient or the crack hazard coefficient k is used .
Для этого модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле с периодом Т последовательность распространяющихся упругих ультразвуковых колебаний, устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение выделенной области исследования с нахождением в ней максимальных значений амплитуд акустических импульсов, определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент опасности трещин k по формуле:To do this, crack modulation is carried out by a periodic sequence of single acoustic pulses that create a sequence of propagating elastic ultrasonic vibrations in a solid body with a period T, a delay in the emission of acoustic pulses is set to ensure that the selected study area coincides with the maximum values of the amplitudes of the acoustic pulses in it, and the spectral composition of the accepted of ultrasonic pulses in selected areas, a harmonic corresponding to a given period of a sequence of acoustic pulses, the amplitude of which determines the crack hazard coefficient k by the formula:
где Af - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны, Аi- максимальное значение амплитуды акустического импульса, AΩ- амплитуда гармоники, соответствующая периоду последовательности акустических импульсов. where A f is the amplitude of the emitted ultrasonic wave, A i is the maximum value of the acoustic pulse amplitude, A Ω is the harmonic amplitude corresponding to the period of the acoustic pulse sequence.
При превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин. Таким образом, пошагово перестраивая область взаимодействия низкочастотной и высокочастотной волн путём изменения задержки между их излучением и строба, позволяют выборочно и последовательно исследовать нелинейные акустические характеристики дефектов, последовательно расположенных по трассе локации.When the coefficient k exceeds a threshold value determined on the basis of measurements of a defect-free solid, the size of the cracks is judged. Thus, by stepwise rebuilding the region of interaction of low-frequency and high-frequency waves by changing the delay between their radiation and the strobe, it is possible to selectively and sequentially investigate the nonlinear acoustic characteristics of defects located in series along the location path.
Точность определения местоположения трещины зависит от размера строба, режима излучения высокочастотных и низкочастотных волн и от метода возбуждения низкочастотных колебаний, для которых используют магнитострикционные преобразователи. Основная задача низкочастотного возбуждения - создать максимальные деформации растяжения-сжатия в месте предполагаемого нахождения дефекта. Возбуждение объекта на изгибных резонансных модах колебаний с помощью магнитострикционного преобразователя позволяют создавать деформации изгиба значительных участков его поверхности. The accuracy of determining the location of the crack depends on the size of the strobe, the mode of radiation of high-frequency and low-frequency waves, and on the method of excitation of low-frequency oscillations, for which magnetostrictive transducers are used. The main task of low-frequency excitation is to create maximum tensile-compression strains at the supposed location of the defect. Excitation of an object on bending resonant vibration modes using a magnetostrictive transducer makes it possible to create bending deformations of significant sections of its surface.
Для реализации нелинейного модуляционного способа мониторинга состояния протяженных конструкций предлагается устройство мониторинга состояния протяженных конструкций.To implement a nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures, a device for monitoring the state of extended structures is proposed.
Устройство мониторинга состояния протяженных конструкций содержит множество магнитострикционных датчиков 1 (см.Фиг.1), смонтированных на поверхности объекта контроля 2. Датчики 1 могут быть выполнены также в виде пьезоэлектрических. Датчики 1 выполнены с возможностью работы в качества передатчика упругих колебаний (режим Тх), и/или приемника упругих колебаний для их регистрации (режим Rx).The device for monitoring the condition of extended structures contains a plurality of magnetostrictive sensors 1 (see Figure 1) mounted on the surface of the
