История метода
Метод фононной диагностики является наследием научно-технических достижений военно-промышленного комплекса советской эпохи.
История развития метода берет свое начало на широко известном предприятии СЕВМАШ, где в 1973 году изобретатель метода, профессор В.К. Шухостанов, впервые применяет его при испытаниях прочных корпусов подводных лодок.
В 1997 году научно-производственная фирма «Диагностические технологии для техносферы» (ООО НПФ «ДИАТЕХ») получает патент и по настоящее время является единственной компанией в мире, обладающей правом на применение метода фононной диагностики, фононного оборудования и программного обеспечения, проводения подготовки фононных специалистов. На протяжении 20 лет НУЦ компании «ДИАТЕХ» совершенствует метод, ведет разработку программного обеспечения и оборудования. [3]. География применения метода фононной диагностики охватывает многие нефте и газодобывающие страны по всему миру: в Европе, в Азии, на ближнем Востоке и Африке.
Уникальный метод фононной диагностики основан на исследовании физических процессов в материалах и конструкциях в ходе их протекания в реальном времени. Это позволяет осуществлять диагностику технического состояния промышленных объектов в условиях действия рабочих нагрузок, без изменения режимов и прерывания процессов производства, на разных стадиях изготовления, испытания, эксплуатации и ремонта, что экономит значительные денежные средства.
Технические возможности
Технические возможности метода фононной диагностики позволяют обследовать труднодоступные объекты, в том числе трубопроводы в бетонной изоляции, участки труб, проходящие над и под руслами рек.
Метод фононной диагностики применим в широком спектре температур и давлений. Так температура рабочей среды при установке преобразователей фононной эмиссии непосредственно на поверхность диагностируемого объекта может варьироваться от - 20 до +70 ̊С. Температура рабочей жидкости при установке преобразователей с использованием волноводов от - 80 до +400 ̊С.
Метод полностью покрывает применяемый диапазон диаметров и толщин стенок трубного проката, используемого при строительстве трубопроводов, не имея ограничений по их длине.
При применении метода фононной диагностики выявляются следующие виды дефектов: потеря металла коррозионно-эрозионного происхождения (обширная аномалия), одиночные и групповые язвы, трещины и трещиноподобные дефекты, в том числе расслоения с выходом на поверхность, зоны стресс-коррозионного растрескивания, зоны повышенных напряжений. Данный метод позволяет идентифицировать дефекты по размеру, виду, глубине и критичности, определять их количество и положение. Применение инновационного метода фононной диагностики возможно в комбинации с другими, традиционными методами обследований.
Применение метода фононной диагностики не предполагает точечных измерений по поверхности, вместо чего фононная эмиссия регистрируется по всему объему контролируемого объекта. Скорость потока продукта в трубопроводе не влияет на результаты проведения диагностики.
Принцип работы
В процессе эксплуатации объекты техносферы (например трубопроводы), вернее материалы, из которых они изготовлены, испытывают воздействия – механические, тепловые, магнитные, т.е. к ним подводится энергия извне. Сами материалы обладают внутренней энергией, в том числе энергией связей кристаллической решетки – фононной энергией.
В условиях действия рабочих нагрузок происходит взаимодействие материала и энергии, т.е. подводимая извне энергия Э взаимодействует с материалом М, точнее, с внутренней энергией – фононной энергией материала ФЭ. Это означает, что в объектах техносферы существует и действует реакция взаимодействия фононной энергии материала ФЭ и внешне подводимой энергии Э. В результате этого энергетического взаимодействия происходят процессы перераспределения, концентрации и выделения (излучения) энергии материалом т.е. фононное излучение ФИ и формирование в материале и вокруг него полей излучения фононной энергии, так называемых фононных энергоинформационных полей.
