УДК 681.5:622.692
ТРЕХЭТАПНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ АКУСТОЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА УТЕЧКИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
THREE STAGES SERIAL ACOUSTO-LOCATION METHOD FOR DETERMINATION OF LEAKAGE PLACE IN MAIN PIPELINES
1) Гафаров Низами Гусейн оглы
диссертант
E-mail: gafarov@rambler.ru
1) Эминов Рамиз Ахмед оглы
доцент
E-mail: ahmedov_ramiz@mail.ru
2) Джавадов Натиг Гаджиага оглы
д-р техн. наук, профессор, ген. директор E-mail: javadovng@rambler.ru
3)
Асадов Хикмет Гамидович д-р техн. наук, нач. отдела E-mail: asadzade@rambler.ru
1) Азербайджанская государственная нефтяная академия, г. Баку
2) Производственное объединение "Промавтоматика", г. Баку
3) Научно-исследовательский институт Аэрокосмической информатики, г. Баку
Аннотация: Предложен трехэтапный последовательный акусто-локационный метод для обнаружения места утечки в магистральных трубопроводах. Отмечено, что существующие системы характеризуются избыточностью размещения блоков обнаружения перепада давления и GPS приемников. Для устранения указанной избыточности предложено трехэтапное обнаружение места утечки, где на первом этапе используется метод обнаружения перепада давления, на втором этапе применяются микрофоны для более точного определения места утечки по признаку распространения акустического сигнала по стенке трубы, а на третьем этапе осуществляются вычисления по предлагаемым формулам, в результате чего формируется точный результат определения места утечки. Ключевые слова: магистральные трубопроводы; утечка; акус-то-локационный метод; обнаружение; GPS приемники.
^ Gafarov Nizami G.
Candidate for a Degree E-mail: gafarov@rambler.ru
1) Eminov Ramiz A. Associate Professor
E-mail: ahmedov_ramiz@mail.ru
2) Dzhavadov Natig G.
D. Sc. (Tech.), Professor, General Director E-mail: javadovng@rambler.ru
3) Asadov Hikmet G.
D. Sc. (Tech.), Head of Department E-mail: asadzade@rambler.ru
1) Azerbaijan State Oil Academy, Baku city
2) Production Association "Promavtomatica",
Baku city
3)
' Research Institute of Aerospace Information, Baku city
Abstract: In the article the three-stage serial acousto-location method for detection of place of leakages from main pipelines is suggested. It is noted, that in existing systems are featured by exorbitance of placement of devices for detection of pressure changes and GPS receivers. In order to remove such an exorbitance the three-stage method for detection of leakage place is suggested. Where in the first stage the method for detection of pressure change is utilized, in the second stage the microphones for more accurate detection of leakage places using the signature of propagation of acoustic signal through the pipe's well is used and in the third stage the calculations on suggested for formulas are to be carried out.
Keywords: main pipelines; leakage; acousto-location method; detection; GPS receiver.
ВВЕДЕНИЕ
Метод акустической диагностики применяется для обнаружения как надземных, так и подземных труб [1]. Однако, в подземных трубопроводах ослабление акустического сигнала выше, чем у надземных. Так, согласно [1], в подземных трубах акустический сигнал на каждый метр земли затухает на 40 дБ. При этом высокочастотные акустические сигналы в земле затухают сильнее, чем низкочастотные. Тип почвы в зоне мониторинга также влияет на качество принимаемого сигнала.
Например, песчаная почва пропускает звук лучше, чем глинистая. На частоту и амплитуду акустического сигнала большое влияние оказывает материал трубы. Многие средства акустического мониторинга рассчитаны на традиционные асбес-тоцементные, чугунные или стальные трубы. Однако, в последние 20 лет прослеживается тенденция замены этих труб на поливинилхлоридные (ПВХ) и полиэтиленовые (ПЭ) трубы, в которых реализация акустической диагностики затруднена из-за того, что они имеют более высокую степень затухания акустических сигналов. Затухание акус-
тических сигналов в этих трубах в пять раз больше, чем у чугунных труб, а амплитуда акустического сигнала уменьшается со скоростью 0,25 дБ/м. Согласно [1], стандартная ПВХ-труба диаметром 150 мм при наличии утечки имеет оптимальный диапазон акустического мониторинга 15...100 Гц. При этом наблюдается смещение этого диапазона в сторону верхних частот при повышении давления в почве. В водных трубных линиях акустические сигналы распространяются как по трубе, так и по водному верхнему слою. Это приводит к зависимости сигнала утечки от диаметра трубы. При этом затухание акустических сигналов утечки растет с увеличением диаметра трубы. С увеличением диаметра трубы также снижается частота акустического сигнала утечки.
Как отмечается в работе [2], проведенные исследования показали, что акустическая волна в виде единичного скачка распространяется по стенке 24-дюймовой трубы до расстояния 25 миль. При этом частоты свыше 500 Гц полностью исчезают, т. е. высокочастотные сигналы затухают быстрее, чем низкочастотные.
