Корреляционый метод поиска утечек жидкостей из трубопроводов под давлением.

Смирнов В.А., к.т.н.

По материалам научно-практического семинара «Применение корреляционных течеискателей Т-2001 и ТКР-4102 для поиска утечек в водопроводных и тепловых сетях» 30.05-2.06 2005 г., г. Нижний Новгород

Рассмотрен корреляционный метод поиска утечек воды из трубопроводов под давлением, принцип работы корреляционных течеискателей, примеры поиска утечек прибором Т-2001 в сложных случаях, часто встречающиеся ошибки оператора при поиске утечки.

1. Корреляционый метод определения мест утечек среды в трубопроводах и принцип работы трубопроводных корреляционных течеискателей

Определение мест утечек воды из скрытых трубопроводов под давлением является серьезной проблемой в работе коммунальных служб (водопроводные и тепловые сети). Большое количество утечек, большие эксплуатационные затраты на земляные, восстановительные и другие работы, перебои в подаче воды и тепла потребителям и т.д., - все это обуславливает острую потребность в точном и оперативном определении мест утечек, локализации земляных работ и быстром восстановлении водопроводных и тепловых сетей.

Существует два инструментальных метода определения мест утечки воды в трубопроводах водопроводных и тепловых сетей: акустический (слуховой) и корреляционный.

Корреляционный метод обнаружения утечек среды в трубопроводах и определения мест их расположения основан на измерении виброакустического сигнала, генерируемого утечкой, с помощью двух датчиков, установленных непосредственно на трубопроводе. Если два датчика установить с двух сторон (в двух колодцах) от предполагаемого места утечки и измерить с помощью 2-х канального анализатора взаимно-корреляционную функцию (далее по тексту - функцию кросскорреляции), то в этом случае можно определить разницу (задержку) по времени распространения сигнала от утечки до одного и до второго датчика.

Задержка определяется по максимуму функции кросскорреляции сигналов, измеренных датчиками. При известной скорости распространения сигнала (звука) по трубе и, зная расстояние между датчиками (колодцами, в которые они установлены), можно точно определить место расположения утечки с помощью элементарного расчета по формуле:

где	l - расстояние между датчиками
	v - скорость распространения звука в трубе (м/с);
	t - задержка по времени, определенная по максимуму функции кросскорреляции сигналов, измеренных двумя датчиками;
	l1,2 - расстояние от утечки до одного (1) или другого (2) измерительного датчика.

Знак ± определяется тем, до какого из 2-х датчиков определяется расстояние от утечки, первого или второго.

Точность определения места утечки с помощью данного метода зависит от точности измерения временной задержки (точности идентификации максимума кросскорреляционной функции), точности измерения расстояния между датчиками и от точности определения скорости распространения сигнала утечки по трубопроводу.

Первое (c методической точки зрения наиболее важное) определяется совершенством измерительного прибора как электронного устройства и применяемыми в нем алгоритмами программной обработки сигналов.

Второе - знанием трассы трубопровода.

Третье - отклонениями скорости распространения звука по трубе от её усредненного значения (1200 м/с), которые зависят от материала и способа укладки труб, температуры, давления, природы перекачиваемой жидкости, структуры грунта и других.

При условии корректного проведения измерений и выполнении всех необходимых требований, касающихся данной технологии точность обнаружения и определения мест расположения утечек с помощью корреляционного метода очень высокая (существенно выше акустического метода).

Иллюстрация корреляционно-акустического метода определения утечек, базирующегося на совместной обработке виброакустических сигналов, измеряемых двумя пьезодатчиками, устанавливаемыми на трубопровод в двух точках измерения, находящихся по концам проверяемого сегмента трубопровода приведена на рис. 1.

Корреляционные течеискатели работают на основе корреляционно-акустического метода определения мест утечек сред в трубопроводах под давлением.

Виброакустические сигналы, измеряемые в точках А и В, подвергаются усилению, оцифровке и синхронной обработке с помощью математического аппарата быстрого преобразования Фурье для получения ряда взаимных спектрально временных функций, в частности, функций кросскорреляции и когерентности. Упомянутые функции, особенно функция кросскорреляции, обеспечивают контроль состояния выбранного сегмента трубопровода и утечек.

В настоящей работе измерение виброакустических сигналов, их обработка и определение утечек в проверяемом сегменте трубопровода осуществлялась корреляционным течеискателем Т-2001, имеющим соответствующие аппаратные и программные средства.

Функциональная схема корреляционного течеискателя Т-2001 представлена на рис. 2.

Функциональная схема корреляционного течеискателя содержит следующие электронные устройства:

• два вибропреобразователя пьезоэлектрических (пьезоакселерометры - 1) - это датчики, улавливающие виброакустические сигналы утечки, устанавливаемые в контрольных точках трубопровода;
• два предусилителя (2), находящиеся вблизи от контрольных точек трубопровода (как правило, не дальше 2-7 м от датчиков);
• измерительный прибор, содержащий модуль обработки сигналов (3), представляющий собой двухканальный полнофункциональный анализатор сигналов с синхронной обработкой сигналов по двум каналам и портативный компьютер ноутбук (4), содержащий программы обработки и управления модулем обработки.

