Способ определения места течи в трубопроводе и устройство для его реализации

Изобретение относится к устройствам определения места утечки жидкости или газов в трубопроводах и предназначено для определения координат течи в труднодоступных местах газо- и нефтепроводов. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности определения места течи из одной точки на трассе трубопровода и упрощение устройства. Этот технический результат обеспечивается за счет того, что изобретение включает прием шума вытекающей струи с помощью двух акустических датчиков, преобразование этого шума в электрические напряжения, дискретизацию, фильтрацию и анализ. Акустические датчики расположены в одном месте трубопровода, причем один из них обеспечивает прием акустических волн - сигналов, распространяющихся по оболочке трубопровода, а второй обеспечивает прием акустических волн, распространяющихся в среде, окружающей трубопровод. Принятые сигналы подвергают взаимоспектральной обработке, а по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра находят задержку между сигналами, распространяющимися в двух средах и имеющих из-за этого разные скорости акустических колебаний. Предварительно создают искусственный сигнал на некотором известном расстоянии вдоль трубопровода R₀ от места расположения датчиков, возбуждаемый одновременно в трубопроводе и в окружающей среде, определяют время задержки t₃, и между искусственными сигналами и по известному расстоянию R₀, задержка t₃, и скорости распространения акустических волн в окружающей среде находят групповую скорость распространения акустических волн по оболочке трубопровода, после чего при появлении повреждения в трубопроводе ведут прием акустических сигналов от шума струи, определяют с помощью взаимоспектрального анализа временную задержку сигналов от шума струи, распространяющихся по оболочке трубопровода и в окружающей среде и определяют расстояние до места повреждения по полученным данным о времени задержки и данным о скоростях распространения акустических волн по оболочке трубопровода и в окружающей среде. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам определения места утечки жидкости или газа в трубопроводах и предназначено для определения координат течи в труднодоступных местах газопроводов и нефтепроводов.

Известен способ обнаружения отверстия в трубе из патента Японии №4-184133, согласно которому шум струи, истекающей из отверстия (шум течи), принимают акустическими датчиками, расположенными на обоих концах трубы, сигналы с которых визуализируют на дисплее и сравнивают. Если сигналы равны, то отверстие находится в средней части между датчиками. Если сигнал от одного из датчиков значительно больше другого, то отверстие расположено ближе к этому датчику.

Устройство, реализующее этот способ, содержит два тракта, каждый из последовательно соединенного акустического датчика, усилителя, дисплея.

Недостатками способа и устройства-аналогов является недостаточная точность определения места течи, а также невозможность установки второго датчика в недоступных местах.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему предложению является патент США № 5.058.419 на способ и аппаратуру для определения местоположения источника звука. Согласно этому способу для определения координат течи в трубопроводе обнаруживают звук этой трубной течи в двух удаленных друг от друга на 300 метров точках и по времени задержки рассчитывают местоположение источника звука. Необходимую для этого скорость распространения рассчитывают на основе параметров жидкости в трубе, материалов и формы трубы по стандартам Американской водопроводной ассоциации AWWA С 401-77 и ANSG/AWWA С 403-78.

Устройство, реализующее способ-прототип, содержит два приемных тракта, каждый из последовательно соединенных акустического датчика, усилителя, фильтра, аналого-цифрового преобразователя, также содержит персональный компьютер, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей первого и второго трактов.

Недостатками способа и устройства-прототипа являются, во-первых, необходимость выполнять прием сигналов в двух удаленных точках, что связано с необходимостью создания специальных электрических коммуникаций, во-вторых, расчет скорости звука по трубе не может быть точен из-за различного закрепления трубы по трассе, в-третьих, не обеспечивается возможность определения места течи в недоступных для наблюдения местах.

Задачей изобретения является обеспечение определения места течи из одной точки на трассе трубопровода.

Техническим результатом изобретения является упрощение способа и устройства для определения места течи за счет отсутствия необходимости выполнять измерения в двух точках, разнесенных на значительное расстояние и связанных между собой либо кабелем, либо другим средством передачи информации. Кроме того, вторая точка измерений не всегда бывает доступной, то есть появляется возможность определять координаты течи в недоступных для наблюдения местах.

