СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ОБОЛОЧКИ ТРУБОПРОВОДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕГО СРЕДЫ Российский патент 2017 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к контролю безопасности эксплуатируемых трубопроводов и может быть использовано для предотвращения установки врезок в трубу, боеприпасов для ее подрыва, имитаторов несанкционированных работ в охранной зоне пролегания трубопровода для дезинформации службы безопасности, а также обнаружения утечек продукта, промерзания грунта в текущий период, просадок, выпучиваний, парафинирования трубы.

Известен способ обнаружения изменений состояний участка трубопровода по виброакустическим сигналам, формирующимся при несанкционированном взаимодействии субъекта с оболочкой трубы [Защита трубопроводов от несанкционированных врезок. / А.А. Казаков // Системы безопасности. - 2008. - №5. - С. 150-154]. Недостатком этого способа является малая номенклатура обнаруживаемых состояний (удар по трубе), запаздывание появления предупреждающего сигнала, исключающее возможность предотвратить нарушение целостности трубы и сопутствующую в результате этого чрезвычайную ситуацию.

Известен способ обнаружения «аварийно-опасного» участка трубопровода, основанный на возбуждении ударных виброакустических импульсов в оболочке трубы с помощью приваренных к ней звукопроводящих стержней с последующим определением отношения резонансной частоты диагностируемого трубопровода к эталонной [Пат. 2350833 РФ, МПК F17D 5/00. Способ контроля и диагностики состояния трубопровода [Текст]. / Толстунов С.А., Мозер С.П., Толстунов А.С.]. В основу способа положено известное соотношение зависимости резонансной частоты пластины ƒ₀ от ее толщины h: ƒ₀=c/2h, с - скорость распространения продольных волн в трубопроводе. Использование этой закономерности для выявления земляных работ в охраняемой зоне не представляется возможным.

Известна заявка №2006137406/28 от 23.10.2006 (дата публикации заявки 27.04.2008) на способ и устройство дальнего обнаружения утечек в трубопроводе. Согласно заявке в перекачиваемом продукте создаются периодические волны давления, которые регистрируются на другом конце контролируемого участка. По искажению регистрируемой волны судят о наличии утечки на этом участке. Способ не позволяет фиксировать изменения, происходящие за пределами оболочки трубопровода.

Известен способ обнаружения утечек на трубопроводном транспорте углеводородов, основанный на регистрации и анализе инфразвуковых сигналов в перекачиваемом продукте [Пат. US 666861982. Pattern matching for real time leak detection and location in pipelines (Распознавание образов для детектирования в реальном времени факта и локализации врезок в трубопроводы)] и в различных вариантах исполнения описанный в http://acoustic-solution-intl.com/faq_index.htm; www.grouplb.com; http://torinsk.ru/publication/25-mpp2007.html и др. Недостаток способа - регистрируется факт нарушения целостности трубопровода, а не подготовительные работы по установке врезки или боеприпаса.

Известен способ изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального трубопровода [Пат. 2463590 РФ, МПК G01N 29/04. Способ обнаружения изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального трубопровода. / Епифанцев Б.Н., Федотов А.А.]. Согласно способу в оболочке трубы возбуждают виброакустические сигналы, регистрируют их на удалении от места возбуждения, проводят накопление зарегистрированных сигналов, соответствующих конкретному состоянию объекта контроля, и принимают результат накопления за соответствующий эталон, с которым сравнивают накопленные сигналы в периоды проведения контроля. Недостатком способа является неизвестное количество накоплений при проведении операций обучения и тестирования, оно зависит от изменения погодных условий, режима перекачки продукта и др.

Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является способ обнаружения дефектов в трубопроводах [Пат. 2439551 РФ, МПК G01N 29/04. Способ обнаружения дефектов в трубопроводах. / Алексеев С.П. и др.].

Согласно способу формируют акустические сигналы и регистрируют их после прохождения контролируемой среды, определяют плотность распределения зарегистрированных сигналов, вычисляют моменты полученных распределений, по величине которых судят о наличии изменений в контролируемой среде. Недостатком способа является выявление только одного изменения от нормативно установленного. Кроме того, способ работоспособен при высоком отношении сигнал/шум. В реальности это условие редко выполняется, и надежность обнаружения изменения в среде (наличие включения) оказывается недостаточной.

