Диагностический вихретоковый модуль для систем управления каналами газоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Санников, Максим Анатольевич

• Санников, Максим Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Санников, Максим Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СТАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ.

1.1 Задачи неразрушающего контроля и диагностики стальных газопроводов.

1.2 Телеметрические системы управления каналами газоснабжения.

1.3 Классификация средств и методов неразрушающего контроля и диагностики стальных газопроводов.

1.4 Вихретоковый метод неразрушающего контроля в диагностике стальных газопроводов.

1.4.1 Общая характеристика и основные задачи, решаемые средствами диагностики, основанными на вихретоковом методе.

1.4.2 Основные параметры вихретоковых чувствительных элементов.

1.4.3 Методы подавления мешающих факторов.

1.4.4 Структурные схемы вихретоковых измерительных модулей.

1.4.5 Математическая модель взаимодействия вихретокового датчика с плоской проводящей поверхностью.

1.5 Постановка задачи исследования.

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЛИЯНИЯ КРИВИЗНЫ ПОВЕРХНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВТМ.

2.1 Постановка задачи разработки математической модели.

2.2 Разработка модели среднего эквивалентного зазора.

2.3 Оценка точности замены средним эквивалентным зазором.

2.4 Учёт влияния кривизны поверхности при Бтрувы / Бкатушки < 2.

2.5 Оценка точности замены функции изменения зазора степенным рядом Маклорена.

2.6 Учёт влияния кривизны поверхности при размещении вихретокого датчика под углом.

2.7 Оценка точности замены функции изменения зазора степенным рядом

Маклорена при наклоне датчика.

2.8 Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

3.1 Определение диаметра газопровода при неполном доступе.

3.2 Повышение точности измерение изоляционного покрытия газопровода

3.3 Повышение точности измерение толщины стенки трубы.

3.4 Разработка стенда и экспериментальные исследования.

3.5 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ВИХРЕТОКОВОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛАМИ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ.

4.1 Разработка аппаратного обеспечения ВТМ.

4.1.1 Базовые схемы измерительных цепей ВТМ.

4.1.2 Принципиальная схема измерительной цепи ВТМ.

4.1.3 Разработка схемы сопряжения ВТМ с персональным компьютером.

4.1.4 Разработка базового варианта ВТМ.

4.2 Разработка программного обеспечения ВТМ.

4.2.1 Структура программного обеспечения ВТМ.

4.2.2 Программное обеспечение аппаратной части ВТМ.

4.2.3 Программное обеспечение ВТМ для ПК.

4.3 Погрешность измерений ВТМ.

4.4 Выводы.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностический вихретоковый модуль для систем управления каналами газоснабжения»

В настоящий момент, в Российской Федерации каждый год увеличивается количество стальных подземных газопроводов, срок эксплуатации которых превысил сорок лет. В соответствии с пунктом 5.5.2 ПБ 12-503-03 «Правила безопасности газораспределения и газопотребления», стальные газопроводы, срок службы которых превышает 40 лет, должны быть подвергнуты технической диагностике, с целью определения остаточного срока службы [38]. Заключение об остаточном сроке службы газопровода в соответствии с РД 12411-01 "Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов" выносится на основе результатов измерений различных физических характеристик металла труб газопровода, а также их геометрических размеров [42]. Измерение выполняются различными электронными приборами для неразрушающего контроля и диагностики: толщиномеры, твердомеры, дефектоскопы и т.д. Кроме этого исследуется изоляционное покрытие газопровода, его толщина, состояние, адгезия к металлу и т.п. [43] Для газопроводов высокого давления дополнительно применяются методы разрушающего контроля: испытания на прочность (разрыв) и химический анализ металла трубы [64].

При диагностике, подавляющее большинство измерений выполняется в полевых условиях, в шурфах, в довольно ограниченном пространстве на глубине 1-2 метра. Если учесть, что парк используемых электронных приборов достаточно велик, то в таких условиях их габариты и вес играют важную роль. После проведения измерений, полученные данные вручную или полуавтоматически переносятся на компьютер для выполнения технических расчётов и принятия решения о дальнейшей эксплуатации, а также для оформления официальных актов. Эти операции занимают достаточно много времени и подвержены влиянию «человеческого фактора». Ошибка при измерениях или в расчётах выливается в крупные экономические потери. Кроме этого, в автоматизированных системах управления каналами газоснабжения существует потребность в достоверном источнике информации, однозначно характеризующим состояние газопровода и его остаточный ресурс.

Поскольку, существующие средства диагностики имеют вышеперечисленные недостатки и не полностью удовлетворяют сложившимся требованиям практики возникает задача создания комплексного диагностического вихретокового модуля (ВТМ) с малыми массогабаритными показателями, который позволит максимально сократить количество необходимого оборудования, повысить точность измерений, значительно упростить и ускорить процесс диагностики, а также сможет использоваться в автоматизированных системах управления каналами газоснабжения в качестве источника информации о состоянии газопровода.

Для создания такого модуля необходимо выбрать физический принцип, который бы мог использоваться для измерения наибольшего числа физических и геометрических параметров газопровода, необходимых для выдачи заключения о его состоянии. После проведения анализа существующих методов неразрушающего контроля и диагностики стало очевидным, что целесообразным в данном случае является один из методов электромагнитного контроля, а именно вихретоковый контроль. В настоящий момент на основе вихретокового эффекта строятся различные контрольно-измерительные приборы: дефектоскопы, измерители толщины стенки труб с односторонним доступом и толщиномеры изоляционных покрытий на проводящем основании и др.

