Ученые Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН показали: изучая акустические шумы, можно следить за состоянием опор трубопроводов. Также этот метод позволяет проводить диагностику строительных балок и других важных элементов различных сооружений.
О проведенных изысканиях рассказывает Юрий Иванович Колесников – главный научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики ИНГГ СО РАН, доктор технических наук.
Почему проект важен?
Периодически на трубопроводах случаются аварии, которые наносят ущерб окружающей среде, приводят к большим материальным потерям, а иногда – и к гибели людей. Чаще всего это происходит из-за неполадок в конструкции.
– Если трубопровод сооружается над поверхностью земли, трубы укладывают на опоры, – говорит Юрий Иванович Колесников. – Расстояние между ними выбирается с таким расчетом, чтобы сооружение было прочным и устойчивым. Однако со временем жесткость крепления пролетов труб может существенно снижаться – например, это происходит из-за сезонных просадок почвы или выпучивания грунтов.
Когда жесткость крепления трубы к опоре (или опоры к грунту) значительно понижается, то длина пролета трубы увеличивается. Зачастую эти незаметные для невооруженного глаза изменения могут привести к повреждению или даже разрушению данного участка трубопровода.
Метод, разработанный учеными ИНГГ СО РАН, позволяет определить снижение устойчивости опор на самой ранней стадии. Как отмечает Юрий Колесников, увеличение длины пролета понижает его собственные частоты – их можно измерить и сравнить с показателями на других участках трубопровода. Если где-то наблюдаются отклонения в данных – значит, есть вероятность ослабления опоры и аварии.
Как именно работает методика?
Ученые ИНГГ СО РАН провели серию натурных экспериментов, подтвердивших эффективность метода. Специалисты исследовали два пролета действующего надземного трубопровода, состоящего из двух параллельных стальных труб – теплотрассы в новосибирском Академгородке. Юрий Иванович Колесников утверждает, что этот объект идеально подошел для проведения эксперимента.
Через каждые 10 метров трубы жестко приварены к массивным стальным опорам на высоте 25-30 см над поверхностью земли. Однако в тех местах, где рельеф понижается, пролеты закреплены на более высоких стальных стойках без жесткого крепления. По словам Юрия Колесникова, их можно рассматривать как некий аналог опор с пониженной устойчивостью. Специалисты Института провели измерения акустических шумов в двух пролетах трубы с горячей водой, текущей под напором (вторая в момент проведения испытаний была пустой). В первом из них труба жестко крепилась к опорам с двух сторон. Во втором же пролете такое крепление было только с одной стороны, а с другой труба просто лежала на металлической стойке.
Теплотрасса в новосибирском Академгородке: a – участок трубопровода с жестким креплением труб к опоре; b – трубы, уложенные на стойку без жесткого крепления; c – регистратор и установленный на трубе геофон.
Для измерений ученые использовали специальные приборы – вертикальные геофоны и одноканальные цифровые регистраторы. С помощью магнитов геофоны крепились к трубе, затем к ним подключались регистраторы, которые в течение 10 минут непрерывно записывали акустические шумы. Эти измерения проводились с шагом 20 см по всей длине пролета.
Далее сотрудники Института обработали акустические шумы с помощью специальных программ, позволяющих выделять из шумов стоячие волны. Особое внимание специалисты уделили изгибным стоячим волнам, которые возникают в пролетах трубопровода.
Дело в том, что под воздействием шумов в пролетах трубопроводов возникают семейства стоячих волн разных типов, но наиболее интенсивные – волны изгибного типа. Эти волны подобны основному тону и обертонам звучащей струны – вдоль пролета трубы на его собственных частотах чередуются узлы, где колебания отсутствуют, и пучности изгибных стоячих волн, где колебания максимальны. Чем выше собственная частота, тем больше в пролете узлов и пучностей.
Чередование узлов и пучностей изгибных стоячих волн на собственных частотах жестко закрепленного с двух сторон пролета трубы (слева), и в пролете, где правое крепление ослаблено (справа)
Если длина пролета увеличивается, что фактически происходит, например, при потере устойчивости какой-либо опоры, то частоты семейства стоячих волн снижаются, а их число в одном и том же частотном диапазоне резко увеличивается. Также исчезают некоторые узловые точки в месте, где крепление трубы ослаблено. Это и служит признаком того, что в трубопроводе произошли нежелательные изменения, которые могут привести к аварийной ситуации.
Юрий Иванович Колесников отмечает, что запись акустических шумов и ее анализ не занимают много времени и не требуют значительных вычислительных ресурсов. Поэтому метод, разработанный в ИНГГ СО РАН, можно внедрять повсеместно. Помимо трубопроводов, его также можно использовать для оценки надежности опор мостов, строительных балок и многих других конструкций.
Текст к публикации подготовил
пресс-секретарь ИНГГ СО РАН
Павел Красин
Фотографии предоставлены Ю.И. Колесниковым
