Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Объекты трубопроводного транспорта и контроль их герметичности 10
1.1. Характерные сквозные дефекты и методы их обнаружения. 10
1.2. Физические основы генерации аэ утечками. 14
1.3. Акустический тракт распространения сигналов аэ 22
1.4. Акустические помехи, работающего нефтепровода, мешающие обнаружению утечек 28
1.5. Акустические средства обнаружения утечек 32
1.6. Постановка задачи исследования 38
ГЛАВА 2 Волновая модель распространения сигналов акустической эмиссии в трубопроводах 40
2.1. Анализ распространения акустических сигналов в цилиндрическом, жидкостном волноводе с двухслойной стенкой методом нормальных волн. 40
2.2. Исследование коэффициентов за гухания нормальных волн в трубопроводе . 49
2.3. Пространственный спектр поля аэ в трубопроводе. 55
2.4. Оценка нелинейных эффектов при распространении сигналов аэ утечки. 64
2.5. Метод обнаружения утечки при одностороннем доступе на основе пространственной фильтрации отдельных мод волновода 69
Выводы 75
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования особенностей распространения акустических сигналов в трубах с жидкостью 77
3.1. Оценка ста тистическиххарактеристик сигнала аэ 77
3.2. Экспериментальные исследования распространения акустических сигналов на реальных трубопроводах. 84
3.3. Исследования взаимодействия сигнала аэ утечки с акустическим зондирующим сигналом. 94
3.4. Проверка алгоритма обнаружения утечки при одностороннем доступе. 107
3.5. Трансформация спектра сигнала при его распространении по трубопроводу. 112
3.6. Влияние миогомодового ха ра ктера ра спростра пения сигнала а на точность локализации 112
3.7. Оценка зоны контроля, оптимизация алгоритмов обнаружения утечки. 119
Выводы 123
ГЛАВА 4 Акустическая эмиссия в разработке и создании приборов обнаружения утечек в трубопроводных сетях 124
4.1. Постановка задачи разработки приборов 124
4.2. Корреляционный течеискатель с функцией обнаружения утечки при одностороннем доступе . 127
4.2.1. Основные вопросы разработки прибора 127
4.2.2. Корреляционный течеискатель ТАК-2005 129
4.2.3. Алгоритмическое обеспечение прибора ТАК-2005 140
4.3. Метод дальнего обнаружения утечки 144
4.3.1. Физические основы метода 144
4.3.2. Разработка структурной схемы 146
Выводы : 150
Заключение 151
Литература
- Физические основы генерации аэ утечками.
- Исследование коэффициентов за гухания нормальных волн в трубопроводе
- Исследования взаимодействия сигнала аэ утечки с акустическим зондирующим сигналом.
- Корреляционный течеискатель с функцией обнаружения утечки при одностороннем доступе
Введение к работе
Актуальность работы. К настоящему времени трубопроводы являются основным видом транспорта газа, нефти и нефтепродуктов, так весь природный газ и 99,8% нефти добываемых в России транспортируют по трубопроводам. Общая протяженность магистральных трубопроводов достигла 215 тыс. км, промысловых -более 300 тыс. км. При этом более 55% магистральных трубопроводов находятся в эксплуатации более 20 лет. Для снижения числа аварий магистральные нефтепроводы подвергаются почти стопроцентному контролю с помощью средств внутритрубной диагностики. Однако, не смотря на это, к настоящему времени не удается полностью исключить аварии и отказы в виде утечек и порывов, которые представляют прямую угрозу населению страны и окружающей среде. Еще большее количество аварий случается на объектах коммунальных служб. Так тепло- и водо-снабжающие трубопроводные сети в большей мере подвержены коррозии, и процессам трещинообразования, поскольку они не содержат средств электрохимической защиты и в процессе сооружения и эксплуатации не подвергаются дефектоскопическому контролю. В результате в настоящее время во многих населенных пунктах России ресурс трубопроводных сетей коммунальных служб выработан на 70-80 процентов.