Вихретоковый датчик является многопараметрическим, поэтому часть параметров (неинформативных) следует либо подавить, либо учесть их влияние, либо компенсировать. В данном случае к значащим параметрам следует отнести: толщину стенки трубы, величину зазора между датчиком и поверхностью трубы (что эквивалентно толщине изоляции), кривизну поверхности трубы, удельную электрическую проводимость и относительную магнитную проницаемость зазора и стали трубы. Исходя из большого числа мешающих факторов, наиболее рациональным способом их подавления является многочастотный метод, в котором производится несколько измерений на разных частотах, результаты которых зависят от нескольких параметров. Зная значения одних параметров можно учесть их влияние и достоверно определить искомый параметр. Очевидно, что наиболее целесообразным для обработки информации, в данном случае, будет использование современной вычислительной техники. Таким образом, в общем случае, модуль для определения остаточного срока службы газопровода будет включать в себя вихретоковый измерительный модуль и аппаратно-программную часть обработки информации и выдачи заключения, реализованную на базе персонального компьютера.

Целью работы является расширение функциональных возможностей и повышение точности вихретоковых измерительных модулей для систем диагностики и управления каналами газоснабжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить, следующие задачи:

• провести анализ различных физических принципов, методов и средств неразрушающего контроля и диагностики стальных газопроводов с целью нахождения физического метода, позволяющего определять наибольшее число параметров, необходимых для расчёта остаточного срока службы;

• разработать математическую модель влияния кривизны поверхности газопровода на результаты измерения вихретоковых приборов, для повышения точности измерения толщины стенки труб и толщины изоляционного покрытия на газопроводе, а также для автоматизации определения диаметра газопровода;

• разработать методику автоматизированного бесконтактного определения диаметра стального газопровода с помощью ВТМ;

• провести сравнение достоверности результатов разработанной математической модели влияния кривизны поверхности газопровода с существующими моделями;

• разработать базовый вариант ВТМ для систем управления каналами газоснабжения, обеспечивающего высокую точность, многофункциональность, широкий диапазон измерений, автоматизацию и простоту диагностики при малых массогабаритных показателях для полевых условий эксплуатации;

• разработать программное обеспечение (ПО) ВТМ для систем управления каналами газоснабжения;

• разработать экспериментальную установку и провести исследования с образцами вихретоковых преобразователей, для корректировки разработанной математической модели.

Методы исследования базируются на использовании теории измерительных преобразователей и электрических цепей; аппарата дифференциального и интегрального исчисления; теории поиска оптимального решения, численных методов решения и моделирования. Достоверность методики исследования подтверждается сравнением результатов с известными математическими моделями и полученными экспериментальными данными. Научная новизна работы заключается в следующем:

• проведён анализ различных физических принципов, методов и средств неразрушающего контроля и диагностики стальных газопроводов с целью определения базовых требований к ВТМ для определения остаточного срока службы газопровода, рассмотрены мешающие факторы и методы их компенсации;

• разработана математическая модель влияния кривизны поверхности газопровода на результаты измерения ВТМ, которая позволила повысить точность измерения толщины стенки труб и толщины изоляционного покрытия на газопроводе, а также позволила автоматизировать процесс определения диаметра газопровода;

• предложен и реализован метод повышения точности определения остаточного срока службы газопровода, с помощью решения уравнений старения металла трубы в ПО ВТМ, вместо субъективного графического метода решения;

• разработано ПО ВТМ для систем управления каналами газоснабжения, позволяющее комплексно автоматизировать расчёт остаточного срока службы газопровода, который выступает в качестве основного управляющего критерия в системах управления каналами газоснабжения; 9

• разработан базовый вариант автоматизированного ВТМ на базе современной микропроцессорной техники для полевых условий эксплуатации.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• определены базовые требования к ВТМ для определения остаточного срока службы газопровода на основе проведенного анализа различных физических принципов, методов и средств неразрушающего контроля и диагностики;

• построенная математическая модель, позволила повысить точность измерения толщины стенки труб и толщины изоляционного покрытия на газопроводе, за счёт учёта влияния кривизны поверхности газопровода;

• разработанный метод для нахождения диаметра трубы газопровода с помощью ВТМ позволил создать автоматизированное средство измерения диаметра трубы газопровода с неполным доступом;

• предложенный, вместо субъективного графического метода, метод решения уравнений старения металла трубы в ПО ВТМ, позволил повысить точность определения остаточного срока службы газопровода;

• разработанное ПО ВТМ для систем управления каналами газоснабжения, позволило комплексно автоматизировать расчёт остаточного срока службы газопровода, который выступает в качестве основного управляющего критерия в системах управления каналами газоснабжения;

• разработанный базовый вариант реализации ВТМ для систем управления каналами газоснабжения, на базе современной микропроцессорной техники позволил сократить количество необходимого оборудования для проведения диагностики в полевых условиях;

• созданная экспериментальная установка и проведённые исследования с образцами вихретоковых преобразователей подтвердили правильность разработанной математической модели.

Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в работе исследования и разработки реализованы и внедрены в следующих организациях:

1. ОАО «Самарагаз» филиал ООО «Средневолжская Газовая Компания», г.Самара;

2. ООО ЮУРТЦ «Промбезопасность», г. Челябинск;

3. Самарское управление Госгортехнадзора России, г. Самара;

4. ООО «Экспертиза Плюс», г. Архангельск;

5. ООО «Уралнефтегазпромсервис», Башкортостан, г. Октябрьский;

6. ООО «Городской центр экспертиз - Север», г. Санкт - Петербург;

7. ООО «Центр научно-инженерных и производственных работ по технической безопасности», республика Коми, г. Ухта.

