Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ

Запропоновано спосіб оцінки втрат ультразвукових коливань під час безконтактного ультразвукового контролю в середовищі природного газу, який враховує фізичні та геометричні параметри середовища розповсюдження ультразвуку, об’єкта контролю для вибору матеріалу п’єзоперетворювача та узгоджувальних шар...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Карпаш, М.О., Котурбаш, Т.Т.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2011
Назва видання:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138351
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ / М.О. Карпаш, Т.Т. Котурбаш // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 6. — С. 122-128. — Бібліогр.: 21 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138351
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1383512025-02-09T23:44:03Z Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ Evaluation of acoustic oscillations energy losses under ultrasonic testing in natural gas Оценка потерь энергии акустических колебаний при ультразвуковом контроле в среде природного газа Карпаш, М.О. Котурбаш, Т.Т. Запропоновано спосіб оцінки втрат ультразвукових коливань під час безконтактного ультразвукового контролю в середовищі природного газу, який враховує фізичні та геометричні параметри середовища розповсюдження ультразвуку, об’єкта контролю для вибору матеріалу п’єзоперетворювача та узгоджувальних шарів. Він дає змогу оцінити вплив фізичних параметрів середовища та об’єкта контрою (температура, тиск, склад, матеріал, товщина) на втрати ультразвукового сигналу для вибору їх оптимального значення. Оцінено втрати ультразвукового сигналу за одностороннього контролю товщини стінки трубопроводу для природного газу заданого складу під тиском. За результатами оцінки зроблено висновок, що під час використання узгоджувальних шарів, підібраних з врахуванням параметрів середовища, та сучасних алгоритмів обробки вимірювальної інформації, з’являється можливість проведення дефектоскопії та контролю товщини стінки магістрального газопроводу в середовищі природного газу під робочим тиском. Предложено способ оценки потерь ультразвуковых колебаний при бесконтактном ультразвуковом контроле, который учитывает физические и геометрические параметры среды распространения ультразвука и объекта контроля для выбора материала пьезопреобразователя и согласующих слоев. Он позволяет оценить влияние физических параметров среды и объекта контроля (температура, давление, состав, материал, толщина) на потери ультразвукового сигнала для выбора их оптимального значения. Произведено оценку потерь ультразвуковых колебаний при одностороннем контроле толщины для природного газа заданного состава под давлением. По результатам оценки сделано вывод, что при использовании согласующих слоев, подобранных с учетом параметров среды, и современных алгоритмов обработки измерительной информации, появляется возможность проведения дефектоскопии и контроля толщины стенки магистрального газопровода в среде природного газа под рабочим давлением. A method of estimating the loss of ultrasonic oscillations in the non-contact ultrasonic inspection, which takes into account the physical and geometrical parameters of the medium of propagation of ultrasound and testing object to select the transducer material and the matching layers, is proposed. It allows us to evaluate the influence of physical parameters of the medium and the tested object (temperature, pressure, composition, material, thickness) on the ultrasonic signal losses to select their optimal value. The losses of ultrasonic oscillations in unilateral testing of the thickness in the natural gas with specified composition under pressure were estimated. The evaluation result suggests that the combined use of the matching layers, chosen within the medium parameters, and advanced algorithms for processing measurement data, allows us to conduct the defect detection and wall thickness inspection of the gas pipeline in the medium of natural gas under the working pressure. 2011 Article Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ / М.О. Карпаш, Т.Т. Котурбаш // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 6. — С. 122-128. — Бібліогр.: 21 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138351 620.179 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Запропоновано спосіб оцінки втрат ультразвукових коливань під час безконтактного ультразвукового контролю в середовищі природного газу, який враховує фізичні та геометричні параметри середовища розповсюдження ультразвуку, об’єкта контролю для вибору матеріалу п’єзоперетворювача та узгоджувальних шарів. Він дає змогу оцінити вплив фізичних параметрів середовища та об’єкта контрою (температура, тиск, склад, матеріал, товщина) на втрати ультразвукового сигналу для вибору їх оптимального значення. Оцінено втрати ультразвукового сигналу за одностороннього контролю товщини стінки трубопроводу для природного газу заданого складу під тиском. За результатами оцінки зроблено висновок, що під час використання узгоджувальних шарів, підібраних з врахуванням параметрів середовища, та сучасних алгоритмів обробки вимірювальної інформації, з’являється можливість проведення дефектоскопії та контролю товщини стінки магістрального газопроводу в середовищі природного газу під робочим тиском.
