Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное 

учреждение  высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический  университет)

Кафедра транспорта и хранения нефти и  газа 
 
 
 
 
 
 

  КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

По  дисциплине:            ДИАГНОСТИКА ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ

             ^{(наименование учебной  дисциплины согласно  учебному плану)}

                

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

Тема:            Внутритрубная ультразвуковая диагностика газонефтепроводов 
 
 
 

Автор: студент  гр.   ТНГ-06-1                    /______________/              /Антонов Н.П./            

                                                        ^{(подпись)                                (Ф.И.О.)}            
 

ОЦЕНКА: _____________ 

Дата: ___________________ 

ПРОВЕРИЛ 

Руководитель  проекта:   __профессор___       /______________/          /Крапивский Е.И./      

                                    ^{(должность)                 (подпись)                                                (Ф.И.О.)}      
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

 

Кафедра транспорта и хранения нефти и газа 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

По дисциплине  Диагностика газонефтепроводов и газонефтехранилищ

      ^{(наименование учебной  дисциплины согласно  учебному плану)} 

ЗАДАНИЕ 

Студенту  группы:        ТНГ-06-1                               Антонову Н.П.                                                                                                                                                                                                   ^{(шифр группы)                                                                        (Ф.И.О.)}

1. Тема проекта: Внутритрубная ультразвуковая диагностика газонефтепроводов.

2. Исходные данные к проекту: Данные по методике проведения радиационной дефектоскопии газонефтепроводов.

3. Содержание пояснительной  записки: Пояснительная записка включает в себя задание на выполнение работы, назначение и цели проведения дефектоскопии материалов и сварных соединений, виды  дефектоскопии, сравнение и анализ.

4. Перечень графического материала: в пояснительной записке содержится 16 рисунков и 1 таблица.

5. Срок сдачи законченного проекта 15.12.10 

Руководитель  проекта       _профессор _               Крапивский Е.И.             /_____________/                     ^{(должность)                                            (Ф.И.О.)                                                  (подпись)}      

Дата  выдачи задания: 15.10.10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

 

Оглавление 
 

 

ВВЕДЕНИЕ

 
 

      Согласно  ГОСТ 18353-79 в основу классификации  методов неразрушающего контроля положены физические процессы взаимодействия физического поля или вещества с объектом контроля [2]. С точки зрения физических явлений, на которых они основаны, выделяют девять видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретовый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. Каждый из видов контроля подразделяют на методы по рассмотренным ниже признакам.

      Характер  взаимодействия поля или вещества с  объектом. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенные изменения поля или состояния вещества. Например, наличие несплошности вызывало изменение прошедшего через нее излучения или проникновение в нее вещества. В некоторых случаях используемое для контроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов, связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила, возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролировать химический состав материалов (термоэлектрический эффект).

      Первичный информативный параметр – конкретный параметр поля или вещества (амплитуда  поля, время его распространения, количество вещества и т. д.), изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличие несплошности увеличивает или уменьшает амплитуду прошедшего через нее излучения. 

1. ПРИРОДА УЛЬТРАЗВУКА

 
 

      Ультразвук  – упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн [4]. Как известно, в зависимости от частоты упругие волны подразделяют на инфразвуковые (с частотой до 20 Гц), звуковые (от 20 до 2×10⁴ Гц), ультразвуковые (от 2×10⁴ до 10⁹ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10⁹ Гц). Акустические (упругие) волны – распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Упругие волны могут возникать в любой среде – твердой, жидкой и газообразной. Возмущения от источника передаются частицам среды, которые также начинают колебаться относительно своей точки равновесия. Эти колебания передаются соседним частицам, которые также начинают колебаться, затем колебания передаются все новым и новым частицам и в среде возникает упругая волна. Пространство, в котором распространяются упругие волны, – звуковое или акустическое поле. Упругие волны характеризуются следующими параметрами: длиной l, частотой f и скоростью распространения c, которые связаны зависимостью l = c/f.

      В зависимости от упругих свойств  среды в ней могут возникать  упругие волны различных видов, отличающиеся направлением смещения колеблющихся частиц. В связи с этим различаются продольные, сдвиговые, поверхностные, нормальные и другие волны.

      Если  колебания частиц среды совпадают  с направлением распространения  волны, то волна называется продольной. Такая волна может быть возбуждена в твердом теле, жидкой и газообразной средах. Если колебания частиц среды перпендикулярны направлению распространения волны, то волна называется сдвиговой (поперечной). Она может быть возбуждена только в твердом теле, которое способно упруго сопротивляться деформации сдвига. Продольные и сдвиговые волны могут возникать в чистом виде только в неограниченной среде или в теле, размеры которого во всех направлениях значительно превышают длину волны. На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны. 

2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

 
 

      В практике ультразвуковой дефектоскопии  металлов применяются ультразвуковые колебания (УЗК) частотой от 0.5-0.8 до 10.0 МГц. Для получения ультразвука  таких частот используются пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, в которых активным элементом являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов – титаната бария, цирконат-титаната свинца и других (ГОСТ 13927-74). На  поверхности пьезоэлементов наносят слои серебра, служащие электродами. При подведении к электродам переменного электрического напряжения пьезоэлемент совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При воздействии на пьезоэффект упругих механических колебаний на его электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих механических колебаний (прямой пьезоэффект). Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пьезоэлемента будет при резонансе, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего переменного напряжения.

      Подавая на пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, отличной от собственной  частоты колебаний, можно получить вынужденные колебания пьезоэлемента  с любой частотой. Однако в этом случае излучаемая энергия будет  меньше, чем при резонансной частоте.

      Основными характеристиками пьезоэлемента являются частотный  спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. 

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ  УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

 
 

  

      Распространение ультразвуковых волн происходит по законам геометрической (лучевой) акустики. 

Схема звукового поля (а) и диаграммы направленности (б) дискового излучателя (Рис.1) 

Половина  угла раствора при вершине конуса, в котором почти полностью  концентрируется генерируемая излучателем  энергия, может быть определена из соотношения sinq=1.22l/D, где q – угол между осью пучка УЗК и крайним лучом, °.

      Однако  в пределах этого конуса интенсивность  ультразвука неодинакова: она уменьшается  по направлению от оси пучка к  периферии. Это свойство излучателя характеризуется его диаграммой направленности, представляющей собой полярную диаграмму изменения звукового поля (интенсивности или давления) в зависимости от направления. Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет ненаправленным. Если размеры излучателя больше длины волны, то излучаемая энергия концентрируется преимущественно по одному направлению, совпадающему с направлением нормали к излучаемой поверхности.

      Направленность  излучателей определяется экспериментально с помощью относительных измерений. Для некоторых простейших случаев могут быть рассчитаны характеристики направленности излучателей. На рис. 1, б показана полярная диаграмма направленности излучения – приема для дискового излучателя.

      По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, приводящих к постепенному затуханию колебаний при их распространении. Затухание УЗК происходит по экспоненциальному закону

A = A₀e^-dz,

где z –  расстояние, пройденное волной, м;

d - коэффициент затухания, 1/м.

      Коэффициенты  затухания различны для различных  материалов и складываются из коэффициентов  поглощения и рассеяния: d = d_пог + d_рас. В однородной изотропной упругой среде и в монокристаллах металлов затухание определяется поглощением ультразвука. При этом энергия упругих колебаний переходит в тепловую. В поликристаллической среде и в металлах, обладающих упругой анизотропией, затухание определяется рассеянием упругих колебаний зернами металла. Это приводит к дополнительному уменьшению интенсивности волн в направлении их распространения.