СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СТЕНКИ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2002 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области диагностики конструкций и может быть использовано для оценки состояния стенки трубопровода.

В различных отраслях промышленности используются сотни тысяч километров, работающих под давлением трубопроводов, доступ к которым затруднен слоем грунта или воды. В процессе эксплуатации в трубопроводе зарождаются и развиваются различные дефекты, приводящие к авариям. Проблема контроля за состоянием трубопровода остается актуальной. Для этого созданы различные устройства и используются практически все известные физические методы неразрушающего контроля.

Известен способ оценки поиска мест утечки (способ оценки состояния стенки трубопровода для случая равенства толщины стенки нулю) жидкости в стенке трубопровода, работающего под давлением, основанный на регистрации акустических шумов в двух точках по длине трубопровода, вычислении корреляционной функции двух потоков акустических шумов и определении аварийного места по положению максимума корреляционной функции. См., например, Справочник "Неразрушающий контроль и диагностика" В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин и др. М. : Машиностроение, 1995, с. 411. Для известного способа функцию взаимной корреляции можно вычислить из соотношения

где A₁(t) и A₂(t) - функции изменения электрического напряжения на первом и втором акустических приемниках соответственно; Т - время наблюдения; τ - время задержки сигнала (максимальное время задержки τ_max = L/C, где L - расстояние между приемниками; С - скорость распространения упругих волн в трубе).

На практике при выявлении в трубопроводе утечки жидкости определяется время задержки τ, при которой наблюдается максимум функции A₁₂(τ) и по значению этого времени задержки, с учетом скорости распространения упругих волн в конкретной трубе, определяется расстояние от одного из приемников до места утечки. Известный способ реализуется с использованием приборов типа DF-02 (Франция) или ТАК-01 (СССР), которые позволяют выявлять до 90% реальных утечек в городских подземных водопроводных сетях.

Однако известным способом нельзя оценить состояние стенки трубопровода, толщина которой не равна нулю, что является существенным недостатком.

Задачей настоящего изобретения являлось расширение возможностей известного способа в оценке состояния стенки трубопровода, определение мест с утонением стенки, что позволяет разработать методику оценки ресурса действующего трубопровода.

Суть такого метода контроля будет заключаться в выявлении корреляционных максимумов акустических шумов в различных частотных диапазонах регистрации и оценке по этим частотам наличия и величины утонения стенки трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе оценки состояния стенки трубопровода, при котором регистрируют акустические шумы в двух точках по длине трубопровода от движения перемещаемой в нем среды, вычисляют корреляционную функцию двух потоков шумов и определяют аварийное место по положению максимума корреляционной функции, согласно изобретению корреляционную функцию двух потоков акустических шумов определяют для ряда фиксированных полос частот, начиная от единиц герц и до единиц килогерц с выделением центральной частоты, фиксируют центральную частоту (f_i), при которой наблюдается максимум корреляционной функции, определяют частоту, соответствующую тону акустического шума (f₀) в трубопроводе с номинальной толщиной стенки (h₀), а о состоянии стенки трубопровода (ее толщине) в месте максимума корреляционной функции судят из соотношения:
h_i~h₀(f₀/f_i),
где h_i - толщина стенки трубопровода в зоне максимума корреляционной функции акустического шума в полосе с центральной частотой f_i; h₀ - номинальная толщина стенки; f₀ - частота основного тона акустического шума в трубопроводе с номинальной толщиной стенки h₀.

Эффективно, если частоту основного тона акустического шума трубопровода выбирают по максимальному уровню вибропараметров, регистрируемых в зоне трубопровода с номинальной толщиной стенки.

Надежно, если в качестве вибропараметров выбирают виброскорость, виброперемещение и виброускорение.

Удобно, если частоту основного тона акустического шума трубопровода определяют по вибропараметрам из соотношения:
f₀~V/S,
где V - виброскорость; S - виброперемещение.

Целесообразно, если акустические шумы регистрируют при двух и более скоростях потока среды.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск информации по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что отсутствуют аналоги заявленному способу, идентичные всем его существенным признакам.

Следовательно, заявленный способ оценки состояния стенки трубопровода соответствует критерию "новизна", действующего Патентного закона.

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранного прототипа.

Установлено, заявленный способ явным образом не следует из известного уровня техники. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

При практическом применении известного способа при поисках утечек кроме максимума корреляционной функции наблюдались и другие максимумы, причем не во всех частотных диапазонах. Вскрытия зон трубопроводов указали на причины появления таких максимумов - врезки, утонения стенок трубопроводов. Эти обстоятельства послужили основой для поиска методики оценки состояния стенки трубопровода.

