Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для обнаружения негерметичности стенки трубы линейного участка магистрального трубопровода.

Известен способ обнаружения утечек газа (нефтепродукта) из трубопровода, основанный на регистрации акустических колебаний, вызванных появлением негерметичности («свища») его стенки [Ионин Д.А., Яковлев Е.И. Современные методы диагностики магистральных трубопроводов. - Л.: Недра, 1987, с.70; а.с. 1590824 СССР, МКИ F17D 5/06. Опубл. 07.09.90. Пат. 1715212 РФ, МКИ F17D 5/00. Опубл. 23.02.92; а.с. 1651016 СССР, МКИ F17D 5/06. Опубл. 23.05.91]. В числе причин, которые приводят к появлению «свища», назовем коррозию, низкое качество сварных соединений, наличие трещин и каверн материала стенки магистрального трубопровода и т.д.

Наиболее близким по существенным признакам к заявленному решению является способ определения местоположения негерметичности, основанный на использовании, в качестве передающего канала информации, среды, заполняющей трубопровод, и осуществляемый путем регистрации импульса давления и следующего за ним спектра акустических шумов среды, в области его высокочастотных компонент, который позволяет определить расстояние до возникшей негерметичности и ее геометрические размеры [Пат. 2457392 РФ, МПК F17D 5/00, опубл. 27.07.2012].

Однако данный способ определения негерметичности обладает недостатком, не позволяющим в полной мере достичь требуемого технического результата. Суть недостатка данного способа заключается в том, что скорость получения информации о появлении негерметичности напрямую зависит от скорости распространения звука в газообразных и жидких средах, высокие коэффициенты затухания упругих акустических колебаний в которых не позволяют достичь заявленной точности и объективности диагностики.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является оперативная ликвидация возможных аварийных и, как следствие, экологических ситуаций, возникающих при эксплуатации трубопроводного транспорта.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности работы линейной части магистрального трубопровода за счет оперативного и достоверного обнаружения его негерметичности, способной привести к серьезной аварии.

Поставленный технический результат достигается следующим образом. В способе определения негерметичности стенки трубы на участке магистрального трубопровода проводится одновременная регистрация не только спектра акустических шумов и избыточного давления среды (газ, пар, жидкость), которая его заполняет, датчиками давления, к примеру тензометрическими датчиками, но и осуществляется регистрация упругих акустических волн, распространяющихся по металлу трубы, датчиками вибрации, к примеру пьезоэлектрическими виброметрами. При этом в первую очередь регистрируется возникновение последовательности упругих акустических волн, распространяющихся в металле трубы и в среде, заполняющей трубопровод, с соответствующими скоростями звука, что свидетельствует о факте возникновения негерметичности, а затем амплитудный уровень дополнительной высокочастотной компоненты спектра акустических шумов, возникающей следом. По разности времени прихода упругих акустических волн, распространяющихся по металлу трубы и по среде к датчикам вибрации и давления, расположенным в начале и в конце линейного участка вблизи двух соседних перекачивающих станций непосредственно на трубе, дают сведения о местонахождении возникшей негерметичности стенки трубы, а по амплитудному уровеню высокочастотной компоненты - сведения о ее геометрических размерах и, соответственно, о степени ее опасности. При этом разность времени регистрации информации о возникшей негерметичности, полученной по металлу трубы и среде, которая ее заполняет, определяется по соотношению скоростей звука в металле трубы (сталь) и среде (газ, жидкость и т.д.).

Между техническим результатом и существенными признаками изобретения существует следующая причинно-следственная связь.

