Файл: Е. А. Богданов Основы технической диагностики нефтегазового оборудования.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 205
Скачиваний: 9
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
а — цифровой нивелир DiNi 22; б — электронный теодолит DJD5-I;
в — электронный тахеометр DTM-352W
линз и зеркал изображения объекта контроля от разных объективов передавались в один окуляр и накладывались друг на друга. Изменяя фокусировку, раздвоенное изображение совмещалось в единое и по шкале отсчета определялось расстояние до объекта. Для повышения точности расстояние между объективами (база) принималось максимально большим, что увеличивало габариты и массу дальномеров и делало их громоздкими. Однако даже увеличение базы между объективами не обеспечивало требуемой точности измерения.
В настоящее время вместо оптических дальномеров повсеместно используют компактные лазерные дальномеры. Это стало возможным с созданием малогабаритных лазеров, при этом точность измерения дальномеров повысилась на несколько порядков. Принцип действия лазерного дальномера достаточно прост. Оператор, направив дальномер на цель, нажатием кнопки активирует лазер, который посылает луч в сторону цели. Специальное приемное устройство дальномера улавливает отраженный от цели луч. Дальномер имеет счетчик интервалов времени (электронные часы), который включается в момент выхода луча из дальномера и выключается в момент его возвращения. По известной скорости света и времени прохождения луча вперед и обратно определяется расстояние до цели. Наиболее совершенные лазерные дальномеры, применяемые в спутниковых системах навигации, оснащаются счетчиками интервалов времени с точностью Г10"9 с (такая единица времени называется наносекундой) и даже точнее. Это позволяет определять расстояние с точностью до 0,2 • 10“5 %. Стандартные лазерные «рулетки» и дальномеры, используемые в комплекте с вехами или штативами с уголковыми отражателями, имеют точность, достигающую 1,5 мм на 100 м. Широкое распространение в последние годы получили дальномеры, позволяющие измерять расстояние непосредственно до объекта без отражателя. В связи с зависимостью точности измерений от свойств отражающей поверхности и надежности фиксации точки измерения дальность таких приборов не превышает 100... 150 м, а точность лежит в пределах 1О...20 мм.
Нивелиром называют оптический прибор для определения высотных отметок всего объекта или его части. Теодолит — более универсальный прибор, он позволяет, наряду с высотными, определять также угловые отметки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Такие приборы в процессе диагностики применяют как для установления отклонений от заданной геометрической формы локального участка диагностируемой конструкции, так и отклонения всего объекта от проектного положения. В последнем случае производят геодезическую съемку объекта (нефтепровода, нефтехранилища и др.) с определением высотных, угловых и координатных отметок.
Основными недостатками оптических нивелиров и теодолитов являются высокая трудоемкость выполнения работ и низкая точность измерений. Эти проблемы устраняются с появлением нового поколения геодезических приборов — цифровых. Принцип их действия и возможности рассмотрим на примере цифрового нивелира DiNi 22 (рис. 3.3, а), производимого фирмой «Carl Zeiss». Такой ни- 64
велир автоматически считывает величину высотных отметок со специальной кодовой рейки и сохраняет их в память. В отличие от обычных шашечных геодезических реек, на поверхности специальных реек нанесен штрих-код, представляющий собой чередующиеся светлые и черные горизонтальные полоски различной толщины (аналогично штрих-коду на упаковках с продуктами для считывания информации о товаре кассовыми аппаратами в магазинах). Отсчеты по кодовым рейкам могут браться с точностью до 0,01 мм, при этом одновременно производится дальномерный отсчет. Данные измерений выдаются на дисплей и записываются во внутреннюю память прибора, что исключает необходимость в трудоемком заполнении полевых журналов. Паспортная точность цифрового нивелира при работе с кодовой рейкой составляет 0,7 мм на 1 км двойного хода.
