Акустическая томография - метод выявления дефектов и определения рабочего ресурса трубопроводов (Журнал "Энергетик" №12 за 2008 г.)

САМОЙЛОВ Е.В., канд.техн. наук, ООО НПК «Курс-ОТ»

Читатели журнала «Энергетик» безусловно знают всю важность и сложность обеспечения безаварийной эксплуатации трубопроводов горячего и холодного водоснабжения. Поскольку основной вид аварий на трубопроводах - нарушение  сплошности трубы и образование течей, а трубопроводы в большинстве случаев проложены под землей, .. перед организациями, эксплуатирующими указанные объекты, стоят следующие задачи:

  • при наличии течи, о существовании которой судят по ряду признаков, с требуемой точностью определить ее местоположение и осуществить ремонтные работы;
  • для труб, находящихся длительное время в эксплуатации, определить уровень их износа и оценить остаточный рабочий ресурс для своевременного осуществления ремонтных работ, включая перекладку.
Вашему вниманию предлагается разработка технологии диагностики трубопроводов тепловых сетей акустическим методом (метод акустической томографии), которая позволяет получить ответы на указные вопросы. 

Методом акустической томографии диагностируются трубопроводы наземной и подземной, канальной и бесканальной прокладки диаметром более 80 мм, находящиеся в режиме эксплуатации при давлении более 0,25 МПа и при обязательном наличии тока воды. Длина единичного участка может составлять от 40 до 200 м, что в большинстве случаев позволяет осуществлять работы без дополнительных шурфовок. Точность определения местоположения дефекта составляет  1/2,5 % (течь/ утонение стенки) от базы постановки датчиков. Достоверность обнаружения дефектов и оценки уровня их аварийной опасности - 80 %.

Работы по диагностике осуществляются следующим образом. На концах исследуемого участка трубопровода в точках доступа (тепловые и смотровые камеры, подвалы домов и т.п.) на зачищенную от тепловой изоляции, гидроизоляции и коррозионных отложений трубу устанавливают два датчика. С помощью специального прибора, регистратора акустических сигналов, осуществляют одновременную запись сигналов от датчиков - шума тока воды по трубе. В дальнейшем полученные записи обрабатываются на компьютере с помощью специальной программы.


В ходе обработки оператор получает информацию о местоположении мест эмиссии акустических сигналов и уровне их энергии излучения.

Разделяются два типа источников возникновения сигналов:

  • нарушение сплошности трубы и истечение теплоносителя - течь;
  • наличие повышенных напряжений в металле трубы, в 70 - 80 % случаев обусловленных утонением стенки из-за коррозии.
Результаты диагностики в виде дефектных интервалов наносятся на схему участка с представлением уровня аварийной опасности (критический, докритический, течь) дефектов.

Физическое явление излучения сигналов течами в трубопроводах достаточно хорошо изучено, и на этой основе созданы и широко используются приборы специального класса - корреляционные течеискатели. В технологии акустической томографии этот этап диагностики отличается от аналогов в первую очередь техническими параметрами используемой аппаратуры - повышенной чувствительностью и динамическим диапазоном регистрирующего тракта. Это позволяет снизить порог чувствительности до минимального уровня излияния воды - 0,7  м3/ч в условиях значительной «городской» зашумленности (рис. 1, а и б).

Не каждая течь может быть обнаружена корреляционным методом, что связано с энергией излучаемого сигнала. В значительной мере эта энергия зависит от размера дефекта. Кроме этого оказывают влияние и условия «стеснения» при  изливе воды, т.е. пробой тепловой изоляции и наружной обмазки. В технологии акустической томографии рассмотренный тип работ по обнаружению течи кроме анализа сигналов, связанных с истечение воды, дополнен этапом обнаружения мест значительного утонения стенки трубы. Это увеличивает возможности оператора-обработчика. Так на рис. 2 представлены результаты диагностики одного из участков тепловой сети г.Иркутска (Гранкин И.В.,  Домрачева Д.Б. «Опыт применения метода акустической диагностики трубопроводов тепловых сетей», Новости теплоснабжения, № 2, 2008 г.)

По результатам диагностики установлено, что  на отметке 32 м имеется течь. Кроме этого в окрестности течи в интервале 14 - 17 м труба имеет дефект критического уровня. Было принято решение вскрыть теплотрассу на участке от отметки  15 до отметки 32 м, изучить состояние трубы и при необходимости ее заменить. 

Вскрытие подтвердило, что на отметке 32 м была течь.  На отметках 15 и 16,5 м было еще две течи малой интенсивности (рис. 3).

Таким образом, в акустической томографии элемент обнаружения течи дополнен рекомендацией по «шурфовке», что позволяет сделать аварийные ремонтные работы более эффективными. 

Вместе с тем, основной целью разработки и использования технологии акустической томографии является определение текущего технического состояния трубопровода, которое позволило бы:

  • сделать заключение о необходимости проведения капитального ремонта (перекладки) или допустимости дальнейшей его эксплуатации. В последнем случае определить остаточный рабочий ресурс для планирования ремонтных работ;
  • на основании характера распределения дефектов дать рекомендации по проведению локальных профилактических ремонтных работ для продления рабочего ресурса трубопровода.
Как уже было отмечено, результаты диагностики наносятся на схему. На рис. 4 представлена такая схема для магистрального трубопровода DУ=500 мм и отводящей к ЦТП ветви Dу=200 мм. Данные трубопроводы планировалось полностью переложить.                                                                                                 
Оценка технического состояния труб осуществляется поинтервально (от тепловой камеры до тепловой камеры) на основании расчета коэффициента аварийной опасности по результатам диагностики в соответствии с «Методическими рекомендациями по техническому диагностированию трубопроводов тепловых сетей с использованием акустического метода. РД 153-34.0-20.673-2005». Для рассматриваемых участков заключения о техническом состоянии представлено в таблице.

