Geri Dön

Gaz boru hatlarının tekerlekli kaliper test düzeneği ve FPGA ile içbükey ve dışbükey deformasyonlarının ölçülmesine yönelik deneysel araştırma

An experimental research for measuring concave and convex deformations of gas pipelines using a wheeled caliper arm and FPGA

PDF İndir

  1. Tez No: 954228
  2. Yazar: HASAN BASRİ GÜRDAL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TANKUT AKGÜL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Enerjinin ta¸sınımda oldukça yogun olarak kullanılan yöntemlerden biri de boru ˘ hatlarıdır. Diger ta¸sınım yollarına göre ekonomik, güvenli ve düzenlili ˘ gi olan ˘ bir sistem olması bu yöntemi öne çıkarmaktadır. Fakat bu yöntemin en büyük handikaplarından birisi de boru hattında ya¸sanabilecek bir güvenlik sıkıntısında büyük felaketlerin olu¸sabilecek olmasıdır. Bu durumun önüne geçebilmek adına boru iletim hatlarının denetimi konusu ciddi bir önem arz etmektedir. Öyle ki bu öneme binaen boru hattı denetimine dair ara¸stırma ve çalı¸smalar çe¸sitlenmi¸s ve gün geçtikçe artmaktadır. Bu yöntemler hat içi denetim, hidrostatik basınç testleri ve dogrudan de ˘ gerlendirme yöntemleri ba¸slıklarında incelenebilir. Özellikle hat ˘ içi denetim yöntemine deginmek istiyorum. Hat içi denetim yöntemi borunun iç ˘ çeperi ve dı¸s çeperini sadece iç, sadece dı¸s ve hem iç hem dı¸s olacak ¸sekilde ölçen yöntemdir. Bu ölçümleri yapabilmek için kullanılan teknojilere göre kendi içinde gruplandırılabilir. Farklı sensor ve ölçüm cihazlarına göre elektromekanik akustik dönü¸stürücü (EMAT), manyetik akı kaçagı (MFL), ultrasonik test (UT), girdap akımı ˘ (EC), mekanik temaslama (MC) ¸seklinde sınıflandırılabilir. Genelde boru hattındaki çatlakların tespitinde ultrasonik test ve elektromekanik akustik dönü¸stürücü yöntemleri kullanılmı¸stır. Girdap akımı ve manyetik akı kaçagı yöntemleri ise metal kayıplarının ˘ tespitinde kullanılmı¸stır. Bu yöntemler ayrıca dent tespitinde de kullanılmı¸stır. Fakat mekanik temas yöntemi yani kaliper cihazları dent tespit etme noktasında en ba¸sarılı yöntem olarak gösterilmektedir. Kaliper cihazı üzerinde bulunan kollar sayesinde dentler üzerinden geçerken dentlerin boyutlarını ölçebilmektedir. Kolun dikeysel hareketinden dentin derinligini, birden çok ˘ kol yapısı sayesinde dentin geni¸sligini, dentin üzerinden geçme zamanından ise dentin ˘ uzunlugunu tespit etmektedir. Yüksek hızlara çıktıkta kolların dentlere olan tepkileri ˘ degi¸sebilmektedir. Buna uygun bir kol tasarımı yapılması gerekmektedir. Bu kol ˘ tasarımını geli¸stirme a¸samasında kaliper modülünü ve dentleri simule ettigimiz kaliper ˘ test düzenegi büyük bir fayda sa ˘ glamaktadır. Yüksek hızlarda örnekleme yapabilmek ˘ adına kullanılan FPGA tasarımı da dogruluk oranını artırmaktadır. ˘ Kaliper test düzeneginde boru hattının içinde kar¸sıla¸sılacak tüm durumları inceleme ˘ fırsatı yakalayabilmekteyiz. Farklı hızlar ve farklı dent boyutlarında kolun yapısının davranı¸sı degi¸sebilmektedir. Bu yapı sayesinde dentler üzerinden geçi¸slerde kolun ˘ tepkisine bakarak tasarım geli¸stirilmektedir. Kolun içine monte edilmi¸s halde bulunan açı sensörü sayesinde tekerlegin üzerinden geçti ˘ gi dentleri algılayabilmekteyiz. Açı ˘ sensörü SSI seri haberle¸sme protokolü ile haberle¸smekte ve sürekli olarak sinyal üretmektedir. Sensörden gelen sinyalleri FPGA ile okumaktayız. FPGA sayesinde yüksek hızda veri okuyup istenilen formatta bilgisayara kaydedebilmekteyiz. Bu xxiiisistem sayesinde istenilen dentler yüksek hızda dönen bir tabla üzerinde ölçülebilir ve gösterilebilir hale gelmektedir. Hız artırıldıgında dentlerin gerçek boyutlarından ˘ sapmalar meydana gelmektedir. Bir ba¸ska inceleme alanı olarak kolun yay ile sıkı¸stırılması sayesinde bu sapmalar önlenmeye ¸sayet önlenemez ise azaltılmaya çalı¸sılmaktadır. Bu ¸sekilde yapılan testlerde örnegin 1 m/s hızında 3 mm boyutundaki iki dent 2.98 ˘ mm civarında, 61 mm civarında bir dent ise 60.9 mm civarında tespit edilerek yüksek seviye dogruluk elde edilmi¸stir. ˘ Kaliper test mekanizmasında hız, yay sabiti, yay gerginligi ve tekerlek sönümlemesi ˘ gibi degi¸skenler ile testler gerçekle¸stirilmi¸stir. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar ˘ nihai bir kaliper modülü tasarım ve geli¸stirme süreçlerine oldukça fayda saglayacaktır.