Рассмотрим теоретические аспекты этого вопроса, способствующие реализации способа. При этом воспользуемся теорией турбулентного шума, возникающего при движении жидкости (газа) и взаимодействии этой жидкости с твердыми телами.

Согласно выводам, изложенным в книге B.C. Петровского "Гидродинамические проблемы турбулентного шума" Л. : Судостроение, 1966. - 252 с., пульсации давления от турбулентных потоков среды для фиксированной точки обтекаемой поверхности на данной частоте можно оценить с помощью соотношения

где k - постоянная величина; ρ - плотность среды; ν, γ - кинематическая и турбулентная вязкость среды соответственно; U - скорость набегающего потока; f - частота колебаний.

Из соотношения (1) видно, что при контроле трубопровода с постоянными значениями параметров протекающей в турбулентном режиме среды, постоянство изменения величины по длине трубопровода может быть компенсировано за счет локальных изменений U и f. При этом связь скорости потока с частотой пульсаций для двух фиксированных точек поверхности можно выразить соотношением
(U₁/U₂)^14/5~(f₂/f₁)^-5/3, (2)
где U ₁ и U₂ - скорости потока в фиксированных точках 1 и 2, f₁ и f₂ - частоты пульсаций в этих точках соответственно. Частота вибрации стенки трубопровода соответствует частоте пульсации давления турбулентного потока жидкости.

Полагая, что средняя амплитуда вибраций обтекаемой поверхности пропорциональна среднему значению пульсационного давления связь между амплитудой вибраций на фиксированной частоте и скоростью потока, возбуждающего эту поверхность, можно оценить из соотношения (см. книгу В.С. Петровского)

где - средние амплитуды вибраций пластины при скоростях потока U₁ и U₂ соответственно.

В свою очередь, для постоянной скорости потока U с учетом (2) и (3) можно записать:

Известно также (см. книгу В.С. Петровского), что для пластин различной толщины h₁ и h₂, имеющих одинаковую удельную плотность и возбуждаемых одинаковой силой, отношение средних амплитуд вибраций на фиксированной частоте определяется экспериментальной зависимостью:
w₁/w₂~(h₂/h₁)^3/2, (5)
где w₁ и w₂ - амплитуда вибрации пластин толщиной h₁ и h₂ соответственно.

Используя (4) и (5) получим соотношение, позволяющее оценить связь частоты акустического излучения в фиксированных точках поверхности с толщиной этой поверхности при одном и том же значении в этих точках:
(h₁/h₂)^3/2~(f₂/f₁)^-5/3. (6)
Из соотношения (6) видно, что чем меньше толщина поверхности, взаимодействующая с турбулентным потоком жидкой или газообразной среды, тем частота колебаний этой поверхности будет выше, причем эта взаимосвязь близка к обратно пропорциональной. Следует подчеркнуть, что колебания поверхности проходят на вынужденных частотах, совпадающих с частотами турбулентных пульсаций.

Исходя из проведенных аналитических рассуждений можно предположить, что при протекании по трубопроводу турбулентного потока среды, в стенках последнего будут возникать вибрации поверхности, причем в зонах утонения стенки частотный диапазон вибраций должен быть выше, чем в основной части трубопровода, т. е. такая зона трубопровода будет представлять собой самостоятельный источник вибрации (акустического шума), который в свою очередь может быть зарегистрирован с использованием рассмотренного выше акустического корреляционного метода контроля.

Практически предлагаемый способ оценки может быть реализован следующим образом.

Прежде всего определяется частота основного тона (f₀) акустического шума в трубопроводе, создаваемого стенками трубопровода с номинальной толщиной (h₀). Выбирается участок трубопровода с открытым доступом (в колодце, шурфе и т. п. ), замеряется толщина стенки трубопровода, например, ультразвуковым толщиномером "Кварц - 15", которая близка к номинальной (h₀), и в этой зоне производятся замеры параметров вибрации стенки. Например, с помощью виброметра ВМ-10. Этот виброметр позволяет измерять параметры вибрации в различных частотных диапазонах. Поэтому при пользовании этим виброметром за частоту основного тона акустического шума следует принимать частоту, на которой параметры вибрации максимальны. Если отсутствует виброметр с выборочной частотой регистрации, можно пользоваться виброметрами, работающими в широком частотном диапазоне. Но в этом случае частоту основного тона акустического шума в данной точке трубопровода определяют по соотношению:
f₀~V/S, (7)
где V - виброскорость; S - виброперемещение, измеренные в широком частотном диапазоне.

