RU33231U1 - Устройство для диагностики трубопроводов - Google Patents

Description

Устройство для диагностики -фубопроводов.

Изобретение относится к анализирующим приборам, использующимся при диагностике трубопроводов методами неразрушаюшего контроля, и может применяться для получения информации о техническом состоянии водонефтегазопроводов

Аналогом изобретения является электронно-акустический течеискатель I. Недостат ки: возможность регистрации только мест разрыва трубы с истечением носителя и зависимость точности определения повреждения от глубины залегания трубопровода.

Известно, что при движении носителя (вода, нефтепродукты, газ и т.п.) по трубе, в местах повреждения её стенок происходит нарушение ламинарности потока, в результате чего, эти места становятся источниками акустических сигналов, которые распространяются в носителе вдоль всего трубопровода.

Прототипом изобретения является корреляционный течеискатель «Коршун 2, состоящий из двух акустических датчиков, устанавливае.мых на противоположных концах трубопровода и соединённым с электронным блоком корреляционного анализатора.

МКИ G 06 F 15/336

строящим корреляаионную функцию акустических сигналов этих датчиков в зависимости от длины трубопровода.

Недостаток, малая разрешающая способность выявления источников акустических сигналов при диагностике их корреляционного спектра.

Разрещающая способность в прототипе реализуется на таком уровне, которой позволяет надёжно регистрировать положение только источников сильного щума, щума, характерного для крупного разрыва стенки трубопровода, с интенсивностью потока истечения носителя не менее 3 м ./час 2J.

Известно, что энергия переносимая звуковой волной постоянной амплитуды зависит or частоты её колебаний. Коррозионные повреждения, основная спектральная составлягощая которых лежит в области вьюоких частот, могут теряться на корреляционном спектре в общем фоне других сигналов, у которых значительная часть спектра лежит в области более низких частот. Известно, что в потоке носителя, частотный спектр сигналов излучаемых возмущающими факторами (коррозионными повреждениями) зависит от геометрических размеров источника возмущения и степени турбулентности потока вокруг него. -Поэтому, корреляционные течеискатели типа «Корщун. выбранные за прототип и реги.стрирующие утечки с интенсивностью потока в несколько м /час 2. не использоваться для диагностики степени коррозионной повреждённости внутренних поверхностей трубопровода не имеющего сквозных разрывов, или с разрывами, но характеризующимися малыми геометрическими размерами и потоками утечки.

Целью изобретения является повыщение разрешающей способности выявления источников акустических сигналов при диагностике их корреляционного спектра.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для диагностики трубопроводов, состоящим из двух акустических датчиков, устанавливаемых на противоположных концах трубопровода, отличающимся тем, что в него устанавливаются два анализатора частотного спектра, входы каждого РГЗ которых соединены с соответствующими акустическими датчиками, а выходы с компьютером, строящим трёхмерную корреляционную функцию амплитудно-частотных спектров сигналов акустических датчиков, в зависимости от длины трубопровода и частоты колебаний.

В результате предложенных конструктивных изменений, а именно, введения анализаторов спектра, установленных, именно, предложенным образом, в устройстве для диагностики трубопроводов по сравнению с прототипом появляется новое физическое свойство Становится возможным производить корреляцию не первообразных сигналов от акустических датчиков, как в прототипе, а коррелировать их производные - частотные спектры этих сигналов, для каждой отдельной частоты в щироком частотном диапазоне. Таким образом, результирующие корреляционные функции частотных составляющих акустических сигналов строятся для каждой отдельной частогы всего частотного диапазона, вне зависимости от величины сигналов на других частотах, что позволяет выделять источники акустических сигналов, не зависимо от того, в каком диапазоне лежит их основной частотный спектр. Исключается взаимное влияние при корреляции сигналов с различными основными несущими частотами. Появляется возможность анализа на трёхмерном графическом изображении полной корреляционной функции всего частотного спектра сигналов, для каждой точки трубопровода, в зоне расстановки акустических датчиков. Становится возможным исследование не только звуковых сигналов из областей со значительной турбулентностью потока, в местах интенсивной утечки носителя, но и анализ акустических сигналы от дефектов с малыми геометрическими размерами, основной звуковой спектр которых, как правило, лежит в области более высоких частот Повыщается надёжной регистрации повреждений трубопровода типа: тонких трещин и свищей, с малой интенсивностью истечения носителя, областей язвенной коррозии металла Открывается

возможность диагностики степени повреждения внугренней поверхности трубопровода не имеющего сквозных разрывов с течкорТ носителя.

