Результаты экспериментальных исследований герметичности стенки трубопровода на физической модели

Д. А. Васильев, Ю. К. Шлык

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СТЕНКИ ТРУБОПРОВОДА НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Приведены результаты модельных исследований зависимости спектра шумов от негерметичности в газопроводе. Экспериментально доказано различие между акустическими спектрами герметичного и разгерметизированного трубопроводов, по которым можно судить о диаметре отверстия и его линейной координате.

В ходе предыдущих исследований была доказана возможность контроля герметичности стенки магистрального трубопровода акустическим методом [1, 2]. Своевременное обнаружение негерметичности, вызванной коррозией металла, трещинами и т. д., позволит предотвратить развитие аварийной ситуации, приводящей, как правило, к серьезным экологическим последствиям, что делает данную работу несомненно актуальной.

Все известные методы акустического контроля могут быть разделены на две основные группы [3]:

— методы активной диагностики, основанные на излучении и приеме акустических волн [4-6];

— методы пассивной диагностики, основанные на регистрации акустических волн, возникающих в объектах и системах [7-9].

Изучению свойств акустических характеристик газового потока уделяется большое внимание, о чем свидетельствуют работы Б. Ф. Гликмана и Е. В. Лебединского по исследованию различного рода газовых трактов: разветвленных, с поворотами, переменного сечения, периодической структуры [10-13]. А. Н. Руденко описал способ обнаружения местоположения источника колебаний давления в трактах энергетических установок [14]. Работа Ю. В. Фирсова посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию акустических частотных характеристик потока газа в трубопроводе с сосредоточенным сбросом или вдувом части расхода через боковую поверхность [15].

Мы предлагаем способ обнаружения негерметичности в трубопроводе, основанный на регистрации акустических шумов, возникающих в месте утечки среды из трубопровода, отличающийся тем, что в качестве канала передачи информации используется среда, заполняющая трубопровод. При этом регистрируется амплитудно-частотная характеристика спектра гидроакустических шумов в герметичном трубопроводе, этот спектр сравнивается со спектром гидроакустических шумов в трубопроводе, имеющем негерметичность, и по рассогласованию данных спектров регистрируется факт возникновения не-герметичности в его стенке [9].

Движение любой среды (газ, жидкость) в трубе сопровождается определенным уровнем звукового поля, которое характеризуется амплитудночастотным составом спектра акустических шумов. По существу, амплитудночастотная характеристика (АЧХ) представляет собой совокупность дискретного набора частот любого сложного периодического процесса, имеющих различные значения амплитуды. Это универсальная характеристика, по изменению которой можно судить как о любых отклонениях технологического режима

перекачки среды от номинального, так и о возникшей негерметичности стенки самого волновода.

С целью решения задачи диагностики герметичности стенки трубопровода по АЧХ был создан экспериментальный лабораторный стенд, в состав которого вошли следующие основные блоки:

— четыре полиэтиленовые трубы длиной 2 м наружным диаметром 15 мм и внутренним 12 мм каждая;

— компрессор, в качестве которого использовался пылесос «Батэипд» мощностью 1500 Вт, работающий в нагнетательном режиме с регулятором напряжения, при помощи которого можно менять частоту вращения турбины компрессора, задавая различные значения расхода и давления газа в трубопроводе;

— счетчик газа ротационный С4 РЛ;

— манометр с пределом измерения 105 Па;

— два первичных преобразователя давления (датчики давления) тензо-метрического типа КПТ 5 с верхним пределом измерения 5 • 105 Па;

— источники постоянного напряжения для питания датчиков;

— анализатор спектра частот типа А17, с диапазоном измеряемых частот от 0,03 Гц до 200 кГц, оснащенный пакетом прикладных программ, позволяющих осуществлять компьютерную обработку регистрируемых спектральных характеристик;

— соединительная и запорная арматура трубопровода;

— полиэтиленовые трубы длиной 2 м наружным диаметром 15 мм и внутренним 12 мм каждая с отверстиями различного диаметра. Диаметры отверстий (в мм): 1; 1,5; 2; 2,2; 2,5; 2,7; 3; 3,2; 3,3; 3,5; 4; 4,5.

