СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧЕК ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2025 года по МПК F17D5/06 

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

Известен способ диагностики течей в арматуре, трубопроводах, сосудах давления и устройство для его осуществления, см. патент RU 2132510, МПК F17D5/02, 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 F17D5/02, 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 ширины мультифрактального спектра акустических шумов, рассчитанной с применением мультифрактального детрендированного флуктуационного анализа.

Возможность достижения технического результата подтверждается следующим.

В потоке жидкости, вытекающей турбулентно через сквозное отверстие в стенке трубы, возникают хаотические пульсации давления. Появление таких пульсаций приводит к возникновению акустических шумов в самой жидкости и в стенках трубы. Во временной динамике таких шумов присутствуют локальные изменения масштабной инвариантности (мультифрактальность), степень которых можно оценить по анализу ширины мультифрактального спектра.

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 ширину мультифрактального спектра с применением мультифрактального детрендированного флуктуационного анализа. Аналогичные измерения производят на том же трубопроводе в процессе его эксплуатации. По отклонению текущих значений ширины мультифрактального спектра от значений, полученных на герметичном трубопроводе, устанавливают факт возникновения утечки.

Для расчета ширины мультифрактального спектра с применением мультифрактального детрендированного флуктуационного анализа выполняется следующая последовательность действий.

1. Акустические шумы трубопровода x(i) (i=0,1,2,…, N), преобразуются в вид, характерный для временного ряда случайного блуждания. Для этого вычисляется профиль (кумулятивная сумма)y(i):

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

(x) - среднее значение амплитуды акустических шумов трубопровода.

2. Ряд значений y(i) разбивается на N_s непересекающихся интервалов длиной

s:

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

4. Для сегментов ν=1,…, N_s определяется дисперсия:

4. Задаваясь значениями произвольного показателя q, находятся значения флуктуационной функции:

для q=0 следует использовать выражение:

5. Для зависимости 1g F_q(S) от 1g s методом наименьших квадратов определяется уравнение регрессии в виде:

где h(q) - угловой коэффициент, характеризующий наклон линии регрессии, const - константа уравнения регрессии.

6. Вычисляется скейлинговый показатель τ(q):

7. Вычисляется показатель Гельдера α:

8. Вычисляется ширина мультифрактального спектра W:

где α_max - максимальное значение показателя Гельдера,

α_min ~ минимальное значение показателя Гельдера.

Предлагаемый способ определения утечек трубопровода экспериментально испытан.

Схема экспериментального стенда представлена на фиг. 1.

Цифрами на фиг. 1 обозначены:

1 - вентиль;

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

3 - датчик вибрационного ускорения АР2038Р-1000;

4 - дефект;

5 - манометр;

6 - емкость;

7 - насосная станция с частотно-регулируемым приводом LEO МАС550;

8 - аналого-цифровой преобразователь Zetlab ZET 030;

9 - компьютер.

Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый контур с циркулирующей водой. Прикрытием вентиля 1 задавалось необходимое для работы насосной станции гидравлическое сопротивление системы. Путем изменения частоты оборотов электродвигателя насосной станции задавалось различное давление нагнетания. 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 8 принята равной 50 кГц.

В ходе экспериментов моделировались сквозные дефекты трубопровода типа «трещина» размерами 2 мм, 8 мм и 20 мм. Для этого использовались стальные диски (фиг. 2):

- с щелью длиной 20 мм и шириной 0,5 мм,

- круглым отверстием диаметром 2 мм,

- круглым отверстием диаметром 8 мм.

Для получения трещин длиной 2 мм и 8 мм сверху диска с щелью укладывались диски с круглыми отверстиями соответствующего диаметра. Диски устанавливались на приваренном к трубе штуцере и зажимались шаровым краном (фиг. 3)

На фиг. 4-9 представлены результаты расчета ширины мультифрактального спектра акустических шумов при разной величине дефекта трубопровода и давлении нагнетания насосной станции. На фиг. 4-9 значение ширины мультифрактального спектра получено медианным усреднением результатов анализа 20 сигналов.

Из фиг. 4-9 видно, что с появлением утечки значительно увеличивается ширина мультифрактального спектра акустических шумов трубопровода. Предлагаемый способ обеспечивает высокую достоверность определения утечек.

В условиях эксплуатации реальных трубопроводов установка виброакустического датчика может быть осуществлена в местах, где имеется доступ к открытым участкам трубопровода (например, колодцах или тепловых камерах).

Изобретение относится к области диагностики утечек в трубопроводах и может быть использовано для определения наличия протечек на участках, недоступных для технического осмотра. Способ заключается в том, что с помощью датчика регистрируют акустические шумы эксплуатируемого трубопровода, факт возникновения утечки устанавливают по изменению ширины мультифрактального спектра сигналов акустических шумов длиной N, рассчитанной на компьютере с применением мультифрактального детрендированного флуктуационного анализа, по отклонению текущих значений ширины мультифрактального спектра от значений, полученных на герметичном трубопроводе, устанавливают факт возникновения утечки. Техническим результатом является повышение достоверности определения утечки за счет упрощения интерпретации результатов измерений, исключения ошибок в принятии решения. 9 ил.

Способ определения утечек трубопровода, заключающийся в том, что с помощью датчика регистрируют акустические шумы эксплуатируемого трубопровода, отличающийся тем, что факт возникновения утечки устанавливают по изменению ширины мультифрактального спектра сигналов акустических шумов длиной N, рассчитанной на компьютере с применением мультифрактального детрендированного флуктуационного анализа, для этого вычисляется кумулятивная сумма y(i):

где x_k – значения амплитуды акустических шумов трубопровода (i = 1, …, N),

– среднее значение амплитуды акустических шумов трубопровода,

ряд значений y(i) разбивается на N_s непересекающихся интервалов длиной s:

в пределах каждого интервала методом наименьших квадратов осуществляется линейная аппроксимация последовательности y_v(i) и для сегментов v = 1, ..., N_s вычисляется дисперсия:

задаваясь значениями произвольного показателя q, рассчитывается флуктуационная функция:

при этом для q = 0 используется выражение

для зависимости lg F_q(s) от lg s методом наименьших квадратов определяется уравнение регрессии в виде:

lg F_q(s)= h(q) ⋅ lg s + const,

где h(q) – угловой коэффициент, характеризующий наклон линии регрессии,

const – константа уравнения регрессии,

рассчитываются скейлинговый показатель τ(q):

показатель Гёльдера α:

ширина мультифрактального спектра W:

где α_max – максимальное значение показателя Гёльдера,

α_min – минимальное значение показателя Гёльдера,

по отклонению текущих значений ширины мультифрактального спектра от значений, полученных на герметичном трубопроводе, устанавливают факт возникновения утечки.