format	Article
author	Карпаш, М.О. Котурбаш, Т.Т.
spellingShingle	Карпаш, М.О. Котурбаш, Т.Т. Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet	Карпаш, М.О. Котурбаш, Т.Т.
author_sort	Карпаш, М.О.
title	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
title_short	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
title_full	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
title_fullStr	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
title_full_unstemmed	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
title_sort	оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2011
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138351
citation_txt	Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ / М.О. Карпаш, Т.Т. Котурбаш // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 6. — С. 122-128. — Бібліогр.: 21 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT karpašmo ocínkavtratenergííakustičnihkolivanʹzaulʹtrazvukovogokontrolûvseredoviŝíprirodnogogaz AT koturbaštt ocínkavtratenergííakustičnihkolivanʹzaulʹtrazvukovogokontrolûvseredoviŝíprirodnogogaz AT karpašmo evaluationofacousticoscillationsenergylossesunderultrasonictestinginnaturalgas AT koturbaštt evaluationofacousticoscillationsenergylossesunderultrasonictestinginnaturalgas AT karpašmo ocenkapoterʹénergiiakustičeskihkolebaniipriulʹtrazvukovomkontrolevsredeprirodnogogaza AT koturbaštt ocenkapoterʹénergiiakustičeskihkolebaniipriulʹtrazvukovomkontrolevsredeprirodnogogaza
first_indexed	2025-12-01T20:38:24Z
last_indexed	2025-12-01T20:38:24Z
_version_	1850339761877680128
fulltext	122 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2011. – ¹ 6. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.179 ОЦІНКА ВТРАТ ЕНЕРГІЇ АКУСТИЧНИХ КОЛИВАНЬ ЗА УЛЬТРА- ЗВУКОВОГО КОНТРОЛЮ В СЕРЕДОВИЩІ ПРИРОДНОГО ГАЗУ М. О. КАРПАШ, Т. Т. КОТУРБАШ Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу Запропоновано спосіб оцінки втрат ультразвукових коливань під час безконтактного ультразвукового контролю в середовищі природного газу, який враховує фізичні та геометричні параметри середовища розповсюдження ультразвуку, об’єкта контролю для вибору матеріалу п’єзоперетворювача та узгоджувальних шарів. Він дає змогу оцінити вплив фізичних параметрів середовища та об’єкта контрою (температура, тиск, склад, матеріал, товщина) на втрати ультразвукового сигналу для вибору їх оптимального значення. Оцінено втрати ультразвукового сигналу за односторонньо- го контролю товщини стінки трубопроводу для природного газу заданого складу під тиском. За результатами оцінки зроблено висновок, що під час використання узго- джувальних шарів, підібраних з врахуванням параметрів середовища, та сучасних алгоритмів обробки вимірювальної інформації, з’являється можливість проведення дефектоскопії та контролю товщини стінки магістрального газопроводу в середови- щі природного газу під робочим тиском. Ключові слова: ультразвуковий контроль, природний газ, загасання ультразвуку. Питання забезпечення надійності та безпеки постачання природного газу ма- гістральними трубопроводами набуває дедалі більшої актуальності через значний ступінь зношеності та старіння устаткування вітчизняного нафтогазового комп- лексу. Близько 60% магістральних трубопроводів експлуатуються понад 30 років [1]. Замінюють та модернізують ці металоконструкції значно нижчими темпами, ніж це необхідно для їх безпечного використання. Основна причина виходу з ла- ду магістральних трубопроводів (28,9%) (для порівняння у Європейському Союзі – 15%) – внутрішні та зовнішні корозійні пошкодження [2]. Щоб визначити фак- тичний технічний стан трубопроводів та