СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2010 года по МПК G01H1/00 G01M7/02 

Предлагаемое изобретение относится к средствам контроля и диагностики промышленного оборудования. Преимущественно областью использования предлагаемого изобретения является контроль и диагностика оборудования, используемого при работе магистральных газопроводов.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения выбран способ для обнаружения механических воздействий импульсного типа на компонент установки, известный из патента на изобретение RU 2315968. Известное техническое решение предназначено для постоянного контроля установленного рабочего режима промышленной установки: трубопроводов химического производства, проточных трубопроводов, газовых турбин.

При реализации известного способа осуществляется внешнее воздействие на устройство, подлежащее диагностике, запись осциллограммы вибраций устройства, подлежащего диагностике, с использованием, по меньшей мере, одного датчика вибрации. По результатам измерений выполняется частотный анализ полученных результатов измерений, выделение частот, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих, формируется средневзвешенный спектр частот, измеряется спектр собственных колебаний устройства. Выделяются частоты, характеризующиеся наибольшей выраженностью среди прочих, и формируется разностный спектр частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, с его последующей оценкой. То есть при реализации известного способа по изменению спектра колебаний (измерение производится установленными на поверхности датчиками) будут получены данные о наличии или отсутствии внешних воздействий на контролируемую конструкцию, например, на ее повреждение в результате внешних воздействий. Очевидно, что данные, необходимые для анализа состояния конструкции, могут быть собраны в течение определенного промежутка времени либо в течение всего срока эксплуатации и обработаны с использованием известного математического аппарата.

Известное из RU 2315968 техническое решение не может быть использовано с должной эффективностью для контроля запорной арматуры, то есть устройств, состоящих из нескольких составных элементов, связанных друг с другом механическими связями, из-за невозможности точного определения конкретного места внешнего воздействия на контролируемый объект и невозможности контроля состояния целостности запорной арматуры. То есть известный способ не позволит вовремя предотвратить разрушение элемента запорной арматуры.

Предлагаемое изобретение позволит устранить перечисленные выше недостатки и позволит в свою очередь обеспечить контроль состояния как всего элемента запорной арматуры в целом, так и каждого из его составных элементов. Кроме того, предложенный способ обеспечит контроль состояния запорной арматуры как в закрытом, так и в открытом положении, т.е. при наличии или же при отсутствии перепада давления.

Технический результат, ожидаемый от использования предложенного изобретения, достигается тем, что предложен способ для диагностики запорной арматуры, преимущественно магистральных газопроводов, при осуществлении которого производится внешнее воздействие на устройство, подлежащее диагностике, запись осциллограммы вибраций устройства, подлежащего диагностике, с использованием, по меньшей мере, одного датчика вибрации, измерение спектра собственных колебаний устройства, подлежащего диагностике. Выполняется частотный анализ полученных результатов измерений, выделяются частоты, характеризующиеся наибольшей выраженностью среди прочих, формируется средневзвешенный спектр частот. Измеряется спектр собственных колебаний устройства, выделяются частоты, характеризующиеся наибольшей выраженностью среди прочих. Формируется разностный спектр частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, с его последующей оценкой.

В отличие от известных технических решений в подлежащей анализу запорной арматуре - агрегате, подлежащем диагностике, выделяются составные элементы, образующие переменно-упругие механические связи. По заранее установленным математическим зависимостям предварительно определяются частоты собственных колебаний всех составных элементов агрегатов F_d исследуемого объекта, связанные с размерами, и частота собственных колебаний агрегата F_m, связанная с массой тела. Производится активное внешнее воздействие на агрегат, подлежащий диагностике, с диапазоном амплитуд, превышающим величину промышленных помех, а также полосу частот, превышающую полосу частот собственных колебаний объекта F_d, связанную с размерами, и полосу частот F_m, связанную с массой тела. Во всем агрегате, подлежащем диагностике, а также в каждом из составных элементов агрегата возбуждаются собственные колебания. Активное внешнее воздействие на агрегат, подлежащий диагностике, может быть произведено при активном механическом воздействии на агрегат, подлежащий диагностике, либо при воздействии на агрегат широкополосным сигналом с амплитудно-частотной характеристикой, приближенной к белому шуму.

Производится частотный анализ полученных результатов измерений. Для частотного анализа использован математический аппарат, основанный на использовании преобразования Фурье с последующим формированием спектров колебаний для агрегата, подлежащего диагностике, а также составных элементов агрегата. Формирование средневзвешенного спектра частот производится без учета частот, характеризующихся наибольшей выраженностью. И как для всего агрегата, подлежащего диагностике, так и для составных элементов агрегата, производится измерение спектра собственных колебаний. Среди частот, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих, выделяются частоты, являющиеся наиболее низкими гармониками в ряду. При формировании разностного спектра частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, выполняется оценка средневзвешенного спектра частот резонансного сигнала.

Для всех составных элементов агрегата, подлежащего диагностике, производится оценка разностного спектра и выделение частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, с последующим выводом о перемещении составных элементов агрегата относительно друг друга, с последующим формированием массива значений, качественно характеризующих степень механической взаимосвязи каждого из составных элементов агрегата, подлежащего диагностике.