Универсальную реакцию техносферы, реакцию взаимодействия в системах «материал (крнструкция) – энергия» можно записать так:
Э + М = ФИ
или
Э + ФЭ = ФИ
Одним из результатов фононной реакции, взаимодействия энергии и материала является зарождение и протекание в материале различных физических процессов – возникновение коррозионных повреждений, утонений, усталостных повреждений, разрушений. Поля фононного излучения наиболее интенсивны и концентрированы в тех местах, где происходят процессы коррозии, повреждения, дефектообразования и разрушения.
Распределение, уровень, интенсивность, концентрация и другие параметры фононных полей непосредственно характеризуют процессы, происходящие в конструкции, определяют состояние материала, характеризуют техническое состояние конструкций.
Таким образом, диагностика фононных энергоинформационных полей конструкции позволяет проводить в реальном времени диагностику физических процессов, протекающих в объекте. В свою очередь, это позволяет осуществлять диагностику технического состояния конструкции по фононным энергоинформационным полям, т.е. проводить исследование технического состояния объекта методом фононной диагностики.
Важнейшую роль в развитии метода фононной диагностики играет применение современных компьютерных информационных технологий. Разработанное компанией ООО НПФ «ДИАТЕХ» программное обеспечение составляет основу метода. Выявление дефектов методом фононной диагностики базируется, в том числе, на учёте топологии объекта в процессе сбора и обработки данных.
Фононная диагностика трубопровода проводится по схеме, включающей размещение постов фононной диагностики, определение мест установки преобразователей фононной эмиссии и порядок проведения диагностических операций. Линейная часть разбивается на участки протяженностью примерно до 1 км при установке преобразователей фононной эмиссии непосредственно на объект диагностики. С использованием волноводов - концентраторов фононной энергии (так называемых “фононных кристаллов”) возможно проведение диагностики более протяженных участков. Точками доступа для установки преобразователей фононной эмиссии являются открытые участки трубопровода и вскрытые участки – шурфы. Продолжительность фононного мониторинга каждого участка составляет, как правило, от 1 часа до 4 часов, в зависимости от геометрии и условий эксплуатации объекта.
На подготовительном этапе диагностирования разрабатывается расчетная модель фононной диагностики объекта с проведением так называемой натурной калибровки для каждого участка объекта диагностирования.
В ходе диагностики на масштабированных фононных картах представляемых в виде разверток участков трубопровода в режиме реального времени мониторинга формируются так называемые области фононной активности – активные области, положение которых определяет места как дефектообразования выявляемых известных типов дефектов, так и дефектов, природа которых не может быть идентифицирована, а также индикаций иного характера. Таким образом, по наличию, положению и интенсивности активной области проводится анализ дефектообразования и пространственная локализация дефектов по длине трубопровода, создается карта фононной диагностики каждого продиагностированного участка.
Далее производится детальный анализ каждой фононно-активной области с помощью программного обеспечения разработанного в ООО НПФ «ДИТЕХ», которое относится к классу экспертно-диагностической систем. При этом определяются закономерности распределения фононной энергии каждой из этих областей. На основе результатов анализа проводится оценка физических процессов, происходящих в дефектных областях, размерных характеристик, активности и опасности дефектов, прогнозируется дальнейшее развитие дефектов.
Ярким масштабным примером использования метода фононной диагностики на линейной части магистральных трубопроводов являются диагностические работы на газопроводах оползневого склона р. Кама [2], входящих в состав 9-ти ниточного Ужгородского коридора (см. рисунок 1).
РИС. 1. Оползневой склон реки Кама
РИС. 2. Схема фононной диагностики и мониторинга газопровода на оползневом склоне.
РИС. 3. Результаты фононной диагностики и мониторинга нитки 1, газопровод Уренгой-Ужгород на оползневом склоне на первом (а) и втором (б) этапах диагностики
Расстановка системного оборудования показана на рисунке 2.
Пример представления результатов фононной диагностики и мониторинга нитки 1 (газопровод Уренгой- Ужгород) на оползневом склоне на первом (а) и втором (б) этапах диагностики показан на рисунке 3.
