Проекты

Ультразвуковой контроль скорости внутренней коррозии стальных ёмкостей и трубопроводов

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Мониторинг и контроль коррозии
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1501
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Для определения скорости коррозии трубопроводов в настоящее время используют два метода: интрузивные системы мониторинга коррозии и метод ультразвуковой толщинометрии. Интрузивный метод является небезопасным и неточным, так как требует проникновения внутрь ёмкости или трубопровода, находящихся под большим давлением, причём коррозия замеряется лишь на самом датчике. Метод ультразвуковой толщинометрии является наиболее точным и безопасным методом измерения скорости коррозии трубопроводов или стальных ёмкостей.

Однако точного метода анализа данных не существует, а все нынешние ультразвуковые толщиномеры определяют толщину со слишком большой погрешностью, которая не позволяет точно определить опасные скорости коррозии (более 0,1 мм/год).

Проект направлен на создание отечественного метода ультразвукового измерения скорости коррозии, основанного на обработке эхо-сигналов от ультразвуковых датчиков, с последующим внедрением этого метода в промышленность.

Цель

Разработать методику обработки эхо-сигналов ультразвуковых датчиков, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии для измерения внутренней коррозии стальных ёмкостей и трубопроводов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Цифровой штангенциркуль

  • Одноэлементный ультразвуковой датчик с частотой 10 МГц

  • Лабораторный осциллограф

  • Генератор импульсов

  • Персональный компьютер

  • Программа Microsoft Excel

  • Язык программирования С#

  • Толщиномер OLYMPUS-38DL PLUS

Описание

Авторы провели оценку применимости используемых в настоящее время УЗ приборов и систем для контроля внутренней коррозии и установили, что за исключением системы компании Cosasco они не позволяют надёжно выявлять опасную скорость коррозии 0,1 мм/год.

Далее было необходимо определить чувствительность разрабатываемой методики. Принятая в промышленности периодичность мониторинга коррозии – каждые 15, 30 и 90 суток, следовательно, необходимая чувствительность методики может быть определена как уменьшение толщины стенки при скорости коррозии 0,1 мм/год, за 15, 30 и 90 суток соответственно. Чувствительность метода должна быть как минимум в 3-4 раза выше, чем измеряемое изменение толщины стенки – не ниже 0,0025 мм.

В методике будет использован одноэлементный УЗ датчик, который будет измерять время прохождения импульса между первым и вторым донными сигналами.

Для определения частоты УЗ датчика авторы рассчитали длину УЗ волны и приняли его частоту 10 МГц (системы-аналоги применяют УЗ датчики 5 МГц).

Чтобы надежно «увидеть» на А-Скане изменение времени 0,33 наносекунды, необходимого для прохождения звуком 0,0025 мм, необходима оцифровка 0,5 – 1 ГГц. Таким образом, для методики принята частота оцифровки А-Скана в 4-5 раз чаще, чем минимальная – 2 ГГц.

Следующим шагом в разработке методики стал учёт влияния температуры на результат измерений, так как изменение температуры контролируемого объекта даже всего на 3 градуса для стали 20 приводит для 10 мм корпуса к изменению толщины на 0,0003 мм, а изменение на 16 градусов дает изменение 0,0019 мм. Для учёта влияния температуры необходимы: формула для расчета коэффициента линейного расширения, формула линейной зависимости, полученная на основе данных о коэффициенте линейного расширения, а также формула изменения толщины стандартного образца.

Для проверки работоспособности разрабатываемой методики специально для проекта в лаборатории Компании «Интротест» были записаны и оцифрованы А - Сканы на тестовом образце при разных температурах с частотой 2 ГГц. Так как промышленность не выпускает толщиномеры, способные оцифровывать

А - Скан с такой высокой частотой, для опытов был использован прецизионный лабораторный осциллограф и генератор импульсов. Была проведена запись первого и второго донных сигналов по 5 серий опытов на тестовом образце при температурах –8, – 5, +24 и +40 градусов Цельсия. Эталонное измерение толщины тестового образца произвели при температуре +24 (комнатная).

Для определения времени прохождения эхо-сигнала были выбраны характерные точки на А - Скане, причем определение времени производилось не по максимальным пикам, а по точкам пересечения с осью симметрии. На основании полученных данных подтвердилась возможность получения высокого разрешения при обработке А-Сканов и достижения требуемой чувствительности метода в 0,0025 мм.

Для проведения расчётов была разработана специализированная программа, обрабатывающая записанный сигнал от УЗ датчика в виде двух массивов – время в наносекундах и амплитуда, измеряемая в вольтах.

Функции программы:

  • удаление шумов, определение участка донного сигнала;

  • выявление первого и второго пиков по максимуму и минимуму;

  • для расчёта оси симметрии сигнала и аппроксимации данных по параболе был использован метод наименьших квадратов;

  • определение времени пика и пересечения подошвы пика с осью с разрешением до 0,4 наносекунды;

  • возможность внесения корректировок в результаты определения характерных пиков вручную;

  • вывод полученных данных в консоль программы;

  • визуализация работы с входными данными.

Из двух списков точек (по оси X – время, по оси Y – напряжение) программа строит график зависимости. В результате получается график зависимости напряжения от времени с возможностью масштабирования для дальнейшей обработки.

Для выполнения поставленных задач (определить пик сигнала, рассчитать ось симметрии, определить точку пересечения с осью симметрии) необходимо строить аппроксимирующие полиномы. Для поставленных задач достаточно применить линейную аппроксимацию, чтобы построить ось и найти точки пересечения с осью и квадратичную – найти пик сигнала. Для линейной и квадратичной аппроксимации имеются стандартные формулы, которые были найдены в интернет-справочниках. В результате программа выводит в консольное окно две точки: MAX и MIN, со значениями их времени. После чего эти значения переносятся в финальную таблицу для проведения дальнейших расчётов толщины стенки с учетом влияния температуры. В программе была также реализована функция удаления шума.

Таким образом, в рамках настоящего проекта было создано работающее приложение, позволяющее строить и обрабатывать сигнал, полученный от ультразвукового датчика с дальнейшим выводом полученных результатов в консоль и переноса их в итоговую таблицу. В финальном приложении есть весь необходимый функционал с возможностью внесения корректировок в результаты определения характерных пиков вручную.

При помощи стандартного толщиномера OLYMPUS были проведены успешные стендовые испытания с применением разработанной в Проекте методики. На нескольких экспериментальных точках измеренные значения толщины стенки практически не отклоняются от расчётных данных.

Также на образце имитировали коррозию – интенсивно потерли наждачной бумагой - и зафиксировали снижение толщины стенки 0,231 мм.

Результаты работы / выводы

Разработанная методика достигает заданных целевых показателей чувствительности. Потенциальная научная новизна методики может состоять в новом сочетании ранее известных параметров УЗ контроля, за счет чего достигается новое качество – возможность в короткие сроки 15 – 30 суток выявлять опасные скорости коррозии от 0,1 мм/год. Другим элементом новизны может быть применение алгоритма обработки А - Скана эхо-сигнала с использованием оси симметрии эхо-сигнала и переход на частоту оцифровки более 2 ГГц.

Перспективы использования результатов работы

Были проведены опытно-промышленные испытания на действующих трубопроводах в Западной Сибири, проект получит дальнейшее развитие.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

1. АО «НПО «Интротест».

2. РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина.

Награды / достижения

XVII городская научно-практическая техническая конференция школьников

«Исследуем и проектируем» – победитель.