В настоящее время разработано большое многообразие методов и средств контроля герметичности трубопроводов. При этом для контроля герметичности трубопроводов наибольшее распространение получил метод акустической эмиссии (АЭ). Метод позволяет дистанционно обнаруживать малые утечки, определять их местоположение и судить о характере повреждения. Разработанные на основе метода АЭ течеискатели, по способу обработки сигнала можно разделить на две группы: корреляционные и амплитудные. Высокая помехозащищенность амплитудных алгоритмов обработки сигналов АЭ предопределила разработку на их основе систем непрерывного контроля герметичности, для которых наиболее важным является быстрое и достоверное определение наличия течи, при минимальном значении вероятности ложного срабатывания. Однако платой за это является не большая зона контроля (100 - 200м), что существенно осложняет проведение контроля протяженных участков, и ограничивает применение разработанной аппаратуры. В задачах же где главным является определение координат утечки (поиск утечек в условиях города), наибольшее распространение получили корреляционные алгоритмы обработки сигналов, позволяющие локализовать утечку с точностью до 1м. Однако при этом они характеризуются плохой помехозащищенностью (спектр полезного
сигнала и спектр шума перекрываются) и низкой чувствительностью, что не приемлемо для контроля нефтепроводов, поскольку даже не значительная утечка может привести к серьезным экологическим последствиям. Кроме этого не разработано аппаратуры, позволяющей с высокой точностью локализовать утечку при одностороннем доступе к объекту контроля. При этом такая аппаратура может быть полезна для поиска утечек под зданиями и сооружениями и для контроля урезов подводных трубопроводов.
Вышеизложенные ограничения области применения и недостатки существующих приборов, делают актуальной задачу разработки новых акустико-эмиссионных течеискателей и совершенствования уже существующих приборов. Вместе с тем, для этого имеются трудности, обусловленные недостаточным исследованием закономерностей распространения сигналов АЭ по трубопроводам с движущейся жидкостью, проложенных в грунте. Так, теоретически не объяснена зависимость коэффициента поглощения сигнала АЭ от расстояния, не достаточно исследовано влияние грунта на характер распространения сигнала, не изучена пространственная структура поля АЭ в трубопроводе и возможность фильтрации отдельных мод волновода, не исследованы нелинейные эффекты, распространения сигналов АЭ, не установлено влияние на погрешность локализации корреляционных приборов мно-гомодового характера распространения сигнала АЭ и дисперсии фазовой скорости.
Целью работы является исследование распространения сигналов АЭ утечки в многомодовых, слоистонеоднордных волноводах, анализ нелинейных эффектов, возникающих при распространении сигнала АЭ и разработка на основе этих исследований новой и совершенствование существующей аппаратуры обнаружения утечек в трубопроводах.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
изучение модовой структуры акустического поля в цилиндрическом, жидкостном волноводе с двухслойной стенкой;
теоретическое рассмотрение механизма ослабления сигнала АЭ и сопоставление полученных результатов, с имеющимися экспериментальными данными, с целью уточнения зависимости коэффициента поглощения от расстояния;
поиск информационных критериев для реализации алгоритмов обнаружения и локализации утечки, на трубопроводах с односторонним доступом с использованием статистических методов обработки сигналов;
поиск путей увеличения протяженности зоны контроля, охватываемой парой датчиков в системах непрерывного контроля герметичности;
повышение помехоустойчивости и чувствительности приборов использующих корреляционную обработку сигналов.
Методы выполнения исследований. Теоретическая часть работы выполнена на основе численного решения уравнений динамической теории упругости, уравнений безмоментной теории оболочек и уравнений нелинейной акустики. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием элементов теории вероятности и статистики, корреляционного и спектрального анализа.
Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и эксплуатацией разработанного устройства в производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
Сигнал АЭ утечки, регистрируемый с внешней стороны трубопровода, является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии во внешнюю среду.
При прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала.
Способ дальнего обнаружения утечки в трубопроводе, который основан на регистрации нелинейных искажений в зондирующем сигнале обусловленных его нелинейным взаимодействием с АЭ утечки. Предложенный способ позволяет обнаруживать утечки с расходом 50л/час на расстоянии 1км.
Алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа авто- и взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей. Ошибка локализации предложенного алгоритма не превышает 2 - 2,5м.
Методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаимной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что регистрируемый с внешней стороны трубопровода сигнал АЭ утечки является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии.
Получено и экспериментально подтверждено, что при прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала, что может быть положено в основу метода дальнего обнаружения утечек.
Разработан алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа авто- и взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей.
Предложена методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаимной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования волно-водного характера распространения сигналов АЭ утечек в трубах с жидкостью позволили разработать корреляционный течеискатель ТАК-2005. В разработанном приборе реализована функция обнаружения утечки при одностороннем доступе к дефектному участку трубопровода и методика фильтрации сигналов основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра. Разработанный прибор испытывался в натурных условиях при поиске утечек в трубопроводах тепловых сетей АО «Томскэнерго» и других предприятий г. Томска.
Разработан способ и макет устройства дальнего обнаружения утечки. Результаты работы нашли в отражение научно исследовательской работе «Дальнее обнаружение утечек в трубопроводах» Заказчик фирма Шлюмберже научно-исследовательский центр в Кембридже.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях.