Участок

Длина, м

Коэффициент аварийной опасности

Заключение, рекомендации по ремонту

Магистраль от т.к. А7 до т.к. А15; Dу=500 мм; λк=0,97

А7 - А8

146

0,85

Ограниченный рабочий ресурс

А8 - А9

101

0,84

То же, локальный ремонт

А9 - А10

81

1,09

Рабочий ресурс исчерпан, допустим локальный ремонт

А10 - А11

68

0,6

Удовлетворительное состояние

А11 - А12

65

0,46

То же

А12 - А13

117

0,8

Ограниченный рабочий ресурс, локальный ремонт

А13 - А14

136

1,16

Рабочий ресурс исчерпан

А14 - А15

127

0,98

То же

Магистраль от т.к.С1 до т.к. С10; Dу=200 мм; λк=1,12

А12 - С1

86

0,56

Удовлетворительное состояние

С1 - С2

66

0,69

То же

С2 - С3

87

0,64

То же, локальный ремонт

С3 - С4

73

0,69

Удовлетворительное состояние

С4 - С5

84

0,67

То же, локальный ремонт

С5 - С6

86

0,82

То же

С6 - С7

96

0,56

Удовлетворительное состояние

С7 - С8

95

0,93

Ограниченный рабочий ресурс

С8 - С9

78

1,71

Рабочий ресурс исчерпан

С9 - С10

72

0,87

Ограниченный рабочий ресурс


По совокупности расположения отдельных  участков, исчерпавших рабочий ресурс и имеющих ограниченный (около двух лет) рабочий ресурс, было предложено переложить фрагмент трубопровода Dу =500 мм от т.к. А15    до т.к. А13 плюс  угол поворота и фрагмент трубопровода Dу =200 мм от т.к. С10     до     т.к. С7  плюс угол поворота, что и было осуществлено.

На представленном участке тепловой сети благодаря использованию результатов диагностики был получен экономический эффект за счет частичной перекладки. Срок эксплуатации оставшейся части трубопроводов был продлен при этом минимум  на два года.

Спустя два года  была проведена повторная диагностика трубопроводов, которая показала, что оставшаяся часть трубопровода Dу= 500 мм исчерпала свой рабочий ресурс и требует перекладки. Оставшаяся часть трубопровода Dу=200 мм имеет остаточный рабочий ресурс около двух лет (после второй диагностики). При этом за минувшие два года на данной трассе произошла только одна авария на трубе Dу= 500 мм в месте, в котором по результатам первой диагностики имелся дефект критического уровня.

Возможность обнаруживать отдельные дефекты методом акустической томографии позволяет по-новому, на более высоком качественном уровне, подойти к вопросу проведения локальных профилактических ремонтных работ, осуществляемых собственными силами организаций эксплуатации тепловых сетей. В уже упоминавшейся статье И.В.Гранкина и Д.Б.Домрачева приведен пример использования результатов диагностики, которые позволили выявить  шесть мест значительного утонения стенки трубы, проложенной через р. Ангара. Осуществление вставок в этих местах позволило продлить рабочий ресурс трубопровода и избежать аварий в отопительный период.

Метод акустической томографии позволяет, как было сказано ранее, обнаруживать места повышенных напряжений в металле трубы. Появление сверхнормативных напряжений может быть вызвано не только утонением стенки трубы за счет коррозии, но и нарушением условий эксплуатации за счет разрушения конструктивных элементов, например, из-за обвала плиты перекрытия; искривления трубы при недостаточной компенсации температурного удлинения; разрушения или сдвига скользящей опоры.            

Если при вскрытии теплотрассы в месте, указанном по результатам диагностики, как имеющем критический дефект, не обнаружено утонение стенки трубы более 20%, то необходимо принять меры для выяснения причин возникновения повышенных напряжений. В частности когда обнаружено искривление трубопровода, то оно может бырь вызвано тем, что на соседнем участке сальниковый компенсатор «закусило».

В настоящее время более 70 организаций эксплуатации и обслуживания трубопроводов тепловых сетей самостоятельно осуществляют работы по диагностике методом акустической томографии. НПК «Курс-ОТ» (г.Москва) разработал и осуществляет поставку прибора - регистратора акустических сигналов «КурСАР», программного обеспечения к нему и проводит обучение навыкам работы по проведению данного вида диагностики.

Прибор «КурСАР» - это не только регистратор акустических сигналов, но и корреляционный течеискатель. Он прост и удобен в эксплуатации. Состоит он из двух автономных блоков регистрации, которые осуществляют одновременную запись сигналов в двух разнесенных на требуемое расстояние точках доступа. Это достигается тем, что в момент включения блоки соединены и происходит их синхронизация. Далее они расстыковываются и работают автономно в заданном режиме. Если в канале проложено  две, три или четыре трубы, запись сигналов при обследовании каждой можно осуществлять последовательно, только переставляя датчики.

Рабочие, находящиеся в различных точках доступа, осуществляют необходимые перестановки датчиков или заканчивают работы, ориентируясь на звуковую и световую индикацию на блоках. Далее записи обрабатываются на компьютере. 

Организации, владеющие технологией акустической томографии, считают, что финансовые вложения на ее приобретение окупаются достаточно быстро.  Если прибор используют только для поиска течей, это происходит уже при обнаружении и устранении около 20 течей за счет отказа от метода последовательных шурфовок; при использовании результатов диагностики для определения аварийно-опасных мест и остаточного рабочего ресурса экономический эффект значительно больше за счет сокращения объема перекладок и продления рабочего ресурса трубопроводов.