СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ
METHOD FOR DETECTING DEFECTS IN PIPELINES

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 и магистральных трубопроводов для транспортировки углеводородов.
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 транспортируемых продуктов, в том числе и малой интенсивности и другие.
Известны способы обнаружения дефектов в трубопроводах [авторские свидетельства SU №380909, 411268, 642575, 934269, 1216551, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты RU №2135887, 2138037; патенты US №4289019, 4570477, 5038614; патент GB №1349129; патент FR №2498325; патенты JP №59-38537, 60-24900, 63-22531], которые могут быть использованы для контроля состояния трубопроводов центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов. В известном способе обнаружения дефектов [патент JP №63-22531] 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 известного способа обнаружения дефектов в трубопроводах [патент RU №2229708] является повышение производительности и увеличение длин надежно диагностируемых секций трубопроводов центрального отопления, горячего и холодного водоснабжения коммунальных хозяйств городов.
При этом поставленная задача решается за счет того, что для обнаружения дефектов в трубопроводах 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, что выгодно отличает данный способ от известных способов, рассмотренных выше.
Известный способ обнаружения дефектов в трубопроводах [патент RU №2229708], реализован в известном устройстве [патент RU №2196312], которое включает два датчика вибрации, два усилителя, два фильтра, цифровой коррелятор, дисплей, передатчик, приемник, два аналого-цифровых преобразователя, шифратор, дешифратор, генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, усилитель мощности, селектор фазоманипулированных сигналов, удвоитель фазы, два измерителя ширины спектра, блок сравнения, пороговый блок, ключ, демодулятор фазоманипулированных сигналов, два перемножителя, узкополосный фильтр и фильтр низких частот, что позволяет повысить надежность радиоканала путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Однако данный способ позволяет достичь технического результата только в условиях открытых трубопроводов, так как передача зарегистрированных сигналов на диспетчерский пункт осуществляется по радиоканалу.
Как известно, трассы большинства магистральных трубопроводов пролегают по местности со сложным рельефом, включая дно водоемов, в том числе и морей. При этом для исключения влияния внешних условий на эксплуатационные характеристики магистрального трубопровода его, как правило, заглубляют, а на самых неблагоприятных участках местности размещают в бетонном «саркофаге», что практически исключает применение известного способа [патент RU №2229708] для обнаружения дефектов в закрытых трубопроводах.
Кроме того, использование низких частот с выделением сигналов с частотой 1000-2500 Гц отягощается возрастанием влияния шумовой помехи, что для исключения влияния шумовой помехи требует усложнения аппаратуры и позволяет регистрировать акустические сигналы с достаточной надежностью при определении только линейных свойств среды.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности обнаружения дефектов трубопроводов.
σ
Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения дефектов в трубопроводах, преимущественно коррозионных дефектов в трубопроводах, по которому устанавливают акустические датчики, фиксируют акустические колебания, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его, в отличие от прототипа [патент RU №2229708] акустические колебания фиксируют на моде радиальных колебаний круговых полых цилиндров на поперечном пьезоэффекте в полосе частот спектра 1-25 кГц, при этом токосъемные электроды нанесены на боковых поверхностях полого цилиндра, внутри трубопровода размещен диагностический модуль, также снабженный акустическими датчиками, посредством которых определяют нелинейные свойства контролируемой среды путем определения функции, связывающей давление реакции среды с давлением возмущения, при этом излучающие и приемные датчики устанавливают на расстояниях l/l=1 друг от друга, излучают акустические сигналы на частотах 140 и 150 кГц, определяют нормированные гистограммы плотности вероятности для каждого сигнала, путем полиноминального приближения определяют аналитическое выражение для каждой гистограммы, вычисляют функцию нелинейности и значения моментных функций, которые характеризуют изменение формы закона нормального распределения, по изменению формы закона распределения определяют инородные включения в контролируемой среде.