Указанный технический результат достигается, тем, что в способ определения места течи в трубопроводе, содержащий прием шумовых сигналов течи первым и вторым акустическими датчиками, преобразование этих шумовых сигналов течи в электрические сигналы, фильтрацию и дискретизацию электрических сигналов и определение места течи по времени задержки шумовых сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, введены новые признаки, а именно: первый и второй акустические датчики установлены на трубопроводе рядом, так что первый акустический датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающий трубопровод среде, а второй - акустически заэкранирован от акустических волн, распространяющихся по трубопроводу, предварительно на фиксированном расстоянии R_H от датчиков возбуждают в трубопроводе и в окружающей его среде искусственный шумовой сигнал, принимают шумовой сигнал, распространяющийся по трубопроводу первым акустическим датчиком, шумовой сигнал, распространяющийся по окружающей трубопровод среде вторым акустическим датчиком, электрические сигналы первого и второго акустических датчиков после фильтрации и дискретизации подвергают взаимоспектральной обработке, по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра, величине R_и и скорости распространения акустических волн в среде находят скорость распространения групповых волн в трубопроводе, при наличии сигнала течи производят взаимоспектральную обработку преобразованных в электрические сигналы отфильтрованных, дискретизированных сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, время задержки шумовых сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, определяют данные о действительной и мнимой частях взаимного спектра шумовых сигналов течи, после чего определяют место течи с учетом скорости распространения акустических волн в среде и скорости групповых волн в трубопроводе.

Оптимальный результат получается, если фильтрацию осуществляют в полосе частот от нижней частоты до верхней частоты , где U - скорость струи течи, D - диаметр минимального отверстия течи, подлежащей обнаружению.

Для обеспечения этого технического результата в устройство определения места течи в трубопроводе, включающее первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый и второй акустический датчик соответственно, усилитель, фильтр и, аналого-цифровой преобразователь введены следующие новые признаки, а именно: первый датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающий трубопровод среде, а второй акустический датчик акустически заэкранирован от акустических волн, распространяющихся по трубопроводу, устройство содержит последовательно соединенные анализатор взаимного спектра, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей первого и второго приемного трактов соответственно, блок вычисления расстояния и индикатор, также содержит блок памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде, вход которого соединен со вторым выходом блока вычисления расстояния, а выход со вторым входом блока вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, также имеется блок управления, синхровходы и синхровыходы которого соединены с аналого-цифровыми преобразователями, с анализатором взаимного спектра, с блоком вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, с блоком памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде и с индикатором, также содержит искусственный источник акустического сигнала, акустически связанный с первым акустическим датчиком по трубопроводу, а со вторым акустическим датчиком - по окружающей трубопровод среде.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа определения места течи в трубопроводе.

Устройство для определения места течи в трубопроводе имеет два тракта, содержащих последовательно соединенные акустические датчики 1.1 и 1.2, усилители 2.1 и 2.2, фильтры 3.1 и 3.2, аналого-цифровые преобразователи 4.1 и 4.2. Содержит последовательно соединенные анализатор взаимного спектра 5, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей 4.1 и 4.2, блок 6 определения расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, индикатор 7. Также содержит блок 8 памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде, вход которого соединен со вторым выходом блока 6, а выход соединен со вторым входом блока определения расстояния 6. Блок 9 управления имеет синхровходы и синхровыходы, соединенные с блоками 4.1 и 4.2, блоками 5, 6, 8. 7. Также имеется источник искусственного сигнала 10.