После определения частоты основного тона (f₀) акустического шума и номинальной толщины стенки (h₀) выполняется анализ корреляционной функции во всем диапазоне изменения времени задержки (τ) при всех фиксированных частотах. На каждой из выбранный частот регистрации (f_i) определяется наличие максимумов корреляционной функции и определяется местоположение зоны трубопровода, соответствующее этому максимуму, по известной методике, реализуемой, например, с помощью течеискателя ТЕАК-КОРР-4000 производства НПФ "Электроника" (Украина).

Ориентировочное значение толщины стенки (h_i) трубопровода для каждой выявленной зоны можно определить из соотношения:
h_i~h₀(f₀/f_i). (8)
На образце трубопровода длиной 12 м, диаметром 34 мм и толщиной стенки 3,5 мм выполнена проточка диаметром 31 мм длиной 400 мм. По трубе в турбулентном режиме прокачивается вода. На указанном образце трубопровода в зонах с различной толщиной стенки при постоянном режиме протекания воды проведены замеры акустических шумов в различных частотных диапазонах. Акустические сигналы регистрировались с помощью широкополосного акустического преобразователя мод. 8320 фирмы Брюль и Къер (Дания). Сигналы с преобразователя поступали на усилитель и далее подавались на вход виброметра ВМ-10. Проведены замеры вибропараметров (виброперемещения S, виброскорости V и виброускорения А) в различных полосах частот. Значения вибропараметров зафиксированы в условных единицах и представлены в табл.1-3. В табл. 1 приведены данные измерений в трубопроводе на участке с толщиной стенки 3,5 мм. В табл. 2 приведены данные измерений на участке трубы с толщиной стенки 2 мм, а в табл. 3 приведены данные измерений в трубе, заполненной водой при скорости жидкости, равной нулю (определялся спектр шумов стенда).

Как видно из табл. 1-3 частота сигналов, на которую приходятся максимумы вибропараметров (виброскорость и виброускорение), для трубы с толщиной стенки h₀=3,5 мм составляет f₀=12 Гц, а для участка трубы с толщиной стенки h_i= 2 мм она близка к f_i=20 Гц. Параметр вибросмещение не использован, так как его изменения при отсутствии движения воды практически такие же, как и при протекании турбулентного потока.

На основании результатов эксперимента определим толщину стенки трубопровода, пользуясь соотношением (8):
h_i~3,5(12/20)=2,1 мм.

Расчет показывает, что полученная величина (2,1 мм) близка к фактической, равной - 2,0 мм.

Для повышения достоверности контроля целесообразно провести вышеперечисленные работы при различных скоростях движения жидкости в трубопроводе.

Таким образом, изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.

Изобретение относится к области диагностики конструкций и может быть использовано для оценки состояния стенки трубопровода. Определяют частоту (f_i), на которой появляется максимум корреляционной функции от источника акустических шумов в трубопроводе. Определяют частоту (f_о) основного тона акустического шума на участке с номинальной толщиной стенки (h_о). Состояние стенки (h_i) в месте максимума корреляционной функции h_i~h(f_o/f_i). Технический результат: расширение возможностей способа определения места утечки среды из трубопровода. 4 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ оценки состояния стенки трубопровода, при котором регистрируют акустические шумы в двух точках по длине трубопровода от движения перемещаемой в нем среды, вычисляют корреляционную функцию этих шумов, определяют аварийное место по положению максимума корреляционной функции, отличающийся тем, что корреляционную функцию двух потоков акустических шумов определяют для ряда фиксированных полос частот, с выведением центральной частоты (f_i), фиксируют центральную частоту (f_i), при которой наблюдается максимум корреляционной функции, определяют частоту основного тона акустического шума (f_о) в трубопроводе с номинальной толщиной стенки (h_о), а о состоянии стенки трубопровода в месте максимума корреляционной функции судят из соотношения
h_i ~ h_o(f_o/f_i),
где h_i - толщина стенки трубопровода в зоне максимума корреляционной функции акустического шума в полосе с центральной частотой f_i, h_о - номинальная толщина стенки, f_о - частота основного тона акустического шума в трубопроводе на участке с номинальной толщиной стенки. 2. Способ оценки состояния стенки по п. 1, отличающийся тем, что частоту основного тона акустического шума трубопровода выбирают по максимальному уровню вибропараметров, регистрируемых на участке трубопровода с номинальной толщиной стенки. 3. Способ оценки состояния стенки по п. 2, отличающийся тем, что в качестве вибропараметров выбирают виброскорость, вибросмещение и виброускорение. 4. Способ оценки состояния стенки по п. 1 или 3, отличающийся тем, что частоту основного тона акустического шума трубопровода определяют по вибропараметрам из соотношения
f_o ~ V/S,
где V - виброскорость, S - вибросмещение. 5. Способ оценки состояния стенки по п. 1, отличающийся тем, что акустические шумы в трубопроводе регистрируют при двух и более скоростях потока среды.