Целью изобретения является увеличение надежности обнаружения значимых изменений параметров оболочки трубопровода и окружающей его среды при увеличении номенклатуры классифицируемых изменений.

Указанная цель достигается тем, что виброакустические сигналы возбуждают в оболочке трубы следующими друг за другом воздействиями на ее поверхность через интервалы, превышающие интервал корреляции существующих в ней виброакустических шумов, последовательность отсчетов регистрируемых реакций на каждое воздействие на другом конце контролируемого участка трубопровода суммируют с ранее полученными аналогичными отсчетами, модуль результирующего сигнала нормируют и принимают за плотность распределения временных интервалов отсчетов от начала до конца сформированного в сумматоре сигнала, по этому распределению вычисляют его оценки математического ожидания, среднеквадратичного отклонения, асимметрии и эксцесса, а по совокупности каждого из этих моментов, полученных после очередного воздействия на трубопровод, определяют линии регрессии их средних и отклонений от них, сравнивают эти линии с вычисленными на предыдущем шаге и при достижении результатами сравнения ниже установленных значений прогнозируют их поведение с ростом количества суммирований для обеспечения допустимых доверительных границ вычисляемых моментов, по достижению которого принимают решение как о наличии, так и виде изменений в трубопроводной системе в текущий момент времени.

Кроме того, в промежутках между воздействиями на оболочку трубопровода регистрируют существующий в ней виброакустический шум, определяют его интервал корреляции, по которому устанавливают интервалы между возбуждениями виброакустических сигналов в оболочке трубы.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Фиг. 2 и 3 поясняют алгоритм формирования сигналов в сумматоре.

На фиг. 2а и 3а приведены реализации шума, полученные моделированием случайного процесса с экспоненциальной корреляционной функцией и интервалом корреляции 100 мс. На первую из них аддитивно положен сигнал в виде косинусоидального импульса, на вторую - в виде логнормальной функции. Отношение сигнал/шум в обоих случаях 0,5. Фиг. 2б и 3б отражают результаты 50-кратного суммирования разных реализаций вида, представленных на фиг. 2а и 3а. Аналогичные функции показаны фиг. 2в и 3в, полученные при 100 суммированиях таких реализаций.

На фиг. 4 проиллюстрированы изменения значений момента плотности распределения вида, показанного на фиг. 3, и его доверительных границ от количества суммирований (воздействий на объект контроля).

Обозначения на чертежах: 1 - изображение трубопровода; В - элемент возбуждения виброакустических сигналов в оболочке трубы; Г - генератор сигналов, П - приемник виброакустических сигналов, У - усилитель, ЛЗ - линия задержки, КЛ₁ и КЛ₂ - электронные ключи, В₁ и В₂ - вычислители, КОМ - коммутатор, N - число суммирований, ОСШ - отношение сигнал/шум, u(t) - нормированная амплитуда сигнала на интервале t-t_k+τ_с, τ_с - длительность возбуждения поверхности оболочки трубы, - средняя длительность формирующихся на выходе приемника сигналов, Л₂ - линия регрессии момента распределения, Л₁ и Л₃ - изменения доверительных границ вычисляемого момента в зависимости от количества суммирований, N_y - количество суммирований, при котором вычисляемые линии регрессии Л₁-Л₃ на предыдущем шаге N=N_y-1 отличались от полученных на заранее установленную величину, Д₁-Д₂ - доверительные интервалы, допускаемые при оценке соответствующего момента распределения, штриховые кривые - прогноз доверительных границ с увеличением N.

