Корреляционный течеискатель

Метод Акустической томографии является развитием технологии течеискателя. В связи с этим оборудование для Акустической томографии также обладает функциями корреляционных течеискателей.

Для обнаружения местоположения течи с помощью корреляционных течеискателей, на концах обследуемого участка, в точках доступа (тепловые и смотровые камеры, подвалы домов, шурф и т.п), на поверхность трубы устанавливаются два виброакустических датчика, которые фиксируют звуковые сигналы, распространяющиеся по воде внутри трубы. Сигналы от датчиков передаются на блок оператора, где осуществляется автоматическая их обработка.
В ходе обработки, поступающие акустические сигналы фильтруются для выделения значимых сигналов от течи на фоне различных шумов. Далее осуществляется анализ, позволяющий определить местоположение источника сигнала. 
О местоположении течи судят по расположению максимума корреляционной функции.
Рассмотрим принцип работы течеискателей корреляционных и показатели по обнаружению и определению местоположения течи несколько подробнее.

Основные принципы обнаружения течи.

Рассмотрим случай, когда на трубопровод в точка «В» осуществляется импульсное воздействие – удар (см. рис. 1а). Нам необходимо определить местоположение точки удара.
Удар по трубе приводит к эмиссии акустических сигналов, которые распространяются, в частности, по воде. Для регистрации этих сигналов на концах размещены датчики «А» и «С».
К датчику «А» импульс сигнала придет через время:

t1 = Lд / Vв
где: Vв – скорость распространения звука по воде.
Lд  - расстояние от точки удара до датчика «А».
К датчику «С» импульс сигнала придет через время:

t2 = (L - Lд) / Vв

Из этих результатов регистрации источника эмиссии (записи по двум каналам) нам необходимо определить разность прихода волн, т.к. момент «удара» нам неизвестен.

τз = t2 - t1 = (L - 2Lд) / Vв 
Откуда, после умножения на Vв  , имеем:
Lд = L/2 - Vв* τз/2(1)
Следует отметить, что временной параметр разность прихода волн τз отсчитывается от середины участка и имеет знаки + .

korr-tech_clip_image008.gif

Рис.1 Принцип определения местоположения источника эмиссии.

Таким образом, для нахождения местоположения источника эмиссии (дефекта, течи) необходимо, по синхронным записям сигналов в двух точках, определить разность прихода сигналов (волн). Автоматизацию этого процесса обеспечивает использование функции взаимной корреляции:

G(τ) = 1/Т*∫ f(t)* g (t- τ) dt

где: G(τ) – значение функции взаимной корреляции;

f(t) – математическое представление записи по датчику «А»;

(t) - математическое представление записи по датчику «С».

Посмотрим, что дает процедура нахождения значений функции взаимной корреляции согласно формул . Будем строить график G от времени τ (см. рис.1).

В начальный момент времени τ=0 берется суммирование произведений значений функций f и g для каждого момента времени ti.

Для представлений на рис.    записей имеем:

0*0+0*0+…+(0.2*0+0,5*0+….)+0*0+…+(0*0.2+…)+… = 0

Т.е. на графике G(τ) (рис.3) для τ=0, G(τ)=0. 

Далее берется следующее значение τ= τi , что при расчете равносильно смещению во времени записи по одному датчику относительно аналогичной по другому на τi.

В рассматриваемом примере, значение функции взаимной корреляции G(τ) будет равно нулю до тех пор, пока верхний график не начнет «наползать» на нижний (рис. положение а). По мере «наползания» значение G(τ) будет увеличиваться и достигнет максимума, когда импульс по датчику «А» будет точно над импульсом по датчику «С» (рис. позиция «b»).

Из рис 1.  видно, что максимальное значение функции G(τ) имеет место при сдвиге верхнего графика на искомую величину времени задержки τз

Течеискатели потому и называются «корреляционными», что в них использована приведенная математическая операция. Результаты поиска течи, у этих приборах, представлены в виде графика – коррелограммы, где по оси «Y» откладывается значения полученной функции взаимной корреляции, а по оси «Х» время задержки прихода сигналов, преобразованное в расстояние от одного из датчиков. О наличии и местоположении течи судят по максимальному значению G(τ) на графике.

korr-tech_clip_image010.jpg

Рис. 4. Типичное представление результатов по обнаружению течи (программа Акустическая томография).Течь на отметке 26 м от датчика «А».