Датчик 1 представляет собой магнитострикционную полосу 3, опоясывающую участок контролируемого объекта 2. Вокруг короткой оси поперек магнитострикционной полосы 3 по всей ее длине намотана катушка постоянного тока 4. Вокруг магнитострикционной полосы 3 в продольном направлении и вокруг контролируемого объекта 2 намотана катушка переменного тока 5.The
Каждый из датчиков 1 работает в режиме передачи (Tx) и/или приема (Rx), при этом устройство мониторинга состояния протяженных конструкций содержит, по крайней мере, два датчика 1, смонтированных вдоль объекта контроля 2 на его участке, один из которых работает в эхо-импульсном режиме (Tx-Rx), т.е. как передатчик и приемник высокочастотных ультразвуковых импульсов одновременно, а второй из датчиков 1 работает, как передатчик низкочастотных акустических импульсов, излучаемых в сторону соседнего датчика 1 (Tx).Each of the
Каждый из датчиков 1 подключен к мультиплексору 6, который в свою очередь подключен к блоку управления 7. Мультиплексор 6 выполнен с возможностью адресного подключения датчиков 1 для опроса и получения от них информации, с передачей для обработки и последующего хранения результатов в блоке управления 7. Each of the
Блок управления 7 включает в себя генератор акустических сигналов 8, генератор ультразвуковых импульсов 9 и источник питания 10, которые подключены к мультиплексору 6. Генератор акустических сигналов 8 подключен к выходу усилителя мощности 11, а генератор ультразвуковых импульсов 9 подключен к выходу ультразвукового локатора 12, к которому подключен мультиплексор 6. Выходы ультразвукового локатора 12 подключены к блоку обработки информации 13 и к блоку задержки 14, соединенные между собой выходами/входами. Выход блока задержки 14 подключен к блоку измерения фазы и амплитуды 15, который подключен ко входу блока обработки информации 13. Выход блока обработки информации 13 подключен к усилителю мощности 11.The control unit 7 includes an acoustic signal generator 8, an ultrasonic pulse generator 9 and a
Магнитострикционная полоса 3 может быть смонтирована непосредственно на стенке объекта контроля 2, если упомянутый объект 2 выполнен из ферромагнитных материалов. В случае, если объект контроля выполнен из неферромагнитных материалов, магнитострикционная полоса 3 смонтирована на стенке объекта контроля 2 сухим контактом.
Принцип действия устройства мониторинга состояния протяженных конструкций для реализации нелинейного модуляционного способа мониторинга состояния протяженных конструкций заключается в следующем.The principle of operation of the device for monitoring the state of extended structures for the implementation of a nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures is as follows.
С источника питания 10 через мультиплексор 6 подают напряжение постоянного тока на катушку постоянного тока 4. Постоянное напряжение в катушке 4 будет создавать индуцированное смещение постоянного тока в направлении, указанном вертикальными стрелками на магнитострикционной полосе 3, а сам датчик 1 в этом случае примет свойства постоянного магнита. После создания в магнитострикционной полосе 3 индуцированного смещения постоянного тока с ультразвукового локатора 12 через мультиплексор 6 на катушку переменного тока 5 подают импульс переменного тока, который создает смещение магнитострикционной полосы 3 в направлениях, указанных горизонтальными стрелками на фиг.1 и тем самым вызывает упругие колебания в виде крутильной волны в материале объекта контроля 2 (показана волнистой стрелкой). DC voltage is applied from
Крутильная волна, распространяемая в стенке объекта контроля 2, обеспечивает сжатие и растяжение материала объекта контроля 2 и при наличии в нем дефекта – изменение его размеров и положения, при этом за счет того, что крутильная волна похожа собой на сейсмическую поверхностную волну, в которой частицы движутся по эллипсам относительно направления распространения волны. The torsional wave propagating in the wall of the
Вместе с крутильной волной, создаваемой катушкой переменного тока 5 при подаче на нее напряжения переменного тока от источника питания 10 с помощью генераторов акустических сигналов 8 и ультразвуковых импульсов 9 генерируют акустические низкочастотные колебания и ультразвуковые импульсы, соответственно, которые через мультиплексор 6 от упомянутых генераторов 8 и 9 подают на датчики 1, при этом низкочастотные колебания подают на один датчик 1, а ультразвуковые колебания на соседний датчик 1. Датчики 1 преобразуют упомянутые акустические колебания и ультразвуковые импульсы в механические низкочастотные для модуляции и ультразвуковые колебания для определения местоположения дефекта и передают по стенке объекта контроля 2 навстречу друг другу. Together with the torsional wave generated by the