Широко известны устройства для определения местоположения повреждений с утечкой носителя в трубопроводах использующие корреляцию звуковых сигналов от акустических датчиков установленных на исследуемой магистрали 3, но чстроПств. способных определять местоположение и степень коррозионных повреждений внутренней поверхности трубы, методом коррелящи функций спектральных составляющих сигналов этих повреждений, для каждой отдельной частоты всего частотного диапазона, не обнаружено

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта позволяет считать, что заявленное техническое рещение соответствует критерию существенные отличия

Схема устройства для диагностики трубопроводов показана на рис.1. Оно состоит из двух акустических датчиков К широко известного типа, которые преобразуют механические колебания носителя транспортируемого по трубопроводу в электрические, каждый из датчиков соединён с отдельным анализатором частотного спектра 2. рис,1. Ана.ш.аторы спектра 2, позволяют разложить сигналы от акустических датчиков 1, рис. 1. на частотные составляющие, щироко известными способами. В описываемом устройстве лля .noixi используется Фурье-преобразование. Г1о.;1ный диапазон частотного спектра в экспериментальном образце составляет 0-3 кГц., практика работы на водяных трубопроводах показывает, что этого вполне достаточно для описания повреждений таких трубопроводов .методами корреляционного анализа. Частотные спектры акустических сигналов с выходов анализаторов частотного спектра 2 поступают на вход компьютера .1. где они обрабатываются при помощи математических программ. .Акустические датчики 1 устанавливаются на противоположных концах диагностируемого участка трубопровода 4. рис. 1. Описываемое устройство было технически адаптировано и применялось на магистралях горячего водоснабжения и центрального отопления в г. Москве

Поскольку, распространение акустических сигналов в закрытом пространстве трубопровода носит эргодический характер и функции, описывающие звуковые сигналы or дефекта на обоих акустических датчиках 1. рис 1. ковариационны, следовательно их спектральные функции будут также ковариационны. Для определения .местоположения источника акустических сигналов (от повреждённого участка) на трубопроводе и характера повреждения, в пакете программ заложенных в компьютер 3, использовался широко известный метод корреляции ковариационных функций в условиях эргодического процесса 2J Но, в отличие от 2, коррелировались не первообразные функши сигналов с датчиков, а их частотные спектры, получаемые на вь ходах анализаторов 2. рис Если степень повреждения стенки трубопровода такова., что она вызывает значительную турб ;1ентнос11 носителя в этом месте, то подобные дефекты, которые обычно характе|)ны лля разрывен-, трубопровода с большой потерей носителя, являются источником акчстических cm налов большой энергии. Частотный спектр таких сигналов сдвинут в область низких частот, поскольку их основная энергия переносится колебаниями малой частоты. А их высокочастотная составляющая, на долю которой приходится меньшая часть переносимой энергии, будет подавлена на фоне колебаний с малой частотой. Если же степень повреждения трубы вызывает .меньшую турбулентность носителя (отдельные очаги язвенной коррозии металла на небольшую глубину или даже сквозные свиши. но .малых раз.меров), то почти вся акустическая энергия, генерируемая подобны.ми источниками сигналов, переносится колебаниями с более высокой частотой (для воды - на практ1и е. ..-З.и кГи). а доля их низкочастотной составляюшей уменьшена. Регистрация дефектов производится всегда более эффективно на частотах, переносяших основную часть выделяющейся звуковой энерпиг а их гармоники хотя и можно использовать, но они будут менее заметнь. Известно, что

при корреляцнн нескольких пар гармонических ковариационных функций одинаковых по амплитуде, но различных по частоте, результирующая амплитуда будет больше у низкочастотных сигналов, чем у высокочастотных. Поскольку, в процессе анализа, для вывода результирующей корреляционной функции на экран монитора используется эффект нормирования составляющих её амплитуд относр1тельно наибольщего значения, то результирующие амплитуды от источников более высокочастотных сигналов будут, уменьшены относительно сигналов низкой частоты, пропорционально переносимой ими энергии. Акустический портрет реального трубопровода характеризуется значительной долей низкочастотных сигналов, от работающих насосов, технологического оборудования, бытовых наружных щумов и т.д. В результирующем корреляционном спектре при использован1И1 приборов 2, будут просматриваться только мощные сигналы от повреждений, типа разрывов тела трубы со значительным истечением носителя. А сигналы от мелких трещин, свищей, отдельных не глубоких коррозионных язв и т.п. после нормировки будут не заметны на общем шумовом фоне. Поскольку, акустический портрет реального трубопровода характеризуется наличием не только белого шума, но и фликкер-шумами (розовый шум), то, для выявления относительно маломощных акустических сигналов генерируемых малы.ми повреждениями, требуются специальные методы, позволяющие производить адаптацию от паразитных шумов. По используемой в практике терминологии, следует отметит, что. для частотного диапазона 0-3.0 кГц. условно считаем низкочастотны.ми - колебания с частотой меньшей 700 Гц. высокочастотными - с частотой более 1.5 кГц.

