научная статья по теме АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ»

УДК 035.318.001

АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Б.Н. Епифанцев

Обозначена проблема предотвращения чрезвычайных ситуаций на трубопроводах, обусловленных утечками перекачиваемого продукта, несанкционированными врезками, установкой боеприпасов в рамках диверсионной деятельности. Предложен подход для обнаружения указанных угроз с использованием активного метода акустической диагностики состояния подземных трубопроводов.

Ключевые слова: магистральный трубопровод, утечки, врезки, подкопы, диагностика, активный акустический метод, эксперимент, результаты.

В настоящее время существует потребность в развитии и расширении сферы применения физических методов и средств диагностики трубопроводов [1]. Для диагностических обследований действующих магистральных продуктопроводов предложено множество технических решений, среди которых акустические системы контроля утечек (по терминологии в [1]) получают все большее распространение. Существует точка зрения, что такие системы относятся к классу перспективных, которые в ближайшем будущем вытеснят используемые сегодня [2].

Известно, что при механическом воздействии на тело трубы, а также при возникновении трещин и деформаций в процессе эксплуатации, в стенках трубопроводов возникают акустические сигналы, которые можно зарегистрировать на значительном удалении от места их возникновения [3]. Система "Капкан", в которой реализован этот принцип, позволяет обнаруживать механические воздействия на тело трубы на расстоянии 500 м с использованием виброакустических датчиков, расположенных непосредственно на поверхности трубопровода [4].

Необходимость удаления изоляции с труб для установки датчиков негативно воспринимается собственниками трубопроводной системы. Однако их позиция смягчается, если речь заходит о расширении перечня одновременно решаемых такой системой задач при регистрации сигналов на расстояниях между датчиками более одного км. Поэтому важно оценить возможность обеспечения указанных требований на объекте диагностики при сохранении надежности обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций (ЧС) на достигнутом уровне.

Магистральные трубопроводы — постоянный источник ЧС. Примером наиболее известной из них может служить взрыв нефтепровода в мексиканском штате Пуэбло [5]. Взрыв произошел вследствие нарушения технологии установки несанкционированной врезки. В результате сгорело 100 жилых домов и погибло 28 человек. В Нигерии террористическая активность по подрыву нефтепроводов привела к снижению экспорта нефти на 25 % [6]. В результате аварии на нефтепроводе в республике Коми в окружающую среду поступило (по разным оценкам) от 14 033 до 120 000 т нефти, загрязнено 64 га земли [7]. Таким образом, причинами ЧС на объектах рассматриваемого типа являются старение трубопроводов (утечки), кражи перекачиваемого продукта (с использованием "врезок"), диверсии (установка и подрыв боеприпасов). Обнаружение обозначенных предвестников ЧС является актуальной задачей при проведении работ по диагностике состояния действующих трубопроводов.

Борис Николаевич Епифанцев, доктор техн. наук, профессор кафедры "Информационная безопасность" Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). Тел. 8-913-615-1752. E-mail: nigrey,n@mail.ru

Признаком утечки перекачиваемого продукта является изменение его скорости расхода и давления. Однако пороговая чувствительность методов, основанных на использовании этих признаков (>100 м3/ч), позволяет без труда решать вопросы нерегистрируемого несанкционированного отбора продукта. Акустические системы контроля герметичности способны регистрировать течи с расходом нефти 8—25 л/ч, расстояние между соседними точками контроля не должно превышать 100—150 м [8]. Существует еще один признак утечки: физические параметры окружающего грунта в месте течи изменяются. Нет данных по исследованию взаимодействия упругих колебаний с локальными изменениями параметров в системах рассматриваемого назначения.

Появление шурфа свидетельствует о несанкционированных работах по установке боеприпаса или приспособления для врезки. Здесь тоже имеет место локальное изменение параметров окружающего трубопровод грунта. Таким образом, задача по предотвращению ЧС на подземных трубопроводах должна сводиться к обнаружению доступа к диагностируемым объектам и их блокированию.

Имеется ряд предложений по решению этой задачи. В системе "PipeGuard" израильской компании "Magal" вдоль подземного трубопровода устанавливают сейсмические датчики — геофоны, сигналы с которых обрабатываются анализатором, построенным на обнаружение сигналов от вскрытия земли с помощью лопаты, мотыги и др. [9]. Протяженность чувствительной зоны сенсорного модуля (до 150 м) недостаточна для снятия проблемы обеспечения безопасности трубопроводной системы России. Известно решение австралийской компании Future Fiber Technologies, основанное на анализе сигналов от микронапряжений в паре параллельных одномодовых волокон многожильного оптического кабеля, который проложен вдоль трубопровода. "Ноу-хау" решения сосредоточено в программном обеспечении, стоимость которого с прилагаемым процессором превышает 100 тыс. долл. При этом вопрос эффективного подземного применения такой системы еще требует своего решения [10]. На выставке lFSEC-2012, прошедшей в мае 2012 г. в Международном выставочном NEC в Бирмингеме (Великобритания), американская компания Opteblios демонстрировала систему FP6100-X, предназначенную для охраны подземных трубопроводов [11]. В качестве сенсора использованы жилы одномодового волоконного кабеля. Помехоустойчивость перечисленных систем (особенно в условиях постановки преднамеренных помех) не обсуждается.