Кроме этого, получены заявки на внедрение комплекса ПО от следующих организаций:

1. ОАО «Брянскоблгаз», г. Брянск;

2. ОАО «Свердловскоблгаз», г. Екатеринбург;

3. ОАО «Омскоблгаз», г. Омск;

4. ООО «Северный Региональный Технический Центр Диагностики и Технической Экспертизы» ООО "СРТЦ ДИТЭКС, республика Коми, г. Ухта;

5. ООО «Диагностика систем трубопроводов», г. Омск;

6. ЗАО «Центр по испытаниям, внедрению, сертификации продукции, стандартизации и метрологии», г. Астрахань;

7. ООО «Северный экспертный центр», г. Ярославль;

8. ООО "ПолиЭкс", г.Череповец.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на НТС СГАУ, на международном симпозиуме "Надёжность и качество 2004" в г. Пенза, всероссийской научно-технической конференции "Интеллектуальные системы управления и обработки информации" в г.Уфа, 2003 г., на международной студенческой научной конференции "Туполевские чтения" в г. Самара, 2005 г. Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель влияния кривизны поверхности стального газопровода на результаты измерения ВТМ;

11

• автоматизированный бесконтактный метод определения диаметра газопровода при неполном доступе с помощью ВТМ;

• экспериментальные исследования, подтверждающие, достоверность разработанной математической модели;

• способы и технические средства реализации ВТМ для систем управления каналами газоснабжения на базе современной микропроцессорной техники и сопряжения ВТМ с компьютером;

• ПО для систем управления каналами газоснабжения, комплексно автоматизирующее расчёт остаточного срока службы стальных газопроводов;

Публикации. Автор имеет 19 опубликованных работ, в том числе по теме диссертации 13 работ, из них опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией 5.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, перечня используемых источников, приложений. Работа содержит 172 страницы машинописного текста, 15 таблиц, 56 иллюстраций, 7 страниц библиографического списка из 92 наименований и 16 страниц приложений.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Санников, Максим Анатольевич

Основные результаты работы следующие:

• Проведён анализ различных физических принципов, методов и средств неразрушающего контроля и диагностики стальных газопроводов, на основе которого определены базовые требования к ВТМ систем управления каналами газоснабжения, рассмотрены мешающие факторы и методы их компенсации.

• Разработана математическая модель, позволившая повысить точность измерения толщины стенки трубы и толщины изоляционного покрытия на газопроводе на 5-38% в зависимости от соотношения размеров датчика и трубы.

• Предложен метод определения диаметра газопровода на основе разработанной математической модели влияния кривизны поверхности газопровода на результаты измерения ВТМ, который позволяет создавать бесконтактные автоматизированные средства измерения диаметра трубы газопровода с неполным доступом.

• Созданы образцы вихретоковых преобразователей ВТМ и экспериментальный стенд, с помощью которых исследована погрешность разработанной математической модели, в среднем не превышающая 4,9% .

• Предложен и реализован метод повышения точности определения остаточного срока службы газопровода, с помощью программного решения уравнений старения металла трубы, уменьшивший погрешность определения до ± 1 года, вместо субъективного графического метода решения.

152

• Разработан базовый вариант ВТМ на базе современной микропроцессорной техники для полевых условий эксплуатации позволивший сократить количество необходимого оборудования для проведения диагностики.

• Разработано ПО, комплексно автоматизирующее расчёт остаточного срока службы стальных газопроводов, которое позволяет значительно ускорить и упростить процесс расчёта.

Заключение

Рисунок 4.11 - Схема определения остаточного срока службы газопровода с помощью ВТМ

Из неё наглядно видно, что процесс обработки информации распределён между ВТМ и персональным компьютером. В виду большей вычислительной мощности, дружественности интерфейса к пользователю и оперативности изменения программного обеспечения наиболее целесообразным будет возложить функцию выполнения технических расчётов на программное обеспечение персонального компьютера. А программному обеспечению ВТМ оставить только функции управления непосредственно аппаратным обеспечением .

135

4.2.1 Структура программного обеспечения ВТМ

Далее определим структуру программного обеспечения, которое потребуется для работы ВТМ. Итак, на основе вышеизложенного, ПО системы разделим на программы управления работой отдельных блоков модуля и программы обработки данных. К программам управления отнесём программы компенсации начального напряжения датчика, установки частоты и амплитуд тока генератора по электрофизическим параметрам объекта, калибровки по образцам, проверки работоспособности и т.д. К программам обработки данных будут относится программы: вычислений по формулам, решения системы линейных и нелинейных алгебраических уравнений, статистической обработки серии измерений и расчёты остаточного срока службы по различным параметрам [53,61]. Исходя из этого, структуру программного обеспечения ВТМ можно представить в виде диаграммы показанной на рисунке 4.12. Г

ПО аппаратной части ВТМ

Вихретоковый модуль

Персональный компьютер

Драйвер для работы с аппаратной частью ВТМ

ПО настройки и калибровки аппаратной части ВТМ

Программное обеспечение технических расчётов и выдачи заключения 1 К

База данных результатов измерений и справочных коэффициентов

Остаточный срок службы газопровода

Рисунок 4.12 - Структура программного обеспечения ВТМ для определения остаточного срока службы газопровода

Программное обеспечение аппаратной части ВТМ представляет собой программу, по которой работает микроконтроллер ВТМ. Драйвер служит "прослойкой" для взаимодействия аппаратной части модуля с операционной системы, в которой работают остальные программные части модуля. Программное обеспечение настройки и калибровки аппаратной части может быть реализовано как часть драйвера, так и в виде отдельного модуля. Его назначение понятно из названия. Драйвер операционной системы и программное обеспечение настройки и калибровки аппаратной части модуля является с одной стороны специальным ПО, которое разрабатывается для конкретного аппаратного обеспечения, но с другой стороны оно выполняется в рамках стандартных программных интерфейсов (API) операционной системы. В связи с этим, рассмотрение методов и алгоритмов создания данного класса программного обеспечения не является актуальной проблемой, поскольку на сегодняшний день они довольно хорошо отработаны.