прогнозувати його зміну, слід періодич- но проводити технічну діагностику. Однією з задач технічного діагностування трубопроводів є встановлення фактичної товщини стінки трубопроводу. Як пра- вило, бракувальним критерієм є зменшення товщини стінки труби понад 12,5% від номінального значення. На сьогодні найпоширенішим методом визначення поточного стану магі- стральних газових трубопроводів є внутрішньотрубна діагностика з використан- ням автономних снарядів-дефектоскопів (поршнів) з магнетними давачами, що рухаються всередині труби під напором транспортованого продукту [3]. Проте згадані пристрої характеризуються низкою суттєвих недоліків, а саме: точність визначення розмірів дефектів та геометричних параметрів тіла труби не переви- щує 75%; серйозні труднощі із виявленням поздовжніх дефектів, розшарувань; висока вартість та трудомісткість обстежень, складність інтерпретації та низька повторюваність результатів тощо. Окрім того, на результати вимірювання мають вплив і неоднорідні магнетні характеристики металу. Перспективним також є електромагнетноакустичний контроль [4]. Проте поршні для цього виду контролю знаходяться на етапі впровадження в промисло- вість, мають високу вартість і низку технологічних обмежень. Контактна особа: Т. Т. КОТУРБАШ, e-mail: koturbash@nung.edu.ua 123 Таких недоліків позбавлений метод ультразвукового контролю, що дає змо- гу достатньо точно визначати товщину стінок труби. Його застосовують для внутрішньотрубної діагностики під час контролю нафтопроводів, де транспорто- вана нафта служить контактним середовищем (КС) [3, 5]. У газопроводах як КС іноді використовують водяний корок, проте це можливо тільки на відносно ко- ротких ділянках трубопроводів. Основними проблемами застосування ультразву- кового контролю під час внутрішньотрубної діагностики є значна втрата ультра- звукової енергії на межі поділу середовищ [6, 7] і, як наслідок, низьке співвідно- шення корисний сигнал/шум. Для їх подолання необхідно врахувати особливості середовища та правильно підібрати узгоджувальні шари перетворювача, призна- ченого для безконтактного контролю [8, 9]. Припускають [3, 9], що використання ультразвукового контролю для внут- рішньотрубного діагностування стінок трубопроводів є цілком здійсненною зада- чею, але для цього необхідно вдосконалити конструкції п’єзоперетворювачів та методику проведення. Мета роботи – розробити спосіб оцінки втрат енергії ультразвукового сигна- лу під час внутрішньотрубного ультразвукового контролю товщини стінки тру- бопроводу в середовищі природного газу з урахуванням фізичних параметрів се- редовища, об’єкта контролю (ОК) та п’єзоперетворювача. Основна ідея – як КС під час ультразвукового контролю виступатиме природний газ під робочим тис- ком, який може досягати 8 МРа. Зокрема, запропоновано використати те, що при- родний газ під тиском має більший акустичний імпеданс та менший коефіцієнт заникання звукових хвиль [10], що може значно зменшити втрати енергії ультра- звукового сигналу під час його поширення через КС та на межах поділу середо- вищ [11–13]. Оцінка рівня втрат сигналу в акустичному тракті під час ультразву- кового контролю з урахуванням згаданих властивостей КС (природного газу під тиском) дасть можливість правильно підібрати матеріали для виготовлення узго- джувальних шарів п’єзоперетворювача та розрахувати їхні геометричні розміри, визначити необхідну потужність зондувального ультразвукового сигналу. Під час контролю стінок труби за одностороннього доступу до внутрішньої поверхні сталевого трубопроводу в КС (рис. 1) ультразвуковий сигнал зазнає значних втрат на межах поділу середовищ п’єзоелемент/контактне