Межрегиональная научно-техническая конференция "Методы и средства контроля герметичности технологического оборудования, коммуникаций и промышленной продукции", г. Дзержинск, 14 мая, 1997 г.
II областная научно- практическая конференция "Качество во имя лучшей жизни", г. Томск, 1997г.
15 Российская научно-техническая конференция -"Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 28 июня-2 июля 1999г.
Научная сессия МИФИ - 2001, Москва 22-26 января 2001г.
VIII региональная научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации", Иркутск, 16-19 октября 2001г.
3-я Международная конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности", Москва 17-19 марта 2004г.
межрегиональная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития минерально сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири», Томск, 2005г.
Ill международная научно-технической конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень 2005
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований шести приложений. Работа содержит 171 страниц основного текста, 6 таблиц, 46 рисунков, 90 формул.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ [48,54, 94-107] из них 6 статей в центральных отечественных изданиях, 10 тезисов докладов. Результаты исследований и разработок изложены также в отчетах о НИР и технической документации на разработанный течеискатель.
Содержание работы.
В первой главе приведена характеристика объекта контроля. Проанализированы основные причины возникновения сквозных дефектов, установлено, что на трубопроводах России основной причиной их возникновения является коррозия. Проведен обзор методов и средств контроля герметичности действующих трубопроводов. Проанализированы основные требования, предъявляемые к методу контроля герметичности участков трубопроводов. Показано, что наиболее полно этим требованиям отвечает акустико-эмиссионный (АЭ) метод. Рассмотрены физические основы генерации и распространения сигналов АЭ в трубопроводах, сформулированы направления исследований и задачи диссертации.
Во второй главе Методом нормальных волн проанализировано распространения сигнала АЭ в дальнем поле. Получено дисперсионное уравнение, решение которого показало, что трубопровод грунт и перекачиваемая жидкость образуют многомодовый слоисто неоднородный волновод. На основании анализа пространственного распределения акустического поля точечного источника установлено, что основная энергия сигнала АЭ регистрируемая с внешней стороны трубопровода распространяется в виде неоднородных мод, излучающих в процессе распростране-
ния энергию в грунт, нормальные волны локализованы внутри трубопровода и с внешней стороны не регистрируются. Исследованы различные механизмы ослабления сигнала в трубопроводе. Проведен оценочный расчет нелинейных эффектов сопровождающих распространение сигнала АЭ по трубопроводу. Теоретически показано, что в области жидкости вблизи утечки имеет место нелинейность проявляющаяся в нелинейном ослаблении акустических сигналов вводимых в трубопровод. Предложен алгоритм локализации утечек при одностороннем доступе. Алгоритм основан на выделении отдельных мод жидкостного волновода, путем анализа автокорреляционных функций сигналов, зарегистрированных разнесенными в пространстве преобразователями.
В третьей главе на экспериментальной установке исследованы статистические характеристики различных модельных утечек. На действующем нефтепроводе проведены исследования распространения низкочастотных акустических сигналов. На натурной установке исследованы нелинейные эффекты взаимодействия акустического зондирующего сигнала АЭ утечки. Экспериментально проверен метод локализации утечки на трубопроводах с односторонним доступом, основанный на анализе пространственной структуры акустического поля в волноводе. Проанализировано влияние многомодового характера распространения сигналов АЭ на погрешность локализации метода взаимной корреляции. Предложена методика фильтрации сигналов АЭ при корреляционной обработке сигналов и проведена оценка зоны обнаружения.
В четвертой главе изложены результаты разработки акустико-эмиссионных средств обнаружения утечек. Описаны программное обеспечение и алгоритм обработки сигналов и конструкция корреляционного течеискателя ТАК-2005 с функцией локализации утечки при одностороннем доступе. Приведено описание макета устройства дальнего обнаружения утечек.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.
Физические основы генерации аэ утечками.
Фундаментальные вопросы, относящиеся к теоретическому исследованию генерации АЭ потоком, рассмотрены в работах Г. Лэмба [11], И.Я. Миновича, А.Д. Перника, B.C. Петровского [12,13], М. Дж. Лайтхилла [14,15], А. Пауэлла [16].
Из [13-16] следует, что АЭ, генерируемая потоком с дозвуковой скоростью, образуется элементарными излучателями типа монополей, диполей и квадруполей.
Монополями могут быть пульсирующие струи и захлопывающиеся кавитационные пузырьки. Дипольное излучение возникает при работе гребных винтов вблизи поверхности обтекаемого твердого тела вследствие срыва вихрей, при колебаниях тел в жидкости или газах. При наличии свободных пар вихрей или свободной развитой турбулентности, когда все противоположные силы взаимно компенсируются, источник звука носит квадрупольный характер.
