Г.А. Бигус, д-р техн. наук,

А.Б. Счастливцев, аспирант МГТУ им. Н.Э.Баумана

 

Исследовано применение метода акустической эмиссии для выявления этапов развития коррозионных трещин на основе выделения в сигнале волн Лэмба и оценки соотношения энергий этих волн.

 

Investigated the use of acoustic emission method for identifying the stages the promotion of corrosion cracks on the basis of allocation in the signal of the Lamb and estimating the ratio of energies of these waves.

 

 

 

Введение

Основой всех нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств является процесс разделения нефти и сжиженных газовых смесей на фракции. Одним из основных видов массообменного оборудования в технологических процессах нефте-химпереработки являются колонные аппараты.

 

Колонный аппарат представляет собой вертикально стоящий стальной сварной сосуд давления с внутренними устройствами (рис.1). В большинстве случаев колонные аппараты являются уникальными проектами для конкретного производства. Большие габариты и масса колонного аппарата определяют его высокую стоимость.  Колонные аппараты относят к объектам повышенного риска. Это объясняется рядом причин:

 

Во-первых, разрушения колонн могут сопровождаться неконтролируемыми взрывными процессами, приводя к повреждению соседних металлоконструкций, оборудования, а иногда и к человеческим жертвам.

Во-вторых, используемые технологические среды часто токсичные, горючие и взрывоопасные; их утечка приводит к загрязнению территорий, нарушению нормальной экологической обстановки.

В-третьих, колонны являются элементами сложных систем технологических установок, отказ колон приводит к простою установки и следовательно, к недовыпуску продукции [2].

