А.А. Белоус, А.К. Крамар

Научный руководитель Яблокова Виктория Сергеевна

доцент кафедры электроэнергетики и электротехники ДВФУ,

г. Владивосток

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕЧЕК НА ТРУБОПРОВОДАХ МЕТОДОМ

ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН

В данной работе рассмотрен метод отрицательных ударных волн как средство

обнаружения

утечек

на

трубопроводах.

В

качестве

примера

приведена система

постоянного мониторинга WaveAlert® компании Acoustic System Inc.

В настоящее время огромное количество трубопроводов находятся в эксплуатации в

различных отраслях промышленности. Так как все они находятся в разных природных

условиях (под или над землёй, в воде, в суровом арктическом климате или же, в жарких,

но в дождливых условиях), на длительность работы трубопроводов будут влиять именно

они.

В процессе эксплуатации трубопроводов могут возникать все различные дефекты:

коррозия,

трещины,

механический

износ,

обуславливаемый

трением

сопряжённых

поверхностей и другие, сопровождающиеся возникновением утечек, дефекты, которые

влекут за собой негативные последствия не только с экономической стороны, но и с

экологической. Поэтому с каждым годом проблема обнаружения этих дефектов становится

всё актуальнее.

Внедрение системы обнаружения утечек на трубопроводах позволяет обеспечить

своевременное, а главное точное выявление повреждений трубопровода.

Целью данной работы является анализ метода диагностирования труб на наличие

утечек

на

примере

метода

отрицательных

ударных

волн.

С

его

помощью

их

можно

обнаружить

благодаря

ударной

волне,

которая

сопровождается

скачкообразным

понижением давления в месте утечки.

Метод отрицательных ударных волн

Ударная волна – это область резкого сжатия среды, которая распространяется по обе

стороны трубопровода со скоростью звука. Если ударная волна протекает в условиях

пониженного давления, то она будет называться отрицательной . При наличии дефектов, в

месте

их

образования

будет

резкий

скачок

давления,

который

регистрируются

на

центральном диспетчерском пункте. А непосредственно само местоположение утечки X

определяют через разность прихода волн (

t

1

−

t

2

), которые свидетельствуют о смещении

места утечки от начала к концу участка трубы



1



.

t

1

−

t

2

X

=

L

2

+

C

2

∙

¿

), (1)

где L – длина рассматриваемого участка газопровода, а C – скорость звука в трубе.

Распространяющаяся скорость звука в трубе определяться по формуле (2). Скорость

распространения колебаний варьируется от 1425 м/с для водопроводов и до 1000 м/с для

продуктопроводов большого диаметра. Так же, скорость звука в трубопроводе зависит от

степени его заполненности.

1

−

φ

−

φ

K

(¿ ¿

s

)

∙ ρ

+

φ ∙ p

г

+

φ

s

∙ p

s

1

+

K

K

p

+

φ ∙

(

K

K

г

−

1

)

+

φ

s

∙

(

K

K

s

−

1

)

,

(

2

)

C

=

√

¿

Где

φ

- объёмное содержание газа по диспергированной фазе;

φ

s

- объемная

доля

механических

примесей;

p

s

-

плотность

механических

примесей;

p

г

-

плотность газа в пузырьках;

K

- коэффициент сжимаемости жидкости;

K

s

- модуль

упругости

твёрдой

фазы;

K

г

-

упругость

газовой

фазы;

η≈ 0,3

-

коэффициент

Пуассона;

K

p

- упругость трубы.

В зависимости от воздействия механических нагрузок на определенном участке

трубопровода упругость трубы будет находиться:

П а р а м е т р

K

p

при

продольном

растяжении

по

формуле

( 3 ) :

K

p

=

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙ E

(

1

−

η

2

)+

2 ∙

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙

(

1

+

η

)

,

(

3

)

Параметр

K

p

без

продольных

сжимающих

усилий

по

формуле

(4):

K

p

=

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙ E

1

+

2 ∙

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙

(

1

+

η

)

,

(

4

)

П а р а м е т р

K

p

бе з

продоль ных

напряжений

по

ф ормуле

( 5 ) :

K

p

=

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙ E

(

1

−

η

2

)+

2∙

δ

D

∙

(

1

+

δ

D

)

∙

(

1

+

η

)

,

(

5

)

Волны давления, что возникают во время утечек, способны распространяться без

значительного затухания в жидкости, которая находится в состоянии покоя. К тому же, их

отлично

регистрируют

предназначенные

для

этого

измерительные

датчики.

К

преимуществам метода отрицательных ударных волн можно также добавить:



доступность и простота эксплуатации;



быстрое обнаружение значительных утечек;



применение метода не зависит от длины линейной части трубопровода;



обеспечение постоянного контроля появления утечек.