середовище (ПЕ/КС), КС/ОК та внаслідок заникання під час поширення в КС у прямому та зворотному напрямках. Рис. 1. Схема проходження ультразвукової хвилі: 1 – п’єзоелектрична пластина; 2 – падаюча хвиля; 3 – хвиля, що пройшла в тіло труби; 4, 5 – хвиля відбита від внутрішньої та зовнішньої поверхонь стінки труби, відповідно; 6 – стінка труби. Fig. 1. Ultrasound oscillation propagation scheme: 1 – piezo electric plate; 2 – falling wave; 3 – transmitted wave in the in pipe body; 4 – ultrasound wave reflected from the inner surface of pipe wall; 5 – ultrasound wave reflected from the outer surface of pipe wall; 6 – pipe wall. Враховуючи те, що одне із середовищ газове, а напрямок поширення хвилі перпендикулярний до межі поділу середовищ, розглядали тільки однонаправлені плоскі повздовжні хвилі [6, 14]. Вважатимемо, що поперечні хвилі в достатньому наближенні не виникатимуть, і тому скористаємось спрощеними моделями для 124 розрахунку коефіцієнта проходження та відбиття ультразвукових коливань на межі поділу двох середовищ [15], що часто використовують для вирішення задач безконтактного ультразвукового контролю [6–8]. Втрати енергії ультразвукової хвилі під час контролю можна записати так: – для акустичних коливань, відбитих від внутрішньої поверхні стінки труби (dB): 1 11 1 1 1 12N T A R A T= + + + + , (1) де Т11 – втрати енергії ультразвукової хвилі на межі поділу ПЕ/КС; А1 – зменшен- ня інтенсивності ультразвукової хвилі в КС; R1 – втрати енергії відбитої хвилі на межі КС/ОК (внутрішня поверхня стінки труби); Т12 – втрати енергії ультразвуко- вої хвилі на межі поділу КС/ПЕ; – для акустичних коливань, відбитих від зовнішньої поверхні стінки труби (dB): 2 11 1 21 2 2 2 22 1 12N T A T A R A T A T= + + + + + + + + , (2) де Т21 – втрати енергії хвилі на межі КС/ОК (внутрішня поверхня стінки труби); А2 – зменшення інтенсивності ультразвукової хвилі в ОК; R2 – втрати енергії відби- тої хвилі на межі ОК (зовнішня поверхня стінки труби))/зовнішнє середовище (по- вітря); Т22 – втрати енергії хвилі на межі ОК/КС (внутрішня поверхня стінки труби). Тому втрати енергії хвилі, що пройшла на межі поділу двох середовищ (ПЕ/КС, КС/ОК), за енергетичним коефіцієнтом проникнення [14] обчислюють за формулою ( ) 1,2 2 410lg 1 T ξ = + ξ , (3) де ξ – відношення акустичного імпедансу 2-го середовища до акустичного імпе- дансу 1-го. Втрати енергії відбитої хвилі на межі поділу двох середовищ (КС/ОК та ОК/зовнішнє середовище) за коефіцієнтом відбиття за енергією [14] можна ви- значити так: 2 1,2 110lg 1 R ⎛ ⎞− ξ = ⎜ ⎟+ ξ⎝ ⎠ . (4) Втрати енергії хвилі в матеріалі ОК та газоподібному середовищі встанов- люють за формулою [16] 1 8,686A h= − ⋅ δ ⋅ , (5) де δ – коефіцієнт загасання ультразвуку в матеріалі або середовищі (1/m), що за- лежить від частоти ультразвукових коливань; h – відстань поширення ультразвуку. Коефіцієнт поглинання ультразвуку в газах визначають сумою коефіцієнтів поглинання, зумовлених різними чинниками [6, 10, 13]: r l stα = α + α + α , (6) де rα і lα – поглинання ультразвуку, викликане в’язкими властивостями та теп- лопровідністю середовища, відповідно; stα – коефіцієнт загасання, зумовлений поглинанням тепла, який настільки малий, що ним можна знехтувати порівняно з іншими [6]. Сумарний коефіцієнт поглинання ультразвуку у в’язкому та теплопровідно- му середовищі визначають за формулою Стокса–Кірхгофа [6, 10]: 2 2 3 4 1 32l r P f K Cc ⎛ ⎞π ⋅ ⋅ η χ − α = α + α = + ⋅⎜ ⎟ ⋅ ⋅ρ ⎝ ⎠ , (7) де f – частота звуку; c – швидкість звуку; η – коефіцієнт в’язкості; ρ – густина середовища; K – коефіцієнт теплопровідності; χ – відношення питомих теплоєм- ностей; CP – питома теплоємність при P = const. 