Кроме того следует иметь в виду, что повреждение колонны вызывает необходимость проведения дорогостоящих ремонтных работ.
Таким образом, обеспечение высокой эксплуатационной надежности колонных аппаратов является актуальной проблемой, как в экономическом, так и в социальном аспектах. Учитывая, что большинство колонн нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств в стране к настоящему времени эксплуатируются за пределами назначенного срока безопасной работы, эта проблема становится одной из острейших.
Статистический материал по отказам и неисправностям колонн крайне скуден. Это,  вероятно, объясняется как спецификой самих объектов, так и недостатками системы сбора и обработки информации необходимого рода [2].
В [3] приведены результаты анализа причин 229 отказов сосудов давления, выполненного по заказу Управления по атомной энергетике Великобритании. Сосуды эксплуатировались в атомной энергетике, химической и нефтехимической промышленности и других отраслях производства. Распределение отказов по причинам их возникновения приведено на рис.2.
Приведенные результаты показывают, что большинство отказов (88%) связано с развитием трещин. Природа возникновения трещин в сосудах давления различна и определяется в большей степени специфическими особенностями области применения сосуда. Согласно классификации, приведенной в [3], можно установить, что наиболее характерная причина появления трещин в колонных аппаратах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств:
- развитие коррозионных повреждений (коррозия под напряжением, коррозионное растрескивание).
Наличие развивающейся трещины в корпусе колонного аппарата может привести к его сильному повреждению или полному разрушению, а степень опасности данного объекта для окружающей среды и населения к катастрофическим последствиям такого разрушения.
Данное обстоятельство определяет необходимость проведения качественного технического диагностирования колонных аппаратов в процессе эксплуатации. Однако в настоящее время оно включает в себя по преимуществу периодический осмотр конструкции колонны в локальных местах с применением традиционных методов неразрушающего контроля (ультразвуковой, радиационный, магнитный и т.д), либо проведение акустико-эмиссионной диагностики всего аппарата.  Применяемые осмотры дают субъективную оценку технического состояния колонного аппарата через значительные по продолжительности промежутки времени в локальных местах конструкции. Причем, нормативных документов, регламентирующих периодичность контрольных мероприятий для колонных аппаратов, выработавших назначенный ресурс безопасной эксплуатации, в настоящее время не существует. Эти временные промежутки назначаются диагностическими организациями по косвенным признакам технического состояния колонного аппарата. Принимая во внимание, что развитие коррозионных повреждений носит локальный и вероятностный характер, опасность пропуска данных дефектов на ранних стадиях развития при таком подходе достаточно велика. Кроме того, применение данного подхода не позволяет дать точное прогнозирование динамики развития повреждений конструкции, что часто приводит к необоснованной браковке конструкции с дефектом.
С этих позиций наиболее предпочтительным является проведение контроля технического состояния колонн в режиме реального времени (мониторинг). Причем, существенный скачок в развитии аппаратно-программных средств, применяемых в системах мониторинга, позволил значительно снизить стоимость современных систем. До настоящего времени именно экономический фактор в большей степени  выступал главным ограничением при внедрении систем постоянного контроля на промышленных объектах [2].
Основными задачами системы мониторинга, устанавливаемой на колонный аппарат, являются:
1. выявление коррозионных трещин в процессе эксплуатации аппарата;
2. контроль развития коррозионных трещин в режиме реального времени;
3. контроль целостности всего аппарата;
4. высокая скорость сбора и обработки диагностической информации;
Оценивая возможности современных систем диагностического мониторинга, становится очевидным, что для решения поставленных задач могут быть рекомендованы системы комплексного диагностического мониторинга на основе метода акустической эмиссии. По некоторым из приведенных выше задач в системах акустико-эмиссионного мониторинга достигнуты существенные успехи, благодаря применению современных аппаратно-программных средств.
Однако применение метода акустической эмиссии в системах мониторинга сопряжено с существенными проблемами. В классической акустико-эмиссионной диагностике, анализируя такие параметры, как амплитуда сигнала акустической эмиссии, количество импульсов, скорость счета, оценивают степень опасности только тех источников акустической эмиссии, которые интенсивно развиваются, развитие которых находится на стадии, предшествующей, разрушению конструкции. Одной же из основных задач систем мониторинга является выявление дефектов, которые находятся на начальной стадии развития. Говорить о степени опасности и допустимости данных  источников акустической эмиссии можно только имея базу данных по типовым источникам. Создание такой базы для колонных аппаратов представляется просто невозможным.
Таким образом, становится актуальным поиск методик связывающих параметры сигналов акустической эмиссии с размерами дефектов, которые генерируют данные сигналы.
Метод испытания
В экспериментальной части работы были проведены натурные исследования, направленные на оценку возможностей метода акустической эмиссии для контроля динамики развития коррозионных трещин и внедрения данного подхода в работу систем акустико-эмиссионного мониторинга колонных аппаратов.
Предложенную идею иллюстрирует схема развития коррозионной трещины, представленная на рис. 3.
Максимально напряженная зона металла 5 является источником сигналов акустической эмиссии (АЭ) 6, которые сопровождают процесс коррозионного разрушения. Предполагается, что последовательная фиксация местоположения данной зоны по толщине стенки диагностируемого аппарата позволит оценивать динамику развития коррозионного повреждения, а также потенциальную опасность данного дефекта, связанную с возможной разгерметизацией корпуса аппарата.