При построении, в зависимости от длины диагностируемого участка трубопровода, корреляционной кривой от спектральных функций на определённых частотах, влияние эффекта нормировки относительно амплитудных значений функций на других частотах этих участков будет исключено. Таким образом, если источник сигналов на какой-то частоте имеет амплитуду большую, чем фоновая на данной частоте и сравнимую с амплитудами других источников сигналов на этой частоте, то он будет наиболее надёжно проявлен на результирующем трехмерном корреляционном графике в области частот характерной именно для этого источника сигналов, вне зависимости от вида импульсов на других частотных диапазонах. Реально, коррозионные повреждения проявляются в разных спектрах частот с различной эффективностью. На мониторе ко.мпьютера. результирующий корреляционный график в повреждённых местах трубопровода выглядит в виде холма или в виде гребня, протянувшихся по оси (z) частотного диапазона, рис.2. На этом рисунке, в стилизованном виде, изображено возможное проявление двух различных дефектов. Это, разрыв стенки трубопровода в начальной части диагностируемого участка с интенсивным истечением носител.я (в виде протяжённого по частотной оси z гребня) и дефект малой язвенной коррозии, на рис.2 он указан как «язва, (в виде локализованного холма) на другом конце оси (х), соотнесённой с длиной диагностируемого участка трубы Корреляционный график, рис.2, состоит из множества отдельных, независимых корреляционных кривых, построенных для всего множества дискретных частот, что позволяет в процессе нормировки (необходимом при построении графика на мониторе и отражающим соотношение энергий, переносимых колебаниями носителя) исключить взаимное влияние сигналов разных частот. Предложенная в изобретении математическая интерпретация обработки информации поступающей с акустических датчиков, позволяет значительно повысить разрешающую способность выявления источников акустических сигналов при диагностике их корреляционного спектра. Такой подход делает возможным не только регистрацию мест с интенсивной утечкой носителя, но и определение местоположения., с дальнейшим анализом степени повреждения стенки трубы, для значительно более мелких дефектов, типа: участки язвенной коррозии, мелкие трещины или свищи, характеризующиеся малым истечением носителя или вовсе без такового. Открывается возможность для

эффективной диагностики внутреннего состояния стенок труоопровода не имеющего утечек носителя.

Предложенное изобретение позволит обслуживающим организациям более эффективно производить локальный ремонт повреждённых или находящихся в критическом состоянии участков магистрали транспортирующей любые носители, заранее предсказывать время и место появления утечек. Это будет способствовать повыщению безопасности эксплуатации и продлению рабочего ресурса действующих трубопроводов.

Экономическую эффективность такого способа обслуживания можно продемонстрировать на примере состояния теплосетей г. Москвы, принадлежащих МГП «МОСТЕПЛОЭНЕРГО и «МОСЭНЕРГО, суммарная протяжённость которых превосходит 8000 км. По данным МГП «МОСТЕПЛОЭНЕРГО, на старых теплотрассах, дефектные места, опасные с точки зрения образования течи, имеют место в среднем через каждые 673 м. Анализ результатов диагностики теплосетей в г. Москве показал, что в среднем через каждые 1760 п.м имеется «скрытая течь интенсивностью около , которая не имеет внещних признаков проявления и о наличии и местоположении которой эксплуатационные службы не знают, вследствие чего происходит значительная потеря теплоносителя за счет длительного времени её существования. По данным МГП «МОСТЕПЛОЭНЕРГО объем воды обусловленный утечками составляет 50-70% от объема подготовленной сетевой воды, то есть около 12.1млн.м в год. Стоимость подготовки 1 м воды - 20 рублей.

Если учесть общую протяжённость магистралей водоснабжения и трубопроводов газонефтепродуктов по всей стране, то актуальность вопросов диагностики их состояния не вызывает сомнения.

Литература.

1.Г.Л. Авгученко. Электронно-акустический течеискатель. Радио 7-8. 1981. С. 23-24.

2.«Методика применения корреляционного течеискателя Коршун. А.Н. Украины,

институт проблем моделирования в энергетике, г. Киев, 1992 г.

3.Инструкция. Корреляционный течеискатель «Коршун - 7Р. МП ДИСИТ,

А.Н. Украины, г. Киев, 1997 г.

Claims (1)

1. Устройство для диагностики трубопроводов, состоящее из двух акустических датчиков, устанавливаемых на противоположных концах трубопровода, отличающееся тем, что в него устанавливают два анализатора спектра, входы каждого из которых соединены с соответствующими акустическими датчиками, а выходы с компьютером, строящим трехмерную корреляционную функцию амплитудно-частотных спектров сигналов акустических датчиков, в зависимости от длины трубопровода и частоты колебаний.