— линии связи.

После включения компрессора в трубопроводе создавался установившийся режим движения воздуха, при котором контролировались средние величины давления и расхода. Процесс перекачки воздуха, сопровождаемый некоторым уровнем акустического шума в трубопроводе, можно считать стационарным, до тех пор пока частота вращения турбины компрессора не изменится. Его следует рассматривать в виде некоторой периодической функции давления, которая накладывается на постоянную (среднюю) составляющую, регистрируемую манометром.

Как было отмечено ранее, величина акустического давления незначительна, однако используемые в ходе эксперимента датчики обладают требуемой чувствительностью для его регистрации. В датчике происходит процесс преобразования неэлектрической величины (давления) в электрический сигнал, принимаемый анализатором спектра частот, где происходит обработка и результат в виде АЧХ — функции акустического шума выводится на экран монитора.

Эксперимент включал следующие основные этапы:

1. При заданном режиме движения воздуха в трубопроводе регистрировалась базовая АЧХ акустических шумов.

2. При том же режиме прокачки в стенке трубопровода делалось отверстие малого диаметра; при этих условиях регистрировалась новая АЧХ, которая сопоставлялась с базовой (п. 1).

3. Процедура, описанная в п. 2, осуществлялась при различных диаметрах отверстия в стенке трубопровода.

4. Менялось место положения отверстия по длине трубопровода и АЧХ одновременно регистрировались двумя датчиками давления, расположенными в начале и конце трубопровода.

5. Все измерения повторялись при изменении площади выходного сечения волновода с помощью запорной арматуры.

Далее представлены результаты экспериментальных исследований по предложенной методике, в ходе которых была сформирована база данных, насчитывающая более 120 позиций.

Базовая характеристика амплитудно-частотных спектров представлена на рис. 1.

а

б

Рис. 1. АЧХ герметичного (а) и негерметичного (б) трубопроводов

Как видно из рис. 1, при появлении негерметичности наблюдается явное смещение частот спектра со 119 до 131 Гц, что свидетельствует о реакции трубопровода на нарушение его физической целостности.

На рис. 2, 3 приведены экспериментальные зависимости изменения несущей частоты акустических шумов (Р) от места положения отверстия по длине волновода (£), отличающиеся различными режимами движения воздуха в трубопроводе.

Рис. 2. Зависимость несущей частоты акустических спектров от места положения негерметичности при максимальной площади поперечного сечения волновода:

диаметр отверстия: а — 2 мм; б — 2,5 мм; в — 3 мм; г — 3,5 мм

Как видно из рис. 2, 3, сдвиг частот между герметичным и разгерметизированным трубопроводами зависит и от расположения отверстия по длине трубопровода, и от диаметра самой негерметичности.

Для нагруженного волновода, т. е. при 50%-ной площади выходного сечения, имеет место разность давлений на одном и том же датчике, находящемся в начале или конце трубопровода. Зависимость давления в волноводе от места положения отверстия по длине трубопровода представлена на рис. 4. По мере приближения координаты негерметичности к концу исследуемого волновода наблюдается понижение амплитуды давления на первом датчике и одновременное ее возрастание на втором.

в г

Рис. 3. Зависимость несущей частоты акустических спектров от места положения негерметичности при 50%-ной площади поперечного сечения волновода:

диаметр отверстия: а — 1 мм; б — 1,5 мм; в — 2 мм; г — 2,2 мм.