σ
Совокупность новых отличительных признаков, заключающихся в том, что акустические колебания фиксируют на моде радиальных колебаний круговых полых цилиндров на поперечном пьезоэффекте в полосе частот спектра 1-25 кГц, при этом токосъемные электроды нанесены на боковых поверхностях полого цилиндра, внутри трубопровода размещен диагностический модуль, также снабженный акустическими датчиками, посредством которых определяют нелинейные свойства контролируемой среды путем определения функции, связывающей давление реакции среды с давлением возмущения, при этом излучающие и приемные датчики устанавливают на расстояниях l/l=1 друг от друга, излучают акустические сигналы на частотах 140 и 150 кГц, определяют нормированные гистограммы плотности вероятности для каждого сигнала, путем полиноминального приближения определяют аналитическое выражение для каждой гистограммы, вычисляют функцию нелинейности и значения моментных функций, которые характеризуют изменение формы закона нормального распределения, по изменению формы закона распределения определяют инородные включения в контролируемой среде, из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1. Структурная схема устройства акустических датчиков для реализации способа, размещенных на диагностическом модуле, включает: микропроцессор 1, буферное устройство 2, внешнюю память 3, устройство управления 4, регулируемый предварительный усилитель 5, усилитель мощности 6, излучатель 7, приемник 8, полосовой фильтр 9, предварительный усилитель 10, АЦП 11, устройство нормировки 12, устройство определения гистограммы 13, блок 14 расчета коэффициентов полинома, устройство 15 оценки точности аппроксимации, устройство 16 задания степени аппроксимирующего полинома, устройство принятия решения 17, блок 18 деления, интегрирующее устройство 19, блок 20 выделения коэффициентов при первых двух членах разложения 20, блок 21 вычисления частного.
н
н
Излучатель 7 излучает волну накачки с частотой f. Поскольку частота накачки довольно высока, то волна накачки отражается от границы раздела транспортируемый продукт - внутренняя поверхность трубопровода и распространяется в сторону приемника 8. Волна накачки будет взаимодействовать вследствие нелинейности среды распространения с низкочастотными сигналами с частотой F, отраженными от участков трубопровода с дефектами. Результатом взаимодействия будут волны с комбинационными частотами f±F либо изменения фазы волны накачки.
Фиг.2. Блок-схема алгоритма обработки сигналов и принятия решения.
В микропроцессоре 1 формируются излучающие сигналы и параметры работы. Через буферное устройство 2 информация с микропроцессора 1 поступает на внешнюю память 3 и устройство управления 4. Устройство управления 4 управляет работой внешней памяти и регулируемым предварительным усилителем 5. Усилитель мощности 6 усиливает сигнал и подает его на излучатель 7.
σ
Расстояние между излучателем 7 и приемником 8 равно l/l=1. Сигналы с приемника 8 поступают на полосовой фильтр 9 и предварительный усилитель 10, которые образуют блок предварительной обработки. Сигналы оцифровываются посредством АЦП 11. Далее цифровой сигнал поступает на устройство нормировки 12 и устройство определения гистограммы 13. Устройство 16 задает степень аппроксимирующего полинома и управляет работой блока расчета коэффициентов полинома 14. Далее производится оценка точности аппроксимации 15 и данные передаются на устройство принятия решения 17, которое управляется блоком управления 4. При этом, если точность не удовлетворяет заданному порогу, то увеличивается степень полинома. Увеличение происходит до тех пор, пока точность аппроксимации не будет удовлетворительной. В блоке 18 производится деление выражения для плотности вероятности излучаемого сигнала, которая считывается из внешней памяти 3, и полученной плотности вероятности в блоке 14.
Интегрирующее устройство 19 представляет полученный результат на блок выделения коэффициентов при первых двух членах разложения 20, и в блоке 21 производится вычисление частного. Полученный результат через буферный элемент выводится на микропроцессор 1.
Блоки 12-21 могут быть реализованы в виде программного обеспечения для обработки принятых сигналов. Для этого варианта работы алгоритм обработки принятых данных приведен на фиг.2.