Существенным

недостатком

является

то,

что

датчики,

основанные

на

данном

методе, именно во время работы трубопровода имеют большие погрешности (около 3 км)

определения местоположения дефектов (утечек), так как имеет низкую чувствительность,

равную

Q

y

>

100

м

3

ч

.

Поэтому данный метод обнаружения дефектов на трубопроводах

применяют в совокупности с другими методами, чтобы увеличить точность определения

местоположения утечек на рассматриваемом участке [2].

Применение метода на практике

Примером успешной коммерческой реализации метода может служить система

постоянного мониторинга WaveAlert® компании Acoustic System Inc., которая позволяет

оперативно обнаруживать утечки, выявлять место потери герметичности с точностью ±

200 м в камеральных условиях [3].

Система

обнаружения

утечек

WaveAlert®

включает

три

уровня

аппаратных

и

программных средств:



процессор предварительной обработки сигнала (интеллектуальный датчик-

преобразователь, предварительный усилитель, контроллер);



узловой

(групповой)

процессор

с

системой

телекоммуникации

(радио,

оптоволокно, проводная связь);



головной

(host)

компьютер

с

программным

обеспечением

SCADA

и

аналитическими возможностями.

Конфигурация системы WaveAlert представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема системы акустического обнаружения утечек WaveAlert

Места расположения процессора и акустического датчика

Процессор

и

акустический

датчик

системы

расположены

вдоль

трубопровода

(обычно в местах расположения клапанов или других специально отведенных местах) и

состоят из двух отдельных узлов.

Процессор WaveAlert® VII контролирует получаемые сигналы от акустических

датчиков и отличает сигнал утечки от других шумов трубопровода. Корпус (Рисунок 3-3)

представляет собой стандартный 19-дюймовый системный блок. Процессор размещается в

системном

блоке

и

может

располагаться

либо

в

водозащищённом

боксе

NEMA-3R

(защищён от сильного дождя) или водонепроницаемом боксе для подземной установки.

Узловой процессор

Процессор

служит

в

качестве

центрального

блока

обработки

сигналов

акустических систем обнаружения утечек (АСОУ).

Он опрашивает WaveAlert®VII процессоры. Во время каждого цикла опроса, он

хранит

цифровые

и

аналоговые

значения,

включая

время

регистрации

любого

акустического события. Сравнивая времена регистрации акустического события на двух

WaveAlert®VII

процессорах,

он

определяет

произошла

ли

утечка,

локализует

её,

классифицирует размер и выводит соответствующие сообщения на исплей компьютер.

Корпус MasterCommVII идентичен корпусу WaveAlert® VII.

Соединение между WaveAlert® VII процессорами и MasterCommTMVII узловыми

процессорами представляет собой выделенную двустороннюю полудуплексную связь. Она

может включать в себя радио, проводные, стационарные участки волоконно-оптических

или любые другие специальные каналы связи.

Обнаружение утечки

Местоположение

утечки

определяется

по

времени

поступления

акустического

сигнала на два соседних WaveAlert® VII акустических датчика. На рисунке 2 показан

алгоритм определения места утечки между двумя датчиками. Происходит разгерметизация

трубопровода в момент времени t = 0 (стрелка часов на нуле). Сигнал удаляется от утечки

в обоих направлениях, и приходит к акустическим датчикам в разное время. Если место

утечки находится ближе к датчику 2, то время получения сигнала от датчика 2 меньше.

Место утечки, S, измеряется с сайта 1. D - расстояние между сайтами. Заметим, что если

t

1

=t

2

, согласно алгоритму определения местоположения, утечка находится в средней точки

сегмента трубопровода. Если t

1

<t

2

, утечка расположена слева от середины



4



.

Рисунок 2 – Алгоритм определения места утечки

Рассмотренный метод широко применяется на практике, однако имеет недостатки,

связанные с точностью определения утечек. Поэтому, стоит отметить, что данный метод

рекомендуется применять в совокупности с другими способами обнаружения утечек.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



1



Акустический датчик-сигнализатор ДСП-А / Балавин М.А., Клименко А. Н.,

Жогун В. Н., Тябликов А. В., Токарев Е.Ф., Магомедов З.А. // Газовая промышленность.

2007. №1. С.83-84.



2



Кутуков,

С.

Е.

Проблема

повышения

чувствительности,

надежности,

быстродействия

систем

обнаружения

утечек

в

трубопроводах

/

С.

Е.

Кутуков

//

Информационные технологии. - 2014. - Т. 2. - № 5 - С 29-45.



3



Taher.

M.

El-Shiekh.

LEAK

DETECTION

METHODS

IN

TRANSMISSION

PIPELINES AND ERROR SOURCES // Egyptian Petroleum Research Institute. 2011. С. 12.



4



TECHNOLOGY

And

QUALIFICATIONS

//

ACOUSTIC

SYSTEMS

INCORPORATED. 2012. С. 30.