Акустический метод контроля и поиска течей в трубопроводах

Применение течеискателей корреляционного типа при нарушении целостности трубопроводов

Наиболее частыми авариями, которые происходят на трубопроводах различного предназначения, является образование течей. Они возникают при повреждении стенок трубопроводов и сопровождаются заполнением смотровых камер, подвалов и других объёмов теми носителями, которые протекают в них. Для выявления таких течей часто используют аэросъёмку инфракрасного типа. Однако, для устранения не обойтись без обнаружения точного расположения дефекта (течи).

   
            Парение                                                 Течь                                        Течь + затопление

Одним из основных методов обнаружения течей, которые используют специализированные организации, являются последовательные ширфовки. Этот метод отличается своей высокой стоимостью и большими трудозатратами. Но при этом он также малоэффективен. Предпочтительней в таких случаях использовать специальное оборудование, например, течеискатели. Они обеспечивают более точное определение течей с минимальной затратой времени.

Среди подобного оборудования наибольшую популярность завоевали течеискатели акустического типа. К ним относятся течеискатели корреляционного типа, а также шумофоны.

Принцип работы шумофонов основан на применении двух датчиков, которые размещают непосредственно на земле над трубопроводом. Датчики осуществляют фиксацию звуковых сигналов шума воды, в том числе и в местах течи. Данные сигналы они передают на головное устройство, с которым и работает оператор. Таким образом, анализируя шумовые эффекты, он может определить место аварии на трубопроводе.

 

               Течеискатель «Аист 5»                      Течеискатель HL 5000

Для более точного определения места течи может использоваться второй датчик, с помощью которого можно сравнить уровень шума в различных частях водопровода.

Шумофон является достаточно недорогим прибором, который может позволить приобрести любая организация. Однако, его недостатком является зависимость от слуховых способностей оператора. То есть, в данном случае основным анализирующим центром выступает сам человек, и насколько у него развит музыкальный слух, настолько эффективным будет определение аварийной течи. Конечно, разработчики стараются усовершенствовать конструкцию прибора, оснащая его дополнительными звуковыми фильтрами. Но, всё же, его эффективность зависит от оператора.

Принцип работы течеискателей корреляционного типа

Схема работы данного устройства основывается на двух вибродатчиках. Они устанавливаются в зоне доступа, коим может быть подвал, смотровая амера и т.д. Улавливая колебания воды в трубах, они передают данные на регистрирующий блок, который самостоятельно в автоматическом режиме осуществляет обработку полученной информации. При этом происходит фильтрация звуковых сигналов. Это обеспечивает устранение посторонних шумов и выделения наиболее значимых. Затем выполняется анализ информации и пользователь получает точное место, где имеется течь.

Для более детального понимания принципа работы прибора рассмотрим его действие при обнаружении аварийной зоны течи.

Перед нами случай, в котором на трубопровод (обозначим точкой «B») оказывается воздействие импульсного типа (рис.3а). Основной нашей задачей является определение места удара (место импульса). Воздействие на трубу приводит к возникновению эмиссии звуковых сигналов, в том числе и по воде. Именно для фиксации таких сигналов и используются два датчика – А и С, размещённых на концах трубы. Датчик А зафиксирует импульс сигнала через определённый промежуток времени, который рассчитывается по формуле:

t1 = Lд / Vв
где: Vв – скорость распространения звука по воде.
Lд  - расстояние от точки удара до датчика «А».
Датчик С зафиксирует импульс сигнала через определённый промежуток времени, который рассчитывается по формуле:

t2 = (L - Lд) / Vв

На основе полученных данных необходимо узнать разность прихода волн. Так как момент начала импульса мы не знаем.

τз = t2 - t1 = (L - 2Lд) / Vв 
Из этого, после выполнения умножения на Vв , мы имеем:
Lд = L/2 - Vв* τз/2(1)

Рис. 3 Принцип определения местоположения источника эмиссии.

В результате, для определения течи (в нашем случае эмиссии), нужно по данным о двух сигналах определить разность времени прихода волн (сигналов). Для автоматизации таких расчётов можно применить взаимную корреляцию.

G(τ) = 1/Т*∫ f(t)* g (t- τ) dt
где:  G(τ) – значение функции взаимной корреляции;
f(t) – данные по датчику «А»;
g (t) - данные по датчику «С».

Для наглядности практической функции определения взаимной корреляции построим график зависимости G от временного показателя τ (рис.3)

В момент времени τ=0  для момента времени ti берётся произведение значений g и f. Так делается для каждого момента времени. В результате мы имеем:

0*0+0*0+…+(0.2*0+0,5*0+….)+0*0+…+(0*0.2+…)+… = 0

Т.е. на графике G(τ) (рис.3) для τ=0, G(τ)=0.

Затем используем последующее значение τ= τi. Это равносильно временному смещению по одному датчику относительно другого на значение τi. В данном примере значение G(τ) – взаимная корреляция будет равняться нулю до того момента, пока график не станет совмещаться с нижним. Рост значения G(τ) будет до тех пор, пока показание импульса с датчика А не совпадут с импульсом, регистрируемым датчиком С.

Именно этот принцип и заложен в основе действия корреляционных течеискателей, в которых данный расчёт представляется в виде графика. По оси Y показывается взаимная корреляция (её значение), а по X – временная задержка от одного из датчиков, которая преобразована в расстояние.  Течь же определяют по наибольшему значению G(τ).