125 Враховуючи формули (3)–(5), можна отримати такі залежності для оцінки втрат енергії ультразвукових коливань відбитих від внутрішньої та зовнішньої поверхонь ОК, відповідно: 2 11 12 21 1 2 2 2111 12 4 4 110lg 10lg 2 8,686 10lg 1(1 ) (1 ) N d ⎛ ⎞ξ ξ − ξ = + − ⋅ ⋅α ⋅ + ⎜ ⎟+ ξ+ ξ + ξ ⎝ ⎠ , (8) 11 12 21 2 2 2 2 11 12 21 2 3122 2 3122 4 4 410lg 10lg 2 8,686 10lg (1 ) (1 ) (1 ) 1410lg 2 8,686 10lg , 1(1 ) N d h ξ ξ ξ = + − ⋅ ⋅α ⋅ + + + ξ + ξ + ξ ⎛ ⎞− ξξ + − ⋅ ⋅ δ ⋅ + ⎜ ⎟+ ξ+ ξ ⎝ ⎠ (9) де ξ11 і ξ12 – відношення акустичних імпедансів ПЕ/КС і КС/ПЕ, відповідно; ξ21 і ξ22 – відношення акустичних імпедансів КС/ОК і ОК/КС, відповідно; ξ31 – відно- шення акустичних імпедансів ОК/зовнішнього середовища (повітря); d – відстань поширення ультразвуку в КС. Акустичний імпеданс середовища можна знайти за формулою [12] Z c= ρ ⋅ . (10) Величини, що входять у формули (9) та (10), характеризують стан газу, зале- жать від його складу, тиску та температури, і їх визначають за відомими фізични- ми залежностями [17]. Наведені [17] експериментальні та статистичні відомості стосовно вуглеводнів є найновіші в цій області та дають змогу розраховувати фізичні параметри природного газу залежно від його складу. Оцінити втрати енергії ультразвукових хвиль, згідно з наведеними формула- ми, вирішили для повітря та природного газу з типовим складом за частоти зон- дувального ультразвукового сигналу f = 1 MHz. Моделювали за умов збільшення тиску КС від стандартного до 8 МРа; контактне середовище – природний газ; склад: метан – 93,42%, етан – 0,05%, діоксид вуглецю – 2,292%, азот – 1,79%; робоча температура – 20°С. Акустичний імпеданс матеріалу ПЕ 25⋅106 kg/(m2⋅s). Об’єкт контролю – пластина зі сталі 17Г1С завтовшки h = 10 mm; коефіцієнт за- гасання ультразвукових хвиль частотою 1 МHz δ = 0,46 m–1; акустичний імпеданс 46,2⋅106 kg/(m2⋅s). Відстань поширення ультразвуку в КС – 50 mm. Необхідні для розрахунку акустич- ного опору середовища та коефіцієнта загасання ультразвуку фізичні характе- ристики газу знайшли за допомогою відповідного програмного забезпечення (Worksheet: Properties of Hydrocarbon based Gas Mixtures using the GPSA Engi- neering Data Book – 11 Edition) [18]. Це безкоштовне програмне забезпечення дає змогу розраховувати основні фізич- ні параметри природного газу, зазначені у формулах (7)–(8), для заданого хіміч- ного складу та робочих умов, згідно з основними фізичними залежностями, наведеними в праці [17]. За результатами моделювання на- ведено (рис. 2) сумісну залежність втрат ультразвуку внаслідок загасання в КС від частоти ультразвукових коливань та тиску КС. Як бачимо, зі збільшенням Рис. 2. Поверхня втрат енергії ультразвуку під час загасання в КС залежно від тиску КС та частоти ультразвукових променів. Fig. 2. Surface of ultrasound oscillation energy losses due to its attenuation in propagation medium in relation to medium pressure and ultrasound frequency. 126 тиску КС втрати через загасання ультразвуку значно зменшуються. За значень тиску КС понад 3 МРа втрати енергії в результаті загасання в КС незначні (~ 2 dB), а їх значення несуттєво залежать від частоти ультразвуку. Врахувавши спрощення, що частота ультразвукових коливань не впливає на втрати енергії ультразвуку під час проходження меж поділу середовищ, можна стверджувати, що під час ультразвукового контролю за збільшеного тиску КС (понад 3 МРа) можна вибирати частоту ультразвукових коливань, згідно з вимогами до матеріалу ОК, без урахування фізичних властивостей КС. Наведено (рис. 3) втрати енергії ультразвуку під час проходження межі поді- лу ПЕ/КС та КС/ОК через тиск контактного середовища за частоти 1 МHz, а