В работе [2] предлагается система обнаружения утечки в реальном времени на базе интегрированного обнаружения спада давления и применения GPS-приемника для определения координат места утечки. При этом интегрированный обнаружитель и GPS приемник должны быть расположены по трассе трубопровода с определенным интервалом и составлять единую техническую систему.
Очевидно, что реализация такой системы контроля предусматривает плотное размещение GPS-приемников по трассе трубопровода для точного определения координат утечки.
Однако, как нам представляется, можно избежать необходимости такого плотного размещения GPS по трассе трубопровода, если применить метод регистрации перепада давления только на первом этапе обнаружения, а на втором этапе использовать метод распространения акустических волн по стенке трубы и, наконец, на третьем этапе место утечки определять путем проведения необходимых измерений и вычислений.
МЕТОД ТРЕХЭТАПНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В ТРУБОПРОВОДЕ
Обнаружение места утечки можно реализовать по предлагаемому трехэтапному методу. Суть метода заключается в следующем.
На первом этапе с помощью схемы, описанной в [2], осуществляется приблизительное определение места утечки через GPS. Система рис. 1
работает следующим образом. При обнаружении утечки на трубопроводе по признаку спада давления интегрированная система запрашивает GPS координаты и посылает их в последовательный порт через компьютер. На дисплее отображается информация о координатах места возникновения утечки.
На втором этапе определяется место утечки со средней степенью точности. Для реализации этого этапа между двумя соседними системами, показанными на рис. 1, с равным шагом устанавливаются микрофоны с регулируемым частотным диапазоном (рис. 2).
Обнаружение места утечки со средней точностью определения осуществляется на основе выполнения следующего условия:
А > A - 1,
А/ > А + 1, (1)
- 1 * + ъ
где I = 1, п - 1; п — число установленных микрофонов; А/ — амплитуда сигнала на выходе микрофона с порядковым номером I.
Рис. 1. Схема системы, определяющей место утечки с приблизительной точностью:
1 — трубопровод с утечкой; 2 — микроконтроллер; 3 — мультиплексор; 4 — демультиплексор; 5 — компьютер; 6 — GPS [3]
ТУ
iL
~z%.—7%—7%
гн г^п
2i 22 2з ... 2 i
Общая шина --
ZF^i—
Трубопровод
а)
1-1
I /+1 б)
Рис. 2. Схема системы трехэтапной диагностики (а) и диаграмма сигналов, вырабатываемых в микрофонах при наличии утечки в зоне установки i-го микрофона (б):
1 — система приблизительного обнаружения утечки с GPS;
2 — микрофоны с регулируемым частотным диапазоном
Датчики и Системы • № 5.2015 - 45
Трубопровод
2; X\ x2 2,m
xo _
Рис. 3. Схема реализации двунаправленного способа локации
Ii = A0 e
Ii + 1 = Ao e
mx j
(3)
(4)
При этом
+ %2 = Л0, (5)
где хо — длина интервала между микрофонами 2/ и 2/ +1.
С учетом выражений (3)—(5) нетрудно получить следующее выражение:
I
х2 = — ln
2
mI
i + 1
+ Х0 2 '
(6)
Рис. 4. Алгоритм трехэтапного последовательно-акустолокаци-онного метода обнаружения места утечки трубопровода
При выполнении условия (1) принимается решение о возникновении утечки в зоне I.
На третьем этапе предусматривается точное определение места утечки с использованием двунаправленного способа. Схема реализации предлагаемого способа показана на рис. 3.
Как известно из [3], уменьшение амплитуды плоской акустической волны происходит по следующему закону:
Л = Ло в-тх1, (2)
где Ло — интенсивность акустического сигнала у источника; Л — интенсивность акустического сигнала на расстоянии Х1 от места утечки; т — коэффициент ослабления. Для точного определения места утечки осуществляется совместный анализ сигналов микрофонов.
С учетом выражения (2) вычисляются сигналы с выходов определенных на втором этапе микрофонов, например, в 2/ и 2/ +1 (см. рис. 3). Сигналы на выходах этих микрофонов определяется как
С учетом выражений (5) и (6) находим
Х1 = X0 - -m in Л-. 1 2 2m I +1
Таким образом, предлагаемый трехэтапный акустический метод позволяет с высокой точностью определять место утечки в трубопроводах, используя минимальное число GPS приемников, причем только на первом этапе.
Алгоритм реализации предлагаемого после -довательного трехэтапного метода акустического определения места утечки показан на рис. 4. Как видно из рисунка, предлагаемый метод локации предусматривает последовательное определение интервала, подинтервала и точки в выбранном подинтервале, характеризующей местонахождение утечки из трубопровода.
Такое построение диагностических систем трубопровода позволяет избежать большого количества систем диагностики известной структуры, содержащих GPS и компьютеры вдоль прохождения трубопровода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, проведенный критический анализ известного технического решения по системам обнаружения перепада давления и использования GPS приемников для обнаружения и фиксации мест утечек в трубопроводах выявил возможность реализации трехэтапного последовательного акустолокационного метода обнаружения места утечки в магистральных трубопроводах. Также разработан алгоритм
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.