Электронный тахеометр — наиболее современный геодезический оптико-электронный прибор, позволяющий одновременно совместить функции электронного теодолита, лазерного высокоточного дальномера и полевого компьютера. «Тахеометр» в переводе с греческого языка означает «быстроизмеряющий». Современный электронный тахеометр измеряет углы и расстояния до вехи или штатива с отражателем. С его помощью геодезист может один, без вспомогательного рабочего, провести геодезическую съемку без полевых журналов и, сбросив всю информацию на компьютер, провести ее обработку с помощью прикладных программ. Ряд узкоспециальных задач решаются непосредственно на месте с помощью встроенного контроллера (микропроцессора-вычислителя), управляемого клавиатурой. Вместе с тем тахеометры не способны производить высокоточное нивелирование.
Современные тахеометры значительно различаются по своим техническим характеристикам и конструктивным особенностям в зависимости от ориентации на конкретного пользователя или сферу применения. Так, ряд моделей тахеометров представляют собой совмещенную систему, объединяющую возможности тахеометра и спутникового приемника, принимающего сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС) или GPS (Global Positioning System). Использование таких приборов в режиме статики (GPS-приемник находится на закрепленной точке с известными координатами, а «мобильный» прибор перемещается по определенным точкам, производя измерения) позволяет получать координаты пунктов с точностью до 1 м. Измерения при этом можно производить приемниками, находящимися на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга в любое время и в любую погоду. Такие пункты (точки), в свою очередь, используются как станции тахеометрической съемки. Подобные системы особенно эффективны при геодезической съемке магистральных нефте- и газопроводов в местностях со слабым геодезическим обеспечением (районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока).
Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами, как вид неразрушающего контроля, в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида:
В качестве проникающего вещества могут использоваться как жидкости, так и газы. Последние применяются в различных методах течеискания, основанных на законах термодинамики, акустики и др. Методы выявления дефектов с помощью жидких проникающих веществ используются как в течеискании, так и в капиллярном контроле и основаны на таких физических явлениях при взаимодействии жидкости с твердыми телами, как смачивание, капиллярные и сорбционные явления.
Капиллярный контроль осуществляется путем нанесения жидких проникающих веществ, называемых пенетрантами, их проникновения в полости поверхностных и сквозных дефектов и регистрации образующихся на поверхности объекта контроля индикаторных следов. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вызывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидкости либо твердого тела. Молекулы, находящиеся внутри однородного вещества, испытывают одинаковое притяжение с разных сторон и находятся в состоянии равновесия. Молекулы, находящиеся на поверхности, испытывают разные притяжения с внутренней и наружной стороны, граничащей с поверхностью среды. Равновесие при этом достигается при минимуме свободной энергии молекул на поверхности. В связи с этим они стремятся приобрести форму с минимальной наружной поверхностью. В твердом теле этому препятствуют явления упругости формы, а жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. Таким образом, поверхности жидкости и твердого тела стремятся сократиться и возникают силы поверхностного натяжения [4].
Рис. 4.1. Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности
твердого тела жидкостью
При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 4.1). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собирается в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответственно образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 4.2).
Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела [3, 4]. Выделим на рис. 4.1 элементарный цилиндр в точке А, где соприкасаются твердое тело, жидкость и окружающий газ. На единицу длины этого цилиндра действуют три силы поверхностного натяжения: твердое тело—газ FTr, твердое тело—жидкость Дж и жидкость-газ F^. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю:
F^cosQ + - Ft = 0;
cos0 = (F„ - F^/F^.
Угол 0 называют краевым углом смачивания.
а
67
Если F^t> F^ то угол 0 < 90°. Это значит, что жидкость смачивает твердое тело (см. рис. 4.2, а): чем меньше 0, тем сильнее смачивание. Предельный случай будет соответствовать полному смачиванию, т. е. растеканию жидкости по всей поверхности твердого тела.
Рис. 4.2. Образование вогнутого (а) и выпуклого (б) менисков в капиллярной трубке, наполненной соответственно смачивающей и несмачивающей жидкостями
5*
Рис. 4.3. Схема к расчету капиллярного давления
Если > Frr, то cos© < 0, следовательно, угол 0 > 90° (см. рис. 4.2, б). Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело. В пределе F™> F„ + что соответствует полному несмачиванию.
Для большинства хорошо смачивающих веществ cos0 близок к единице. Например, для границы стекла с водой cos0 = 0,685, с керосином cos0 = 0,90, с этиловым спиртом cos0 = 0,955.
Большое влияние на смачивание поверхности оказывает наличие загрязнений. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает смачивание ее водой, и cos0 при этом становится отрицательным.
Разница сил iv и
называется силой смачивания, действующей на единицу длины поверхности:Ftt — F^cosQ.
При попадании смачивающей жидкости в полости дефектов малых размеров жидкость под действием силы смачивания проникает внутрь этих полостей. В качестве примера рассмотрим капиллярную трубку диаметром 2г, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 4.3). Под действием сил смачивания жидкость в трубке образует вогнутый мениск и поднимается на некоторую высоту h над поверхностью. Суммарная сила смачивания, действующая на длине окружности мениска, в состоянии равновесия уравновешивается весом столба жидкости:
cos0 2nr = pguFh,
2 F— cosO
= Pgh,
где р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения. Оценим давление Р, создаваемое силой смачивания. Для этого разделим обе части равенства на площадь трубки: отсюда
2fxr cos0
rpg '
Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление Р и высота подъема А.
Рис.4.4. Схемы проникновения жидкости в глубь тупиковой трещины (о) и проявления индикаторных следов дефектов (б)
Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) в глубь тупиковой трещины [3, 13]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхности в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 4.4): в устье радиусом г{ и вблизи вершины трещины — радиусом гъ при этом Р2 > Р{. Разность давлений, вызванных различием гх и гъ составляет:
АР = Р2 -Р{ = 2Fxrcos0(l/r2 - 1/п).
Дальнейшему продвижению пенетранта в глубь трещины под действием АР препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее АР. Величина АР определяет чувствительность метода и возрастает с увеличением различия радиусов менисков гх и г. Отсюда следует, что глубокие, расширяющиеся к устью дефекты будут выявляться лучше.
Смачивающие жидкости (пенетранты) заполняют узкие полости дефектов любой формы. Необходимым условием заполнения является то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без плоских участков.
Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить какое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны с малыми rh
в — электронный тахеометр DTM-352W
линз и зеркал изображения объекта контроля от разных объективов передавались в один окуляр и накладывались друг на друга. Изменяя фокусировку, раздвоенное изображение совмещалось в единое и по шкале отсчета определялось расстояние до объекта. Для повышения точности расстояние между объективами (база) принималось максимально большим, что увеличивало габариты и массу дальномеров и делало их громоздкими. Однако даже увеличение базы между объективами не обеспечивало требуемой точности измерения.
В настоящее время вместо оптических дальномеров повсеместно используют компактные лазерные дальномеры. Это стало возможным с созданием малогабаритных лазеров, при этом точность измерения дальномеров повысилась на несколько порядков. Принцип действия лазерного дальномера достаточно прост. Оператор, направив дальномер на цель, нажатием кнопки активирует лазер, который посылает луч в сторону цели. Специальное приемное устройство дальномера улавливает отраженный от цели луч. Дальномер имеет счетчик интервалов времени (электронные часы), который включается в момент выхода луча из дальномера и выключается в момент его возвращения. По известной скорости света и времени прохождения луча вперед и обратно определяется расстояние до цели. Наиболее совершенные лазерные дальномеры, применяемые в спутниковых системах навигации, оснащаются счетчиками интервалов времени с точностью Г10"9 с (такая единица времени называется наносекундой) и даже точнее. Это позволяет определять расстояние с точностью до 0,2 • 10“5 %. Стандартные лазерные «рулетки» и дальномеры, используемые в комплекте с вехами или штативами с уголковыми отражателями, имеют точность, достигающую 1,5 мм на 100 м. Широкое распространение в последние годы получили дальномеры, позволяющие измерять расстояние непосредственно до объекта без отражателя. В связи с зависимостью точности измерений от свойств отражающей поверхности и надежности фиксации точки измерения дальность таких приборов не превышает 100... 150 м, а точность лежит в пределах 1О...20 мм.
Нивелиром называют оптический прибор для определения высотных отметок всего объекта или его части. Теодолит — более универсальный прибор, он позволяет, наряду с высотными, определять также угловые отметки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Такие приборы в процессе диагностики применяют как для установления отклонений от заданной геометрической формы локального участка диагностируемой конструкции, так и отклонения всего объекта от проектного положения. В последнем случае производят геодезическую съемку объекта (нефтепровода, нефтехранилища и др.) с определением высотных, угловых и координатных отметок.
Основными недостатками оптических нивелиров и теодолитов являются высокая трудоемкость выполнения работ и низкая точность измерений. Эти проблемы устраняются с появлением нового поколения геодезических приборов — цифровых. Принцип их действия и возможности рассмотрим на примере цифрового нивелира DiNi 22 (рис. 3.3, а), производимого фирмой «Carl Zeiss». Такой ни- 64
велир автоматически считывает величину высотных отметок со специальной кодовой рейки и сохраняет их в память. В отличие от обычных шашечных геодезических реек, на поверхности специальных реек нанесен штрих-код, представляющий собой чередующиеся светлые и черные горизонтальные полоски различной толщины (аналогично штрих-коду на упаковках с продуктами для считывания информации о товаре кассовыми аппаратами в магазинах). Отсчеты по кодовым рейкам могут браться с точностью до 0,01 мм, при этом одновременно производится дальномерный отсчет. Данные измерений выдаются на дисплей и записываются во внутреннюю память прибора, что исключает необходимость в трудоемком заполнении полевых журналов. Паспортная точность цифрового нивелира при работе с кодовой рейкой составляет 0,7 мм на 1 км двойного хода.
Электронный тахеометр — наиболее современный геодезический оптико-электронный прибор, позволяющий одновременно совместить функции электронного теодолита, лазерного высокоточного дальномера и полевого компьютера. «Тахеометр» в переводе с греческого языка означает «быстроизмеряющий». Современный электронный тахеометр измеряет углы и расстояния до вехи или штатива с отражателем. С его помощью геодезист может один, без вспомогательного рабочего, провести геодезическую съемку без полевых журналов и, сбросив всю информацию на компьютер, провести ее обработку с помощью прикладных программ. Ряд узкоспециальных задач решаются непосредственно на месте с помощью встроенного контроллера (микропроцессора-вычислителя), управляемого клавиатурой. Вместе с тем тахеометры не способны производить высокоточное нивелирование.
Современные тахеометры значительно различаются по своим техническим характеристикам и конструктивным особенностям в зависимости от ориентации на конкретного пользователя или сферу применения. Так, ряд моделей тахеометров представляют собой совмещенную систему, объединяющую возможности тахеометра и спутникового приемника, принимающего сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС) или GPS (Global Positioning System). Использование таких приборов в режиме статики (GPS-приемник находится на закрепленной точке с известными координатами, а «мобильный» прибор перемещается по определенным точкам, производя измерения) позволяет получать координаты пунктов с точностью до 1 м. Измерения при этом можно производить приемниками, находящимися на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга в любое время и в любую погоду. Такие пункты (точки), в свою очередь, используются как станции тахеометрической съемки. Подобные системы особенно эффективны при геодезической съемке магистральных нефте- и газопроводов в местностях со слабым геодезическим обеспечением (районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока).
-
КАПИЛЛЯРНЫЙ КОНТРОЛЬ
Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами, как вид неразрушающего контроля, в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида:
-
капиллярный — для выявления поверхностных дефектов; -
течеискание — для выявления сквозных дефектов. В свою очередь капиллярный контроль и течеискание разделяют на методы в зависимости от вида первичного информативного параметра (типа проникающего вещества) и способа получения первичной информации (см. табл. 1.3).
В качестве проникающего вещества могут использоваться как жидкости, так и газы. Последние применяются в различных методах течеискания, основанных на законах термодинамики, акустики и др. Методы выявления дефектов с помощью жидких проникающих веществ используются как в течеискании, так и в капиллярном контроле и основаны на таких физических явлениях при взаимодействии жидкости с твердыми телами, как смачивание, капиллярные и сорбционные явления.