При прохождении сигналов механических колебаний через дефекты в объекте контроля 2, которые, как было указано выше, под воздействием крутильной волны постоянно меняют свои размеры и положение и тем самым исключают прохождение через них сигнала без изменений, подвергаются модуляции и отражению в виде эхо-импульсов. Упругие колебания в виде уже модулированных эхо-сигналов при достижении датчика 1 в сторону которого колебания были направлены изначально от соседнего датчика 1 в принимаемом датчике 1 в его катушке переменного тока 5 преобразуются в электрический сигнал, при этом, датчик 1, от которого исходили низкочастотные колебания принимает и преобразует ультразвуковые колебания, а соседний датчик 1, генерирующий ультразвуковые колебания принимает и преобразует низкочастотные колебания. When the signals of mechanical vibrations pass through the defects in the
Электрические сигналы через мультиплексор 6 и через ультразвуковой локатор 12 передают в блок обработки информации 13 и блок задержки 14. Electrical signals through the
В блоке задержки 14 осуществляют вычитание фазовых спектров и амплитуд принятых и генерируемых сигналов. После обратного преобразования Фурье в результате коррекции фазового спектра суммарный акустический сигнал сжимается во времени, что обеспечивает возможность разделения генерирующего сигнала и сигнала, отраженного от дефекта объекта контроля 2, путем стробирования. После выделения в блоке задержки 14 полезного акустического сигнала, отраженного от дефекта объекта контроля 2 в блоке измерения фазы и амплитуды 15 осуществляют реконструкцию исходного временного масштаба путем сложения фазового спектра, выделенного в результате временной селекции принятого сигнала, и фазового спектра генерируемого зондирующего сигнала. In the
В блоке обработки информации 13 анализируют полученные сигналы и формируют их осциллограмму. При временном и пространственном совпадении ультразвуковых и низкочастотных колебаний происходит модуляция акустических характеристик исследуемого участка объекта контроля 2. In the
Иными словами, в блоке задержки 14 изменяют задержку излучения низкочастотных колебаний по отношению к ультразвуковому импульсу с определённым шагом, измеряют амплитуду и уровень модуляции ультразвуковых колебаний. На осциллограмме отображают при этом генерируемые и принятые сигналы. При прохождении механических колебаний через дефект или отражении от него эти колебания из-за дисперсии и интерференции волн меняют свою форму и вызывают появление эхо-импульсов, которые участвуют после регистрации их датчиками 1 в результатах обработки в блоке обработки информации.In other words, in the
Размер дефекта определяют по отношению амплитуд генерируемых упругих колебаний и эхо-импульса. Местоположение дефекта определяют с учетом известной скорости распространения упругих колебаний в стенке объекта контроля 2 и времени между генерированием упругих колебаний датчиком 1 и регистрацией эхо-импульсов этих же упругих колебаний соседним датчиком 1. The size of the defect is determined by the ratio of the amplitudes of the generated elastic vibrations and the echo pulse. The location of the defect is determined taking into account the known velocity of propagation of elastic vibrations in the wall of the
В качестве объекта контроля 2 могут выступать подземные (подводные, в том числе с заглублением в дно) трубопроводы и сосуды, в том числе траншейного или канального типа, проложенные ниже уровня поверхности земли или в обваловании, а также надземные технологические трубопроводы и сосуды на опорах, в том числе с применением защитных, теплоизоляционных покрытий и защитного металлического кожуха или футеровки. В качестве трубопроводов могут выступать участки промысловых, магистральных или технологических трубопроводов, трубопроводы коммунальных сетей; отводящие шлейфы насосных, компрессорных и газораспределительных станций, резервуары, сваи, шпунты, трубы и другие протяженные конструкции. Транспортируемыми продуктами по таким трубопроводам могут выступать вода, пар, природный или сжиженный газ, нефть, нефте- и химические продукты, и их производные. The object of
Реализацию нелинейного модуляционного способа мониторинга состояния протяженных конструкций покажем на примере.We will show the implementation of a nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures using an example.
Исследовались два базовых случая локации объекта контроля 2: первый по трассе локации расположена полость, второй - трещина и наоборот, когда первый дефект - трещина, второй - полость. Если дефект - трещина, то очевидно, что в направлении локации могут присутствовать различные комбинации внутренних структур, обладающих как линейными, так и нелинейными свойствами. Результаты, полученные с помощью нелинейной модуляции, сравнивались с зависимостью «амплитуда отраженного сигнала - глубина локации», получаемой при обычной линейной локации, использующей амплитудное детектирование сигнала принятой ультразвуковой волны. Two basic cases of the location of the object of
В качестве объекта контроля 2 использовался металлическая труба длиной 3770 мм, диаметром 114 мм и толщиной стенки 8 мм, имеющий одновременно трещину и полость, расположенные на расстоянии 1210 мм и 1530 от ее торцов. Для создания трещины в трубе делался продольный пропил длиной 16 мм, шириной 0,5 мм и глубиной 4 мм. В качестве полости использовалось отверстие диаметром 5,6 мм. Ось отверстия перпендикулярна основанию трещины. As the object of
Посередине трубы смонтирован датчик 1 (см.Фиг.1), выполняющий роль акустического низкочастотного преобразователя (режим Tx). Датчик 1 возбуждает трубу на первой моде изгибных колебаний F = 12 Гц, амплитуда колебаний в центре трубы - 1 мм. На концах трубы смонтированы датчики 1, выполняющие роль ультразвуковых высокочастотных преобразователей (режим Rx). В совокупности работы трех датчиков 1 использовалась эхо-локация на отражение (режим Tx-Rx).
Подсоединяя через мультиплексор 6 к ультразвуковому локатору 12 первый или второй датчики 1, локацию проводят или со стороны трещины, или со стороны полости. Частота излучаемой волны генератора ультразвуковых импульсов 9 составляет 1,2 МГц, длительность ультразвукового импульса - 20 мкс, частота локации - 293 Гц. By connecting the first or
Наличие в принятом сигнале модуляции частоты F определялось следующим образом. The presence of frequency F modulation in the received signal was determined as follows.
Принятый через мультиплексор 6 сигнал ультразвуковой волны передают в блок задержки 14 где подвергают его стробированию, последовательно подвергают синхронному фазовому детектированию и усреднению сигнала за время строба в блоке измерения фазы и амплитуды 15 и запоминанию в блоке обработки информации 13 до следующего стробированного сигнала. Строб длительностью 0,5 мкс, с периодом 3,73 с автоматически перестраивался в блоке задержки 14 с шагом 1 мкс (разрешение по дальности - 1.6 мм). Блок обработки информации 13 реализует два режима измерения. В первом режиме положение строба устанавливают вручную. В этом случае в блоке обработки информации 13 анализируют сигнал на заданной дальности, что позволяет исследовать его спектральные характеристики при различных уровнях возбуждения колебаний трубы. Во втором режиме положение строба перестраивают автоматически. Этот режим позволяет определять изменение характеристик сигнала по всей длине объекта контроля 2, но только для его фиксированного уровня возбуждения. Анализ изменения амплитуды сигнала на датчиках 1, смонтированных на концах трубы и выполняющих роль ультразвуковых высокочастотных преобразователей, получаемый при локации со стороны полости или трещины и метки, соответственно показывающие положение полости и трещины, показали, что после отражения от первого дефекта огибающая сигнала сильно изменяется. Отраженный сигнал сильно затягивается из-за дисперсии и интерференции волн в трубе. The ultrasonic wave signal received through the
На Фиг. 2 показан спектр стробированного сигнала, отраженно полости (а) и от трещины (б). Спектрограммы, приведенные на Фиг. 2, показывают, что нелинейным модуляционным способом по форме сигнала достоверно удается различить тип диагностируемого дефекта - полость или трещина. На объектах контроля 2 с различными моделями трещины и полости было показано, что трещина в зависимости от типа и амплитуды возбуждения изгибных колебаний приводит к появлению гармонических составляющих, имеющих уровень -20 ...-60 дБ по отношению к амплитуде отраженного сигнала. Наличие модуляции можно определить при стробировании фронта принятого сигнала. Анализ изменения амплитуды гармоники частоты для случая автоматической перестройки строба показал, что дальность появления в отраженном сигнале спектральных составляющих на частоте изгибных колебаний, соответствует расстоянию до трещины. Обнаружение трещины нелинейным модуляционным способом возможно на фоне рассеяния ультразвуковой волны на полости в то время, когда обычное линейное амплитудное детектирование принятого сигнала этого сделать не позволяет. On FIG. Figure 2 shows the spectrum of the gated signal reflected from the cavity (a) and from the crack (b). The spectrograms shown in Fig. 2 show that using a nonlinear modulation method, it is possible to reliably distinguish the type of diagnosed defect - a cavity or a crack - by the signal shape. On
