Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффективность применения корреляционных течеискателей для определения мест утечек из трубопроводов теплоснабжения

к.т.н. Е.В. Самойлов, ведущий специалист НПК «Вектор»,

к.ф-м.н. Ю.И. Тужилкин, начальник лаборатории,

Акустический институт им. ак. Н.Н. Андреева.

Аннотация

На практике (более 250 выездов на аварийные участки трубопроводов), эффективность использования корреляционных приборов составляет 75%. В остальных случаях течь либо не была определена, либо ошибка в определении ее местоположения составляла более 7м. В данной статье приводятся анализ отдельных причин «неэффекттивности» применения корреляционных течеискателей, рекомендации операторам по повышению надежности и достоверности при определении течей. Также дано описание работы нового корреляционного течеискателя.

Физическая модель корреляционного течеискателя

В НПК «Вектор» для обнаружения течей использовались течеискатели «Коршун-5», «Коршун-7», «А-КОРР» и устройства записи «Филин». Методика проведения работ включала кроме инструктивных мероприятий по экспресс обнаружению течей, также запись акустических сигналов на магнитный носитель и последующий анализ с использованием пакета прикладных программ обработки сигналов.

Сущность акустического метода заключается в том, что истечение воды через сквозной дефект сопровождается излучением сигналов, акустических частот, которые распространяются по воде и регистрируются датчиками, устанавливаемыми по концам диагностируемого участка (Рис.1). На основании спектрального анализа осуществляется оценка характеристических частот указанного излучателя и отделение полезных сигналов от общего фона шумов.

Определение местоположения источника излучения осуществляется с использованием функции взаимной корреляции:

где ѓ1(t) и ѓ2(t) - отфильтрованные функции акустических сигналов, зарегистрированных первым и вторым датчиками. Процедура определения местоположения течи заключается в первоначальном определении момента времени (запаздывания) ф_Аmax , которому соответствует наибольшее значение функции взаимной корреляции Amax(ф), с последующим умножением ф_Аmax на скорость распространения акустической волны по среде V. При этом диапазон изменения ф от (-L/2V) до (+L/2V), т.е. отсчет длины изначально осуществляется от середины участка, а затем пересчитывается относительно расположения одного из датчиков.

Таким образом, использование операции пересчета времени запаздывания в расстояние от точки постановки датчика до течи, обуславливает первое требование для обеспечения точности местоположения течи: определение истинного расстояния между точками постановки датчиков, то есть проведение трассировки.

Физическая модель процесса излучения сигналов при истечении воды из трубы через сквозной дефект подробно рассмотрена в работе Н.С. Кузнецова [2]. Автор указывает, что рассматриваемый процесс сопровождается излучением трех видов волн, а точнее мод колебаний нулевого, первого и второго порядков, мощность которых зависит от параметров течи следующим образом:

WT ~U⁸ d² (2)

WF ~U⁶ d² (3)

Wq ~U⁴ d² (4)

где U- скорость истечения воды через сквозное отверстие диаметром d.

Каждая из указанных мод, имеет свой характеристический спектр частот, скорость распространения колебаний по среде, закон распространения.

Исследования акустических сигналов от течей, проводимые в Акустическом институте им. академика Н.Н. Андреева, подтвердили сложный характер их распространения на оба датчика корреляционного течеискателя. В простых случаях сигналы распространяются по нулевой моде (волна WT) вдоль трубопровода, заполненного водой. Скорость распространения, в основном, описывается формулой Н.Е. Жуковского, параметром которой является отношение толщины стенки трубы к ее диаметру. Но, в процессе эксплуатации стенки могут изменять свою толщину, что приводит к ошибкам в расчетах. Аналогичные ошибки возникают при использовании на одном участке труб с различной толщиной стенки.

Кроме того, формула Н.Е. Жуковского не учитывает влияния теплоизоляционных покрытий: результаты обнаружения течей для трубопроводов с изоляцией из минваты более точны, нежели для армопенобетона.

Указанная формула Н.Е. Жуковского справедлива для относительно низких акустических частот (до 1000 гц). Колебания с высокими частотами могут распространятся по модам ненулевых номеров (WF и Wq) с другими значениями скоростей. Поэтому при более строгом подходе функции ѓ1(t) и ѓ2(t) в формуле (1) следует рассматривать как суммы сигналов различных мод, пришедших на первый и второй датчики по нескольким путям со своими временами распространения. В большинстве случаев участки трубопровода от течи до каждого из датчиков по условиям распространения акустических колебаний неидентичны, что приводит к отличаю спектров функций ѓ1(t) и ѓ2(t). Функция их корреляции будет содержать несколько максимумов, причем местоположение по оси расстояний наибольшего из них не обязательно будет соответствовать истинному местоположению течи, в силу рассмотренной выше зависимости от соотношения принятой в расчете и фактической скорости распространения акустических сигналов.

