Особенности распространения сигналов акустической эмиссии утечек в трубопроводах с жидкостью и аппаратура контроля герметичности

• Автор: Овчинников, Алексей Львович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ГЛАВА 1 ОБЪЕКТЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА И

КОНТРОЛЬ ИХ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

1.1. Характерные сквозные дефекты и методы их обнаружения

1.2. Физические основы генерации АЭ утечками

1.3. Акустический тракт распространения сигналов АЭ

1.4. Акустические помехи, работающего нефтепровода,

мешающие обнаружению утечек

1.5. Акустические средства обнаружения утечек

1.6. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2 ВОЛНОВАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ТРУБОПРОВОДАХ

2.1. Анализ распространения акустических сигналов

В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ, жидкостном волноводе с двухслойной стенкой методом нормальных волн
2.2. Исследование коэффициентов за тухания нормальных
ВОЛН В ТРУБОПРОВОДЕ
2.3. Пространственный спектр поля АЭ в трубопроводе
2.4. Оценка нелинейных эффектов при распространении
сигналов АЭ утечки
2.5. Метод обнаружения утечки при одностороннем доступе на основе пространственной фильтрации
отдельных мод волновода
Выводы
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ В ТРУБАХ С ЖИДКОСТЬЮ
3.1. Оценка статистических характеристик сигнала АЭ
3.2. Экспериментальные исследования распространения
акустических сигналов на реальных трубопроводах
3.3. Исследования взаимодействия сигнала АЭ утечки с
акустическим зондирующим сигналом
3.4. Проверка алгоритма обнаружения утечки при
одностороннем доступе
3.5. Трансформация спектра сигнала при его распространении
по трубопроводу
3.6. Влияние многомодового ха ра ктера ра спростра нения сигнала АЭ
НА точность локализации
3.7. Оценка зоны контроля, оптимизация алгоритмов
ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ
Выводы

ГЛАВА 4 АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В РАЗРАБОТКЕ И СОЗДАНИИ ПРИБОРОВ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В
ТРУБОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
4.1. Постановка зада чи разработки приборов
4.2. Корреляционный течеискатель с функцией обнаружения
УТЕЧКИ ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ ДОСТУПЕ
4.2.1. Основные вопросы разработки прибора
4.2.2. Корреляционный течеискатель ТАК-2005
4.2.3. Алгоритмическое обеспечение прибора ТАК-2005
4.3. Метод дальнего обнаружения утечки
4.3.1. Физические основы метода
4.3.2. Разработка структурной схемы
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

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 водоснабжающие 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

кпючения 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-4 1/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 = а1 + аг+аз (2.15)
где щ - коэффициент поглощения, вызванный наличием вязкости и теплопроводности; а2, а3 - соответственно коэффициенты поглощения обусловленные наличием внутреннего трения в жидкости и трения жидкости о стенку трубы.
Коэффициент поглощения си вызванный наличием вязкости и теплопроводности, определяется формулой Стокса-Кирхгофа [65]:
4яг2/2
4 , ■^М+С + к
_1 1_
С с
(2.16)
2 рс0
где f - частота (Гц); Сд- скорость звука в жидкости; р - плотность; р, £ - сдвиговый и объемный коэффициенты вязкости; к - коэффициент теплопроводности; Су И Ср -теплоемкости жидкости при постоянном объеме и давлении соответственно. Коэффициент поглощения сс2 определим по известному выражению [40]:
8л"2у У /О Л-7
а2 г/ (2-17)
рс о
где V- коэффициент кинематической вязкости.
И наконец для оценки коэффициента поглощения упругих колебаний вызванного трением жидкости о стенку трубы используем выражение приведенное в [40]: