Способ обнаружения дефектов в трубопроводах, преимущественно коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к методикам обнаружения дефектов в трубопроводах. Способ обнаружения дефектов в трубопроводах заключается в том, что на концах контролируемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, в каждой паре одним датчиком фиксируют продольные колебания, а другим - поперечные колебания, при этом регистрацию колебаний, генерируемых дефектом, осуществляют всеми датчиками одновременно с последующей их фильтрацией для выделения сигналов с частотой 1000-2500 Гц и сравнивают сигналы акустических датчиков в каждой паре между собой для выделения сигналов от дефектов. Сигналы от датчиков продольных колебаний, генерируемых дефектом, преобразуют в цифровые коды, цифровым кодом одного из датчиков манипулируют высокочастотное колебание по фазе, усиливают полученный фазоманипулированный сигнал по мощности, излучают его в эфир, принимают фазоманипулированный сигнал на другом конце контролируемого участка трубопровода, умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое напряжение, стабилизируют его начальную фазу, перемножают с принимаемым фазоманипулированным сигналом, выделяют модулирующий цифровой код, задерживают его по времени, перемножают с другим цифровым кодом, выделяют взаимную корреляционную функцию цифровых кодов, изменяют время задержки до получения максимального значения взаимной корреляционной функции, поддерживают максимальное значение взаимной корреляционной функции автоматическим изменением времени задержки, фиксируют время задержки, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его. Данное изобретение направлено на повышение производительности и увеличение длин надежно диагностируемых секций трубопроводов. 2 ил.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для обнаружения дефектов в трубопроводах, преимущественно коррозионных дефектов в трубопроводах центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов.

К коррозионным дефектам относятся:

- локальное утончение стенки трубы до толщины менее 50% от номинала;

- серия язв, охватывающих площадь с осевым простиранием более 100 мм;

- дефекты сварных швов;

- раскрытие трещин, через которые идет истечение воды различной, в том числе и малой, интенсивности и другие.

Известны способы обнаружения дефектов в трубопроводах (авторские свидетельства СССР № 380909, 411268, 642575, 934269, 1216551, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты РФ № 2135887, 2138037; патенты США № 4289019, 4570477, 5038614; патент Великобритании № 1349129; патент Франции № 2498325; патенты Японии № 59-38537, 60-24900, 63-22531; Трубопроводный транспорт жидкости и газа. М., 1993 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является “Способ обнаружения коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения” (патент РФ № 2138037, G 01 N 29/04, 1998), который и выбран в качестве прототипа.

Данный способ может быть использован для контроля состояния трубопроводов центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов. Упрощение процесса определения местоположения дефекта и его характера, а также независимость процесса определения от свойств материала контролируемой среды достигается тем, что по концам исследуемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, один из которых в каждой паре регистрирует продольные колебания, а другой - поперечные колебания. После обработки сигналов от датчиков определяют местоположение и характер обнаруженного дефекта.

Недостатками известного способа являются низкая производительность, обусловленная необходимостью прокладывать кабель между датчиками, устанавливаемыми на концах контролируемого участка трубопровода, и невозможность его применения в ряде ситуаций, например на переходах через транспортные магистрали кабельная связь не используется.

Технической задачей изобретения является повышение производительности и увеличение длин надежно диагностируемых секций трубопроводов центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу обнаружения дефектов в трубопроводах, по которому на концах контролируемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, в каждой паре одним датчиком фиксируют продольные колебания, а другим - поперечные колебания, при этом регистрацию колебаний, генерируемых дефектом, осуществляют всеми датчиками одновременно с последующей их фильтрацией для выделения сигналов с частотой 1000-2500 Гц и сравнивают сигналы акустических датчиков в каждой паре между собой для выделения сигналов от дефекта, сигналы от датчиков продольных колебаний, генерируемых дефектом, преобразуют в цифровые коды, цифровым кодом одного из датчиков манипулируют высокочастотное колебание по фазе, усиливают полученный фазоманипулируемый сигнал по мощности, излучают его в эфир, принимают фазоманипулированный сигнал на другом конце контролируемого участка трубопровода, умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое напряжение, стабилизируют его начальную фазу, перемножают с принимаемым фазоманипулированным сигналом, выделяют модулирующий цифровой код, задерживают его по времени, перемножают с другим цифровым кодом, выделяют взаимную корреляционную функцию цифровых кодов, изменяют время задержки до получения максимального значения взаимной корреляционной функции, поддерживают максимальное значение взаимной корреляционной функции автоматическим изменением времени задержки, фиксируют время задержки, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг.2.