Рис. 4. Стандартные результаты по установлению месторасположения течи (программа Акустическая томография). Течь на отметке 26 м от датчика «А»

Основные показатели прибора:

• сигналы эмиссии, исходящие от течи;
• месторасположение течи.

Точное определение места аварии (течи).

Чтобы определить более точно точку дефекта (в нашем случае течи), необходимо рассмотреть формулу (1). Слагаемое, размещённое в справа, содержит расстояние между 2-мя датчиками – L, которое разделено на 2. В результате, если расстояние между используемыми датчиками будет разнится от значения ΔL, то ошибка будет соответствовать ΔL/2.

Определение длины участка

Конечно же, длину можно посмотреть в соответствующей документации на теплотрассу. Но, не редко, данные, которые содержатся в ней, не соответствуют действительности. Поэтому лучше выполнить следующие действия:

• провести трассировка расположения теплотрассы (для этого нужны специальные устройства);
• замерить расстояние от одного до другого датчика (лучше использовать мерное колесо, однако при его применении есть вероятность получить неточные результаты из за неровности поверхности, а также проскальзывания. Поэтому лучше всего применять дальномер лазерного типа).

Подводя итог, можно сказать, что при чётком сигнале от течи и правильном измерении расстояния между датчиками ошибиться нельзя. Если же ошибка произошла, то это из-за погрешности в определении расстояния.

Течь и её обнаруживаемость

Для точно определения течи немаловажным является и уровень звукового сигнала, который она передаёт по воде. Согласно исследованиям (Кузнецов Н.С.) установлено, что течь создаёт 3 типа волн. Энергия эмиссии главной волны пропорциональна значению перепада давления, а также площади сечения дефекта в трубопроводе:

W ~ U⁸ d² ~ ΔP⁴ S
где :    U – скорость истечения воды;
d и S диаметр и соответствующая площадь отверстия;
ΔP – перепад давления: труба - свободное пространство.

Чем больше отверстие течи, тем более чётким становится сигнал эмиссии. Поэтому, когда  размер отверстия достигает определённого значения, появляется возможность фиксации энергии сигнала с помощью корреляционного течеискателя. Также отметим, что важным фактором в обнаружении течи являются технические особенности прибора, а точнее его чувствительность.

Стоит также заметить, что увеличение звукового сигнала течи способствует постепенному снижению давления в трубопроводе. А это приводит к постепенному затуханию самого сигнала.

Рис.5

В результате может произойти затухание сигнала и прибор не сможет его уловить.

Поэтому, при поиске малых течей и больших разрывов трубопроводов с помощью корреляционных течеискателей могут появляться проблемы с фиксацией сигналов.

 

       Течь до снятия теплоизоляции                  Течь после снятия теплоизоляции

Рис 6.  Уменьшение энергии сигнала в результате «стесненного» выхода через слои  теплоизоляции.

 

Рис 7.    У струи нет свободного выхода.

Также, эта причина не позволяет прибором определить течь на трубопроводах с изоляцией ППУ (труба в трубе с заполнением межтрубного пространства).

Особенности обнаружения дефектов

Обратимся опять к выражению (1) и рассмотрим сомножитель (Vв), обозначающий показатель скорости распространения звука в водной среде. Он напрямую зависит от диаметра выходного отверстия течи. Чем оно меньше, тем он больше.

В большинстве случаев при возникновении дефекта (течи) канал, в котором располагается трубопровод, затапливается. Это приводит к образованию двух волн: снаружи и внутри трубы. Складываясь в точке регистрации, эти сигналы не позволяют прибору чётко выделить пик на коррелограмме (см. рис.7).

Рис.7

Поэтому, перед определением течи рекомендуется провести откачку воды.

Такие же результаты можно получить и при утончении стенок труб (см. рис.  8а). В таких ситуациях узкополосная фильтрация (рис.  8b) желаемых результатов не даст.

Рис.8

Но, опираясь на практику, можно сказать, что в это и нет необходимости. Так как ремонтировать нужно весь участок с дефектом (на рис. инт. от 50 до 60 м).

Также не редко можно наблюдать и явления резонанса. Когда волны взаимодействуют со стенками труб, создавая дополнительную вибрацию (особенно в случаях утонения труб).

Рис.9

На данном рисунке можно видеть резонанс вторичного типа, который зафиксирован на 79 метрах. В таких случаях, если течь не обнаружена, то в этом месте надлежит провести ремонтные работы. Так как в недалеком будущем здесь может образоваться дефект.

Течеискатель корреляционного типа «Каскад»

Современный рынок предлагает большое количество различных моделей течеискателей, основной функцией которых является поиск мест дефектов трубопроводов. Но, как правило, они выполняют только одну функцию, чего нельзя сказать о таком приборе, как «Каскад». Его возможности позволяют выполнять 2 функции: диагностика состояния трубопроводов и течеискатель корреляционного типа. Прибор также отличается своей чувствительностью, благодаря которой с его помощью можно устанавливать месторасположение течей со скоростью потока от 0,5 м³/час.

Ещё одним плюсом прибора является наличие ПО, которое максимально просто в обслуживании и не требует от оператора специальных навыков.  

Вас может заинтересовать