Невозможность обнаружения течи

Течь не удается обнаружить или она определяется с большим трудом и малой степенью достоверности в следующих случаях:

разрыв, течь весьма значительной интенсивности;

трубопровод типа «труба в трубе»;

истечение воды малой интенсивности через отверстие малого диаметра.

Из выражений (2-4) видно, что мощность акустического излучения зависит от скорости истечения воды через дефект, которая в свою очередь зависит от разности давлений в трубе и свободном пространстве, куда происходит истечение (потеря напора ДP=P1-P2). При больших разрывах разность в давлениях незначительна и мощность источника излучения становится значительно ниже мощности шумовых сигналов сопровождающих ток воды по трубе: выделение полезного сигнала крайне затруднено.

При крупных авариях трубопроводов, обусловленных разрывами труб, положительные результаты по определению местоположения течи можно получить, осуществляя работу в момент включения и выключения подпитывающих насосов или закрытия и открытия задвижек.

Аналогично, малое значение потери напора ДP обуславливает значительные затруднения при определении течей в трубопроводах типа «труба в трубе», когда струя из дефекта бьет не в свободное пространство, а в заполненный межтрубный промежуток. К этому типу относятся и трубопроводы с ППУ-изоляцией.

На сегодняшний день рекомендаций по использованию корреляционных течеискателей для труб с ППУ-изоляцией не имеется.

Из выражений (2-4) также видно, что мощность акустического излучения зависит и от диаметра дефекта. Сравнительные испытания различных типов корреляционных течеискателей, проведенные в 2000 году во Всероссийском теплотехническом институте, показали невозможность выделения сигналов от дефектов менее 4-5 мм в диаметре. Такие течи, а точнее коррозионные дефекты, удается обнаружить только при использовании метода акустической диагностики, разработанного НПК «Вектор».

Неточности в определения местоположения течи

Операторы, использующие корреляционные течеискатели наверняка обратили внимание, что на коррелограмме появляется не один, а несколько пиков, в раде случаев с близкими по уровню амплитудами (см. рис.2). Согласно инструкции, за течь принимается пик наибольшей амплитуды.

Возникновение «побочных» пиков на коррелограмме обусловлено следующими факторами:

регистрацией кроме основной, ненулевых мод колебаний;

резонансным излучением сигналов элементами конструкции трубопровода и коррозионными дефектами.

Пример случая регистрации кроме основной (нулевой) так же и первой моды колебаний дан на рис.2.

На коррелограмме пик от первой моды, из-за большей скорости распространения сигнала, расположен на большем удалении от середины участка: колебания нулевой моды - отметка -22м; колебания первой моды - отметка -27м. Амплитуды пиков на коррелограмме от различных типов волн зависят не только от степени затухания сигнала, обусловленной расстояниями до датчиков и наличием углов поворота, но и соотношением между суммарными спектральными плотностями сигналов, взятых после фильтрации для обработки. Так на рис.2 в используемом диапазоне частот 800-1200 гц, суммарная спектральная плотность сигнала от суммы элементов волн нулевой и первой моды оказалась большей, чем от первого, что дало большее значение пика на коррелограмме (отметка -25 м). Согласно инструкции за местоположение течи следовало принять отметку по наибольшему пику -25м, что приводит к ошибке 3м.

Оператору, осуществляющему работы по обнаружению течи, рекомендуется провести повторную обработку сигналов с введением скорости на 15% большей, чем задаваемой по инструкции. В этом случае будет наблюдаться перемещение пика от колебаний первой моды на место аналогичных для нулевой моды.

К случаю «неучета» фактической скорости распространения волны относится и ситуация, когда трасса трубопровода затоплена водой, особенно при канальной прокладке. Сигнал от течи распространяется не только по воде в трубе, но и по затопленному пространству со скоростью близкой к 1500 м/с - т.е. на коррелограмме появляется пик, более удаленный от середины участка, по сравнению с основным. Как и в предыдущем случае, это можно учесть, изменив скорость волны в расчетах.

Обследование состояния труб на участках, когда местоположение течи было указано неверно показали, что за течь в раде случаев принимались места интенсивных коррозионных повреждений металла труб с остаточной толщиной стенки 1-2 мм. Анализ акустических сигналов дает основания говорить, что излучение акустических сигналов этими дефектами обусловлено вторичным резонансом, параметры которого совпадают со значениями, приведенными в работе Е. Скучика [3], при рассмотрении излучений мембранами. На рис.2 на отметке -37м на коррелограмме наблюдается пик значительной амплитуды. При шурфовке на данной отметке, на трубе было обнаружено локальное коррозионное повреждение от капели с перекрытия, что вызвало утонение стенки до 2,8мм (толщина в ненарушенных местах ~ 7,2мм); линейный размер дефекта ~40см.