Рис. 4. Зависимость давления в волноводе от места положения отверстия

по длине трубопровода:

1, 2 — разность давлений на датчике, находящемся соответственно в начале и конце трубопровода, при диаметре отверстия 2 мм;

3, 4 — то же при диаметре отверстия 2,2 мм

В итоге можно констатировать, что выбранный акустический метод диагностики герметичности трубопровода достаточно перспективен. В ходе эксперимента удалось не только установить факт появления негерметичности стенки трубы (свища), но и оценить ее диаметр, а также место расположения по длине трубы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильев Д. А., Шлык Ю. К. Диагностика герметичности магистрального газопровода // Вестн. кибернетики. — Тюмень: Изд-во ИПОС РАН, 2004. — № 3. — С. 121-124.

2. Шлык Ю. К., Васильев Д. А, Кречина Г. С. Электороакустическое моделирование линейной части магистрального газопровода // Вестн. кибернетики. — Тюмень: Изд-во ИПОС РАН, 2005. — № 4. — С. 20-23.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник: В 2 кн. / Под ред. В. В. Клюева. — Кн. 2. — М.: Машиностроение, 1976. — 326 с.

4. Способ определения дефектов стенки нефтяных и газовых трубопроводов и целостности внешней изоляции: Пат. 2121105 РФ: F 17 D 5/02 / В. Н. Виноградов, В. К. Киселев, Н. З. Тремасов. — Опубл. 27.10.98.

5. Способ обнаружения утечек жидких углеводородов из магистральных трубопроводов: Пат. 2117855 Рф: F 17 D 5/02 / Р. М. Алеев, В. Н. Чепурский. — Опубл. 20.08.98.

6. Способ обнаружения порыва подводного трубопровода: Пат. 2001102343 РФ: F 17 D 5/02 / Г. П. Турмов, Л. Н. Алексейко, М. И. Звонарев, С. А. Минапов. — Опубл. 20.01.03.

7. Устройство контроля герметичности конструкций: Пат. 2001127091 РФ: F 17 D 5/02 / А. И. Воробьев, Е. Г. Дзекун. — Опубл. 27.06.03.

8. Способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его реализации: Пат. 2001125842 РФ: F 17 D 5/02 / Р. Ц. Гулиянц, Н. С. Каришнев, В. В. Усов, Л. Е. Шейнман. — Опубл. 27.07.03.

9. Способ диагностики трубопровода: Пат. 2241174 РФ: 7F 17 D 5/05 / Ю. К. Шлык, И. А. Каменских. — Опубл. 27.11.04.

10. Лебединский Е. В., Мосолов С. В., Никифоров М. В. Экспериментальное ис-

следование динамических свойств потока в тракте периодической структуры // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1989. — № 3. — С. 126-134.

11. Гликман Б. Ф., Лосенков А. С. Анализ акустических характеристик разветвленных газовых трактов с использованием сигнальных графов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1986. — № 3. — С. 151-155.

12. Гликман Б. Ф., Гурьев В. А. Акустические характеристики неизотермического потока вязкого газа в трактах переменного сечения // Акустический журн. — 1987. — Т. 33, № 6. — С. 1015-1023.

13. Гликман Б. Ф., Лосенков А. С. Акустические характеристики газового потока в трактах с поворотами // Акустический журн. — 1989. — Т. 35, № 2. — С. 245-248.

14. Руденко А. Н., Ильченко М. А., Эпштейн В. Л. Способ обнаружения местоположения источника колебаний давления в трактах энергетических установок // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1989. — № 3. — С. 106-110.

15. Фирсов Ю. В. Акустические характеристики газового потока в тракте с сосредоточенным сбросом или вдувом части расхода // Акустический журн. — 1992. — Т. 38, № 6. — С. 1110-1114.

D. A. Vasiliev, Yu. K. Shlyk

EXPERIMENTAL INVESIGATION RESULTS OF PIPELINE WALLS LEAKPROOFNESS

AT A PHYSICAL MODEL

There are given results of model investigations for noise spectra dependence on leakage in a gas pipeline. Difference between acoustic spectrum of leakproof and leakage pipeline is experimentaly proved and it allows to suppose a diameter of the hole and its linear coordinate.