Очевидно, что трещина будет различным образом модулировать параметры ультразвуковой волны в зависимости от амплитуды изгибных колебаний. На Фиг.3 а-г приведены изменения амплитуд модуляции сигналов, отраженных от трещины. Амплитуда упругих колебаний трубы (показан пунктирной линией) изменялась от 0 (нижняя пунктирная линия) до 0,5 мм (верхняя пунктирная линия) с шагом 0,02 мм. На Фиг.3 а,б для сравнения сплошными линиями приведены изменения амплитуд принятых сигналов в данном сечении. Из Фиг.3 видно, что изменение модуляции для первой и второй трещин имеют различный вид. В первом случае (см.Фиг.3а, в) трещина поджата и симметрично расположена относительно оси трубы. Увеличение амплитуды возбуждения (см. Фиг.3 в) приводит к увеличению амплитуды модуляции в центральном сечении, причем уширения полученных распределений (см.Фиг.3 а) почти не происходит. Для второго случая (см.Фиг.3 б, г) видно, что модуляция волны происходит в основном на краях трещины. В центральном сечении модуляция существенно меньше, поскольку края трещины почти не смыкаются. Это приводит к тому, что внешний вид распределения становится не колоколообразным (см.Фиг.3 а,в), а двугорбым (см.Фиг.3 б, г). Приведенные на Фиг.3 зависимости показывают хорошую симметрию в картине модуляции по длине трещин, что объективно соответствует размерам трещин и возможности идентификации двух типов трещин – с раскрытием и без раскрытия. Из Фиг.3 е, г видно, что трещина открывается уже при малых (порядка 0,04÷0,08 мм) амплитудах колебаний, а амплитуда модуляции растет пропорционально амплитуде изгибных колебаний. Таким образом, полученные результаты показывают, что нелинейный модуляционный способ позволяет определять размеры и тип трещины (с раскрытием и без раскрытия), что очень важно при предупреждении критических состояний и аварийности.Obviously, the crack will modulate the parameters of the ultrasonic wave in different ways depending on the amplitude of the bending vibrations. Figure 3 a-g shows changes in the amplitudes of the modulation of the signals reflected from the crack. The amplitude of the elastic vibrations of the pipe (shown by the dashed line) varied from 0 (lower dashed line) to 0.5 mm (upper dashed line) with a step of 0.02 mm. In Fig.3 a,b for comparison, solid lines show the changes in the amplitudes of the received signals in this section. From Fig.3 it can be seen that the change in modulation for the first and second cracks have a different form. In the first case (see Fig. 3a, c), the crack is compressed and symmetrically located relative to the axis of the pipe. An increase in the excitation amplitude (see Fig.3 c) leads to an increase in the modulation amplitude in the central section, and the broadening of the obtained distributions (see Fig.3 a) almost does not occur. For the second case (see Figure 3 b, d) it is seen that the modulation of the wave occurs mainly at the edges of the crack. In the central section, the modulation is much smaller, since the edges of the crack almost do not close. This leads to the fact that the appearance of the distribution becomes not bell-shaped (see Fig. 3 a, c), but two-humped (see Fig. 3 b, d). The dependencies shown in Fig.3 show good symmetry in the pattern of modulation along the length of the cracks, which objectively corresponds to the size of the cracks and the possibility of identifying two types of cracks - with and without opening. From Fig.3 e, g shows that the crack opens already at small (of the order of 0.04÷0.08 mm) vibration amplitudes, and the modulation amplitude grows in proportion to the amplitude of bending vibrations. Thus, the obtained results show that the nonlinear modulation method allows determining the size and type of a crack (with and without opening), which is very important in preventing critical conditions and accidents.
В случае локации в объекте контроля 2, в данном случае – трубе, одновременно находятся два дефекта разных типов: полость (эрозия) и трещина (КРН). Для моделирования таких условий измерения в трубе просверлено отверстие диаметром 5,6 мм (модель полости), на таком же расстоянии, как и трещина, но от противоположного конца трубы. Локация осуществлялась сначала с одного конца трубы, ближе расположенного к трещине. Затем измерения повторялись с другого конца трубы. Тогда по трассе локации первым дефектом была трещина, а вторым - полость. Затем направление локации изменялось на противоположное. Амплитуда изгибных колебаний выбрана равной 0,4 мм. In the case of location in the object of
На Фиг.4 а,б приведены результаты измерений при локации в центре трубы, а на Фиг.5 а-г — результаты, полученные при локации с края трубы.Figure 4 a, b shows the results of measurements when located in the center of the pipe, and figure 5 a-d - the results obtained when located from the edge of the pipe.
Из сравнения Фиг.4 а и Фиг.4 б, подтверждаемых и результатами пространственного сканирования, приведенными на Фиг.5 а-г, видно: тип первого дефекта по трассе локации определяется достоверно. Трещину можно обнаружить, даже если перед ней расположена полость. Определение типа второго дефекта (полость), если первый дефект трещина - затруднено. Это связано с тем обстоятельством, что он облучается уже модулированной ультразвуковой волной и все последующие отражения, также имеют модуляцию. Очевидно, что в данном случае второй дефект - полость идентифицировать сложно и нужны дополнительные признаки, позволяющие сделать это. Второй дефект - трещину можно определить, только если она будет давать существенно больший уровень модуляции, чем первая. Это важный результат, который необходимо учитывать на практике при анализе сигналов, полученных нелинейным модуляционным способом, поскольку исследуемый объект может иметь по трассе локации несколько дефектов. From the comparison of Fig.4 a and Fig.4 b, confirmed by the results of spatial scanning shown in Fig.5 a-d, it can be seen that the type of the first defect along the location path is determined reliably. A crack can be detected even if there is a cavity in front of it. Determining the type of the second defect (cavity), if the first defect is a crack, is difficult. This is due to the fact that it is irradiated with an already modulated ultrasonic wave and all subsequent reflections are also modulated. Obviously, in this case, the second defect - the cavity - is difficult to identify and additional signs are needed to make it possible. The second defect - a crack can be determined only if it gives a significantly higher level of modulation than the first one. This is an important result that must be taken into account in practice when analyzing signals obtained by a nonlinear modulation method, since the object under study may have several defects along the location path.
Протестировав один и тот же участок трубы с обоих направлений в режиме кручения можно сделать вывод, что описанный способ позволяет достичь высокой чувствительности к дефектам и низкой частоты ложных обнаружений. Например, если испытания проводятся с кольцевыми преобразователями на расстоянии до 5-10 м друг от друга, то каждое местоположение дефекта рекомендуется проверять с двух направлений, с волнами, падающими с противоположных сторон. Это можно делать как последовательно (сначала с одного направления, а затем с другого), так и одновременно — осуществляя прием эхо-сигнала на оба преобразователя одновременно. Сравнение этих двух результатов значительно повысит достоверность контроля с дефектами различных типов. Преимущество этой стратегии также заключается в том, что мертвая зона вокруг положения кольца датчика проверяется из мест расположения датчиков с обеих сторон, что обеспечивает 100%-ный охват трубы.Having tested the same section of the pipe from both directions in the torsion mode, it can be concluded that the described method allows achieving high sensitivity to defects and a low false detection rate. For example, if tests are carried out with ring transducers up to 5-10 m apart, then it is recommended to check each defect location from two directions, with waves incident from opposite sides. This can be done both sequentially (first from one direction, and then from the other), and simultaneously - by receiving an echo signal on both transducers simultaneously. Comparison of these two results will significantly increase the reliability of control with defects of various types. This strategy also has the advantage that the dead zone around the position of the sensor ring is checked from the sensor locations on both sides, resulting in 100% coverage of the pipe.
Анализ результатов измерений при локации со стороны полости (см.Фиг.5 а, б) и со стороны трещины (см.Фиг.5 в, г) показал, что нелинейные свойства трещины будут по-разному проявляться в зависимости от поляризации вибраций. Если упругие колебания изменяли свою поляризацию, то это приводит к изменению амплитуды модуляции (см. Фиг.6). Угол поворота 180° соответствует максимуму, когда раскрытие трещины максимальное, а 0° - минимальное. Сечения снимались через каждые 20°. Из анализа следует, что, когда трещина поджата, глубина модуляция максимальна. Когда трещина раскрыта - изгибные колебания той же амплитуды приводят к существенно меньшим уровням модуляции. Analysis of the results of measurements during location from the side of the cavity (see Fig.5 a, b) and from the side of the crack (see Fig. 5 c, d) showed that the nonlinear properties of the crack will manifest themselves differently depending on the polarization of the vibrations. If the elastic oscillations changed their polarization, then this leads to a change in the modulation amplitude (see Fig.6). The rotation angle of 180° corresponds to the maximum when the fracture opening is maximum, and 0° is the minimum. Sections were taken every 20°. It follows from the analysis that when the crack is compressed, the depth of modulation is maximum. When the crack is open, bending vibrations of the same amplitude lead to significantly lower levels of modulation.