Для отсечения таких сигналов необходимо осуществить спектральный анализ, что требует повышения квалификации оператора.

В заключение следует отметить, что достоверность определения местоположения течи значительно повышается при параллельном использования дополнительного метода поиска течи. Для этой цели можно рекомендовать простой и нашедший широкое применение прибор - аквафон (шумофон). Определенное с помощью корреляционного течеискателя местоположение течи уточняется путем прослушивания с поверхности земли вдоль трассы трубопровода. Положение течи подтверждается при фиксации характерного звука истечения воды из трубы.

течь трубопровод теплоснабжение корреляционный

Новый корреляционный течеискатель

Занимаясь вопросами диагностики трубопроводов тепловых сетей, НПК «Вектор» разработал и запустил в серийное производство Регистратор акустических сигналов «Вектор 2001». Данное устройство является приборным оснащением акустического метода применяемого для целей диагностики коррозионного состояния труб и обнаружения течи.

Входящее в комплект программное обеспечение по обнаружению течей разработано не только с учетом вышеизложенных особенностей генерации сигналов течью, но элементами обнаружения значительных коррозионных повреждений труб по мембранному эффекту. Это повышает достоверность и точность определения местоположения течи.

Работа по обнаружению течи на участке трубопровода, находящемся в режиме эксплуатации, заключается в постановке на трубу датчиков и записи акустических сигналов на магнитофон, входящий в комплект прибора. Обработка записи и определение местоположения течи производится с помощью указанной программы на компьютере: стационарном, установленном в офисе, или, для оперативного представления результатов, на переносном портативном (ноутбук).

При запуске программы, оператор вводит значения длины участка и диаметр трубы (см. рис. 3).Алгоритм программы содержит операции частичного выделения ранее описанных мод колебаний, для которых соответствующие значения скоростей рассчитываются автоматически.

Пример результатов обработки акустических сигналов дан на рис.4.

На верхнем графике даны коррелограммы обработки выделенных в автоматическом режиме мод колебаний. Наличие пиков амплитуд, превосходящих значение 1000, указывает на местоположение течи.

Наличие течи вызывает резонансный эффект близ расположенных мест интенсивного утонения стенки трубы. Использование авторского способа НПК «Вектор» позволяет выделить указанные места интенсивных коррозионных повреждений, что проиллюстрировано на втором графике рис.4. Это дает возможность оператору не только конкретизировать местоположение течи (отметка 100 м), но и дать рекомендации по интервалу шурфовки (94 - 108 м), для проведения как аварийного, так и профилактического ремонтов.

Простота пользования программой (процедурой обнаружения течи) заключается в том, что при наличии сомнений в полученных в автоматическом режиме результатах, оператору предоставляется только одна возможность управления операцией выделения сигналов. На рис. 5 представлено окно управления уровнями выделения полезного сигнала.

Оператор мышью опускает зеленую линию до изменения ее цвета на красный и дает команду на повторную обработку.

В этом случае программа захватит в обработку часть ранее отсеченных сигналов, идентифицированных как паразитный шум, и вновь представит результаты обнаружения течи по признаку истечения воды через сквозной дефект.

В заключение, ниже представлены результаты, использования прибора «Вектор 2001» в г. Оренбурге. Полученная диаграмма дана рис.6.

При проведении ремонтных работ шурфовка первоначально была осуществлена на отметке, соответствующей наибольшему пику (69 м). Течь обнаружена и устранена. Но при заполнении трубопровода водой наблюдались признаки наличия еще одной течи. Была осуществлена шурфовка на отметке 64 м (второй пик). Обнаружена вторая течь, но после ремонта признаки наличия течи остались. Проведена шурфовка на отметке третьего пика (77 м) и тут наличие течи подтвердилось.

Таким образом, на одном участке одновременно существовало три места истечения теплоносителя, которые были выявлены при использовании указанного корреляционного течеискателя. Получить такой результат, используя другие корреляционные течеискатели, представляется маловероятным.

Литература

А.С. Тимошкин. Приборы для определения состояния и мест повреждений трубопроводов тепловых сетей. «Новости теплоснабжения», 2001, №2.

Н.С. Кузнецов, П.С. Панасюк. Использование теории гидродинамического шума для поиска утечек жидкости в подземных трубопроводах. «Контроль. Диагностика». 2000, №6.

Е. Скучик. Основы акустики.

Размещено на Allbest.ru