Özet (Çeviri)

Pipelines are one of the most frequently used methods of energy transportation. The fact that it is an economical, safe and regular system compared to other modes of transport makes this method stand out. However, one of the biggest handicaps of this method is that major disasters may occur in case of a security problem in the pipeline. In order to prevent this situation, the subject of inspection of pipeline transmission lines is of great importance. So much so that, due to this importance, research and studies on pipeline inspection have diversified and are increasing day by day. These methods can be examined under the headings of in-line inspection, hydrostatic pressure tests and direct evaluation methods. In particular, I would like to mention the in-line inspection method. In-line inspection method is the method that measures the inner wall and outer wall of the pipe only inside, only outside, and both inside and outside. It can be grouped within itself according to the technologies used to make these measurements. According to different sensors and measuring devices, it can be classified as electromechanical acoustic transducer (EMAT), magnetic flux leakage (MFL), ultrasonic test (UT), eddy current (EC), mechanical contact (MC). In general, ultrasonic testing and electromechanical acoustic transducer methods were used to detect cracks in the pipeline. Eddy current and magnetic flux leakage methods were used to detect metal losses. These methods have also been used in the detection of dent. However, the mechanical contact method, namely Caliper devices, is shown as the most successful method for dent detection. Thanks to the arms on the caliper device, it can measure the dimensions of the dents while passing over the dents. It determines the depth of the dent from the vertical movement of the arm, the width of the dent thanks to the structure of multiple arms, and the length of the dent from the time of passing over the dent. At high speeds, the reaction of the arms to the dents may change. A suitable arm design should be made for this. The caliper test setup, in which we simulate the caliper module and dents, provides a great benefit during the development of this lever design. The FPGA design used for sampling at high rates also increases the accuracy rate. Wheeled type caliper arm is a smart pig for oil and gas pipelines. It is designed to detect deformations of the pipeline. For this purpose, a mobile device carrying a set of caliper arms on its body is sent through the pipeline. As the device moves along the pipeline, each caliper arm moves along with it touching the inner surface of the pipeline. When a caliper arm hits a dent on the pipeline surface, the arm makes an instantaneous change in position and quickly gets back to its prior position by the help of a pre-tightened spring on the arm. This instantaneous position change is detected xxvusing angle sensors attached to the caliper arm joint. The sensor measurements are collected and processed in order to detect pipeline deformations. In order to be able to detect even the smallest dents on the pipeline surface requires many caliper arms. Collecting sensor readings from multiple sensors in parallel makes a classical microcontroller-based software approach infeasible. Consequently, in this work, we designed a custom hardware architecture based on an FPGA, which enables capturing of measurements from multiple caliper arm sensors in parallel at real-time. This mechanism is built on an octagonal designed and assembled sigma profile frame. In the middle of the skeleton, there is a mechanism that enables the device to be rotated. On the upper surface, there is a circular motion table on which artificially produced dents can be mounted. In order to simulate the caliper arm system, a caliper arm mechanism is placed. If desired, more than one arm mechanism can be added to the assembly. The device design is designed in such a way that it can also perform odometer tests. In the middle and side of the skeleton, there is a plexiglass box containing the electronic cards that control the system. Rotating wheels are placed in contact with the lower and upper surfaces of the table so that the measurements are not affected by the table wobble during the rotation of the turntable. To test the hardware architecture, we setup an environment where a caliper arm is located above a circular plate underneath. Instead of moving the caliper arm mechanism, the experimental setup keeps the arm at a fixed position and rotates the plate at 1 m/s speed. Before designing the Caliper Module, the benefits of the Caliper Test Mechanism were investigated. To test the mechanism, the plate has convex and concave dents placed on it. The caliper arm has a spring with configurable pre-tightening force. There is also an angle sensor located at the caliper arm joint. The sensor readings are sent to a Spartan 7 FPGA board. The FPGA design is capable of capturing 50 angle sensor measurements in parallel. Since the experimental setup includes a single angle sensor, the sampling frequency of the angle sensor is increased by 50 times. The collected data is transferred from FPGA card to PC via serial communication protocol. The depth and length of the convex and concave dents are measured. Afterwards, quite a lot of tests were carried out with the determined variables. The effects of velocity, spring constant, spring tension and wheel damping on dent detection were investigated in the tests. Speed turned out to be the biggest factor in the tests. As the speed of the assembly increased, it was observed that the action-reaction force increased after the contact of the wheeled caliper arm with the dent. In this case, it increases the error in the measurement of dent. In measurements with very low spring constant, the error rate does not change much at 1 m/s speed. However, at 3m/s and 5m/s speeds, the arm with a very small spring constant jumps quite a lot and, consequently, the error rate is very large. When the spring constant is increased, it can be seen that the error rate caused by the speed decreases. Since the spring constant and the spring tension are the same parameters, they have the same effect. xxviIn the experiments carried out, it was observed that the error was still high even though the spring constant and spring tension were increased at 5m/s speed. As a matter of fact, this has been the case in studies in the literature. However, it turns out that better results will be obtained when experiments are made with springs with higher coefficients. Wheel damping is used in order to prevent the wheel caliper arm making a jump after hitting high dents and this bounce from being perceived as a dent. This damping has been tested at two different levels, normal and high. In these experiments, it was seen that normal damping provides some benefit at 1m/s and 3m/s speeds. But it had little effect at 5m/s speed. It has been observed that high damping slightly reduces wheel bounce at all speeds. In summary, the measurement results from the developed caliper test mechanism will provide great benefit for the fınal design and development of a caliper module.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    76094