Для практики этот результат означает, что контроль объекта необходимо проводить при его возбуждении в нескольких поляризациях, в противном случае возможны пропуски в определении, как наличия (трещина статически поджата и волна почти не отражается от нее), так и типа (трещина раскрыта и почти не изменяет своих акустических характеристик) дефекта.For practice, this result means that the control of the object must be carried out when it is excited in several polarizations, otherwise there may be omissions in determining both the presence (the crack is statically compressed and the wave is almost not reflected from it) and the type (the crack is open and almost no changes its acoustic characteristics) of the defect.
Таким образом, нелинейные характеристики трещины будут по-разному проявляться в зависимости от поляризации колебаний относительно трещины. Исследования измерений зависимости уровня модуляции от угла ориентации трещины и дальности установленного строба показали, что, когда трещина поджата, глубина модуляции максимальна. Когда трещина раскрыта - низкочастотные изгибные колебания той же амплитуды приводят к существенно меньшим изменениям параметров ультразвуковой волны. Thus, the nonlinear characteristics of a crack will manifest themselves differently depending on the polarization of oscillations relative to the crack. Studies of measurements of the dependence of the level of modulation on the angle of orientation of the crack and the range of the installed gate showed that when the crack is pressed, the depth of modulation is maximum. When the crack is open, low-frequency bending vibrations of the same amplitude lead to significantly smaller changes in the parameters of the ultrasonic wave.
На примере обнаружения положения трещины и полости в трубе, показана эффективность использования импульсной ультразвуковой локации со стробированием принятого сигнала в нелинейном модуляционном способе, который позволяет разрешать два различных по типу дефекта (полость или трещина, две рядом расположенные трещины) и определять положение трещины по проявлению ею нелинейных свойств, независимо от того, находится перед ней полость или нет. Нелинейные свойства трещины по-разному проявляют себя в зависимости от поляризации низкочастотных колебаний объекта и статического напряжения на трещине. Это означает, что при нелинейном модуляционном способе мониторинга объектов и конструкций желательно проводить измерения при возбуждении волны упругими колебаниями различных поляризаций. Using the example of detecting the position of a crack and a cavity in a pipe, the effectiveness of using pulsed ultrasonic location with gating of the received signal in a nonlinear modulation method is shown, which allows you to resolve two different types of defects (a cavity or a crack, two adjacent cracks) and determine the position of a crack by its manifestation nonlinear properties, regardless of whether there is a cavity in front of it or not. The nonlinear properties of a crack manifest themselves differently depending on the polarization of low-frequency oscillations of the object and the static stress on the crack. This means that with the nonlinear modulation method of monitoring objects and structures, it is desirable to carry out measurements when the wave is excited by elastic vibrations of different polarizations.