Устройство содержит трубопровод 1, дефект 2 и пары акустических датчиков 3.1 и 4.1, 3.2 и 4.2. При этом датчиками 3.1 и 3.2 фиксируют продольные колебания, а датчиками 4.1 и 4.2 - поперечные колебания, генерируемые дефектом 2. В качестве дефектов преобладают коррозионные дефекты, к которым относятся:

- локальное утончение стенки трубы до толщины менее 50% от номинала;

- серия язв, охватывающих площадь с осевым простиранием более 100 мм;

- дефекты сварных швов;

- раскрытие трещин, через которые идет истечение воды различной, в том числе и малой, интенсивности и другие.

Ток воды (волна давления) воздействует на место утончения стенки трубы, что вызывает вынужденные колебания последней (мембранный эффект) и генерирование соответствующей продольной волны, которая распространяется по воде с соответствующей скоростью V=1200 м/с. Колебания от утончения стенки трубы, как правило, носят импульсный характер с частотой в диапазоне 1000-2500 Гц. Взаимодействие продольной волны давления от дефекта 2 со стенкой трубы в конкретной точке эквивалентно известному решению задачи о действии сосредоточенной динамической силы на оболочку и в соответствии с решением приводит к преобладанию продольных перемещений стенки трубы над поперечными.

Кроме того, труба находится под воздействием различного рода колебаний, связанных с током воды и ее конструкций. Эти колебания в основном обусловливают возникновение стоячих волн и волн Рэлея (волны поперечных смещений).

Таким образом, в точке постановки датчиков продольные и поперечные смещения будут обусловлены суперпозицией двух основных волн, причем продольные смещения будут иметь по амплитуде больше компонент, связанных с излучением волны дефектом, чем поперечные. Датчики 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 преобразуют акустические колебания в электрические сигналы. К датчикам последовательно подключены усилители электрических сигналов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 и фильтры 7.1, 7.2, 8.1, 8.2, обеспечивающие выделение сигналов в частотном диапазоне 1000-2500 Гц. К фильтрам последовательно подключены блок 9.1 (9.2) сравнения и ключ 10.1 (10.2) и аналого-цифровой преобразователь 11.1 (11.2). К выходу аналого-цифрового преобразователя 11.2 последовательно подключены фазовый манипулятор 13, второй вход которого соединен с выходом генератора 12 высокой частоты, усилитель 14 мощности и передающая антенна 15. К выходу приемной антенны 16 последовательно подключены усилитель 17 высокой частоты, удвоитель 18 фазы, делитель 19 фазы на два, узкополосный фильтр 20, частотный детектор 21, триггер 22, балансный переключатель 23, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 20, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с вторым выходом усилителя 17 высокой частоты, блок 26 регулируемой задержки, перемножитель 27, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 11.1, фильтр 28 нижних частот, индикатор 29 уровня корреляционной функции, экстремальный регулятор 30, блок 26 регулируемой задержки, указатель 31 временной задержки, вычислительный блок 32 и блок 33 регистрации. Блок 26 регулируемой задержки, перемножитель 27, фильтр 28 нижних частот, индикатор 29 уровня корреляционной функции и экстремальный регулятор 30 образуют коррелятор 25.

Способ обнаружения дефектов осуществляется следующим образом.

Способ предназначен для обнаружения и определения местоположения коррозионных дефектов в трубопроводах диаметром более 80 мм, имеющих толщину стенки 5-15 мм, по которым осуществляется перекачка продукта или теплоносителя, в частности воды.

В основе способа лежит явление излучения колебаний акустических частот (эмиссии) при воздействии тока воды (динамического давления) на указанные дефекты.

Виброакустические сигналы, возбуждаемые дефектом 2, распространяются вдоль трубопровода 1 в обоих направлениях и воспринимаются датчиками 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2, с выходов которых электрические сигналы поступают на усилители 5.1, 6.1 и 5.2, 6.2 соответственно. С помощью фильтров 7.1, 8.1 и 7.2, 8.2 осуществляется выделение рабочей полосы частот (1000-2500 Гц).

С целью выделения сигналов от дефекта 2 на фоне колебаний трубы как целого проводится автокорреляция по записям продольных и поперечных колебаний, а затем осуществляется сравнение результатов автокорреляции указанных записей в блоках 9.1 и 9.2 сравнения.

