Способ определения утечек трубопровода Российский патент 2024 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к области диагностики утечек в трубопроводах и может быть использовано для определения наличия протечек на участках, не доступных для технического осмотра.

Известен способ диагностики течей в арматуре, трубопроводах, сосудах давления и устройство для его осуществления, см. патент RU 2132510, МПК F17D 5/02, 27.06.1997. Согласно этому способу сигнал возможной утечки (например, акустический сигнал, распространяющийся по трубопроводу) подвергается спектральной обработке, путем усреднения по очереди в амплитудных спектрах выделяются детерминированные компоненты, которые характеризуют сигнал утечки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ диагностики трубопровода, см. патент RU 2241174, МПК F17D 5/02, 27.11.2004. Согласно этому способу регистрируются акустические шумы трубопровода и производится их спектральная обработка, по рассогласованию текущих спектров со спектром герметичного трубопровода, которое выражается в появлении дополнительной высокочастотной компоненты, устанавливается факт возникновения утечки.

Известные способы основываются на поиске информативных гармоник в амплитудных спектрах акустического сигнала. Как правило, эти гармоники заранее не известны. Наличие в спектрах большого количества частотных составляющих затрудняет интерпретацию результатов измерений и приводит к ошибочному принятию решения о наличии или отсутствии течи. Таким образом, недостатком известных способов является низкая достоверность определения течи.

Задачей изобретения является повышение достоверности определения утечки за счет упрощения интерпретации результатов измерений, исключения ошибок в принятии решения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения утечек трубопровода, по которому регистрируют акустические шумы эксплуатируемого трубопровода, согласно настоящему изобретению, факт возникновения утечки устанавливают по изменению величины скейлинговой экспоненты акустических шумов, рассчитанной с применением детрендированного флуктуационного анализа.

Возможность достижения технического результата подтверждается следующим.

В потоке жидкости, вытекающей турбулентно через сквозное отверстие в стенке трубы, возникают хаотические пульсации плотности. Появление таких пульсаций приводит к возникновению упругих волн в самой жидкости и в стенках трубы. Определяющим параметром этих пульсаций является скорость истечения жидкости и размер отверстия. Во временной динамике турбулентных флуктуаций присутствуют самоподобные структуры, повторяющие сами себя на определенных промежутках времени. Таким образом, акустическим шумам, возникающим при утечках жидкости свойственна масштабная инвариантность (скейлинг). Анализ скейлинга акустических шумов трубопровода позволяет получить качественную информацию о наличии утечек.

Способ реализуется следующим образом.

При заданном технологическом режиме движения жидкости (расход, давление, температура и т.д.) в герметичном трубопроводе регистрируют акустические шумы, распространяющиеся в металле трубы или в самой жидкости. Для акустических шумов герметичного трубопровода определяют величину скейлинговой экспоненты с применением детрендированного флуктуационного анализа. Аналогичные измерения производят на том же трубопроводе в процессе его эксплуатации. По отклонению текущих значений скейлинговой экспоненты от значений, полученных на герметичном трубопроводе, устанавливают факт возникновения утечки.

Для расчета скейлинговой экспоненты с применением детрендированного флуктуационного анализа выполняется следующая последовательность действий.

1. Акустические шумы трубопровода z(i), i=1,…,N (Фиг. 1), преобразуются в вид, характерный для временного ряда случайного блуждания (Фиг. 2). Для этого вычисляется профиль (кумулятивная сумма) y(k):

где z(i) - значения амплитуды акустических шумов трубопровода (i=1,…,N),

- среднее значение амплитуды акустических шумов трубопровода,

2. Ряд значений y(k) разбивается на N_n непересекающихся интервалов длины n:

N_n=N/n,

3. В пределах каждого интервала методом наименьших квадратов осуществляется линейная аппроксимация последовательности y(k). Найденная аппроксимация y_n(k) рассматривается в качестве локального тренда.

4. Вычисляется среднеквадратическая ошибка линейной аппроксимации F(n):

Соответствующие расчеты проводятся в широком диапазоне значений n.

5. Для зависимости lg F(n) от lg n методом наименьших квадратов определяется уравнение регрессии в виде:

lg F(n)=α⋅lg n+const,

где α - угловой коэффициент, характеризующий наклон линии регрессии,

const - константа уравнения регрессии.

Угловой коэффициент α является скейлинговой экспонентой метода детрендированного флуктуационного анализа.

Предлагаемый способ определения утечек трубопровода экспериментально испытан.