В общем, виде волновое уравнение, описывающее излучение и распространение звука, создаваемого потоком записывается в форме Лайтхилла [14-16]: 1 дгр д v- dF, д2Тч с0 at dtu oxi dx Xj д1 д1 д2 где V = —- + + - оператор Лапласа; дхх дх2 дхъ х,- орты декартовой системы координат; Со - скорость звука в неподвижной среде; р- звуковое давление; Q/v, Fj - типы источников, действующих внутри области W, выражающие соответственно скорость изменения массы во времени, пространственное изменение массовых сил; Ту - тензор квадрупольных напряжений Лайтхилла [14] равный: 1_о с J TIJ=puiu]+p Я J Здесь р- плотность; и, - компонент вектора скорости; /лц - тензор вязких напряжений Кронекера, равный 0 при щ и характеризующий необратимые потери; с-локальная скорость звука, которая определяется воздействием потока и тепла.
Тензор напряжений Лайтхилла описывает не только генерацию звука, но и его конвекцию с потоком, распространение с переменной скоростью и постепенное рассеяние вследствие необратимых потерь. На практике преобразование акустической энергии в тепловую, под влиянием вязкости и теплопроводности - достаточно медленный процесс, и вклад вязкостных напряжений в Тц незначителен, поэтому основным генератором звука являются флуктуирующие, рейнольдсовы напряжения, т.е. для многих практически интересных случаев можно положить [14]: TIJ=fmiuJ (1.2)
Уравнение (1.1) справедливо для потоков жидкости без разрывов и не позволяет непосредственно рассчитывать шум пузырьковой кавитации. Для расчета звукового излучения, возникающего при кавитации Когарко [17] предложил считать объем содержащий пузырьки двухфазной средой жидкость - газ, эффективная плотность рт которой определяется: A-iff. 0-3) где \/=4/Зяи(д3 - /?03) - объем, занятый пузырьками газа. Здесь п- число пузырьков в единичном объеме жидкости; R и R0- текущий и соответственно начальный радиусы пузырька. Полагая объем занятый газовой фазой, и колебания плотности жидкости р-р-ро (здесь ро - равновесная плотность жидкости) малыми по сравнению с первыми сте пенями этих величин, а также пренебрегая произведением Vp , значение эффективной плотности двухфазной среды Когарко разложил в ряд по малому па раметру р и в предположении отсутствия зависящих от времени источников массы и массовых сил преобразовал уравнение Лайтхилла (1.1) к виду [13]: , 1 дгр dlulu] dlVuluj s2V где величина V, определялась по модели Релея [18]. (В настоящее время для определения величины V может быть использована более точная модель Кирквуда-Бетте [19] или любая другая известная модель динамики одиночного кавитационного пузырька, обзор которых представлен в работах [13,20,21].)
Уравнение (1.4) в наиболее полной мере поясняет физическую природу источников излучения звуковых волн. В этом уравнении первый член в правой части, исследованный Лайтхиллом, соответствует квадрупольному излучению звука, обусловленному турбулентными пульсациями давления. Второй и третий члены отражают наличие газовой фазы в потоке. При этом третий член, обязанный своим происхождением объемным колебаниям газовых пузырьков, характеризует возникающее вследствие этого монопольное излучение. Влиянием первого члена правой части (1.4) можно пренебречь, поскольку при утечках воды и нефти из сквозного дефекта трубопровода с избыточным давлением до 10 МПа, скорость потока не превышает 120 м/с, и в жидкостях при таких скоростях квадрупольное излучение отсутствует [14,15]. Квадрупольное излучение проявляется тем заметнее, чем ближе скорость истечения приближается к скорости распространения звука в данной среде или превышает ее. Таким образом, при истечении жидкости в жидкость заметная АЭ может создаваться лишь элементарными излучателями типа монополей, образованными захлопыващимися кавитационными пузырьками. Подтверждение кавитационной природы АЭ было получено экспериментально.
Экспериментальные исследования акустической эмиссии, генерируемой утечками нефти для задач контроля герметичности магистральных нефтепроводов, были выполнены Босселааром, Римсдьяком лаборатория Shell концерна Shell Resedrch N.V. (Нидерланды) [22]. Негерметичности стенки трубы были ими смоделированы с помощью искусственных течей с круглым и прямоугольным сечением (с расходом от единиц до сотен литров/час). Для имитации условий в месте выхода на внешней стенке трубы использовались различные граничные среды: а) нефть; б) нефть и песок; в) нефть и гравий; г) воздух. На рис 1.2. показано, полученное в результате экспериментов [22], влияние этих сред на акустическую активность утечек нефти (масла). Минимальные акустические давления наблюдались при истечении нефти в воздух. При истечении нефти в нефть при достижении определенного избыточного давления в трубе происходил резкий скачек интенсивности сигнала АЭ, а затем его снижение. Наличие гравия или песка на выходе течи вызывало смещение начала возникновения интенсивной АЭ в сторону уменьшения избыточного давления в трубе и соответственно уменьшения размера сквозного дефекта. Наудашер и Мартин (институт гидромеханики университета Карлсруэ, Германия) анализируя результаты, полученные в Шелл-лаборатории, пришли к выводу, что основным источником АЭ при истечении жидкости в жидкость является гидродинамическая кавитация [23]. Скачек АЭ происходит вследствие перехода от бескавитационного течения жидкости к кавитационному. Представленные на рис 1.3 частотные спектры АЭ различных модельных утечек [22] имеют очень большую интенсивность в области ультразвуковых частот, что соответствует интенсивному кавитационному шуму [24] и подтверждает обоснованность сделанного вывода. Кроме этого шум утечки обладает рядом характерных признаков присущих кавитационному шуму, а именно уровень шума достигает максимальной величины на самых ранних стадиях кавитации (рис 1.2) и снижается при переходе от стадии возникновения кавитации к стадии развитой кавитации. Правомерность вывода о кавитационной природе шума подтверждается экспериментально в работе [25] наличием кавитационной эрозии стенки трубы на выходе сквозного дефекта. Там же экспериментально установлено, что минимальное раскрытие, при котором еще имеет место кавитация, составляет 0,1 мм. Цилиндрическому отверстию с таким раскрытием соответствует расход 1,2 -2 л/ч при давлении 2,0 МПа. Данную величину в работе [25] предлагают считать порогом чувствительности метода.
Исследование коэффициентов за гухания нормальных волн в трубопроводе
Как известно, ослабление акустических сигналов, распространяющихся по трубам с жидкостью проложенным в различных средах, может быть вызвано двумя факторами: внутренними потерями энергии (поглощением) и потерями вызванными излучением части энергии в окружающую среду. К настоящему времени не разработано математических моделей адекватно описывающих ослабление звука внутри трубопровода с жидкостью. Расчетные значения отличаются от значений, полученных экспериментально, более чем на порядок. Кроме этого не получено соответствующих выражений, учитывающих наблюдаемую на практике зависимость коэффициентов затухания от расстояния.
Начнем рассмотрение с определения внутренних потерь, ограничиваясь при этом, как и ранее, анализом первых трех нормальных осесимметричных волн. При расчетах будем считать, что коэффициент поглощения акустических колебаний в трубе с жидкостью является некоторой функцией коэффициентов поглощения продольных и поперечных волн в грунте, в стенке трубы и в жидкости внутри нее. Такой подход применялся ранее для расчета коэффициентов поглощения волн Релея и Лэмба [33,34]. Заменим в дисперсионном уравнении (2.14) действительные волновые числа комплексными, в которых мнимая часть волнового числа представляет собой коэффициент поглощения звука в соответствующем слое. При этом для исключения влияния ослабления, вызванного излучением, в качестве модели грунта будем рассматривать плотный грунт, скорость поперечных волн, в котором выше скорости звука в перекачиваемой жидкости.
Будем считать, что коэффициенты поглощения продольных и поперечных волн в стали линейно зависят от частоты и на частоте ЮкГц соответственно равны 3,8-10"4, 2,6-Ю"41/м [61]. Более сложен вопрос о выборе значений коэффициентов поглощения продольных и поперечных волн в грунте и продольных волн в нефти. Значения коэффициента поглощения в грунте выберем произвольно в интервале (0,1-100) а, где а соответствующие значения коэффициента поглощения в стали. На выборе коэффициента поглощения в жидкости остановимся более подробно.
Как известно, коэффициент поглощения продольных волн в жидкости определяется рядом факторов, основные из которых: наличие вязкости и теплопроводности; внутреннее трение жидкости; трение жидкости о стенку трубы; рассеяние энергии на турбулентных неоднородностях и на различных механических и парогазовых включениях, имеющихся в жидкости. Полагая, что жидкость чистая и перекачка отсутствует, ограничимся рассмотрением коэффициента поглощения в жидкости определяемого наличием только первых трех факторов, представляя суммарный коэффициент поглощения в виде: а=аі + аг+аз (2.15) где щ - коэффициент поглощения, вызванный наличием вязкости и теплопроводности; аг, аз - соответственно коэффициенты поглощения обусловленные наличием внутреннего трения в жидкости и трения жидкости о стенку трубы.