Сигналы с АЦП 11 записываются на жесткий диск микропроцессора 1. Каждый отчет кодируется в 14 разрядном формате. На вход алгоритма поступают данные, на основе которых производится определение нормированных гистограмм плотности вероятности для каждого сигнала. Затем, используя полиноминальное приближение, определяется аналитическое выражение плотности вероятности для каждой гистограммы. В зависимости исследования (обнаружение дефектов в трубопроводах или поиск мест утечек транспортируемого продукта) вычисляется либо функция нелинейности, либо значения моментных функций, которые характеризуют изменение формы закона распределения (в случае детектирования инородных включений в среде).
Предлагаемый способ основан на определении нелинейных свойств среды (внутренняя поверхность трубопровода+транспортируемый продукт) путем решения обратной задачи преобразования статистических характеристик нелинейных волн.
Как известно, прямая задача преобразования закона распределения при прохождении через нелинейную систему имеет вид
2
1
2
1
2
2
1
1
1
2
2
l
=
W(p; x, t)=W(p(p); x, t)/|Ψ(р(р))|, где р=Ψ(p) - нелинейное детерминированное безинерционное преобразование, заданное детерминированной функцией Ψ(p); p=Ф(р) - ветвь функции, обратной к pΨ(p).
1
Тогда решение для обратной задачи, которая заключается в отыскании выражения для функции Ψ(p), принимает вид интеграла Стильтьеса
.
2
1
1
Данная формула описывает подход к определению функции, связывающей давление реакции среды p с давлением возмущения p. Она лежит в основе метода определения нелинейных свойств среды, которые описываются нелинейной функцией Ψ(p).
Экспериментально полученные изменения плотности вероятности акустического давления в зависимости от интенсивности излучения показали, что изменения формы закона распределения проявляются в нарушении симметрии. Ввиду увеличения мощности излучения, абсолютное значение плотности вероятности уменьшается.
σ
Проверка законов распределения низкочастотных компонент на отличных друг от друга расстояниях l/l от излучателя, при частотах накачки 140 и 150 кГц, что закон распределения практически не меняется и его изменение обусловлено только изменением структуры среды (появлением разрывов, неоднородностей, механических дефектов).
Снятые экспериментальные осциллограммы сигналов и соответствующие гистограммы, полученные на различных расстояниях от излучателя показали, что основные изменения, связанные с нелинейными свойствами среды распространения, происходят в ближней зоне. Поэтому наиболее значительное изменение формы закона распределения происходит также в ближней зоне излучателя. Дальнейшее изменение формы закона распределения связано с перераспределением энергии в волне и генерацией более высокочастотных компонент.
Анализ распределения плотности вероятности акустического давления волн накачки на разных расстояниях от излучателя. При увеличении расстояния от излучателя процесс нормализуется, и в случае для двух компонент он стремится к треугольной форме.
При распространении волны разностной частоты закон распределения мгновенных значений акустического давления практически не изменяется, а его изменение обусловлено только изменением структуры среды.
Местоположение дефекта устанавливается по скорости распространения звука и времени распространения звука до места дефекта.
обз
max
max
Конструктивное исполнение излучателя 7 обеспечивает дискретное сканирование внутреннего пространства, которое осуществляется путем шагового обзора за счет облучения узкой характеристикой направленности излучателя ограниченной зоны пространства и приема эхо-сигналов в пределах всего сектора, в котором осуществляется обзор. Цикл обзора равен промежутку времени между двумя последовательными излучениями: Т=2х/с, где x - максимальная дальность излучения. Перед каждым излучением сигнала характеристика направленности излучателя 7 поворачивается на угол, равный ее ширине (шаг поиска). Полное время обзора заданного сектора определяется циклом обзора и отношением величины сектора к ширине характеристики направленности.
При обнаружении дефекта микропроцессором 1 формируется команда на формирование высокой направленности, что обеспечивает более надежное определение местоположения выявленного дефекта.
При использовании способа в сухопутных условиях информация может транслироваться на диспетчерские пункты, как и в прототипе, по каналам радиосвязи.