Схема экспериментального стенда представлена на фиг. 3.

Цифрами на фиг. 3 обозначены:

1 - вентиль;

2 - трубопровод (длина 2 м, внешний диаметр 0,159 м, толщина стенки 6 мм);

3 - датчик вибрационного ускорения (АР2038Р);

4 - дефект;

5 - манометр;

6 - емкость;

7 - насос (XKJ-900I);

8 - согласующее устройство (AG01-3)

9 - аналого-цифровой преобразователь (NI USB-6229)

10 - компьютер.

Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый контур с циркулирующей водой. Закрытием вентиля 1 поддерживалось давление нагнетания насоса 2 бара. Давление контролировалось с помощью манометра 5. Акустические шумы трубопровода 2 регистрировались пьезоэлектрическим датчиком 3 в продольном направлении относительно оси трубопровода.

Для анализа сигналов применялся пакет программ, написанный в среде LabVIEW. Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 9 принята равной 40 кГц.

В качестве моделей дефектов трубопровода использовались диски с отверстиями разного диаметра (от 1 до 5 мм), представленные на фиг. 4. Диски устанавливались и зажимались на одном уровне со стенкой трубы (фиг. 5).

На фиг. 6 и 7: 1 - зависимость lg F (lg n), 2 - линия регрессии.

На фиг. 8 представлены результаты расчета скейлинговой экспоненты виброакустических сигналов. Значение скейлинговой экспоненты получено медианным усреднением результатов анализа 20 виброакустических сигналов.

Из фиг. 8 видно, что с увеличением размера утечки растет скейлинговая экспонента виброакустических сигналов. Диапазон 0<α<0,5 соответствует отрицательной корреляции (происходит чередование больших и малых амплитуд колебаний). При 0,5<α<1 присутствует коррелированная динамика (большие амплитуды колебаний чаще следуют за большими, малые за малыми). С увеличением размера утечки упругие колебания стенки трубы приобретают коррелированную динамику.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую достоверность определения утечек трубопровода.

Изобретение относится к области диагностики утечек в трубопроводах и может быть использовано для определения наличия протечек на участках, не доступных для технического осмотра. Сущность заключается в том, что сначала регистрируют шумы трубопровода. Факт возникновения утечки устанавливают по изменению величины скейлинговой экспоненты α акустических шумов длиной N, рассчитанной с применением детрендированного флуктуационного анализа. Для этого вычисляется кумулятивная сумма y(k): где z(i) - значения амплитуды акустических шумов трубопровода (i=1,…,N), - среднее значение амплитуды акустических шумов трубопровода, ряд значений y(k) разбивается на N_n непересекающихся интервалов длины n: N_n=N/n, в пределах каждого интервала методом наименьших квадратов осуществляется линейная аппроксимация последовательности y(k) и вычисляется среднеквадратическая ошибка линейной аппроксимации F(n): где y_n(k) - значения аппроксимирующей функции, для зависимости lg F(n) от lg n методом наименьших квадратов определяется уравнение регрессии в виде: lg F (n)= α⋅lg n+const, где α - скейлинговая экспонента, const - константа уравнения регрессии. Техническим результатом является повышение достоверности определения утечки за счет упрощения интерпретации результатов измерений, исключения ошибок в принятии решения. 8 ил.

Способ определения утечек трубопровода, заключающийся в том, что регистрируют акустические шумы эксплуатируемого трубопровода, отличающийся тем, что факт возникновения утечки устанавливают по изменению величины скейлинговой экспоненты α сигналов акустических шумов длиной N, рассчитанной с применением детрендированного флуктуационного анализа, для этого вычисляется кумулятивная сумма y(k):

где z(i) - значения амплитуды акустических шумов трубопровода (i=1,…,N),

- среднее значение амплитуды акустических шумов,

ряд значений y(k) разбивается на N_n непересекающихся интервалов длины n:

N_n=N/n,

в пределах каждого интервала методом наименьших квадратов осуществляется линейная аппроксимация последовательности y(k) и вычисляется среднеквадратическая ошибка линейной аппроксимации F(n):

где y_n(k) - значения аппроксимирующей функции,

для зависимости lg F(n) от lg n методом наименьших квадратов определяется уравнение регрессии в виде:

lg F (n)=α⋅lg n+const,

где α - угловой коэффициент, характеризующий наклон линии регрессии, являющийся скейлинговой экспонентой,

const - константа уравнения регрессии.