та- кож (рис. 4) сумарну залежність втрат енергії ультразвуку під час поширення в середовищі від тиску цього середовища для ультразвукової хвилі, відбитої від внутрішньої та зовнішньої стінок труби, відповідно. Рис. 3. Fig. 3. Рис. 4. Fig. 4. Рис. 3. Втрати енергії ультразвуку під час проходження межі поділу середовищ залежно від тиску середовища поширення (для природного газу): 1 – ПЕ/КС; 2 – КС/ОК. Fig. 3. Ultrasound oscillation energy loss when passing the medium interfaces in relation to propagation medium pressure (natural gas): 1 – piezo electric element/propagation medium; 2 – propagation medium/control object. Рис. 4. Втрати енергії ультразвуку залежно від тиску КС: 1 – для ультразвукових коливань, відбитих від поверхні внутрішньої стінки труби; 2 – зовнішньої стінки труби. Fig. 4. Ultrasound oscillation energy loss in relation to propagation medium pressure (natural gas): 1 – ultrasound wave reflected from the inner surface of the object; 2 – ultrasound wave reflected from the outer surface of the object. Як бачимо з отриманих графічних залежностей, зі збільшенням тиску сере- довища поширення ультразвуку суттєво зменшуються втрати енергії ультразву- кової хвилі під час проходження межі поділу середовищ. Це відбувається через збільшення акустичного імпедансу КС зі зростанням тиску і, відповідно, кращого узгодження акустичних імпедансів середовищ, що контактують. Внаслідок цього, а також за рахунок зменшення коефіцієнта загасання ультразвуку в КС зі збіль- шенням тиску, отримуємо суттєве зменшення втрат енергії ультразвукових коли- вань під час ультразвукового контролю. Виконані розрахунки втрати енергії ультразвукових коливань для п’єзопере- творювача, що працює в КС за нормальних умов, становлять N1_0 = –91,89 dB та N2_0 = –183,53 dB. Тиск, за якого відбувається внутрішньотрубна діагностика за допомогою поршневих снарядів, зазвичай становить 70... 80% від робочого, тоб- то 4...5 МРа. Втрати енергії ультразвукових коливань для п’єзоперетворювача без узгоджувального шару, що працює в КС під тиском 4 МРа, менші майже у 1,65 рази і становлять N1_4 = –53,98 dB та N2_4 = –113,21 dB, відповідно. Попередні дослідження [8, 19] безконтактного способу ультразвукового контролю товщини металоконструкцій за двостороннього доступу дають змогу стверджувати, що підбір відповідного узгоджувального шару з врахуванням аку- стичного імпедансу середовища поширення ультразвуку і матеріалу ПЕ та від- 127 повідних умов середовища додатково зменшить втрати енергії ультразвукової хвилі на межі поділу ПЕ/середовище. Раніше [19] на практиці вдалось досягнути зменшення втрат енергії ультразвукового імпульсу на 32 dB для межі поділу ПЕ/КС та повітря за нормальних умов шляхом врахування особливостей КС та використання узгоджувальних шарів. Запропонований метод оцінки втрат енергії (врахування параметрів КС, ПЕ, ОК для зменшення втрат енергії) разом зі сучасними алгоритмами обробки сиг- налу [20] з низьким відношенням сигнал/шум (менше одиниці), які можуть оброб- ляти сигнали з високим рівнем загасання, дадуть можливість чітко детектувати відбиті імпульси та здійснювати дефектоскопію та/або товщинометрію стінок тру- бопроводу. Розроблений метод оброблення вимірювальної дефектоскопічної ін- формації на базі штучних нейронних мереж [21] дає змогу чітко виявляти відбиті луно-імпульси в зашумленому сигналі за співвідношення сигнал/шум менше 1 [19]. ВИСНОВКИ Запропонований спосіб оцінки втрат енергії ультразвукового сигналу можна використовувати для різних середовищ поширення та матеріалів об’єкта контро- лю. Він враховує фізичні характеристики контактного середовища та матеріалу об’єкта