При воздействии элементом В на оболочку трубопровода в ней формируется виброакустический импульс, распространяющийся в направлении приемника П. В зависимости от соотношений волновых сопротивлений соприкасающихся систем «оболочка - перекачиваемый продукт», «оболочка - внешняя среда» часть энергии импульса переходит в указанные среды, причем доли покинувших оболочку виброакустических колебаний зависят от частоты их колебаний [Буденков С.А. и др. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов // Дефектоскопия, 2000, №2, С. 29-36]. В силу указанных причин форма импульса, сформированная в месте взаимодействия элемента В с поверхностью трубы, по мере распространения изменяется в зависимости от амплитудно-частотной характеристики канала распространения колебаний. Парафинирование внутренней стенки трубы изменяет соотношение волновых сопротивлений «оболочка трубы - перекачиваемый продукт», наблюдается не только изменение энергии импульса, но и его формы из-за зависимости волновых сопротивлений от частоты колебаний [Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3. И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. - М.: Машиностроение, 2006. - 864 с.].

В оболочке трубопровода формируются случайные флуктуации механических (виброакустических) колебаний, порождаемые следующими причинами [Епифанцев Б.Н и др. Трубопроводный транспорт: нейтрализация новых угроз безопасности. - Омск: СибАДИ, 2006. - 295 с.]:

- турбулентным характером движения перекачиваемого продукта;

- ветровым фактором, формирующим через растительность сейсмические колебания в канале передачи «прозванивающих» виброакустических импульсов;

- проезжающим вблизи «охранной зоны» транспортом и т.д.

Регистрируемый приемником П сигнал оказывается соизмеримым или меньшим сренеквадратического отклонения сопутствующих шумов. В связи с этим для обнаружения поступающих сигналов требуется вводить операцию по увеличению отношения сигнал/шум. В качестве такой операции предлагается использовать накопление сигналов. Исследуемая задача допускает такую возможность - решение принимается по совокупности откликов на N «прозванивающих» виброакустических импульсов.

Сформированный генератором Г электрический импульс преобразуется элементом возбуждения В в виброакустический, который «прозванивает» канал его распространения. Достигнув приемника П, он вновь преобразуется в электрический сигнал, поступающий через усилитель на линию задержки ЛЗ. По окончанию сигнала генератора Г коммутатор КОМ открывает ключи КЛ₂, сформировавшийся за время работы генератора отклик на выходе приемника П переносится в вычислитель В₂. После окончания импульса генератора Г на линию задержки ЛЗ поступает шумовой процесс, распределение интенсивности которого на интервале между «прозваниваниями» переносится коммутатором КОМ в вычислитель В₁ перед появлением нового импульса генератора Г.

В вычислителе В₂ каждая поступающая реализация отклика из линии задержки ЛЗ суммируется с ранее записанными. В первой из них N=1 в основном просматривается шум, полезный сигнал не выделяется (фиг. 2а, 3а). После многих суммирований (процесс накопления) сигнал проявляется все отчетливее. Согласно принципу накопления приращение интенсивности сигнала пропорционально числу накоплений N, а шумов - . Этот эффект справедлив, когда реализации шумов не коррелированны. Для обеспечения этого условия в вычислителе B₁ определяется интервал корреляции текущих шумов τ_k и по нему устанавливается требуемая длительность импульса τ_с. Наилучший случай - равенство τ_с=τ_k. Система обнаружения оказывается адаптированной к изменениям шумовой обстановки в зоне контролируемого объекта.

По мере увеличения числа суммирований начинает выявляться форма принимаемого сигнала (фиг. 2, 3), по которой можно судить о характере изменения в канале распространения «прозванивающего» сигнала [Епифанцев Б.Н. и др. К оценке чувствительности виброакустической системы обнаружения локальных возмущений параметров среды в окружении магистрального трубопровода // Дефектоскопия. - 2015. - №2. - С. 17-26].

Описание этой формы возможно моментами формирующейся кривой. Такими моментами могут служить среднее, среднеквадратическое отклонение, асимметрия, эксцесс. Выполнение этой операции требует знания плотности распределения вероятностей. Если в качестве параметра распределения принять длительности от начала работы генератора в момент t-τ_k до очередного отсчета сигнала (количество отсчетов определяется выбранным количеством ключей КЛ₂), то амплитуды отсчетов очередной суммы можно принять за значения вероятностей. Для этого необходимо использовать модуль сигнала u(t) (вероятности не могут быть отрицательными, данный эффект наблюдается в начале работы вычислителя (при N=1)). Второе условие сводится к выполнению нормировки значений отсчетов (их сумма должна равняться единице).