Для работы с большими потоками и статическими объёмами информации используются базы данных - структурированные хранилища информации. Они реализуются на основе систем управления базами данных (СУБД), которые позволяют хранить, выполнять различные операции над данными (вставка, удаление, поиск и т.д.), в том числе агрегационные (поиск max, min, среднего, общая сумма и т.п.), сравнительно просто, не заботясь о внутренней структуре, распределении памяти и т.д. и т.п. Эти функций берёт на себя СУБД, а пользователь или программа лишь посылает ей команды или запросы. Создание программного обеспечения обмена информацией с базой данных (клиентской части) и ПО управления самой базой данных также не вызывает особых затруднений, поскольку в настоящий момент почти полностью автоматизировано. Разработчику лишь необходимо выбрать СУБД [49], механизм доступа к данным [62] и визуальную среду разработки. Далее в среде разработке производится визуальный дизайн интерфейса пользователя, а непосредственно программный код формируется из стандартных заранее подготовленных модулей. Оставшееся часть модуля - программное обеспечение технических расчётов и выдачи заключения является специализированным ПО, как драйвер, но оно зависит не от аппаратной части модуля, а от предметной области автоматизации. Данное программное обеспечение может использоваться как в составе автоматизированного модуля, так и отдельно. В первом случае исходные данные для расчётов поступают из базы данных, которая автоматически заполняется с помощью ВТМ. Во втором, данные вводятся в ручную, на основе замеров различными приборами, основанными на различных физических принципах, будь то вихретоковый эффект, ультразвук и т.д. [50,52,53] Как говорилось выше, это программное обеспечение является специфическим для конкретной предметной области и требует тщательного изучения всех сторон и аспектов этой области.

4.2.2 Программное обеспечение аппаратной части ВТМ

Программное обеспечение микроконтроллера в большинстве случаев пишется на низкоуровневым языке Ассемблер, реже на С. Это позволяет получить компактные программы, которые занимают немного места в весьма ограниченном встроенном ПЗУ. Машинный код, непосредственно исполняемый микроконтроллером, получается после компиляции специальной программы, в данном случае MPASM. [88]

MPASM - бесплатная, универсальная программа компиляции исходного текста программы на языке ассемблер для микроконтроллеров PICmicro компании Microchip Technology Incorporated. Ассемблер MPASM работает под управлением операционных систем MS-DOS V5.0 и Microsoft Windows 95/98/NT на PC совместимых компьютерах. MPASM обеспечивает универсальный инструмент разработки программ для 12/14/16-разрядных микроконтроллеров PICmicro [26].

MPASM может использоваться в двух случаях: для генерации абсолютного кода, который может быть загружен непосредственно в микроконтроллер и для генерации объектных файлов, которые связываются с другими компилированными модулями. Связывание объектных модулей производится с использованием линкера MPLINK для окончательного формирования исполняемого (абсолютного) кода. Данный метод позволяет многократно использовать отлаженные модули

138 программы. Объектные файлы могут быть сгруппированы в библиотечные файлы с помощью программы MPLIB. Библиотеки могут указываться в качестве параметра во время сборки и, таким образом, в исполняемый код будет включены только необходимые процедуры [72].

Как отмечалось ранее, в качестве управляющего микроконтроллера выбран PIC16C765, отличительной особенностью которого является встроенная поддержка шины USB 1.1. В связи с этим, наиболее актуальным будет рассмотрение программного обеспечения, реализующее базовые функции ВТМ, возложенные на микроконтроллер, а именно:

- аналого-цифровое преобразование;

- обмен информации с ПК по шине USB.

При этом рассмотрены три варианта работы с АЦП: одноканальный, двухканальный и по прерыванию [47,68,86]. Использование того или иного метода зависит от количества источников аналогового сигнала и общей загруженности микроконтроллера. Тексты подпрограмм с комментариями приведёны в приложении 1.

4.2.3 Программное обеспечение ВТМ для ПК

Итак, исходя из вышеизложенного, рассмотрим более подробно основные аспекты предметной области и затем разработанное программное обеспечение технических расчётов и выдачи заключения (см. рисунок 4.12).

Как отмечалось ранее, на заключительном этапе диагностики стального подземного газопровода, для определения его остаточного ресурса и продления срока его дальнейшей эксплуатации, необходимо произвести ряд технических расчётов. За остаточный срок службы стального газопровода принимается минимальное значение из остаточных сроков службы, рассчитанных по каждому из следующих параметров [42]:

- пластичность металла труб;

- ударная вязкость металла труб;

- напряжённо-деформированное состояние (НДС) при наличии фронтальной коррозии (общая коррозия);

- локальному НДС в местах коррозионных язв (язвенная коррозия). Параметры, которые необходимы для расчёта остаточного срока службы газопровода, перечислены ранее в разделе 1.1. С помощью ВТМ измеряется: минимальная толщина стенки в зоне дефекта и диаметр трубы, а также толщина изоляционного покрытия, для определения остаточного срока службы изоляции. Во всех случаях, благодаря разработанной математической модели, точность измерения повышается за счёт учёта влияния кривизны поверхности.