    A Study on optimal control and on-lin observation of gas pipelines

    Gaz boru hatlarının eniyi denetimi ve gerçek zamanlı gözlemlenmesi üzerine bir çalışma

    İSMAİL DURGUT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TANSU MEHMETOĞLU

  2. Tez No

    896779

    Development of a GIS-based approach for the risks sourced from natural hazards on the natural gas pipelines in Türkiye

    Türkiye'de doğal gaz boru hatları üzerindeki doğal tehlikelerden kaynaklanan risklerin değerlendirilmesi için CBS tabanlı bir yaklaşım geliştirilmesi

    ERDİNÇ ÖRSAN ÜNAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Jeodezi ve FotogrametriHacettepe Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SULTAN KOCAMAN GÖKÇEOĞLU

  3. Tez No

    723223

    Urban earthquake risk assessment of buried gas pipelines

    Gömülü gaz boru hatlarının kentsel deprem risk değerlendirmesi

    MUHAMMAD RIZWAN AKRAM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDULLAH CAN ZÜLFİKAR

  4. Tez No

    382799

    Dynamic and static analyses of oil and gas pipelines

    Ptrol ve gaz boru hatlarının statik ve dinamik analizi

    MARWAN ADİL HASSAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    İnşaat MühendisliğiAtılım Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YASİN DURSUN SARI

  5. Tez No

    223298

    Gömülü boru hatlarının deprem etkilerine karşı davranışı

    Behaviour of the buried pipelines subject to eartquake effects

    ADİL YİĞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH GEDİKLİ

Geri Dön