контролю, геометричні параметри середовища поширення та об’єкта кон- тролю (відстань поширення ультразвуку, товщину). Використовуючи цей спосіб, можна здійснювати вибір параметрів п’єзоперетворювача та узгоджувальних ша- рів, проводити попередню оцінку впливу характеристик середовища поширення на втрати енергії під час контролю. Цей спосіб оцінки втрат реалізували в програмному середовищі Matlab, що дає змогу вносити необхідні зміни в модель, для врахування конкретних особли- востей узгоджувального шару, середовища поширення ультразвуку та об’єкта контролю. Він дає можливість розраховувати втрати для будь-якого середовища поширення (з відповідними розрахунками фізичних параметрів конкретного се- редовища) залежно від чинників впливу (тиск, температура, хімічний склад сере- довища поширення, відстань до об’єкта контролю, його матеріал та товщина тощо) оптимальні конфігурації цих параметрів. Отриманий результат оцінки втрат енергії ультразвукових коливань з підви- щенням тиску контактного середовища (природного газу) до значень робочих тисків під час внутрішньотрубної діагностики дає змогу зробити висновок, що зростання тиску позитивно впливає на зменшення втрат ультразвукових сигналів. Відповідно реалізація поршнів з п’єзоелектричними перетворювачами, які вико- ристовуватимуть природний газ як контактне середовище, суттєво спростить ви- моги щодо зниження робочого тиску магістральних газопроводів для внутріш- ньотрубної діагностики до максимально можливого, згідно з вимогами безпеки, і підвищить точність контролю товщини та ймовірність виявлення дефектів порів- няно з магнетними методами контролю. РЕЗЮМЕ. Предложено способ оценки потерь ультразвуковых колебаний при бес- контактном ультразвуковом контроле, который учитывает физические и геометрические параметры среды распространения ультразвука и объекта контроля для выбора материала пьезопреобразователя и согласующих слоев. Он позволяет оценить влияние физических параметров среды и объекта контроля (температура, давление, состав, материал, толщина) на потери ультразвукового сигнала для выбора их оптимального значения. Произведено оценку потерь ультразвуковых колебаний при одностороннем контроле толщины для природного газа заданного состава под давлением. По результатам оценки сделано вывод, что при использовании согласующих слоев, подобранных с учетом параметров среды, и современных алгоритмов обработки измерительной информации, появляется возмож- ность проведения дефектоскопии и контроля толщины стенки магистрального газопрово- да в среде природного газа под рабочим давлением. 128 SUMMARY. A method of estimating the loss of ultrasonic oscillations in the non-contact ultrasonic inspection, which takes into account the physical and geometrical parameters of the medium of propagation of ultrasound and testing object to select the transducer material and the matching layers, is proposed. It allows us to evaluate the influence of physical parameters of the medium and the tested object (temperature, pressure, composition, material, thickness) on the ultrasonic signal losses to select their optimal value. The losses of ultrasonic oscillations in unilateral testing of the thickness in the natural gas with specified composition under pressure were estimated. The evaluation result suggests that the combined use of the matching layers, chosen within the medium parameters, and advanced algorithms for processing measurement data, allows us to conduct the defect detection and wall thickness inspection of the gas pipeline in the medium of natural gas under the working pressure. 1. Технічна діагностика і ресурс конструкцій після довготривалої експлуатації / О. П. Ос- таш, В. М. Учанін, І. М. Андрейко, І. Р. Маковійчук // Фізичні методи та засоби кон- тролю середовищ, матеріалів та виробів. – 1999. – Вип. 4. – С. 3–8. 2. Мазур И. И., Иванцов О. М. Безопасность трубопроводных систем. – М.: ИЦ “ЕЛИМА”, 2004. – 1104 с. 3. Teitsma A. Technical Assessment Report Technology Assessment For Delivery Reliability For Natural Gas. – Gas Technology Institute, 2004. 4. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф., Пахомов В. П. Опыт и перспективы мониторинга и технического состояния МГ на основе внутритрубной диагностики // Газовая про- мышленность. – 2006. – № 10. – C. 18–21. 5. Teitsma A. Gas Coupled Ultrasonic Pipeline Inspection. – GRI-03/0158. – 2003. 6. Stoessel R. Air-Coupled Ultrasound Inspection as a New Non-Destructive Testing Tool for Quality Assurance. – University of Stuttgarg, 2004. 7. Wright W. M. D. and Hutchins D. A. Air-coupled ultrasonic testing of metals using broad- band pulses in through-transmission // Ultrasonics. –1999. – 37 (1). – P. 19–22. 8. Рибіцький І. В. Математична модель узгоджуючого шару п’єзоперетворювача та роз- рахунок втрат енергії акустичних коливань при безконтактному способі вимірювання товщини // Методи та прилади контролю якості. – 2007. – № 18. – C. 40–45. 9. Gas-Coupled, Pulse-Echo Ultrasonic Crack Detection and Thickness Gading / C. M. Fortun- ko, R. E. Schramm, C. M. Teller et al. // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation (July–August 31–4, 1994). – USA: Snowmass Village, 1994. – 14. – P. 951–958. 10. Daniel R. Raichel. The science and applications of acoustics. – Springer Science + Business Media, 2006. 11. Chimenti D. E. and Fortunko C. M. Characterization of Composite Prepreg with Gas- Coupled Ultrasonics // Ultrasonics. – 1994. – 32 (4). – P. 261–264. 12. Wickramasinghe H. K. and Petts C. R. Acoustic Microscopy in High-Pressure Gasses // Ultrasonics Symposium (November 5–7, 1980). – USA: Boston, 1980. – P. 668–672. 13. Benny G., Hayward G., and Chapman R. Beam profile measurements and simulations for ultrasonic transducers operating in air // Acoustical Society of America. – 2000. – 107, № 4. – P. 2089–2100 14. Грінченко В. Т., Вовк І. В., Маципура В. Т. Основи акустики: навч. пос. – К.: Наук. дум- ка, 2007. – 640 с. 15. Krautkramer J. and Krautkramer H. Ultrasonics Testing of Mаterials // 4th fully revised edi- tion. – Berlin: Springer-Verlag, 1990. 16. Агранат Б. А., Дубровин М. Н., Хавский Н. Н. Основы физики и техники ульразвука. – М.: Высш. шк., 1987. – 352 с. 17. GPSA Engineering databook: Edition 12. – Gas Processors Suppliers Association, 2004. – Vol. 1,2. 18. Worksheet to calculate Properties of Hydrocarbon based Gas Mixtures using the GPSA Engineering Data Book (Edition 11), Dennis Kirk Engineering. – 1998. 19. Карпаш О. М., Рибіцький І. В., Карпаш М. О. Експериментальна перевірка можливості ви- користання взаємокореляційного та нейромережевого підходів для підвищення чутливості безконтактного ультразвукового способу контролю товщини матеріалів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. – 2008. – Вип. 13. – C. 152–160. 20. Котурбаш Т. Т., Карпаш М. О. Аналіз методів підвищення чутливості безконтактного акустичного методу контролю матеріалів та виробів // Методи та прилади контролю якості. – 2010. – № 25. – C. 21–27. 21. Патент на винахід UA 87910. Спосіб детектування сигналів із високими значеннями шуму / М. О. Карпаш, О. М. Карпаш. – Опубл. 25.08.2009; Бюл. № 16. Одержано 14.03.2011

Оцінка втрат енергії акустичних коливань за ультразвукового контролю в середовищі природного газ

Репозитарії

Схожі ресурси