При использовании способа для обнаружения дефектов трубопроводов, уложенных на дне водоемов, информация может транслироваться по гидроакустическому каналу связи.
Излучатель 7 представляет собой фазированную антенную решетку, на которую подаются сигналы излучения от 12 усилителей мощности при размере активной поверхности: 60×105 мм.
Приемник 8 имеет широкую диаграмму направленности с одноканальным приемом при размере активной поверхности 300×152 мм и чувствительности 500 мкВ/Па и выполнен в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм, имеющих следующие параметры: высота - 12 мм, диаметр - 15 мм, толщина - 1 мм, выполненных из сплава ЦТС-19М. Чувствительность для отдельного элемента приемной антенны составляет 85 мкВ/Па.
2
2
Ввиду того, что непосредственный акустический контакт активных элементов приемника 8 с нагружающей средой и элементами конструкции может привести к их демпфированию и уменьшению чувствительности, то с целью минимизации демпфирующего действия указанных факторов применены полые цилиндры с акустически мягким экраном. В качестве акустического экрана возможно применение полиуретановых пенопластов, обладающих достаточно высокой механической жесткостью, которая позволяет избежать недопустимых деформаций датчика на рабочих глубинах. В то же время удельный акустический импеданс полиуретановых пенопластов z=300-400 кг/(мc) значительно меньше его характерных значений у пьезокерамических материалов z=3·107 кг/(мс), что позволяет считать акустические экраны, выполненные из таких материалов, близкими к идеальным.
Применение акустического экрана в конструкции приемника 8 позволяет избавиться от нежелательного тыльного лепестка в ее диаграмме направленности.
Излучающий датчик, установленный на корпусе трубопровода, представляет собой фазированную антенную решетку, на которую подаются сигналы излучения от 12-ти усилителей мощности при размере активной поверхности 60×105 мм.
Приемный датчик, установленный на корпусе трубопровода, имеет широкую диаграмму направленности с одноканальным приемом при размере активной поверхности 300×152 мм и чувствительности 500 мкВ/Па.
Предлагаемый способ обнаружения дефектов в трубопроводе реализуется следующим образом.
На корпусе трубопровода устанавливают акустические датчики, фиксируют акустические колебания, определяют местоположение дефекта на контролируемом участке трубопровода и регистрируют его. При этом акустические колебания фиксируют на моде радиальных колебаний круговых полых цилиндров на поперечном пьезоэффекте, в полосе частот спектра 1-25 кГц. При этом токосъемные электроды нанесены на боковых поверхностях полого цилиндра.
σ
Внутри трубопровода размещен диагностический модуль, также снабженный акустическими датчиками, посредством которых определяют нелинейные свойства контролируемой среды путем определения функции, связывающей давление реакции среды с давлением возмущения. При этом излучающие и приемные датчики устанавливают на расстояниях l/l=1 друг от друга, излучают акустические сигналы на частотах 140 и 150 кГц, определяют нормированные гистограммы плотности вероятности для каждого сигнала. Путем полиноминального приближения определяют аналитическое выражение для каждой гистограммы, вычисляют функцию нелинейности и значения моментных функций, которые характеризуют изменение формы закона нормального распределения, по изменению формы закона распределения определяют инородные включения в контролируемой среде.
Диагностический модуль представляет собой устройство с активным управлением скоростью движения внутри трубопровода, снабженное бесплатформенной инерциальной навигационной системой и системой управления и стабилизации. Аналогом диагностического модуля является измерительный снаряд типа Geopig (BJ, Канада).
Диагностический модуль с установленными на нем акустическими датчиками при совместной обработке информации от акустических датчиков, установленных на корпусе и параметров, вырабатываемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой позволяет измерить даже небольшие смещения и изгибы трубопровода, причем с одинаково высокой точностью на протяжении всей длины трубопровода. При этом в качестве реперных точек, по которым в основном будут корректироваться показания других диагностических средств, например одометров, могут быть приняты поперечные сварные швы с известными географическими координатами, полученными при прокладке.