Наконец, следует решить вопрос, когда завершается процесс суммирования откликов канала прокладки трубопровода на «прозванивающие» сигналы. Фиг. 4 поясняет алгоритм нахождения ответа на этот вопрос.

Если N мало, разброс вычисляемых моментов по изложенной схеме значителен. С ростом N оценки моментов группируются около среднего (дисперсия оценок пропорциональна корню из 1/N). После каждого суммирования определяются линии регрессии оцениваемых параметров и отклонений от них (Л₁-Л₃). Если при очередном вычислении этих линий их отличие от предыдущих не превысит заданную величину, их поведение прогнозируется при увеличении N (штриховые линии на фиг. 4). Определяется далее, при каком значении N найденная оценка попадет в заданный доверительный интервал (Д₁-Д₂ на фиг. 4). Реализацией этого количества «прозванивающих импульсов» завершается цикл очередного испытания трубопроводной системы на наличие произошедших изменений.

Перечень интересующих изменений реализуется на действующих в настоящее время полигонах. По каждому моделируемому изменению оценивается форма отклика при разных N и положение моментов формы с доверительными интервалами.

Использование: для обнаружения изменений параметров заглубленного трубопровода и окружающей его среды. Сущность изобретения заключается в том, что в оболочке трубы возбуждают последовательность виброакустических импульсов через интервалы, превышающие интервал корреляции существующих в ней шумов, последовательность отсчетов регистрируемых реакций на каждое воздействие на другом конце контролируемого участка трубопровода суммируют с ранее полученными аналогичными отсчетами, модуль результирующего сигнала нормируют и принимают за плотность распределения временных интервалов отсчетов от начала до конца сформированного в сумматоре сигнала, по этому распределению вычисляют его оценки математического ожидания, среднеквадратичного отклонения, асимметрии и эксцесса, по совокупности каждого из этих моментов определяют линии регрессии их средних и отклонений от них, сравнивают эти линии с вычисленными на предыдущем шаге и при достижении результатами сравнения установленных значений прогнозируют их поведение с ростом количества суммирования для обеспечения допустимых доверительных границ вычисляемых моментов, по достижению которых судят как о наличии, так и виде изменений в трубопроводной системе в текущий момент времени. Технический результат: повышение надежности обнаружения изменений параметров в трубопроводной системе и распознавание их вида. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обнаружения и классификации изменений в оболочке трубопровода и окружающей его среде, основанный на возбуждении и регистрации виброакустических сигналов, формировании плотности распределения вероятностей регистрируемых сигналов и вычислении его моментов, вынесении решения по их значениям о появлении изменений в объекте контроля, отличающийся тем, что виброакустические сигналы возбуждают в оболочке трубы следующими друг за другом воздействиями на ее поверхность через интервалы, превышающие интервал корреляции существующих в ней виброакустических шумов, последовательность отсчетов регистрируемых реакций на каждое воздействие на другом конце контролируемого участка трубопровода суммируют с ранее полученными аналогичными отсчетами, модуль результирующего сигнала нормируют и принимают за плотность распределения временных интервалов отсчетов от начала до конца сформированного в сумматоре сигнала, по этому распределению вычисляют его оценки математического ожидания, среднеквадратичного отклонения, асимметрии и эксцесса, по совокупности каждого из этих моментов определяют линии регрессии их средних и отклонений от них, сравнивают эти линии с вычисленными на предыдущем шаге и при достижении результатами сравнения установленных значений прогнозируют их поведение с ростом числа суммирований для обеспечения допустимых доверительных границ вычисляемых моментов, по достижению которых судят как о наличии, так и виде изменений в трубопроводной системе в текущий момент времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в промежутках между воздействиями на оболочку трубопровода регистрируют существующий в ней виброакустический шум, определяют его интервал корреляции, по которому устанавливают интервалы между возбуждениями виброакустических сигналов в оболочке трубы.