Расчёт остаточного срока службы до недавнего времени проводился либо вручную, либо с частичной автоматизацией (чаще всего с помощью табличного редактора Microsoft Excel, который использовался для построения графиков). Разработанное программное обеспечение ВТМ позволяет полностью автоматизировать расчёты остаточного срока службы газопровода по коррозии, пластичности и ударной вязкости, тем самым упростить их для конечного пользователя, значительно сократить время расчётов и избежать влияния субъективного человеческого фактора.

Программный комплекс ВТМ «Ресурс газопровода» [55-57] включает в себя четыре программы: «Коррозия» [58,59], «Пластичность» [60], «Вязкость», которые выполняют соответствующие технические расчёты и программу-интегратор «Расчёт», служащую для запуска компонентов комплекса. Рассмотрим два компонента комплекса: программы «Коррозия» и «Пластичность». Программа «Вязкость» по структуре и принципам работы почти идентична программе расчёта по пластичности.

Последовательность расчёта по коррозии подробно изложена в РД 12-41101 и он не вызывает особых затруднений в плане автоматизации. Результатами расчёта являются остаточные сроки эксплуатации при действии общей (фронтальной) и язвенной (питтинговой) коррозии. Кроме этого рассчитывается несколько промежуточных параметров, таких как скорость коррозии, скорость роста дефекта, критическая глубина дефекта и др., которые наглядно характеризуют динамику коррозийного процесса (рисунок 4.13). После

140 проведения расчёта программа автоматически создаёт протокол расчёта со всеми исходными данными и результатами расчёта. Протокол формируется в текстовом редакторе Microsoft Word, где в дальнейшем, он может быть изменён, выведен на печать или сохранён на диске.

Расчёт Справка

§§ Расчет У Сброс § Протокол Ц Выход

Исходные данные

Время эксплуатации, лет

ЕЕ

Диаметр трубы, мм 219

Рабочее давление. МПа 11.2 Фактическая температура, градус [20

Исходная толщина стенки, мм Фактическая толщина стенки, мм

6.0

3.64

Предел текучести стали труб, МПа 216 Размер коррозийной язвы, мм 14.0 ! ki Справка ¿S

Результаты расчёта

Общая коррозия i Язвенная коррозия I Остаточный срок

Общая коррозия

Фактическое напряжение. МПа

32.34375

Начальное напряжение. МПа i 20.7

Скорость коррозии, мм в гад 0.072

Константа рабочей среды, 1/МПа ¡0,00287

Время жизни ненапряж. элемента, лет [ 72.6851 Остаточный срок службы, лет

37.2285

Рисунок 4.13 - Результаты расчёта по общей коррозии, характеризующие динамику коррозийного процесса

Автоматизация расчёта коррозии не вызывает особых трудностей и алгоритм (рисунок 4.14) не требует каких-либо пояснений. Текст процедуры расчёта приведён в приложении №3.

Второй рассматриваемый нами компонент имеет более сложную структуру и некоторые специфические особенности. Автоматизация данного расчёта затрудняется, тем, что расчёт изначально производится графическим способом, поскольку выразить t хотя бы из (1.4) довольно затруднительно (заметим, что конечное уравнение имеет вид 0,9 = + 0,1 • ¥ ). Но вычислительные мощности современных ЭВМ, принятие в расчёте допущения дискретизации по времени, и свойство монотонности функции позволило создать программу не только строящую необходимые кривые, но и определяющую точки пересечения, т.е.

141 решающую указанные выше уравнения. Погрешность расчёта не превышает ± 1 год и может быть сокращена путём уменьшения шага дискретизации по времени.

Рисунок 4.14 - Алгоритм расчёта остаточного срока службы по коррозии

Рассмотрим непосредственно структуру и принципы работы с программой. Главное окно программы имеет две вкладки: «Исходные данные и результаты расчёта» (рисунок 4.15) и «График» (рисунок 4.16), название которых отражают их функциональное назначение.

Рисунок 4.16 - Графики определения остаточного срока службы газопровода по пластичности

143

Как отмечалось ранее, часть исходных данных для расчёта поступают либо из базы данных измерений ВТМ, либо вводятся вручную. Оставшиеся параметры выбираются вручную. Довольно часто требуется перевод значений давления из одних единиц измерения в другие. Для того, чтобы оператор не отвлекался на такие мелочи, на этой же вкладке имеется "переводчик" единиц измерения в МПа. После указания всех исходных параметров и нажатия кнопки «Расчёт» программа построит необходимые кривые и определит попадание (или не попадание) точки 2ф в требуемый диапазон. На основе этого будет выбран соответствующий алгоритм расчёта. Конечным результатом будет остаточный срок службы газопровода по пластичности, таблица данных для построения функций Y и Ч' + ОД-Ч*, которую можно сохранить в текстового файле, выбрав пункт меню «Экспорт» и непосредственно график с построенными кривыми (рисунок 4.14), который можно распечатать, выбрав пункт меню «Печать».

Все программы, входящие в состав комплекса, имеют подробную электронную справочную систему, позволяющую в сжатые сроки освоить работу с ними даже самому неопытному пользователю.

Комплекс разработан в среде Borland Delphi и функционирует на компьютерах с процессором класса Intel Pentium и выше, и операционной системой Microsoft Windows 98/ME/2000/XP/2003/Vista.

Алгоритм расчёта остаточного срока службы по пластичности представлен на рисунке 4.17, текст процедур расчёта приведён в приложении №4 и №5.

