Особенности распространения сигналов акустической эмиссии утечек в трубопроводах с жидкостью и аппаратура контроля герметичности

Актуальность работы. К настоящему времени трубопроводы являются основным видом транспорта газа, нефти и нефтепродуктов, так весь природный газ и 99,8% нефти добываемых в России транспортируют по трубопроводам. Общая протяженность магистральных трубопроводов достигла 215 тыс. км, промысловыхболее 300 тыс. км. При этом более 55% магистральных трубопроводов находятся в эксплуатации более 20 лет. Для снижения числа аварий магистральные нефтепроводы подвергаются почти стопроцентному контролю с помощью средств внутритрубной диагностики. Однако, не смотря на это, к настоящему времени не удается полностью исключить аварии и отказы в виде утечек и порывов, которые представляют прямую угрозу населению страны и окружающей среде. Еще большее количество аварий случается на объектах коммунальных служб. Так теплои водо-снабжающие трубопроводные сети в большей мере подвержены коррозии, и процессам трещинообразования, поскольку они не содержат средств электрохимической защиты и в процессе сооружения и эксплуатации не подвергаются дефектоскопическому контролю. В результате в настоящее время во многих населенных пунктах России ресурс трубопроводных сетей коммунальных служб выработан на 70−80 процентов.

В настоящее время разработано большое многообразие методов и средств контроля герметичности трубопроводов. При этом для контроля герметичности трубопроводов наибольшее распространение получил метод акустической эмиссии (АЭ). Метод позволяет дистанционно обнаруживать малые утечки, определять их местоположение и судить о характере повреждения. Разработанные на основе метода АЭ течеискатели, по способу обработки сигнала можно разделить на две группы: корреляционные и амплитудные. Высокая помехозащищенность амплитудных алгоритмов обработки сигналов АЭ предопределила разработку на их основе систем непрерывного контроля герметичности, для которых наиболее важным является быстрое и достоверное определение наличия течи, при минимальном значении вероятности ложного срабатывания. Однако платой за это является не большая зона контроля (100 — 200м), что существенно осложняет проведение контроля протяженных участков, и ограничивает применение разработанной аппаратуры. В задачах же где главным является определение координат утечки (поиск утечек в условиях города), наибольшее распространение получили корреляционные алгоритмы обработки сигналов, позволяющие локализовать утечку с точностью до 1 м. Однако при этом они характеризуются плохой помехозащищенностью (спектр полезного сигнала и спектр шума перекрываются) и низкой чувствительностью, что не приемлемо для контроля нефтепроводов, поскольку даже не значительная утечка может привести к серьезным экологическим последствиям. Кроме этого не разработано аппаратуры, позволяющей с высокой точностью локализовать утечку при одностороннем доступе к объекту контроля. При этом такая аппаратура может быть полезна для поиска утечек под зданиями и сооружениями и для контроля урезов подводных трубопроводов.

Вышеизложенные ограничения области применения и недостатки существующих приборов, делают актуальной задачу разработки новых акустико-эмиссионных течеискателей и совершенствования уже существующих приборов. Вместе с тем, для этого имеются трудности, обусловленные недостаточным исследованием закономерностей распространения сигналов АЭ по трубопроводам с движущейся жидкостью, проложенных в грунте. Так, теоретически не объяснена зависимость коэффициента поглощения сигнала АЭ от расстояния, не достаточно исследовано влияние грунта на характер распространения сигнала, не изучена пространственная структура поля АЭ в трубопроводе и возможность фильтрации отдельных мод волновода, не исследованы нелинейные эффекты, распространения сигналов АЭ, не установлено влияние на погрешность локализации корреляционных приборов мно-гомодового характера распространения сигнала АЭ и дисперсии фазовой скорости.