При наличии дефекта на контролируемом участке трубопровода блоки 9.1 и 9.2 сравнения срабатывают и формируют постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 10.1 и 10.2, открывая их. В исходном состоянии ключи 10.1 и 10.2 всегда закрыты. При этом электрические сигналы, соответствующие продольным акустическим колебаниям, генерируемые дефектом 2, через открытые ключи 10.1 и 10.2 поступают на аналого-цифровые преобразователи 11.1 и 11.2 и преобразуются в цифровые коды. С выхода первого аналого-цифрового преобразователя 11.1 цифровой код поступает на первый вход коррелятора 25 непосредственно. Из-за большого пространственного удаления второго аналого-цифрового преобразователя 11.2 от коррелятора 25 для передачи цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 11.2 на второй вход коррелятора 25 используется радиоканал.

С этой целью генератором 12 формируется высокочастотное колебание (фиг.2, а)

U_c(t)=U_c·cos(ω_ct+ϕ_c),

0≤t≤T_c,

где U_c, ω_c, ϕ_c, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 13, на второй вход которого подается модулирующий код М(t) (фиг. 2, б) с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 11.2. На выходе фазового манипулятора 13 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг. 2, в).

U₁(t)=U_c·cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_с],

0≤t≤T_c,

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_k(t)=const при Kτ_э<t<(К+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=Kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=0, 1, 2,...N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с, (Т_с=N·τ_э).

Этот сигнал после усиления в усилителе 14 мощности излучается передающей антенной 15 в эфир, принимается приемной антенной 16 и после усиления в усилителе 17 высокой частоты поступает на первый вход фазового детектора 24, который представляет собой последовательно включенные перемножитель и фильтр нижних частот. Одновременно ФМн-сигнал поступает на вход удвоителя 18 фазы, который может быть выполнен в виде перемножителя, на два входа которого подается один и тот же ФМн-сигнал. На входе удвоителя 18 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.2, г)

U₂(t)=U₂·cos(2ω_ct+2ϕ_с),

0≤t≤T_c,

где U₂=0,5К₁·U²_c;

K₁ - коэффициент передачи перемножителя, в котором манипуляция фазы уже отсутствует. Это напряжение поступает на вход делителя 19 фазы на два, на выходе которого образуется следующее гармоническое напряжение (фиг.2, д)

U₃(t)=U₂·cos(ω_ct+ϕ_c),

0≤t≤T_c.

Начальная фаза полученного гармонического напряжения может иметь два устойчивых значения: ϕ_c и ϕ_c+π. Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π

U₃’(t)=U₂·cos[(2ω_ct+2ϕ_c+2π)/2]=U₂·cos(ω_ct+ϕ_c+π).

Следовательно, двузначность начальной фазы полученного гармонического напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность начальной фазы объясняется неустойчивой работой делителя 19 фазы на два. Это явление получило название “обратной работы” и присуще всем известным устройствам (Пистолькориа А.А., Сифорова В.И., Костала Д.Ф., Травина Г.А.), которые выделяют опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала.

Явление “обратной работы” обусловлено скачкообразными переходами начальной фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_с в другое ϕ_с+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени (например, t₁, t₂) (фиг.2, д). При этом на выходе фазового детектора 24 выделяется искаженный аналог модулирующего кода M₁(t) (фиг.2, е), что снижает достоверность определения местоположения дефекта 2.

Для стабилизации фазы опорного напряжения и устранения явления “обратной работы” используются настольный детектор 21, триггер 22 и балансный переключатель 23.

При скачкообразном изменении начальной фазы опорного напряжения на +180° в момент времени t₁ (фиг.2, д) на выходе частотного детектора 21 образуется положительный короткий импульс, а при скачке начальной фазы на -180° в момент времени t₂ (возвращение начальной фазы в первоначальное состояние) - отрицательный импульс (фиг.2, ж). Знакочередующие короткие импульсы с выхода частотного детектора 21 (фиг.2, ж) управляют работой триггера 22, выходное напряжение которого (фиг.2, з), в свою очередь, управляет работой балансного переключателя 23.

В устойчивом состоянии, когда начальная фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала, на выходе триггера 22 образуется отрицательное напряжение и балансный переключатель 23 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение поступает с выхода узкополосного фильтра 20 на опорный вход фазового детектора 24 без изменения.