Коэффициент поглощения ои вызванный наличием вязкости и теплопроводности, определяется формулой Стокса-Кирхгофа [65]: 7 2 г! а, = 4 г (2.16) 1 і з 2рса С с -и+С+к где f - частота (Гц); ср- скорость звука в жидкости; р - плотность; /л, - сдвиговый и объемный коэффициенты вязкости; к - коэффициент теплопроводности; Су и Ср -теплоемкости жидкости при постоянном объеме и давлении соответственно. Коэффициент поглощения аг определим по известному выражению [40]: «2=—г/ (2-17) где v- коэффициент кинематической вязкости. И наконец для оценки коэффициента поглощения упругих колебаний вызванного трением жидкости о стенку трубы используем выражение приведенное в [40]: где R- радиус трубопровода.
Коэффициенты поглощения си и аг в диапазоне частот 10-100кГц для нефти с вязкостью V=17CCT имеют небольшие значения и не превышают величину порядка 10 10f (1/м) в то время как коэффициент поглощения аз для трубопровода диаметром 1200 мм с толщиной стенки 20мм равен 1 1- vf (м"1) или в дБ/м а3=9.1-10 Л// ( чт0 на несколько порядков превосходит ai и аг. Поэтому в дальнейших расчетах коэффициенты поглощения ои и аг учитывать не будем, а суммарный коэффициент поглощения в жидкости представим в виде:
Исследования взаимодействия сигнала аэ утечки с акустическим зондирующим сигналом.
Для исследований распространения сигналов АЭ утечки была изготовлена испытательная установка, которая представляла собой заглушённый с обоих сторон участок трубы длиной 35м, диаметром 100 мм с толщиной стенки 4 мм и буферный резервуар соединенный с трубой через штуцер с помощью гибкого шланга (рис.3.11). Труба, покрытая битумным антикоррозионным покрытием, устанавливалась на деревянных подушках и в грунт не заглублялась. Труба и буферный резервуар наполнялись водопроводной водой и отстаивались в течение суток. Давление в трубе создавалось путем подачи через редуктор в буферный резервуар сжатого газа (азота) и контролировалось манометром, с пределом измерения 0-10 МПа, погрешностью + 1%. В трубе была выполнена одна течь, моделирующая свищ. Течь находилась на расстоянии 17 м от одного из торцов и представляла собой цилиндрическое отверстие с диаметром 0,8 мм. Отверстие было снабжено клапаном, позволяющим открывать и закрывать утечку. Для увеличения эффективности возбуждения АЭ над отверстием создавалась водяная ванна, в которое и происходило истечение.
При проведении эксперимента по исследованию нелинейного взаимодействия сигнала АЭ с зондирующим акустическим сигналом приемник и излучатель устанавливались на разных торцах трубы. В ходе эксперимента давление в трубе поддерживалось равным Юатм. В качестве зондирующего сигнала использовался импульсный сигнал в форме синусоиды, длительность которой могла состоять из одной или нескольких полуволн. Форма зондирующего сигнала представлена на рис. 3.12 a, b и с. Основная гармоника выбиралась равной 32.5; 75.00 и 1.5 кГц, т.е. были выбраны три частоты, из которых одна частота находилась в зоне утечки, вторая выше частоты излучения утечки, третья ниже основной частоты излучения утечки.
Поскольку труба испытательного стенда имела небольшую длину, при которой возможны случаи прохождения сигнала по стенке трубопровода, то в ходе эксперимента делалась временная селекция принимаемых импульсных сигналов на 20 и 70мс. Анализировались только те сигналы, которые исходя из скорости распространения продольной звуковой волны в трубе с водой могли пройти расстояние 35м и достичь приемного преобразователя, распространяясь только по воде. Эти временные интервалы выбирались из условия: nS
Здесь tn- временной интервал регистрации сигнала равный времени прохождения сигнала от излучателя до приемника по воде; S - длина трубы; с - скорость звука в воде; п=1,3; 1 - однократное прохождение сигнала, 3 - трехкратное прохождение сигнала, т.е. зондирующий сигнал доходил до стенки трубы с приемным преобразователем отражался от нее, шел обратно, снова отражался и вторично с трехкратной задержкой регистрировался приемным преобразователем. Прип=1 и = = 23,33 мс 1 1500 п о 60-3 „ При n=3 L = = 70 мс 3 1500
На рис 3.12d представлена осциллограмма сигнала на выходе приемного преобразователя при большой длительности развертки. Где обозначено 1 - сигнал прошедший от излучателя до приемника по стенке трубы; 2 - однократный сигнал прошедший по воде; 3 - сигнал трехкратного прохождения по воде.
Результаты проведенных исследований представлены на рис. 3.13-3.15.
Анализируя результаты представленные на рис. 3.1 ЗЬ, 3.13с и 3.13d (сигнал утечки -59,38dBV, зондирующий сигнал на частоте 32.5кГц при однократном прохождении -47.81 dBV, сумма зондирующего сигнала при однократном прохождении с сигналом утечки -47.81dBV), а также спектрограммы представленные на рис.3.13е и 3.13f (зондирующий сигнал при трехкратном прохождении -58.33dBV и сумма зондирующего сигнала с сигналом утечки -57.19dBV), наблюдаем, что амплитуда гармоники основного тона зондирующего сигнала не изменилась с появлением сигнала утечки (-59.38dBV) при однократном прохождении (-47.81dBV) и увеличилась на 1.14dBV (-58.33; -57.19 dBV) при трехкратном прохождении сигнала.
По законам линейной акустики уровень суммарного сигнала, определяемый из формулы: 1,=10 10 1 = 10 (10 +100 ) (где п - число складываемых величин, Ls, L3l Ly - соответственно уровни суммарного сигнала, зондирующего сигнала и сигнала утечки) должен составить величину при однократном и трехкратном прохождении сигнала соответственно равную -47.52 и -55.81 dBV . При этом разница в уровнях между теоретическими и экспериментальными значениями равна 0.29 и 1.38 dBV или в % к экспериментальным значениям (%=ILS-L3/L3-100, где L3 - уровень суммарного сигнала измеренный экспериментально) соответственно составляет 0.61% и 2.41%.
Такие же результаты имеют место при рассмотрении спектрограмм представленных на рис.3.14. Откуда для однократного и трехкратного прохождения зондирующего сигнала разница в уровнях между расчетным и экспериментальным значениями составляет соответственно 0.15 и 0.73 dBV (или 0.30% и 1.2%).
Несколько отличные результаты получены при зондировании утечки сигналом частотой 1.5кГц (Рис. 3.15с, 3.15b, 3.15d, 3.15е, 3.150 0.60dBV, 0.005dBV (1.62%, 0.012%). Это можно объяснить тем, что в ходе эксперимента не удалось получить возбуждение в трубе однотонового низкочастотного акустического сигнала. Получаемый сигнал представлял собой набор гармоник в диапазоне от единиц до десятков килогерц. Поэтому делать каких либо других выводов из спектрограмм полученных на частоте 1.5 кГц на наш взгляд не следует.
Таким образом, экспериментальные исследования акустического взаимодействия между импульсным зондирующим сигналом частотой 32.5; 75.0 кГц с акустической эмиссией реальной утечки на трубопроводе диаметром 100мм и длиной 35м подтвердили наличие акустической нелинейности внутри трубопровода при наличии утечки. То есть высказанное во второй главе предположение о наличии нелинейности в зоне утечки внутри трубопровода с жидкостью подтвердилось.
Корреляционный течеискатель с функцией обнаружения утечки при одностороннем доступе
В наиболее общем виде функциональная схема прибора должна включать в себя два канала, каждый из которых содержит приемный преобразователь, предварительный усилитель с большим динамическим диапазоном, аттенюатор, масштабный усилитель, блок фильтров и линию связи; двухканальный коррелятор; блок управления, отображения и хранения информации.
Основным элементом функциональной схемы прибора является коррелятор, в котором и происходит обработка сигнала. При практической реализации корреляторов возможны два принципиально различных подхода получения ВКФ: непосредственное вычисление и использование косвенного метода на основе БПФ. Поскольку второй подход имеет большее быстродействие, в рамках настоящей работы базовую версию прибора предлагается реализовать на основе БПФ.
Такой подход позволит изготовить прибор с широкими функциональными возможностями. В частности, наряду с вычислением ВКФ и АКФ, в приборе может быть заложена возможность получения спектров сигналов, регистрируемых по обоим каналам, функции когерентности и взаимноспектральной плотности. При вычислении этих функций возможно использование различных временных окон (прямоугольное, Хеннинга, гаусового типа и др). Это позволит более обосновано подойти к вопросам выделения сигнала на фоне внешних шумов и повысить тем самым помехоустойчивость прибора.