Целью работы является исследование распространения сигналов АЭ утечки в многомодовых, слоистонеоднордных волноводах, анализ нелинейных эффектов, возникающих при распространении сигнала АЭ и разработка на основе этих исследований новой и совершенствование существующей аппаратуры обнаружения утечек в трубопроводах.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. изучение модовой структуры акустического поля в цилиндрическом, жидкостном волноводе с двухслойной стенкой;

2. теоретическое рассмотрение механизма ослабления сигнала АЭ и сопоставление полученных результатов, с имеющимися экспериментальными данными, с целью уточнения зависимости коэффициента поглощения от расстояния;

3. поиск информационных критериев для реализации алгоритмов обнаружения и локализации утечки, на трубопроводах с односторонним доступом с использованием статистических методов обработки сигналов;

4. поиск путей увеличения протяженности зоны контроля, охватываемой парой датчиков в системах непрерывного контроля герметичности;

5. повышение помехоустойчивости и чувствительности приборов использующих корреляционную обработку сигналов.

Методы выполнения исследований. Теоретическая часть работы выполнена на основе численного решения уравнений динамической теории упругости, уравнений безмоментной теории оболочек и уравнений нелинейной акустики. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием элементов теории вероятности и статистики, корреляционного и спектрального анализа.

Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и эксплуатацией разработанного устройства в производственных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сигнал АЭ утечки, регистрируемый с внешней стороны трубопровода, является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии во внешнюю среду.

2. При прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала.

3. Способ дальнего обнаружения утечки в трубопроводе, который основан на регистрации нелинейных искажений в зондирующем сигнале обусловленных его нелинейным взаимодействием с АЭ утечки. Предложенный способ позволяет обнаруживать утечки с расходом 50л/час на расстоянии 1 км.

4. Алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа автои взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей. Ошибка локализации предложенного алгоритма не превышает 2 — 2,5 м.

5. Методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаимной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что регистрируемый с внешней стороны трубопровода сигнал АЭ утечки является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии.

2. Получено и экспериментально подтверждено, что при прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала, что может быть положено в основу метода дальнего обнаружения утечек.

3. Разработан алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа автои взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей.

4. Предложена методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаймной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.

Практическая значимость и внедрение результатов исследований.

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования волно-водного характера распространения сигналов АЭ утечек в трубах с жидкостью позволили разработать корреляционный течеискатель ТАК-2005. В разработанном приборе реализована функция обнаружения утечки при одностороннем доступе к дефектному участку трубопровода и методика фильтрации сигналов основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра. Разработанный прибор испытывался в натурных условиях при поиске утечек в трубопроводах тепловых сетей АО «Томскэнерго» и других предприятий г. Томска.

2. Разработан способ и макет устройства дальнего обнаружения утечки. Результаты работы нашли в отражение научно исследовательской работе «Дальнее обнаружение утечек в трубопроводах» Заказчик фирма Шлюмберже научно-исследовательский центр в Кембридже.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

1. Межрегиональная научно-техническая конференция «Методы и средства контроля герметичности технологического оборудования, коммуникаций и промышленной продукции», г. Дзержинск, 14 мая, 1997 г.

2. II областная научнопрактическая конференция «Качество во имя лучшей жизни», г. Томск, 1997 г.

3. 15 Российская научно-техническая конференция -" Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 28 июня-2 июля 1999 г.

4. Научная сессия МИФИ — 2001, Москва 22−26 января 2001 г.

5. VIII региональная научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации», Иркутск, 16−19 октября 2001 г.

6. 3-я Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва 17−19 марта 2004 г.

7. межрегиональная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития минерально сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири», Томск, 2005 г.

8. Ill международная научно-технической конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень 2005.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований шести приложений. Работа содержит 171 страниц основного текста, 6 таблиц, 46 рисунков, 90 формул.

Основные результаты проделанной работы могут быть сформулированы в следующем виде:

1. Проведен анализ причин отказов линейной части трубопроводов. Показано, что наибольшее число аварий на магистральных трубопроводах России является результатом коррозии.