144

Рисунок 4.17 - Алгоритм расчёта остаточного срока службы по пластичности

Программный комплекс для определения остаточного срока службы газопровода внедрён в отделе по газовому надзору в ОАО «Самарагаз» филиал ООО «Средневолжская Газовая Компания», г.Самара; ООО ЮУРТЦ «Промбезопасность», г. Челябинск; Самарское управление Госгортехнадзора

145

России, г. Самара; ООО «Экспертиза Плюс», г. Архангельск; ООО «Уралнефтегазпромсервис», Башкортостан, г. Октябрьский; ООО «Городской центр экспертиз - Север», г. Санкт - Петербург; ООО «Центр научно-инженерных и производственных работ по технической безопасности», республика Коми, г. Ухта. Кроме этого, получены заявки на внедрение комплекса от следующих организаций: ОАО «Брянскоблгаз», г. Брянск; ОАО «Свердловскоблгаз», г. Екатеринбург; ОАО «Омскоблгаз», г. Омск; ООО «Северный Региональный Технический Центр Диагностики и Технической Экспертизы» ООО "СРТЦ ДИТЭКС, республика Коми, г. Ухта; ООО «Диагностика систем трубопроводов», г. Омск; ЗАО «Центр по испытаниям, внедрению, сертификации продукции, стандартизации и метрологии», г. Астрахань; ООО «Северный экспертный центр», г. Ярославль; ООО "ПолиЭкс", г.Череповец.

146

4.3 Погрешность измерений ВТМ

Проведём краткий анализ погрешности ВТМ. С точки зрения точностньгх характеристик структуру ВТМ можно представит в виде диаграммы представленной на рисунке 4.11. Примем допущение, что при передачи информативного сигнала между блоками отсутствуют или не оказывают влияния различные дестабилизирующие факторы (наводки, паразитные связи и т.п.) и как следствие сигнал передаётся без помех. Поскольку питание ВТМ осуществляется от батарей можно условно пренебречь нестабильностью источника питания. В результате остаются четыре блока, показанные на рисунке 4.11. Внутри каждого блока присутствуют дестабилизирующие параметры, оказывающие влияние на точность определения остаточного срока службы газопровода.

Вихретоковый чувствительный элемент

1. Нелинейность передаточной характеристики датчика

2. Неполная компенсация влияния мешающих факторов

3.Температурная нестабильность

Аналоговая измерительная цепь

1. Нелинейность характеристик активных элементов

2. Температурная нестабильность электрорадиоэле ментов

АЦП

1. Погрешность аналого-цифрового преобразования

2. Погрешность смещения нуля

3. Температурная нестабильность

Блок цифровой обработки информации

1. Погрешность математической модели

2. Погрешность выполнения математических операций

Рисунок 4.11 - Структурная схема ВТМ, описывающая причинны возникновения погрешности определения остаточного срока службы газопровода

Вихретоковый чувствительный элемент в подавляющем большинстве случаев имеет нелинейную передаточную характеристику. К этому добавляется неполная компенсация влияния мешающих факторов, описанная в разделе 1.3.3. Существует множество технических способов линеаризации передаточной характеристики и компенсации влияния мешающих факторов начиная от схемных решений и заканчивая программными. Все они хорошо изучены и проработаны для накладного типа датчика, поэтому останавливаться на них не будем. Также отметим наличие температурной нестабильности, простейшим

147 способом снижения которой может быть использование константанового провода при намотке катушки, имеющего малый температурный коэффициент электрического сопротивления.

Аналоговая измерительная цепь в свою очередь вносит погрешность, причиной которой является нелинейность характеристик активных элементов и их температурная нестабильность. В большинстве случаев, указанные причины устраняются схемотехническими решениями, которые известны и хорошо отработаны.

Погрешность аналого-цифрового преобразования, смещения нуля и температурная нестабильность АЦП определяется правильным выбором АЦП. В нашем случае используется встроенный в микроконтроллер АЦП, который полностью устраивает нас по перечисленным параметрам. Подробную информацию о характеристиках АЦП микроконтроллера Р1С16С765 и вариантах его использования можно найти в [27,47,65].

Ну и на последнем этапе свою долю погрешности вносит используемая математическая модель и точность выполнения математических операций выполняемых в технических расчётах. Оценки погрешности разработанных математических моделей изложены в разделе 2. Точность выполнения математических операций, в нашем случае выполняемых на персональном компьютере, ограничена здравым смыслом, поскольку конечный результат -остаточный срок службы газопровода, в соответствии с РД 12-411-01 [42] округляется до целого числа лет.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Санников, Максим Анатольевич, 2007 год

1. Автоматизация экспериментальных исследований. Межвузовский сборник научных трудов. Куйбышевский Авиационный Институт, Куйбышев 1983. 166 стр.

2. Авторское свидетельство №252631 МКИ G 01 В07С. Токовихревой накладной датчик / Шатерников В.Е. Опубликовано 22.09.69. Бюл. №29.

3. Авторское свидетельство №868544 МКИ G 01 N 27 / 90 Устройство контроля кривизны профиля поверхности / Денисов В.А., Меркулов А.И., Сердотецкий А.С. и др.- № 2821339/25 -28; Заявл. 19.09.79; Опубл. 30.09.81. Бюл. №36.- С. 7.

4. Авторское свидетельство №649997 МКИ G 01 N27 / 86. Вихретоковое устройство для неразрушающего контроля изделий / Клюев В.В., Курозаев В.П., Шкарлет Ю.М. Опубликовано 06.01.76. Бюл. №8.

5. Алиев Т.М., Алиев Р.А., Халдей З.В. Автоматизация информационных процессов в интегрированных АСУ промышленными предприятиями. "Энергоиздат", Москва, 1981. 140 с.