Предложенный способ диагностики запорной арматуры осуществляется следующим образом.

Известно, что каждое тело имеет собственные частоты колебаний, обусловленные геометрическими характеристиками тела, массой, упругостью, прочностью тела и т.п. Механическое воздействие на тело в виде ударов или раскачиваний в виде гармонических или негармонических колебаний будет приводить к появлению реакции тела с возникновением собственных колебаний на собственной частоте колебаний тела. Таким образом, зная ряд собственных частот колебаний тела и проанализировав ряд частот колебаний, можно говорить о наличии либо отсутствии колебаний конкретного тела в рамках системы. Собственные частоты колебаний для каждого тела системы, необходимые для диагностики запорной арматуры, определяются исходя из геометрических размеров тела, а также механических свойств материала, из которого состоит тело. Также известно, что наличие жестких связей двух тел внутри системы фактически порождает существование нового тела, имеющего новый ряд собственных частот колебаний аналогично единичному телу. Таким образом, имеем переходные виды механических связей: не абсолютно жесткие, либо неполные связи, которые в первом приближении приведут к наличию двух не столь явно выраженных рядов частот собственных колебаний двух тел и одного не столь явно выраженного ряда частот системы. Для обозначения такой системы, состоящей из двух и более тел, используется термин - агрегат, для обозначения их частот колебаний термин - частоты агрегатирования.

Для большинства физических тел сложной формы собственные частоты не являются гармоническими, следовательно, ряд частот таких колебаний будет обширным и стремящимся в бесконечность. Поэтому в предложенном способе для каждого ряда собственных частот колебаний будет проводиться поиск ограниченного количества частот в ряду, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих и являющихся наиболее низкими гармониками в ряду и имеющих прямую связь с основными геометрическими размерами и массой тела.

Таким образом, при осуществлении предложенного способа, в подлежащей анализу запорной арматуре - агрегате, подлежащем диагностике, предварительно выделяются составные элементы, образующие переменно-упругие механические связи. Затем по заранее установленным математическим зависимостям предварительно определяются частоты собственных колебаний всех составных элементов агрегата F_d - исследуемого объекта, связанные с размерами, и частота собственных колебаний агрегата F_m, связанная с массой тела. Например, шаровой кран, состоящий из четырех основных элементов: корпуса, шара и двух седел и уплотнений, обеспечивающих жесткие механические связи при исправности крана, образует систему тел и агрегат. При наличии разрывов в уплотнении, люфтов и прочих зазоров агрегат может распадаться, образуя несколько комбинаций из его составных элементов, для каждого из вариантов неисправностей соответствует набор частот, связанных с массой и размером (для шаровых кранов частота, связанная с размерами F_d, обычно зависит (обратно пропорционально) от размера D_y и (прямо пропорционально) от скорости распространения колебаний в материале детали крана V_s; частоты, связанные с массой, измеряются на реальных объектах либо получаются расчетным путем или путем математического моделирования).

На агрегат, подлежащий диагностике, подается активное внешнее воздействие в виде белого шума. При этом обеспечивается диапазон амплитуд, превышающий величину промышленных помех, также обеспечивается полоса частот, превышающая полосу частот собственных колебаний объекта F_d, связанную с размерами, и полосу частот F_m, связанную с массой тела. Примером подобной аппаратуры может считаться аппаратура, работающая на уровнях на 20…40 dB выше, чем уровень промышленных помех, с полосой частот, как минимум, на 200% шире, чем исследуемый диапазон частот, и с динамическим диапазоном, превышающим на 40…100 dB исследуемые уровни сигналов во всем исследуемом диапазоне частот.

Внешнее воздействие может представлять собой активное механическое воздействие либо представлять собой широкополосный сигнал с амплитудно-частотной характеристикой, приближенной к белому шуму. Для генерации широкополосногоо сигнала используется индукционный излучатель. Использование индукционного излучателя позволит отфильтровывать посторонние и регулярные промышленные помехи, такие как работа двигателей внутреннего сгорания и т.п. Воздействие в виде белого шума приводит к возбуждению во всем агрегате, подлежащем диагностике, а также в каждом из составных элементов агрегата, собственных колебаний. С использованием датчиков вибрации, размещаемых на контролируемой запорной арматуре, записывается осциллограмма вибраций.

Для полученных результатов измерений с использованием, например, численных методов, при помощи преобразования Фурье выполняется частотный анализ с последующим формированием спектров колебаний для агрегата, подлежащего диагностике, а также составных частей агрегата. При этом выделяются частоты, характеризующиеся наибольшей выраженностью среди прочих. Среди частот, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих, выделяются частоты, являющиеся наиболее низкими гармониками в ряду. Без учета наиболее этих характерных частот аппроксимацией формируется средневзвешенный спектр частот (за средневзвешенный спектр частот будет принят уровень промышленных помех, исключая выбросы спектра на гармонических частотах). Оценка разностного спектра выполняется для всех составных элементов агрегата, подлежащего диагностике.