2. На основании анализа методов и средств контроля герметичности действующих трубопроводов показано, что наиболее перспективным методом контроля протяженных участков, позволяющим охватить весь диапазон возможных утечек и отвечающим требованиям экономичности, высокой надежности, простоты обслуживания является метод акустической эмиссии.

3. Экспериментально исследованы статистические и спектральные характеристики сигналов АЭ утечки жидкости в жидкость. Установлено, что сигнал АЭ является эргодическим, стационарным, широкополосным, случайным процессом с нормальной плотностью распределения вероятности. Спектральная плотность сигналов АЭ зависит от способа их регистрации. При бесконтактной регистрации с внешней стороны трубопровода через слой жидкости основная мощность сигнала сосредоточена в полосе 20 — 40кГц. При контактной регистрации со стенки трубы в спектре преобладают низкочастотные составляющие до 5кГц. Обусловлено это более эффективным возбуждением низкочастотных составляющих в трубе.

4. На основании аналитических расчетов и сопоставления полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными получено: регистрируемый с внешней стороны трубопровода сигнал АЭ утечки является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии во внешнюю средунормальные моды локализованы внутри трубы и с внешней стороны не регистрируютсянаблюдаемая на практике зависимость коэффициента затухания вдоль трассы трубопровода обусловлена интерференцией отдельных составляющих пространственного спектракоэффициент затухания, вызванный излучением растет с ростом диаметра трубопровода и с увеличением насыщенности грунта водой.

5. Теоретически получено и экспериментально подтверждено, что при прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала, что может быть положено в основу метода дальнего обнаружения утечек.

6. Разработан алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа автои взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей. Экспериментально получено, что ошибка локализации предложенного алгоритма не превышает 2 — 2,5 м.

7. Установлено, что многомодовый характер распространения сигналов АЭ по трубопроводу приводит к снижению точности локализации утечки методом взаимной корреляции. Для повышения точности следует проводить полосовую фильтрацию в полосе, где функция когерентности не имеет значительных провалов, а фаза взаимного спектра имеет вид пилообразной функции, отдельные звенья которой хорошо аппроксимируются линейной зависимостью.

8. На основании вероятностного анализа обнаружения утечки и реальных экспериментальных данных по поглощению сигналов АЭ на действующих трубопроводах получено, что использование взаимнокорреляционного метода по сравнению с амплитудным методом позволит существенно увеличить зону контроля до двух раз, при неизменных условиях контроля и одинаковых вероятностях обнаружения.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан акустико-эмиссионный корреляционный течеискатель ТАК-2005, в котором реализована функция обнаружения утечки при одностороннем доступе и алгоритм автоматической настройки параметров фильтра, основанный на анализе фазы взаимного спектра. Чувствительность прибора 8 — 50л/час в зоне контроля -200м. Частотный диапазон 100Гц — 20кГц, что обеспечивает высокую помехозащищенность прибора при поиске утечек в сильно зашумленных условиях. Прибор прошел испытания на трубопроводах АО «Томскэнерго», и ряде других предприятиях г. Томска.

10. Предложен новый способ дальнего обнаружения утечек в трубопроводах и разработана структурная схема устройства, его реализующая. Способ основан на регистрации нелинейных искажений в зондирующем сигнале обусловленных его нелинейным взаимодействием с АЭ утечки. Предложенный метод позволяет обнаруживать утечки с расходом 50л/час на расстоянии 1 км.

В заключении автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Чахлову Владимиру Лукьяновичу, заведующему лабораторией № 62 Лапшину Борису Михайловичу за постоянное внимание к работе, неоценимую помощь, ценные советы и критические замечания. Результаты совместных работ с Лапшиным Б. М. нашли отражение в диссертации.

Благодарю также всех сотрудников лаборатории № 62, проявлявших неизменный интерес к данной работе и оказавших помощь в реализации технических решений автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.