Способ предусматривает следующую последовательность операций, обеспечиваемых работой устройства. Сначала экспериментально определяют групповую скорость - U распространения акустического сигнала по трубе. Характер волн, распространяющихся по цилиндрической трубе, существенно зависит от величины безразмерной частоты - [А.С.Никифоров. Акустическое проектирование судовых конструкций. Справочник. -Л.: судостроение, 1990.-c.l7]

где R_сp - средний радиус трубы, С_п.пл. - скорость продольной волны в пластине, равной толщине трубы. Для стальной трубы . Обычно радиусы магистральных трубопроводов . Поэтому можно для стальных трубопроводов с таким R_сp принять

т.е. на частотах f_кр>1330 Гц, в трубе могут возникать изгибные, продольные и сдвиговые колебания. При этом изгибные колебания имеют скорость распространения

Скорость распространения продольных волн

где Е, σ, ρ - модули Юнга, Пуассона и плотность материала трубы. Скорость сдвиговых волн

где G - модуль сдвига.

Для стали: модуль Юнга Е=21·10¹⁰ Па, модуль сдвига G=8.14·10¹⁰Па, коэффициент Пуассона σ=0.29, плотность ρ=7.8·10³ кг м^-3.

При наличии в трубе жидкости соколеблющаяся масса этой жидкости добавляется к массе трубопровода на частоте ниже f₀, равной

где С₀ - скорость звука в жидкости, заполняющей трубопровод.

При нахождении трубопровода в жидкости соколеблющаяся масса [Е. Скучик. Основы акустики. -М.: ИЛ, 1958, том 1, -617с] составляет Видно, что на частотах, больших

по трубопроводу движутся акустические волны с разной скоростью распространения. Поэтому групповую скорость распространения акустического сигнала по трубе необходимо определить экспериментально, тем более, что в дюкере может быть разное крепление трубы.

Для этого в способ введена следующая операция: на известном расстоянии R₀ от точки расположения акустических датчиков создают искусственное акустическое возбуждение в трубе и в среде с частотами, лежащими в диапазоне от f_н до f_в фильтров.

Сигналы искусственного шумоизлучения принимают первым и вторым акустическими датчиками 1.1 и 1.2, первым - акустически изолированным от шума в среде, и вторым - принимающим шум в среде.

С помощью фильтров 3.1 и 3.2 производят фильтрацию принятых сигналов искусственного шумоизлучения.

Фильтры выбраны так, чтобы обеспечить выделение шума струи из некоторого минимального повреждения, например, с диаметром D=5·10^-3м. Максимум шума струи течи, вырывающейся из трубопровода, наблюдается при числе Струхаля

где f - частота в Гц, U - скорость истечения струи в м/с^-1. Основная энергия шумоизлучения струи сосредоточена в диапазоне от fD=0,21 до

[А.Г.Мунин, М.А. Щепочкин. Спектр звуковой мощности дозвуковой струи. - Акуст журнал, том. XVIII, 1972, вып.2, с.292-298].

Следовательно, нижнюю границу фильтра можно выбрать а верхнюю границу фильтра

Усиливают принятые датчиками 1.1 и 1.2 отфильтрованные сигналы с помощью усилителей 3.1 и 3.2, преобразуют их в цифровые сигналы с помощью АЦП 4.1 и 4.2.

Определяют взаимный спектр этих сигналов где G₀(f) - энергетический спектр искусственного шума на единичном расстоянии; t_3,и - время задержки искусственного сигнала в среде, относительно сигнала, распространяющегося по трубе.

Время задержки определяют по частотам нулевых значений действительной или мнимой частей взаимного спектра или в виде

где Im[•], Re[•] - символы мнимой и действительной частей.

Определяют скорость распространения групповых волн, распространяющихся по трубопроводу. Учитывая, что время задержки между искусственно созданными сигналами: где, С_тр, С_ср - соответственно скорости распространения акустических волн по трубопроводу и в окружающей среде. По алгоритму в виде последовательности приведенных выше выражений (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9) и при известных значениях R_o, t₃ и С_cр нетрудно найти:

что и осуществляется в блоке 6.

Прекращают излучение искусственного сигнала, ведут наблюдение за сигналами, принятыми датчиками 1.1 и 1 2, и при появлении сигналов течи производят процедуры дискретизации, фильтрации, усиления и взаимоспектральной обработки сигналов шума течи по той же процедуре, что и для сигналов искусственного излучения.