Если в спектре частот сигнала присутствуют частоты, наиболее характерные для составных частей агрегата, то можно сделать вывод, что какой-либо составной элемент агрегата перемещается относительно него с собственными частотами. Чем менее выражены характерные частоты составного элемента агрегата, тем больше его механическая связь с остальными составными элементами; при абсолютно жесткой связи собственные частоты будут отсутствовать либо иметь пренебрежимо малый уровень. При этом высокий уровень сигнала будет свидетельствовать о том, что имеется значительная неплотность в соединении детали с другими деталями и агрегатами, средний уровень сигнала свидетельствует о том, что имеется частичное ослабление соединения, вызванное частичным разрушением уплотнения, либо отсутствует герметизирующая паста.

На основании полученных данных делается вывод о перемещении составных элементов агрегата относительно друг друга. В итоге формируется массив значений, качественно характеризующих степень механической взаимосвязи каждого из составных элементов агрегата, подлежащего диагностике. При этом совместно с контролем наличия собственных частот деталей и агрегатов может быть проведена верификация результатов путем набивки, промывки или разработки (расхаживания) уплотнения, что будет вести к повышению точности локализации дефекта и повышению точности диагностики. Для более точного выявления позиции источника собственной частоты либо турбулизации газа может быть использован метод нахождения корреляции при записи с использованием трех или более датчиков вибрации.

Таким образом, предложенный способ обеспечит диагностический контроль как всего элемента запорной арматуры в целом, так и каждого из его составных элементов. Контроль может быть произведен в закрытом или же в открытом положении, т.е. при наличии или же при отсутствии перепада давления.

Изобретение относится к средствам контроля и диагностики промышленного оборудования, преимущественно используемого при работе магистральных газопроводов. Способ для диагностики запорной арматуры включает внешнее воздействие на элемент запорной арматуры, подлежащей диагностике, с диапазоном частот, превышающим величину промышленных помех, а также величину частот собственных колебаний объекта, связанную с размерами, и величину частот, связанную с массой тела. Выполняется измерение собственных колебаний всего агрегата, подлежащего диагностике, а также его составных элементов, с последующим частотным анализом. Оценка разностного спектра и выделение наиболее характерных частот производится для всех составных элементов агрегата, подлежащего диагностике, с последующим выводом о перемещении составных элементов агрегата относительно друг друга. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ для диагностики запорной арматуры, включающий внешнее воздействие на устройство, подлежащее диагностике, запись осциллограммы вибраций устройства, подлежащего диагностике, с использованием, по меньшей мере, одного датчика вибрации, частотный анализ полученных результатов измерений, выделение частот, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих, формирование средневзвешенного спектра частот, измерение спектра собственных колебаний устройства, выделение частот, характеризующихся наибольшей выраженностью среди прочих, формирование разностного спектра частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, с его последующей оценкой, отличающийся тем, что в подлежащей анализу запорной арматуре - агрегате, подлежащем диагностике, выделяются составные элементы, образующие переменно-упругие механические связи, предварительно определяется частота собственных колебаний агрегата h, связанная с размерами, и частота собственных колебаний агрегата F_m, связанная с массой тела, производится активное внешнее воздействие на агрегат, подлежащий диагностике, с диапазоном амплитуд, превышающим величину промышленных помех, а также полосу частот, превышающую полосу частот собственных колебаний объекта F_d, связанную с размерами, и полосу частот F_m, связанную с массой тела, с последующим возбуждением во всем агрегате, подлежащем диагностике, а также в каждом из составных элементов агрегата, собственных колебаний, при этом частотный анализ полученных результатов измерений выполняется с использованием преобразования Фурье с последующим формированием спектров возбужденных колебаний для агрегата, подлежащего диагностике, а также составных элементов агрегата, формирование средневзвешенного спектра частот производится без учета частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, измерение спектра собственных колебаний производится как для всего агрегата, подлежащего диагностике, так и для составных элементов агрегата, причем среди частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, среди прочих выделяются частоты, являющиеся наиболее низкими гармониками в ряду, при формировании разностного спектра частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, выполняется оценка средневзвешенного спектра частот резонансного сигнала, а оценка разностного спектра и выделение частот, характеризующихся наибольшей выраженностью, производится для всех составных элементов агрегата, подлежащего диагностике, с последующим выводом о перемещении составных элементов агрегата относительно друг друга с последующим формированием массива значений, качественно характеризующих степень механической взаимосвязи каждого из составных элементов агрегата, подлежащего диагностике.

2. Способ для диагностики запорной арматуры магистральных газопроводов по п.1, отличающийся тем, что производится активное механическое воздействие на агрегат, подлежащий диагностике.

3. Способ для диагностики запорной арматуры магистральных газопроводов по п.1, отличающийся тем, что на агрегат, подлежащий диагностике, воздействуют широкополосным шумовым сигналом с амплитудно-частотной характеристикой, приближенной к белому шуму.