Структурная схема двухканального цифрового коррелятора содержит в каждом канале аналого-цифровой интерфейс, осуществляющий преобразование аналогового сигнала в цифровой код и общую для обоих каналов микроЭВМ, посредством программного обеспечения которой и происходит обработка сигналов. Кроме вычисления корреляционной функции, в программной части коррелятора должны быть реализованы алгоритмы нахождения экстремума корреляционной функции и алгоритмы цифровой фильтрации.
Для фильтрации сигналов следует использовать набор цифровых фильтров с изменяемыми характеристиками. Использование цифровых фильтров вместо аналоговых способно существенно улучшить характеристики прибора, поскольку цифровые фильтры обладают стабильностью и линейностью, более высокой частотной избирательностью. В цифровых фильтрах легко перестраивать частотные и фазовые характеристики.
В качестве фильтра наиболее целесообразно использовать синусный фильтр Бесселя. Данный фильтр внутри полосы пропускания обеспечивает постоянную задержку для всех спектральных составляющих сигнала. Это обеспечивает сохранение формы сигналов, т.е. передачу сигнала без искажений его фазовой характеристики. Это особенно важно при вычислении ВКФ и АКФ. Вместе с тем характер изменения затухания фильтра Бесселя в области частоты среза АЧХ сильно отличается от АЧХ фильтров Баттерворта и Чебышева, имеющих также широкое распространение. Затухание фильтра Бесселя изменяется более медленно, чем у других типов фильтров. Этот недостаток можно устранить повышением порядка фильтра.
Очень важным звеном в функциональной схеме прибора является приемный преобразователь. От характеристик преобразователя в значительной степени зависят чувствительность и достоверность контроля, точность локализации утечки. Для осуществления контроля необходимо, чтобы датчик удовлетворял следующим требованиям: имел равномерный вид АЧХ и ФЧХ в диапазоне частот от единиц Гц до десятков кГц; обладал высокой чувствительностью в данной области частот; диапазон рабочих температур датчика должен обеспечивать поиск утечек в зимнее время при минусовых температурах (до -30С) и позволять контролировать теплотрассы с температурой теплоносителя до +100...+150С; датчик должен характеризоваться высокой надежностью и стабильностью электромеханических свойств в течение длительного времени. Всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяют пьезоэлектрические акселерометры.
Широкополосность преобразователя достигается выбором резонансной частоты датчика, которая должна быть больше верхней частоты спектра анализируемого сигнала [66]. Так при механической добротности Qm=1,5...2 равномерный участок охватывает частоты от F=0 до F=0,7...0,8 (здесь F - нормированная частота), ФЧХ при этом имеет монотонный вид. Температурный диапазон пьезоэлектрических акселерометров лежит в диапазоне от -40 до +150С. Кроме того, датчики из пьезокерамики отличаются простотой конструкции и хорошей воспроизводимостью результатов [87-89]. При выборе конструкции датчика необходимо также учитывать геометрические размеры контактной поверхности датчика и способ его крепления на трубе.
Для согласования датчика приемного преобразователя с последующей схемой обработки и снижения уровня собственных шумов усилительного тракта предназначен предварительный усилитель. Как известно, предельная пороговая чувствительность пьезоэлектрического преобразователя достижима только при условии его оптимального согласования по шумам в рабочей полосе частот с последующей усилительной аппаратурой. Поскольку коэффициент шума п-каскадного усилителя определяется шумами первых каскадов, предварительный усилитель должен обладать малыми собственными шумами, что может быть достигнуто путем использования на входе предусилителя полевого транзистора, например типа КПЗОЗЕ.
Минимальное входное напряжение и динамический диапазон предусилителя должны соответствовать требованиям РД 03-131-97 [90], предъявляемым к предварительным усилителям при АЭ контроле трубопроводов. Эти величины должны составлять соответственно ЮмкВ и 70дБ. Рабочая полоса частот должна быть не ниже рабочей полосы приемного преобразователя, с неравномерностью АЧХ в этой полосе не более 0,ЗдБ. Для передачи сигнала по кабельной линии связи коэффициент усиления усилителя должен составлять 40 - 50дБ.
Уровень сигнала АЭ сильно зависит как от величины утечки, так и от расстояния до преобразователя. При этом в наиболее неблагоприятных случаях отличие уровней сигналов на преобразователях может достигать 80дБ. В связи с этим в функциональную схему прибора введен аттенюатор и масштабный усилитель. Аттенюатор представляет собой резистивный делитель. Величина ослабления аттенюатора от 0 до 60 дБ, при которой сигнал с датчика проходит без ограничений по амплитуде, выставляется либо автоматически, либо в ручную с использованием переключателя.
С точки зрения конечного пользователя аппаратуры большое значение имеет представление результатов обработки и удобство управления прибором.