Именно совместная регистрация вибраций металла трубы (распространения упругих акустических волн), изменения избыточного давления, оказываемого средой на стенки трубопровода (импульс давления), а также спектра акустических шумов, вызванных движением среды по магистральному трубопроводу, позволяет достичь требуемого технического результата. Известно, что в герметичном трубопроводе имеет место стационарный режим движения среды, который характеризуется устойчивым уровнем вибрации трубы и соответствующим составом спектра частот акустических шумов. Факторами, влияющими на характер вибраций и амплитудно-частотную характеристику такого стационарного режима, выступают изменение технологического режима движения среды, ее состава и свойств, а также непосредственно появление утечки на данном участке магистрального трубопровода. При появлении негерметичности стенки возникает упругая акустическая волна и импульс избыточного давления, которые со скоростью звука (в металле, газе, жидкости) распространяются в обе стороны от места возникновения негерметичности по металлу трубы и по среде, заполняющей трубопровод, что нарушает существующий стационарный режим. Далее, вследствие возникновения и развития переходного процесса, устанавливается новый стационарный режим. При этом в новом составе спектра акустических шумов появляется высокочастотная компонента, отсутствовавшая до момента возникновения негерметичности. Таким образом, факт регистрации скачка амплитуды вибрации металла стенки трубы («толчок») и регистрации импульса давления, а также последовавшее за ними изменение спектра акустических шумов в области высокочастотной компоненты, свидетельствует о высокой степени оперативности и достоверности регистрации факта возникновения негерметичности («свища»).

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема расположения датчиков на линейном участке магистрального трубопровода. Цифрами на фиг.1 обозначено: 1 - линейный участок магистрального трубопровода; 2, 3 - концы линейного участка магистрального трубопровода между соседними перекачивающими станциями; 4 - направление движения среды, заполняющей трубопровод; 5 - датчики давления; 6 - датчики вибрации (виброметры). На фиг.2 представлена схема распространения регистрируемых упругих акустических волн на линейном участке трубы по обе стороны от возникшей негерметичности, цифрами и буквами обозначено: 2, 3 - концы линейного участка магистрального трубопровода между соседними перекачивающими станциями; N - возникшая негерметичность («свищ»); L - длина линейного участка трубопровода; S₂, S₃ - расстояние от негерметичности до концов линейного участка трубопровода; V_с - скорость и направления распространения упругой акустической волны в среде (импульса давления), заполняющей трубопровод; V_м - скорость и направления распространения упругой акустической волны в металле трубы.

Способ осуществляется следующим образом.

На линейном участке магистрального трубопровода 1, по которому между двумя концами линейного участка магистрального трубопровода между соседними перекачивающими станциями 2, 3 осуществляется направленное движение перекачиваемой среды 4, производится одновременная регистрация вибраций металла трубы, акустических шумов и давления в трубе с помощью датчиков 5, 6, расположенных по краям линейного участка магистрального трубопровода на поверхности трубы и в контакте со средой соответственно. В качестве датчиков, регистрирующих распространение упругих звуковых волн в металле, могут быть использованы пьезоэлектрические виброметры. В качестве датчиков спектра акустических шумов и избыточного давления среды могут быть использованы тензометрические преобразователи давления (датчики давления).

В момент возникновения «свища» N, в трубопроводе 1, в обе стороны от негерметичности со скоростью V_c распространяется упругая звуковая волна в среде (импульс давления), а со скоростью V_м - упругая звуковая волна в металле (вибрация). Скорость распространения звуковых волн в металле на порядок выше, чем в газе и жидкости. Исходя из этого первым сигналом о возникновении «возмущения» (нештатной ситуации на данном участке трубопровода) будет являться регистрация виброметрами «толчка» (резкого скачка амплитуды вибраций металла трубы). Вследствие разницы в расстоянии от негерметичности до краев линейного участка трубопровода, появится первая известная величина - разность времени появления сигнала на противоположных концах участка, что позволит оценить местоположение «возмущения». Причинами возникновения «возмущения» могут быть как появление негерметичности, так и, не обязательно сопровождающиеся разрывом, сейсмическая активность, проседание почвы, изменение технологического режима, приближение наземного транспорта, и т.д. О появлении негерметичности будет свидетельствовать, по существу, только следующая за «толчком» регистрация импульса давления, который, как «спусковой крючок», запускает процесс возникновения дополнительной высокочастотной компоненты в составе акустического спектра шумов на данном участке. По совокупности этих трех факторов можно с высокой степенью оперативности и достоверности говорить о нарушении герметичности стенки магистрального трубопровода. При этом о факте возникновения негерметичности будет свидетельствовать последовательность следующих друг за другом процессов - однократного скачка амплитуды вибраций металла трубы, затем однократного возникновение импульса давления в среде, заполняющей трубопровод, с последующим появлением дополнительной высокочастотной компоненты в спектре акустических шумов. В остальных случаях следует говорить лишь о нештатной ситуации на данном участке магистрального трубопровода.