6. Герасимов В.Г., Клюев В. В., Шатерников В. Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. Москва, "Энергоатомиздат", 1983.-271 с.

7. ГОСТ 10006-80* Трубы металлические. Метод испытания на растяжение

8. ГОСТ 1050-88* Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия

9. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

10. ГОСТ 22238-76. Контроль неразрушающий. Мер образцовые для поверки толщиномеров покрытий. Общие положения.

11. ГОСТ 23829-85. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.154

12. ГОСТ 24034-80. Контроль неразрушающнй радиационный. Термины и определения.

13. ГОСТ 24289-80. Контроль неразрушающнй вихретоковый. Термины и определения.

14. ГОСТ 24450-80. Контроль неразрушающнй магнитный. Термины и определения.

15. ГОСТ 24521-80. Контроль неразрушающнй оптический. Термины и определения.

16. ГОСТ 24522-80. Контроль неразрушающнй капиллярный. Термины и определения.

17. ГОСТ 25313-82. Контроль неразрушающнй радиоволновой. Термины и определения.

18. ГОСТ 25314-82. Контроль неразрушающнй тепловой. Термины и определения.

19. ГОСТ 25315-82. Контроль неразрушающнй электрический. Термины и определения.

20. ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки

21. ГОСТ 8.362-79. ГСИ. Измерение толщины покрытий. Термины и определения.

22. ГОСТ 8.502-84. ГСИ. Толщиномеры покрытий. Методы и средства поверки.

23. ГОСТ Р 51164-98 Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии

24. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. -Москва, "Машиностроение", 1980. 232 с.

25. Дорофеев А.Л., Никитин А.И., Рубин A.JI. Индукционная толщинометрия. -Москва, "Энергия", 1978. 185 с.

26. Интегрированная среда разработки для микроконтроллеров PICmicro компании Microchip Technology Incorporated. ООО "Микро-чип", Москва, 2001.- 156 с.

27. Использование 8-разрядного АЦП в микроконтроллерах PIC16C7X. ООО "Микро-чип", Москва, 2001. 10 с.

28. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчёт индуктивностей. Справочная книга. JL: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986.

29. Куликовский К.Л., Купер В .Я. Методы и средства измерений. "Энергоатомиздат", Москва, 1986. 448 с.

30. Ляченков Н.В. "Вихретоковые контрольно-измерительные модули", "Энергоатомиздат", Москва, 1999. 300 с.

31. Мальков В.И., Мартынов Ю.М. Информация и связь в системах управления. "Московский рабочий", Москва, 1973. 216 с.

32. Машков A.C., Батырёв Ю.П. Вихретоковые датчики накладного типа и аппаратура контроля механических величин, Московский государственный университет леса, http://www.mgul.ac.ru

33. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. "Советское радио", Москва, 1976. 192 с.

34. Неразрушающий контроль. Практическое пособие под редакцией В. В. Сухорукова. Книга 3 "Электромагнитный контроль". 312 с.

35. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под редакцией В.В. Клюева. Москва, 2003. 608 с.

36. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. "Высшая школа", Москва, 1977. 208 с.

37. ПБ 12-368-00. Правила безопасности в газовом хозяйстве.

38. ПБ 12-503-03 «Правила безопасности газораспределения и газопотребления». Госгортехнадзор России, Москва, 2003.

39. ПБ 12-529-03. Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления.

40. Программное обеспечение для работы с шиной USB в микроконтроллерах PIC16C745/765. ООО "Микро-чип", Москва, 2001. 4 с.

41. Пустынников В.Г. Общий принцип формирования многомерного сигнала в устройствах для многочастотного контроля. "Электромеханика №9", Москва, 1965. с. 843 - 848.

42. РД 12-411-01. "Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов". Серия 12. Выпуск 3/ Колл. авт. М.: ФГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004.- 104 с.

43. РД 12-608-03 "Положение по проведению экспертизы промышленной безопасности на объектах газоснабжения". Госгортехнадзор России, -Москва, 2003.

44. РД 153-39.4-091-01 "Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии". 4-ый филиал Воениздата, Москва, 2002.

45. РД 153-39.1-059-00 "Методика технического диагностирования газорегуляторных пунктов". Госгортехнадзор России, Москва, 2000.

46. РД 153-34.1-003-01. "Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования". (РТМ-1с), Минэнерго России, ПИО ОБТ, Москва, 2001.

47. Санников М.А. Влияние кривизны поверхности трубопровода при диагностике вихретоковыми приборами. // Контроль. Диагностика. М.: Машиностроение. - 2006. - №5 (95). - С. 24-27.

48. Санников М.А., Зеленский A.B. Определение аппаратной конфигурации сервера информационной системы методом экспертных оценок.\\ Вестник СГАУ. Выпуск 8. СГАУ, Самара, 2003.

49. Санников М.А. Использование мобильных информационных систем на базе платформы PalmOS при диагностике газопроводов в полевых условиях. Вестник СГАУ. Выпуск 8. СГАУ, Самара, 2003.

50. Санников М.А. Надёжность защиты современных информационных систем. Труды международного симпозиума "Надёжность и качество 2002". ПГУ, Пенза, 2002.

51. Санников М.А. Мобильная информационная система для диагностики газопроводов в полевых условиях. // Контроль. Диагностика. — М.: Машиностроение. 2003. - №7(61). - С. 23-25.157

52. Санников М.А. Мобильная информационная система для диагностики газопроводов в полевых условиях. Труды международного симпозиума "Надёжность и качество 2003". ПТУ, Пенза, 2003.

53. Санников М.А., Зеленский A.B. Бесконтактный вихретоковый измеритель диаметра трубы газопровода. Самар. госуд. аэрокомич. ун-т. — Самара, 2007. 4 с. - Деп. в ВИНИТИ Рос. акад. наук 27.07.2007, № 784-В2007.

54. Санников М.А., Зеленский A.B. Учёт влияния кривизны поверхности и наклона датчика при диагностике газопроводов вихретоковыми приборами. Самар. госуд. аэрокомич. ун-т. Самара, 2007. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ Рос. акад. наук 27.07.2007, № 785-В2007.

55. Санников М.А., Молотов П.Е. Вихретоковый измеритель толщины стенки труб при наличии изоляционного покрытия. Труды международного симпозиума "Надёжность и качество 2004". ПТУ, Пенза, 2004.

56. Санников М.А. Программный комплекс для расчёта остаточного срока службы стальных подземных газопроводов. // Безопасность труда в промышленности. М.: НТЦ Промышленная безопасность. - 2004. - №12. - С. 23-24.

57. Санников М.А. Программный комплекс «Ресурс газопровода». // Газовая промышленность. М. : Газоил пресс. — 2007. - №7. - С. 43-45.

58. Санников М.А. Программный комплекс для расчёта остаточного срока службы стальных подземных газопроводов. \\ Отраслевой информационно-аналитический журнал "Газ России" №4, 2004. Росгазификация, Москва, 2004.

59. Санников М.А. Программа для расчёта остаточного срока службы труб стальных подземных газопроводов по коррозии. \\Отраслевой информационно-аналитический журнал "Газ России" №1, 2004. Росгазификация, Москва, 2004.

60. Санников М.А. Программа расчёта для стального подземного газопровода остаточного срока службы по пластичности. // Контроль. Диагностика. -М.: Машиностроение. 2005. - №1 (79). с. 34-35.

61. Санников М.А. Программа обработки данных электронного мультиметра фирмы "METEX" для диагностики стальных подземных газопроводов. \\ Отраслевой информационно-аналитический журнал "Газ России" №4, 2003. Росгазификация, Москва, 2003.

62. Санников М.А. Сравнение основных механизмов доступа к данным.\\ Научно-информационный межвузовский журнал "Аспирантский вестник Поволжья" №1(5), 2003. СГМУ, Самара, 2003.

63. СНиП 3.05.02-88* Газоснабжение

64. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии // ГОСТ 9.602-89/ Изд. официальное. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 53 с.

65. СП 42-102-2004 Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб

66. Справочник по среднему семейству микроконтроллеров PICmicro. ООО "Микро-чип", Москва, 2002. 602 с.

67. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. "Высшая школа", Москва, 1973. 280 с.

68. Универсальная последовательная шина USB в микроконтроллерах PIC16C745/765. ООО "Микро-чип", Москва, 2001. 10 с.

69. Ухлинов Д.И. Двухкоординатные вихретоковые преобразователи механических величин с микропроцессорной коррекцией функции преобразования. Диссертационная работа на соискание учёной степени кандидата технических наук. СГАУ, Самара, 2006. — 198 с.

70. Электронный ресурс http://nw-technology.ru/help/perechen002.htm

71. AN529. Multiplexing LED Drive and a 4x4 Keypad Sampling. Microchip Technology Inc., USA, 1997. 27 p.1Ъ. AN693. Understanding A/D Converter Performance Specifications. Microchip Technology Inc., USA, 2000. 11 p.

72. AN842. Differential ADC Biasing Techniques, Tips and Tricks. Microchip Technology Inc., USA, 2002. 6 p.

73. AN910. PICmicro® Device Programming: What You Always Wanted to Know (But Didn't Know Who to Ask). Microchip Technology Inc., USA, 2004. -26 p.

74. AN956. Migrating Applications to USB from RS-232 UART with minimal impact on PC Software. Microchip Technology Inc., USA, 2004. 16 p.

75. Analog-to-digital Converter Design Guide. Microchip Technology Inc., USA, 2005.-24 p.

76. ASTM В 244 Method for measurement of thickness of anodic coatings of aluminum and other nonconductive coatings on nonmagnetic base materials with eddy current instruments.

77. ASTM E 376 Measuring coating thickness by magnetic field or eddy current (electromagnetic) test methods.

78. ASTM E 426 Electromagnetic (eddy current) testing of seamless and welded.

79. ASTM E 566 Electromagnetic (eddy current) sorting of ferrous metals.

80. ASTM E 703 Electromagnetic (eddy current) sorting of nonferrous metals.

81. ASTM E 1316 Definition of terms relating to electromagnetic testing tubular products austenitic stainless steel and similar alloys.

82. BS 3889 (part 2A): 1986 (1991) Automatic eddy current testing of wrought steel tubes.

83. BS 3889 (part 213): 1966 (1987) Eddy current testing of nonferrous tubes.

84. CY7C68015A/CY7C68016A EZ-USB FX2LP USB Microcontroller. Cypress Semiconductor Corporation, San Jose, CA, 2005. 55 p.

85. FACT002. Mastering the PIC16C7X A/D Converter. Microchip Technology Inc., USA, 2002.-8 p.

86. MAGNATEST® S test system 3.625. Prtifgeratebau GmbH & Co. KG.

87. MPASM. Руководство пользователя. ООО "Микро-чип", Москва, 2001. -62 с.160

88. Nondestructive Testing. Web-site www.ntd-ed.org.

89. PIC16C745/765. 8-Bit CMOS Microcontrollers with USB. Microchip Technology Inc., USA, 2000. 165 p.

90. Phasec2D. Find Cracks & Corrosion in Metal Components, Tubes, Structures & Welds. Hocking NDT Ltd, 15 p.