Новые возможности по диагностике состояния трубопроводов открываются при использовании активных систем контроля, одним из вариантов которой может служить акустический комплекс, основанный на периодической посылке виброакустических импульсов по оболочке трубы с последующим анализом зарегистрированных сигналов на заданном удалении от сечения их возбуждения [12].

Распространение гармонической волны в оболочке трубы описывается выражением [3]

U(r) = A e-°r-ikremt, V r

где U(r) — амплитуда волны; A0 = U0yj 2/h — коэффициент; U0 — амплитуда сферической волны, излучаемой областью взаимодействия объекта контроля с источником акустической энергии; h — толщина стенки трубы; r — расстояние от точки возбуждения акустических сигналов; с — коэффициент затухания; k — волновое число; ю — циклическая частота. Затухание обусловлено геометрическим расхождением волны, внутренними потерями и пе-

Акустический метод диагностики состояния подземных трубопроводов.

11

реизлучением в окружающую среду. При распространении волн по оболочке заглубленного трубопровода из-за значительного различия волновых сопротивлений металла и газа переизлучения акустической энергии в перекачиваемый продукт ничтожно (при нормальном падении продольной волны на границу "сталь—воздух" ("воздух—сталь") переизлучается только 0,002 % энергии [13]), но заметная доля распространяющегося импульса акустической энергии уходит в окружающий грунт. За счет утечки энергии в перекачиваемый продукт в нефтепродуктопроводах затухание распространяющихся колебаний в их оболочке будет больше, нежели в газопроводах (через границу "вода—сталь" проходит порядка 12 % энергии колебаний и такого же порядка — в окружающий грунт). При изменении параметров почвогрунтов в локальной области (выход нефти, удаление грунтов и др.) формируются локальные градиенты переизлучения акустической энергии в оболочке трубы. Возможно ли с помощью существующих средств обнаружить такие градиенты на приемлемых по дальности расстояниях разнесения "генератор— приемник" и распознать их тип?

При условии (h/D) < 0,1 (D — диаметр трубы) решение уравнений распространения упругих волн в трубе соответствуют решению для нормальных волн в плоском слое. Заманчиво воспользоваться такими решениями, представленными, в частности, в [14]. К сожалению, нередко можно наблюдать значительные расхождения результатов, полученных теоретическим и экспериментальным путем. Такие расхождения на порядок (!) зарегистрированы в [8], поэтому желаемые оценки целесообразно получить экспериментально.

Идея эксперимента обозначилась при неудачных попытках зарегистрировать акустический импульс в оболочке трубы на фоне присутствующих шумов и удалении генератора на расстояние более одного км. В теории обнаружения сигналов при ничтожно малых отношениях сигнал/шум используют принцип накопления сигналов. Возможность его применения при решении поставленной задачи очевидна. Затраты времени на формирование "предвестника ЧС" составляют более часа. При работе генератора импульсов с частотой 50 имп/с сформируются более 180 000 "прозванивающих" импульсов. Для некоррелированных отсчетов шумов в области формирования импульсов справедлив закон увеличения отношения сигнал/шум в 425 или -y/N раз, где N — число "прозванивающих" импульсов, то есть изменение состояния трассы в 0,01 % по форме импульса потенциально может быть обнаружено.

Изложенная идея была проверена как на заглубленных, так и на незаглу-бленных водоводах диаметром ~700 мм. Состав аппаратурного комплекса: генератор ударного типа с энергией удара 0,32 Дж (при энергии 320 Дж появляются признаки пластической деформации); пьезоэлектрический приемник виброакустических колебаний; переносной компьютер; аппаратура связи. О форме возбуждаемых в оболочке трубы виброакустических импульсов дает представление рис. 1а, на рис. 16 показаны эти импульсы, регистрируемые на расстоянии 100 м от места их возбуждения.

При проведении экспериментов генератор и датчик устанавливали на трубопровод на расстоянии 500 м. Последовательно подготовили несколько состояний объекта контроля: исходный (принимался за "нормальный"), на котором формировали шурф для установки врезки ("подкоп"); на оголенном от изоляции участке устанавливали "боеприпас" (аккумулятор легкового автомобиля); делали врезку в трубу с последующей маскировкой. Формирование состояния "лока

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком