СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОРРОЗИИ ТРУБЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
METHOD OF MEASURING CORROSION OF MAIN PIPELINES

Изобретение относится к акустической дефектоскопии и предназначено для стационарных систем контроля коррозии магистральных трубопроводов. Известны способы обнаружения и диагностики коррозии трубопроводов, основанные на использовании акустических методов (1-4). Эти способы предусматривают обнаружение и измерение сигналов акустической эмиссии, которые излучаются дефектами трубы. Сигналы акустической эмиссии улавливают вибрационными датчиками, которые устанавливают на поверхности трубы. Акустическая эмиссия локальных участков трубы вызывается потоком перекачиваемого по трубе продукта или приложением специальных диагностических воздействий в виде повышенного давления продукта или внешних изгибающих усилий. Сигналы акустической эмиссии коррозионных дефектов обычно отличаются по амплитуде и частотному спектру от фонового технологического шума перекачиваемого продукта, что позволяет их выделить и идентифицировать в качестве информативного сигнала. Зарегистрированные акустические сигналы обрабатывают цифровыми методами спектрального и корреляционного анализа, с помощью которых выявляют характерный спектр акустической эмиссии и временные задержки сигналов от закрепленных на трубе акустических датчиков, позволяющие рассчитать координаты локальных дефектов. Общим недостатком способов диагностики, основанных на акустической эмиссии дефектов, является малая дальность обнаружения и низкая чувствительность к дефектам, не позволяющая обнаруживать коррозию в начальной стадии развития, при которой акустическая эмиссия еще не проявляется.
Наиболее близким решением к заявленному способу по совокупности признаков является способ обнаружения коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения (5). Согласно этому способу на концах контролируемого участка трубопровода устанавливают по два акустических датчика, которые воспринимают продольные и поперечные вибрации трубы под действием потока воды. Имеющиеся на трубе коррозионные дефекты достаточной глубины и протяженности начинают вибрировать и излучать характерные сигналы акустической эмиссии, проявляя так называемый "мембранный эффект". В каждой паре акустических датчиков одним датчиком регистрируют продольные колебания трубы, а другим поперечные. После регистрации сигналов от всех четырех датчиков их сравнивают между собой методом корреляционного анализа, при этом о местоположении дефекта судят по наличию максимумов функции корреляции и их временной задержке, а о параметрах дефекта судят по амплитуде максимума. Дальность этого способа обнаружения дефектов составляет до 100 м, способ пригоден для труб диаметром более 80 мм с толщиной стенки от 5 до 15 мм, при которых локальное утонение стенки составляет не менее 50% от исходной толщины, а протяженность дефекта - не менее 100 мм.
Недостатком способа является низкая чувствительность к дефектам, поскольку акустическая эмиссия типа "мембранного эффекта" начинает проявляться только при глубине коррозии, составляющей 50% от толщины стенки трубы.
Другим недостатком является малая дальность обнаружения коррозионных дефектов трубы, что обусловлено малым уровнем сигнала акустической эмиссии локального дефекта, составляющего лишь доли процента от общего уровня шумового сигнала потока воды, на фоне которого нужно обнаруживать и идентифицировать информативный сигнал.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа диагностики коррозии трубы, свободного от указанных недостатков прототипа. Требуется разработать способ непрерывного контроля коррозии трубы по всей длине трассы трубопровода протяженностью до 1000 км и более. При этом способ должен обладать достаточной чувствительностью, чтобы обнаруживать начало развития коррозии в ранней стадии и последующее развитие в течение всего срока эксплуатации трубы.
Поставленная задача достигается тем, что среднюю толщину слоя коррозии трубы определяют по затуханию и скорости звука продольной звуковой волны, распространяющейся в трубопроводе. Для этого на трубе устанавливают обратимые пьезокерамические приемоизлучатели по всей длине трассы с шагом в несколько километров, связанные с удаленным компьютером и источником электропитания кабельными линиями. С помощью приемоизлучателей регистрируют на компьютере шумовые сигналы продольной звуковой волны, распространяющейся в прямом и обратном направлениях. Математической обработкой сигналов определяют их временные задержки и амплитуды, по которым вычисляют затухание и скорость звука на участках трубы между смежными парами приемоизлучателей, а затем по затуханию и скорости звука рассчитывают усредненную по длине толщину слоя коррозии. В качестве источника звука используют технологический шум перекачиваемого продукта, а на отключенном для профилактики трубопроводе используют активные шумоподобные посылки, которые формируют компьютером и излучают пьезокерамическими приемоизлучателями.
Предложенный способ измерения коррозии трубы имеет следующие преимущества перед аналогами и прототипом.
Согласно способу обнаруживаются не единичные локальные дефекты трубы, а средняя толщина коррозионного слоя по всей длине контролируемого участка на всех стадиях развития коррозии, начиная от самой малой. Толщина слоя коррозии определяется по двум независимо измеренным параметрам: величине затухания звука и скорости звука. Причем измерения проводятся дважды - в прямом и обратном направлениях распространения звуковой волны. В результате получаются четыре независимых отсчета измеряемых параметров, которые усредняются с использованием весовых коэффициентов. Избыточность данных значительно повышает достоверность и точность результатов измерения.
Дистанционность способа по сравнению с прототипом увеличивается от 100 м до нескольких километров, и соответственно увеличивается длина контролируемых участков трубопровода. Это достигается за счет того, что в качестве информативного сигнала используется не часть, а полная мощность технологического шума перекачиваемого продукта и полный его частотный спектр, включая низкие частоты с малым погонным затуханием звука. Дистанционность способа определяется только погонным затуханием звука в трубе на преобладающих частотах технологического шума.
Способ предусматривает измерение затухания продольной звуковой волны как самостоятельного параметра, функционально связанного с коррозией трубы. Затухание звука измеряется по степени ослабления звуковой волны при прохождении от одного приемника до следующего в прямом и обратном направлениях. Амплитуда сигналов измеряется спектральным и корреляционным анализом. Физический механизм зависимости затухания звука от степени коррозии объясняется поглощением звука в рыхлых коррозионных образованиях, а также частичными отражениями продольной звуковой волны в обратном направлении от любых даже самых малых коррозионных дефектов. Например, в стальной трубе газопровода диаметром 1 м с толщиной стенки 22 мм частота максимума спектральной огибающей составляет 2 кГц. На этой частоте затухание продольной звуковой волны составляет 1 дб/км, что обеспечивает дистанционность обнаружения сигнала 10 км.
Оценка степени коррозии трубы по величине затухания звука полезна, но недостаточна, поскольку затухание обусловлено не только коррозией, но и другими факторами, в частности изменчивостью акустического контакта трубы с подстилающим грунтом при подъеме грунтовых вод и другими подобными факторами.
Вторым диагностическим параметром, однозначно связанным с коррозией трубы, является скорость продольной звуковой волны в прямом и обратном направлениях. Скорость звуковой волны измеряется по временной задержке сигнала между двумя смежными приемоизлучателями с достаточно высокой точностью порядка сотых долей процента. Величина временных задержек определяется корреляционной обработкой сигналов с разрешением до 1/4 периода верхней частоты спектра шумового сигнала. Причем одна достаточно продолжительная запись сигналов от двух смежных сечений трубопровода позволяет измерить величину задержки распространения звука как в прямом, так и в обратном направлениях. Процедура расчета прямого и обратного хода корреляционным методом отличается только направлением сдвига по оси времени сравниваемых сигналов.
Скорость звука в неповрежденной коррозией трубе определяется формулой, известной из курса физики:
, где
C - скорость звука, м/с;
2
E - модуль Юнга материала трубы, Н/м;
3
ρ - плотность материала трубы, кг/м.
В этой формуле модуль Юнга характеризует продольную жесткость трубы, от которой и зависит скорость звука. Под действием коррозии площадь поперечного сечения стенки трубы по чистому металлу сокращается, что вызывает уменьшение жесткости трубы и соответствующее снижение скорости звука. Согласно формуле можно заключить, что при среднем показателе коррозии 50% от ее площади сечения жесткость трубы и эффективная величина модуля Юнга сократятся в 2 раза. Соответственно скорость звука при неизменной плотности ρ снизится на 41%. Большая величина приращения скорости звука от степени коррозии подтверждает высокую чувствительность способа диагностики по этому параметру. Высокая чувствительность способа к малым значениям среднего показателя коррозии позволяет осуществлять непрерывный мониторинг коррозионного состояния трубопровода и по скорости процесса прогнозировать сроки наступления предельно допустимого состояния.
В качестве источника звука для проведения измерений используют технологический шум перекачиваемого продукта, который непрерывно создает продольную звуковую волну, распространяющуюся по трубопроводу в прямом и обратном направлениях. Эта волна постепенно затухает на некотором расстоянии от точки возбуждения, но также непрерывно пополняется новыми порциями шума соседних участков. Таким образом, по всей длине трубопровода средняя мощность шумового сигнала, распространяющегося в двух направлениях, остается постоянной. В спектре шумов преобладают частоты в диапазоне от 300 до 2500 Гц, содержащиеся в пульсациях давления турбулентного потока внутри трубы и имеющие малое погонное затухание.
При остановках трубопровода для регламентного обслуживания в качестве источника звука применяют активные шумоподобные посылки, которые формируют компьютером и излучают пьезокерамическими излучателями в прямом и обратном направлениях. При активном излучении посылок обработка принимаемых сигналов выполняется аналогичным методом корреляционного анализа. Использование активных посылок в рабочем режиме трубопровода нецелесообразно по энергетическим причинам, так как для этого мощность излучаемых посылок потребовалось бы многократно увеличить для перекрытия технологического шума трубы.
Средняя толщина слоя коррозии трубы рассчитывается по измеряемым величинам затухания звука и скорости звука в трубе, используя эмпирическую формулу и коэффициенты пересчета. Коэффициенты пересчета эмпирической формулы получают расчетным методом по математической модели трубы или градуировкой измерительной системы по реальным образцам закоррозированных участков трубопровода.
Способ не имеет ограничений по диаметру труб, толщине стенки, материалу трубы.
Источники информации
1. Диагностика как элемент коррозионного мониторинга трубопроводов тепловых сетей. Журнал "Новости теплоснабжения" №4 (20), апрель 2002 г., с.29-34. www.ntsn.ru
2. Способ контроля герметичности и определения координаты места течи в трубопроводе. RU 2181881 С2, 27.04.2002 г.
3. Способ определения координаты источника сигналов акустической эмиссии. SU 1442905.
4. Способ определения координаты течи в трубопроводах. SU 1283566 А1, 15.01.87 г.
5. Способ обнаружения коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения.
RU 2138037 C1, G01N 29/04 20.09.1999 г. (прототип).