Расположение источника акустической эмиссии, которым является зона 5, по толщине стенки аппарата было предложено определить, опираясь на подход, изложенный в [4]. В данном подходе проведено сравнение форм сигналов АЭ в пластине в зависимости от расположения источника АЭ. Рассматриваемый процесс представлен на рис. 4.
Источник АЭ, расположенный на поверхности пластины (положение 1) возбуждает в ней волновой пакет упругих волн, в котором асимметричные волны Лэмба переносят по величине большую энергию, чем симметричные волны. Расположение источника АЭ на торце пластины (положение 2) производит противоположный эффект. По отношению энергий симметричных и асимметричных волн становится возможным определить пространственные параметры источника.
Акустическая эмиссия при испытаниях.
Исследование процессов излучения сигналов АЭ проводилось на экспериментальном стенде (рис. 5).
Для стимуляции акустической эмиссии применялся источник Су-Нильсена (разрушение графитовых стержней диаметром 0,5 мм, твердостью 2Т). Последовательные стадии развития коррозионной трещины моделировались перемещением источника Су-Нильсена по толщине стенки объекта исследования согласно схеме, приведенной на рис. 6.
Воздействие источника последовательно проводилось в положениях 1-3 на стенке бака, слом графитового стержня в каждой точке проводился в двух направлениях. «1»-точка на внешней поверхности стенки; «2»-точка на срединной поверхности; «3»-точка на внутренней поверхности стенки.
Для регистрации и преобразования АЭ-сигналов в электрические применялись полосовые датчики GT 200 (ООО «ГлобалТест»). Амплитудно-частотная характеристика датчика представлена на рис.7.
Сигналы измерялись на расстоянии от 32 до 532 мм от источника АЭ в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5. Для приема и обработки данных использовалась АЭ-система A-Line 32D (ООО «ИНТЕРЮНИС»). Основные технические характеристики системы A-Line 32D приведены в табл.2.
В результирующем волновом пакете упругих волн, распространяющихся от источника АЭ в пластине, формируется определенное конечное число симметричных и асимметричных волн Лэмба (мод различного порядка). Основной особенностью волн данного типа является наличие дисперсии – зависимость скорости распространения от частоты и толщины стенки объекта. Графической интерпретацией данного явления являются дисперсионные кривые. На рис. 8 показаны дисперсионные кривые для волн Лэмба нулевого и первого порядков (S0, S1, A0, A1) в стальной пластины толщиной 8 мм. Полное число возможных мод при постоянной толщине пластины увеличивается с ростом частоты колебаний [5]. Однако установлено, что основную часть упругой энергии переносят моды нулевого порядка A0 и S0 [6].
Локализация во времени сигналов АЭ в диапазонах частот и определение их энергий проводились методом вейвлет-детализации, реализованного в программном комплексе «A-Line OSC Processing». Данный метод является частотно-временным способом обработки сигналов, он заключается в вычислении и последующей обработке спектрограмм – специальных преобразований сигнала, дающих представление о распределении его энергии по времени, и по частоте.
Установив дисперсионные кривые для мод нулевого порядка в программе «A-Line OSC Processing», была проведена детализация сигналов АЭ. Осциллограммы сигналов АЭ и соответствующие им вейвлет-спектрограммы для вариантов расположения источника 1-3 приведены в табл. 3.
При проведении эксперимента было выяснено, что устойчивое выделение волн Лэмба в сигнале АЭ наблюдается на расстоянии превышающем 12h, где h – толщина стенки объекта контроля, мм.
По результатам анализа вейвлет-спектрограм в программе «A-Line OSC Processing» было определено соотношение энергий асимметричных и симметричных мод нулевого порядка EA0/ ES0 для каждого сигнала, полученные соотношения приведены в табл. 4.
На основе полученных соотношений энергий был предложен алгоритм распознавания сигналов АЭ от коррозионных трещин и определения степени их потенциальной опасности на работоспособность колонного аппарата. Внедрение данного алгоритма в программную часть системы мониторинга, устанавливаемой на колонный аппарат, позволит оценивать склонность коррозионных трещин к развитию и динамику данного процесса нарушения целостности аппарата. Предложенный алгоритм представлен на рис. 9.
Порог в 50 дБ введен для устранения акустических шумов от работающего колонного аппарата. «Норма» - коррозионное повреждение на внутренней поверхности стенки колонного аппарата, стадия зарождения; «Внимание» - коррозионная трещина продвигается вглубь стенки, необходимо проведение диагностического контроля выявленного места; «Тревога» - возможно появление сквозной коррозионной трещины, опасность разгерметизации корпуса колонного аппарата, необходимость срочного проведения ремонтных работ.
Выводы
1. Основные эксплуатационные дефекты колонных аппаратов – коррозионные трещины.
2. Значительный износ парка колонных аппаратов в стране требует внедрения новых производительных систем диагностирования их технического состояния.
3. Наиболее эффективный способ повышения эксплуатационной надежности колонных аппаратов за пределами назначенного срока безопасной работы – акустико-эмиссионный мониторинга технического состояния аппарата.
4. Применение алгоритма распознавания сигналов АЭ от коррозионных трещин при АЭ мониторинге колонных аппаратов повысит достоверность результатов мониторинга и станет основой методологии по браковке конструкции. Применение данного подхода позволит увеличить временные промежутки между плановыми ремонтными остановками колонного аппарата.
Список литературы
1. Техническая диагностика опасных производственных объектов / Г.А. Бигус, Ю.Ф. Даниев – М.: Наука, 2010. – 415 с.
2. Повреждаемость колонных аппаратов нефтепереработки и нефтехимии: Учеб. пособие / И.Р. Кузеев, Н.М. Захаров, Г.И. Евдокимов: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т. – Уфа: УГНТУ, 1997. – 53 с.
3. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин – М.: Машиностроение, 1984. – 312 с.
4. Proctor T.M., Breckenridge F.R., Pao Y.-H. Transient waves in an elastic plate: Theory and experiment compared. // The journal of the Acoustical Society of America. – 1983. – V. 74. – N 6. – pp. 1905-1907.
5. Звуковые поверхностные волны в твердых телах / И.А. Викторов – М.: Наука. – 1981. – 286 с.
6. Вейвлет-анализ сигналов АЭ в тонкостенных объектах / Д.А. Терентьев, С.В. Елизаров – Контроль. Диагностика. – 2008. - №8. – с. 51-54.