Определяют время задержки по частотам нулевых значений действительной или мнимой частей взаимного спектра или в виде

где Im[•], Re[•] - символы мнимой и действительной частей.

Находят расстояние r до места течи по времени задержки t₃ между акустическими сигналами, распространяющимися по трубе и в среде, в виде

Взаимоспектральный анализ осуществляется в блоке 5. Определение расстояния r выполняется по выражениям (10),(11),(12) в блоке 6. Данные о С_тр и С_ср заносятся в блок памяти 8. Результаты измерений значения г выводятся на индикатор 7. Блок управления 9 обеспечивает синхронизацию работы устройства.

Построение блоков устройства известно из практики. Экранирование акустических датчиков известно, например, из книги В.Е.Глазанов. Экранирование гидроакустических антенн. -Л.: Судостроение, 1986. - 148 с.

В качестве искусственного источника может быть использован электродинамический источник вибрации (смотрите, например, В.Е.Гольский. Виброакустика автомобиля. -М. Машиностроение, 1988. -с.73) или молоточковый излучатель - стандартный источник вибраций (ГОСТ 15116-79, стандарт ИСО 140).

Таким образом, заявленные способ и устройство реализуют требуемый технический результат.

1. Способ определения места течи в трубопроводе, содержащий прием шумовых сигналов течи первым и вторым акустическими датчиками, преобразование этих шумовых сигналов течи в электрические сигналы, фильтрацию и дискретизацию электрических сигналов и определение места течи по времени задержки шумовых сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, отличающийся тем, что первый и второй акустические датчики установлены на трубопроводе рядом, первый акустический датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающей трубопровод среде, а второй акустически заэкранирован от акустических волн, распространяющихся по трубопроводу, предварительно на фиксированном расстоянии R_h от датчиков возбуждают в трубопроводе и в окружающей его среде искусственный шумовой сигнал, принимают искусственный шумовой сигнал, распространяющийся по трубопроводу первым акустическим датчиком, шумовой сигнал, распространяющийся по окружающей трубопровод среде вторым акустическим датчиком, электрические сигналы первого и второго акустических датчиков после фильтрации и дискретизации подвергают взаимоспектральной обработке, по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра, величине R_h и скорости распространения акустических волн в среде находят скорость распространения групповых волн в трубопроводе, при наличии течи производят взаимоспектральную обработку преобразованных в электрические сигналы отфильтрованных, дискретизированных сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, время задержки шумовых сигналов течи, принятых первым и вторым акустическими датчиками, определяют по данным о действительной и мнимой частях взаимного спектра шумовых сигналов течи, после чего определяют место течи с учетом скорости распространения акустических волн в среде и скорости групповых волн в трубопроводе.

2. Способ определения места течи по п.1, отличающийся тем, что фильтрацию осуществляют в полосе частот от нижней частоты до верхней частоты , где U - скорость струи течи, D - диаметр минимального отверстия течи, подлежащей обнаружению.

3. Устройство определения места течи в трубопроводе, включающее первый и второй приемные тракты, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый и второй акустический датчик соответственно, усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что первый акустический датчик имеет акустический контакт с трубопроводом и акустически заэкранирован от акустических волн в окружающей трубопровод среде, а второй акустический акустически заэкранирован от акустических волн, распространяющихся по трубопроводу, в устройство введены последовательно соединенные анализатор взаимного спектра, первый и второй входы которого соединены с выходами аналого-цифровых преобразователей первого и второго приемного трактов соответственно, блок вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе и индикатор, также введен блок памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде, вход которого соединен со вторым выходом, а выход - со вторым входом блока вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, также введен блок управления, синхровходы и синхровыходы которого соединены с аналого-цифровым преобразователем, с анализатором взаимного спектра, с блоком вычисления расстояния и скорости распространения групповых волн в трубопроводе, с блоком памяти скоростей распространения групповых волн в трубопроводе и в окружающей трубопровод среде и с индикатором, также введен искусственный источник акустического сигнала, акустически связанный с первым акустическим датчиком по трубопроводу, а со вторым акустическим датчиком - по окружающей трубопровод среде.