При скачкообразном изменении начальной фазы опорного напряжения на +180°, обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 19 фазы на два под действием помех, триггер 22 положительным импульсом (фиг.2, з) с выхода частотного детектора 21 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 22 в момент времени t₁ становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t₂, который возвращает начальную фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 22 переводит балансный переключатель 23 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 20 поступает на опорный выход фазового детектора 24 с изменением начальной фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность начальной фазы опорного напряжения и связанную с ней “обратную работу”.

Следовательно, частотный детектор 21 обеспечивает обнаружение момента возникновения “обратной работы 2, а триггер 22 и балансный переключатель 23 устраняют ее.

При этом на опорный вход фазового детектора 24 поступает опорное напряжение со стабильной начальной фазой (фиг.2, и).

U₄(t)=U₂·cos(ω_ct+ϕ_с),

0≤t≤T_c.

На выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг.2, к)

U_н(t)=U_н·cosϕ_k(t),

0≤t≤T_c,

где U_н=0,5К₂·U_c·U₂;

К₂ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональный модулирующему коду M(t).

Данное напряжение поступает на второй вход коррелятора 25, состоящего из блока 26 регулируемой задержки, перемножителя 27, фильтра 28 нижних частот, индикатора 29 уровня корреляционной функции и экстремального регулятора 30. Получаемая на выходе коррелятора 25 взаимно корреляционная функция R(τ), измеряемая индикатором 29, имеет максимальное значение при равенстве введенной регулируемой задержки τ транспортному запаздыванию сигнала одного датчика по отношению к сигналу другого датчика. Экстремальный регулятор 30 поддерживает значение R(τ) на максимальном уровне, воздействуя на блок 26 регулируемой задержки. Шкала 31 блока 26 регулируемой задержки градуируется непосредственно в значениях разности времени прихода продольных волн на концы контролируемого участка трубопровода 1.

Определив разность времени прихода продольных волн (t₁, t₂), генерируемых дефектом 2, на концы контролируемого участка протяженностью R (фиг.1), в вычислительном блоке 32 определяется местоположение дефекта 2

L=0,5[R(1-V_ср/с)-(с²-V²_ср)/с·(t₂-t₁)],

где с - скорость акустических волн;

V_cp - средняя скорость движения транспортируемого продукта (вода, нефть, газ и т.п.), которое фиксируется блоком 33 регистрации.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение производительности и увеличение длин надежно диагностируемых секций трубопроводов центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов. Это достигается применением радиоканала и корреляционной обработкой используемых ФМн-сигналов. Данные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность обнаружения и разделения. Сигналов, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Сложные ФМн-сигналы обладают также высокой энергетической и структурной скрытностью.

Для выделения модулирующего кода M(t) из принимаемого ФМн-сигнала используется его синхронное детектирование. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, выделяется непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала. А возникающее при этом явление “обратной работы” устраняется стабилизацией начальной фазы опорного напряжения, которое осуществляется с помощью частотного детектора, триггера и балансного переключателя.

Формула изобретения

Способ обнаружения дефектов в трубопроводах, преимущественно коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения, по которому на концах контролируемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, в каждой паре одним датчиком фиксируют продольные колебания, а другим - поперечные колебания, при этом регистрацию колебаний, генерируемых дефектом, осуществляют всеми датчиками одновременно с последующей их фильтрацией для выделения сигналов с частотой 1000-2500 Гц и сравнивают сигналы акустических датчиков в каждой паре между собой для выделения сигналов от дефектов, отличающийся тем, что сигналы от датчиков продольных колебаний, генерируемых дефектом, преобразуют в цифровые коды, цифровым кодом одного из датчиков манипулируют высокочастотное колебание по фазе, усиливают полученный фазоманипулированный сигнал по мощности, излучают его в эфир, принимают фазоманипулированный сигнал на другом конце контролируемого участка трубопровода, умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое напряжение, стабилизируют его начальную фазу, перемножают с принимаемым фазоманипулированным сигналом, выделяют модулирующий цифровой код, задерживают его по времени, перемножают с другим цифровым кодом, выделяют взаимную корреляционную функцию цифровых кодов, изменяют время задержки до получения максимального значения взаимной корреляционной функции, поддерживают максимальное значение взаимной корреляционной функции автоматическим изменением времени задержки, фиксируют время задержки, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2