На примерах различных дефектов с различными акустическими характеристиками, продемонстрированы возможности двухмерного дистанционного обнаружения трещин линейным и нелинейным модуляционным способами. Нелинейный модуляционный способ с использованием магнитострикционных датчиков 1 позволяет определять степень закрытости трещины, а также ее границы, изменяющие прохождение ультразвуковой волны в результате возбуждения изгибных колебаний объекта. Использование этого способа мониторинга позволяют дистанционно достоверно обнаруживать полость и трещину, если полость является первым дефектом по трассе локации, а трещина – вторым. Если первым дефектом является трещина, то определение типа второго дефекта возможно меняя направление подачи акустической волны. Разработанный нелинейный модуляционный способ мониторинга может быть использован для двумерного обнаружения КРН-трещин и полостей в протяженных конструкциях. Дистанционный мониторинг состояния протяженной конструкции позволяет получать новые данные об акустических характеристиках трещин и их пространственном распределении, не доступные линейному методу ультразвуковой локации.On the examples of various defects with different acoustic characteristics, the possibilities of two-dimensional remote detection of cracks by linear and nonlinear modulation methods are demonstrated. The nonlinear modulation method using
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2799241C1 true RU2799241C1 (en) | 2023-07-04 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821844C1 (en) * | 2023-11-15 | 2024-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method for electromagnetic-acoustic excitation and reception of acoustic pulses and flaw detector for its implementation |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1283640A1 (en) * | 1985-07-04 | 1987-01-15 | Саратовский филиал Специального конструкторского бюро Всесоюзного научно-производственного объединения "Союзгазавтоматика" | Device for detecting flaws in walls of pipelines |
| US8949042B1 (en) * | 2012-10-27 | 2015-02-03 | Valerian Goroshevskiy | AUV pipeline inspection using magnetic tomography |
| RU2742631C2 (en) * | 2019-01-29 | 2021-02-09 | Лилия Халитовна Фаизова | Method of detecting defects of pipeline and tie-ins into pipeline and device for its implementation |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1283640A1 (en) * | 1985-07-04 | 1987-01-15 | Саратовский филиал Специального конструкторского бюро Всесоюзного научно-производственного объединения "Союзгазавтоматика" | Device for detecting flaws in walls of pipelines |
| US8949042B1 (en) * | 2012-10-27 | 2015-02-03 | Valerian Goroshevskiy | AUV pipeline inspection using magnetic tomography |
| RU2742631C2 (en) * | 2019-01-29 | 2021-02-09 | Лилия Халитовна Фаизова | Method of detecting defects of pipeline and tie-ins into pipeline and device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| https://core.ac.uk/download/pdf/14695077.pdf. https://www.ndt.net/article/v13n12/bertoncini.pdf. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821844C1 (en) * | 2023-11-15 | 2024-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method for electromagnetic-acoustic excitation and reception of acoustic pulses and flaw detector for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Marcantonio et al. | Ultrasonic waves for materials evaluation in fatigue, thermal and corrosion damage: A review | |
| Rens et al. | Review of nondestructive evaluation techniques of civil infrastructure | |
| Kishawy et al. | Review of pipeline integrity management practices | |
| EP2947420B1 (en) | Method for the continuous remote monitoring of deformations in a pressurized pipeline | |
| WO2010016078A1 (en) | Method for non-destructive investigation of the bottom of metallic tank structures | |
| Rizzo | NDE/SHM of underwater structures: a review | |
| Angulo et al. | Mooring integrity management: Novel approaches towards in situ monitoring | |
| Zawawi et al. | Non-destructive testing techniques for offshore underwater decommissioning projects through cutting detection: a state of review | |
| Cawley | Guided waves in long range nondestructive testing and structural health monitoring: Principles, history of applications and prospects | |
| RU2799241C1 (en) | Nonlinear modulation method for monitoring the state of extended structures and a device for its implementation | |
| Wood et al. | Structural integrity and remnant life evaluation of pressure equipment from acoustic emission monitoring | |
| Doubov et al. | The experience of gas pipeline stress-strain state control with usage of the metal magnetic memory method as compared with conventional methods and stress control means | |
| Urayama et al. | Implementation of electromagnetic acoustic resonance in pipe inspection | |
| Chua et al. | Crack growth monitoring using low-frequency guided waves | |
| US11585789B2 (en) | Method for detecting faults in plates | |
| Shcherbinin et al. | On the measures that are necessary for providing the safe operation of pipeline transport with nondestructive testing facilities | |
| Bertoncini et al. | 3D characterization of defects in Guided Wave monitoring of pipework using a magnetostrictive sensor | |
| Eldevik | Measurement of non-linear acoustoelastic effect in steel using acoustic resonance | |
| Ravi et al. | Pipeline monitoring using vibroacoustic sensing–a review | |
| Khajouei et al. | Wall thinning and damage detection techniques in pipelines | |
| Dawood | Acoustic Emission Testing for offshore jacket structures | |
| Galvan Rivera | Structural health monitoring on a mooring chain using acoustic emission technique | |
| Kaur et al. | The A REVIEW OF APPLICATIONS OF ULTRASONIC TECHNIQUES IN PETROLEUM INDUSTRY | |
| Makaya et al. | Condition health monitoring of monopile and transition piece using guided wave testing | |
| Mahzan et al. | Feasibility study of structural health monitoring towards pipeline corrosion monitoring: A review |