Показатели обнаружения течи.

Пользователю, применяющему течеискатель, необходимо, чтобы прибор:

  • зарегистрировал и выделил сигналы эмиссии, излучаемые течью;

  • определил местоположение течи с тем, чтобы ее устранить, сделав один шурф.

Точность определения местоположения течи.

Для оценки точности определения местоположения дефекта (течи) рассмотрим выражение (1) .

Первое слагаемое в правой части выражения включает расстояние по трубе между точками постановки датчиков L, деленное на два. Таким образом, если фактическая длина интервала между датчиками будет отличаться от введенного в расчет значения на ΔL, то ошибка в определении местоположении дефекта будет ΔL/2.

Длина берется из исполнительной документации на обследуемый участок тепловой сети.

Однако, надеюсь нет необходимости доказывать, насколько часто исполнительная документация детально не отражает фактическую длину и даже профиль теплотрассы.

Поэтому, при проведении работ по обнаружению течи, в первую очередь рекомендуется осуществить трассировку фактического местоположения трубопровода.

Для поиска трубопровода подземной прокладки (трассировки) используются различные трассопоисковые приборы (подробнее см. в разделе …  ).

Проведя трассировку трубопровода, необходимо замерить расстояние между точками постановки датчиков. 

В настоящее время для этой цели широко используются устройство мерное колесо.

Однако, следует учесть, что кроме неровностей поверхности (наличие бугров и впадин на поверхности земли), по которой прокатывается колесо, на точность замеров влияет проскальзывание – на одной и той же трусе зимой получим меньшее значение, чем летом.

Для более точного определения расстояний можно предложить использовать лазерный дальномер, стоимость которых несколько больше, чем мерных колес.

В качестве вывода, можно сказать следующее: когда оператор на экране течеискателя видит четкий сигнал от течи, но ошибается в определении ее местоположения на несколько метров (до 10м), причину следует искать в точности определения и задания расстояния между датчиками, а не в работе прибора.

Кроме того, когда, выбирая течеискатель корреляционный, в документации на него Вы находите, что точность определения местоположения течи составляет сантиметры, следует иметь в виду: это технический параметр, а не эксплуатационный.

Обнаруживаемость течи.

Необходимым условием того, чтобы течь была обнаружена, является достаточный уровень энергии акустического сигнала от дефекта, распространяющегося по воде на расстоянии наиболее удаленного датчика. Уровень энергии сигнала в первую очередь определяется энергией источника эмиссии – течью.

Кузнецов Н.С. [  ] показал, что течь генерирует три типа волн, энергия эмиссии основной из них пропорциональна перепаду давления (труба - свободное пространство) и площади сечения отверстия водоизлива:

W ~ U8 d2 ~ ΔP4 S

где :    U – скорость истечения воды;

d и S диаметр и соответствующая площадь отверстия;

ΔP – перепад давления: труба - свободное пространство.

По мере увеличения площади отверстия водоизлива энергия сигнала эмиссии возрастает (см. рис.2). При определенном размере течи (S0) энергия сигнала (W0) становится достаточной для регистрации используемым типом корреляционного течеискателя. Т.е. возможность обнаружения течей малой интенсивностью водоизлива в значительной степени определяется техническими параметрами прибора, и, в частности, чувствительностью регистрирующего тракта. 

По мере увеличения размера течи энергия сигнала первоначально увеличивается (см. рис. 3). Однако, указанное увеличение (переход течи в категорию разрыв) сопровождается уменьшением величины внутреннего давления в трубе, весьма сильно приводящего к снижению энергии сигнала эмиссии.

korr-tech_clip_image011.gif

Рис.3

При определенных размерах разрыва (Smax) энергия сигнала от него становится недостаточной для регистрации и обнаружения дефекта.

Таким образом, имеются объективные трудности в обнаружении как небольших по размеру течей, так и разрывов на трубе корреляционными течеискателями.

Параметр «перепад давления» обуславливает сложности при обнаружении течей когда струя имеет «стесненный» характер выхода в свободное пространство.

korr-tech_clip_image012.jpg korr-tech_clip_image013.jpg

 Течь до снятия теплоизоляции                     Течь после снятия теплоизоляции

Рис 4.  Снижение энергии сигнала от течи за счет «стесненного» выхода через теплоизоляцию.

korr-tech_clip_image014.jpg korr-tech_clip_image015.jpg

Рис 5.    Отсутствие свободного выхода струи. Течь прибором не обнаружена.

По этой же причине практически невозможно обнаружить место аварии на трубах с ППУ изоляцией – система труба в трубе, межтрубное пространство заполнено пенополиуританом, что приводит к возникновению значительного давления в межтрубном пространстве и. следовательно, малой энергии согнала от течи.

Несколько особенностей при обнаружении течей.

Рассматривая выражение (1) с позиции точности определения местоположения течи, обратите внимание на второе слагаемое, содержащее сомножитель Vв – скорость распространения звука по воде.

Указанная скорость зависит от диаметра трубопровода – чем меньше диаметр, тем больше скорость.

При канальной прокладке трубопровода, в ряде случаев канал затоплен водой. С точки зрения обнаружения течи, в этом случае существует два волновода, по которым распространяются сигналы от течи с разной скоростью – внутри трубы и снаружи. В точках регистрации эти сигналы складываются, что приводит к «размазыванию» пика на коррелограмме, по которому определяется местоположение течи (см. рис.6)

korr-tech_clip_image017.jpg

Рис.6

Рекомендуется осуществлять работы по откачиванию воды из канала. По практике, допустимым является затопление трубы не выше 1/3 от диаметра.

  • Аналогичный предыдущему «размазанный» вид сигнала от течи на коррелограмме может иметь место, когда в окрестности течи имеются значительные утонения стенки труба (см. рис.  7а). При этом, использование узкополосной фильтрации (рис.  7b) в ряде случаев не позволяет уточнить местоположение течи (на рис.7  течь на отметке 59 м).
korr-tech_clip_image019.jpg
Рис.7
Однако, с практической точки зрения, в этом нет необходимости, т.к. ремонту подлежит весь дефектный интервал (на рис.  Интервал от 50 до 60 м).

Течь является генератором пульсаций давления в воде, которые,  по мере распространения, взаимодействуют со стенкой трубы, вызывая поэлементно ее вибрацию. Если частота пульсации давления совпадает или близка к собственной частоте колебаний единичного элемента трубы, возникает явление резонанса. В большинстве случаев резонируют интервалы значительного утонения стенки трубы.
korr-tech_clip_image021.jpg
Рис.8

На рис 8.  представлен случай. Когда течь на отметке 24м вызвала вторичный резонанс дефекта на отметке 79м. В этом случае, когда по результатам диагностики осуществлена шурфовка, а течь не обнаружена, надо тщательно обследовать трубу, обнаружить место со значительным утонением и осуществить предупредительный ремонт.

Оборудование. Корреляционный течеискатель «Каскад».

В настоящее время для обнаружения течей предлагается достаточное для выбора количество корреляционных течеискателей отечественного и импортного производства. 
Следует отметить, что все они предназначены только для обнаружения течей.
В этой связи значительный интерес должен представлять Акустический томограф «Каскад», который выполняет две функции:

прибор для диагностики и оценки технического состояния трубопроводов;
высокочувствительный течеискатель корреляционный.
Так как прибор ориентирован на регистрацию весьма слабых акустический сигналов эмиссии дефектными, типа утонение стенки трубы, на фоне «городского шума», он позволяет обнаруживать течи интенсивностью от 0,5 м3/час.  Кроме того, программное обеспечение по обнаружению течей, входящее в комплект прибора, не стребует специальных навыков по анализу акустических сигналов и просто в обращении.