Технология проведения фононоэмиссионной диагностики реализуется следующим образом [1]. Датчики фононной эмиссии устанавливают на диагностируемом объекте. Подключают блоки сбора данных к источнику питания. Запускают разработанное программное обеспечение. Проводят в программной среде настройку канала радиосинхронизации между системами, установленными на противоположных концах объекта контроля, оценивают защищенность радиоканала от промышленных помех. Осуществляют соединение датчиков и блоков сбора данных в программной среде. Проводят опрос всех датчиков и проверяют их работоспособность. Проводят калибровку диагностируемого объекта в программной среде, используя готовые модели и уникальные данные для каждого объекта. Проводят пробный мониторинг в течение 30 минут, определяя точность калибровки для диагностируемого объекта и работоспособность датчиков фононной эмиссии в режиме сбора данных и качество получаемых сигналов в режиме обработки информации. Далее запускают рабочий мониторинг длительностью около 2 часов с непрерывным сбором и обработкой информации для оценки работы схемы регистрации в ходе мониторинга. При необходимости время мониторинга может быть увеличено. Точность локализации дефектов при проведении фононоэмиссионной диагностики может составлять менее 0,15% от расстояния между датчиками.
Для проведения диагностики участков нефтегазопроводов, которые невозможно или экономически невыгодно провести методом внутритрубной диагностики, метод фононной диагностики представляет собой безальтернативный путь диагностирования. Работы с использованием метода фононной диагностики не предполагают механического перемещения аппаратуры или датчиков, установленных на наружной поверхности объекта контроля. Не имеется препятствий для контроля участков с наличием крутоизогнутых отводов, трубопроводов сложной геометрической формы, и имеющие фланцевые соединения, отводы и т.д.
ПАО «Транснефть» достигает одного из самых низких в мире уровней аварийности своих нефтепроводов, традиционно используя диагностику ультразвуковыми и магнитными дефектоскопами. Мониторинг линейной части магистральных газопроводов ПАО «Газпром» в основном выполняется с помощью средств магнитной диагностики.
Несмотря на то, что метод фононной диагностики является не сканирующим, а скрининговым, его результаты не только сопоставимы с результатами традиционных методов диагностики (в том числе и внутритрубной диагностики), но и превосходят их по некоторым показателям.
Технические результаты, получаемые при использовании фононной диагностики, состоящие в повышении быстродействия и качества обработки информации, сокращении временных затрат на подготовку и проведение диагностики, снижении трудоемкости процесса диагностики и обработки результатов, способствуют расширению областей её применения.
Поскольку при применении метода фононной диагностики не производится вывода объекта контроля из эксплуатации, отсутствуют экономические потери по завершении работ.
Выводы
Диагностика фононных энергоинформационных полей конструкции позволяет проводить в реальном времени диагностику физических процессов, протекающих в конструкции. Распределение, уровень, интенсивность, концентрация и другие параметры фононных полей определяют состояние материала, характеризуют техническое состояние конструкций.
В отличие от внутритрубной диагностики, метод фононной диагностики не значительных затрат на подготовку трубопровода и позволяет не выводить объект из эксплуатации, что позволяет сократить расходы заказчика.
Метод фононной диагностики активно развивается и совершенствуется, что подтверждается признаниями таких международных авторитетных организаций как Bureau Veritas, Marine Register, а также многочисленными отзывами мировых нефтегазовых компаний: Total, Cepsa, Repsol, SINOPEC, Газпром, Роснефть, Лукойл и другие.
Литература
1. Патент RU 2576470 C2 Способ фононоэмиссионной диагностики. 29.01.2014
2. Шаммазов А.М. Расчет и обеспечение прочности трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях. Том 2. Оценка и обеспечение прочности трубопроводов в сложных инженерно- геологических условиях / А.М. Шаммазов, Р.М. Зарипов, В.А. Чичелов, Г.Е. Коробков – М.:»Интер», 2006. – 564 с.
3. http://diatech.ru/company/.