-
Физическая сущность капиллярного контроля
Капиллярный контроль осуществляется путем нанесения жидких проникающих веществ, называемых пенетрантами, их проникновения в полости поверхностных и сквозных дефектов и регистрации образующихся на поверхности объекта контроля индикаторных следов. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вызывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидкости либо твердого тела. Молекулы, находящиеся внутри однородного вещества, испытывают одинаковое притяжение с разных сторон и находятся в состоянии равновесия. Молекулы, находящиеся на поверхности, испытывают разные притяжения с внутренней и наружной стороны, граничащей с поверхностью среды. Равновесие при этом достигается при минимуме свободной энергии молекул на поверхности. В связи с этим они стремятся приобрести форму с минимальной наружной поверхностью. В твердом теле этому препятствуют явления упругости формы, а жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. Таким образом, поверхности жидкости и твердого тела стремятся сократиться и возникают силы поверхностного натяжения [4].
Рис. 4.1. Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности
твердого тела жидкостью
При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 4.1). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собирается в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответственно образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 4.2).
Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела [3, 4]. Выделим на рис. 4.1 элементарный цилиндр в точке А, где соприкасаются твердое тело, жидкость и окружающий газ. На единицу длины этого цилиндра действуют три силы поверхностного натяжения: твердое тело—газ FTr, твердое тело—жидкость Дж и жидкость-газ F^. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю:
F^cosQ + - Ft = 0;
cos0 = (F„ - F^/F^.
Угол 0 называют краевым углом смачивания.
а
67
Если F^t> F^ то угол 0 < 90°. Это значит, что жидкость смачивает твердое тело (см. рис. 4.2, а): чем меньше 0, тем сильнее смачивание. Предельный случай будет соответствовать полному смачиванию, т. е. растеканию жидкости по всей поверхности твердого тела.
Рис. 4.2. Образование вогнутого (а) и выпуклого (б) менисков в капиллярной трубке, наполненной соответственно смачивающей и несмачивающей жидкостями
5*
Рис. 4.3. Схема к расчету капиллярного давления
Если > Frr, то cos© < 0, следовательно, угол 0 > 90° (см. рис. 4.2, б). Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело. В пределе F™> F„ + что соответствует полному несмачиванию.
Для большинства хорошо смачивающих веществ cos0 близок к единице. Например, для границы стекла с водой cos0 = 0,685, с керосином cos0 = 0,90, с этиловым спиртом cos0 = 0,955.
Большое влияние на смачивание поверхности оказывает наличие загрязнений. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает смачивание ее водой, и cos0 при этом становится отрицательным.
Разница сил iv и
называется силой смачивания, действующей на единицу длины поверхности:Ftt — F^cosQ.
При попадании смачивающей жидкости в полости дефектов малых размеров жидкость под действием силы смачивания проникает внутрь этих полостей. В качестве примера рассмотрим капиллярную трубку диаметром 2г, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 4.3). Под действием сил смачивания жидкость в трубке образует вогнутый мениск и поднимается на некоторую высоту h над поверхностью. Суммарная сила смачивания, действующая на длине окружности мениска, в состоянии равновесия уравновешивается весом столба жидкости:
cos0 2nr = pguFh,
2 F— cosO
= Pgh,
где р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения. Оценим давление Р, создаваемое силой смачивания. Для этого разделим обе части равенства на площадь трубки: отсюда
2fxr cos0
rpg '
Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление Р и высота подъема А.
Рис.4.4. Схемы проникновения жидкости в глубь тупиковой трещины (о) и проявления индикаторных следов дефектов (б)
Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) в глубь тупиковой трещины [3, 13]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхности в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 4.4): в устье радиусом г{ и вблизи вершины трещины — радиусом гъ при этом Р2 > Р{. Разность давлений, вызванных различием гх и гъ составляет:
АР = Р2 -Р{ = 2Fxrcos0(l/r2 - 1/п).
Дальнейшему продвижению пенетранта в глубь трещины под действием АР препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее АР. Величина АР определяет чувствительность метода и возрастает с увеличением различия радиусов менисков гх и г. Отсюда следует, что глубокие, расширяющиеся к устью дефекты будут выявляться лучше.
Смачивающие жидкости (пенетранты) заполняют узкие полости дефектов любой формы. Необходимым условием заполнения является то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без плоских участков.
Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить какое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны с малыми rh