Датчики (1) с подсоединенными к ним предусилителями (2) составляют две чувствительных системы (А и В). Вторичный прибор в составе модуля обработки (3) и компьютера (4) составляют систему обработки сигналов, или коррелятор.

В течеискателе сигнал от чувствительных систем А и В на коррелятор передается по экранированным кабелям (5), кабели для удобства работы намотаны на кабельные катушки (6).

Принцип работы течеискателя:

Датчики (1) устанавливаются на трубопроводе в доступных колодцах или на частях запорной арматуры, выходящих из-под земли. Выбор точек измерения определяется сегментом трубопровода, который необходимо проверять (см. рис. 1).

Датчики преобразуют виброакустические сигналы в точках измерений в электрические сигналы, которые подаются на подключенные к ним предусилители (2), усиливающие поступающие сигналы. Далее сигналы с чувствительных систем А и В по кабелю (в кабельной модификации) или по радиоканалу (бескабельная модификация) передаются на модуль обработки (3) коррелятора. Модуль обработки осуществляет аналогово-цифровое преобразование по двум каналам А и В и передает преобразованные в цифровой вид сигналы по параллельному порту в компьютер (4).

В компьютере осуществляется программная обработка сигнала для получения временных и спектральных аналитических функций (в том числе, функций когерентности и кросскорреляции). Для определения утечки в компьютер также нужно ввести расстояние между датчиками и скорость распространения звука. Справочные данные значений скорости звука для различных трубопроводов приведены в табл. 1.

Свинец - 1100 м/сек. Полиэтилен - 230-300 м/сек.

Если утечки нет (и нет также иных постоянных точечных источников звука) в точках А и В измеряются виброакустические сигналы, соответствующие случайным шумам, распространяющимся внутри и вне трубы. Полученные аналитические функции при этом показывают, что утечка отсутствует (рис. 3-4).

В этом случае, проверке подвергается смежный с проверенным сегмент трубопровода (или иной сегмент в зависимости от ситуации). Таким образом, последовательной проверкой сегментов трубопровода, проверяется весь подлежащий проверке участок трубопроводной сети для определения наличия утечки.

Утечка на трубопроводе является источником звукового сигнала (звуковых волн), который генерируется истечением среды. Сигнал от утечки распространяется вдоль трубы в двух направлениях - к точкам измерения А и В, расположенным с двух сторон от утечки. Время распространения сигнала до точек А и В будет различно в зависимости от расстояния от этих точек до утечки. В результате сигналы, полученные в точках А и В, будут сдвинуты во времени относительно друг друга на разницу времени прохождения сигнала утечки до этих точек. Если по этим сигналам рассчитать их функцию кросскорреляции, то получим ярко выраженный максимум, соответствующий этому временному сдвигу. Коррелятор как раз и предназначен для вычисления функции кросскорреляции этих 2-х сигналов. По расположению максимума функции кросскорреляции коррелятор измеряет упомянутую задержку сигналов и после введения расстояния между датчиками и скорости распространения звука рассчитывает по приведенным на рис. 1 формулам расстояние до утечки. Изображения функции кросскорреляции и функции когерентности на экране коррелятора при наличии утечки представлены на рис. 5-6. Функция когерентности является неким аналогом функции кросскорреляции, но в частотной области. Она позволяет оценить ширину спектра сигнала утечки и выделить полосу анализа для расчета функции кросскорреляции.

2. Преимущества корреляционно-акустической технологии и корреляционных течеискателей перед альтернативными технологиями и течеискателями

Корреляционно-акустическая технология определения мест утечек и корреляционные течеискатели, реализующие эту технологию, имеют чрезвычайно высокие эксплуатационно-технические характеристики:

• высокую чувствительность, т.е. способность выявлять малые утечки;
• высокую точность определения местоположения утечек;
• высокую надежность результатов при определении мест утечек;
• независимость результатов от глубины прокладки трубопроводов;
• высокую помехоустойчивость при определении мест утечек;
• высокую производительность проверки трубопроводов.

Альтернативные - шумометрические технологии и системы, которые имеют достаточно широкое распространение и базируются на прямом измерении шума (звука), генерируемого утечкой, реально могут конкурировать с корреляционно-акустическими лишь в случае применения внутри зданий и на коротких трубопроводах с неглубокой прокладкой, поскольку имеют ряд существенных недостатков:

• глубина прокладки трубопроводов не должна превышать 1,5 м - при больших глубинах надежность результатов резко падает;
• акустическая помехоустойчивость очень мала, поскольку шумометрические течеискатели для работы требуют, как правило, чтобы уровни внешних шумов не превышали уровней шума от утечки; практически необходима тишина для работы с шумометрическими течеискателями, что в условиях города или завода труднодостижимо.
• если соблюдены указанные выше требования, то работа с шумометрическими течеискателями требует точного знания прокладки и конфигурации трубопровода, поскольку контроль осуществляется пошаговым прослушиванием (метр за метром) трубопровода с поверхности земли; этот процесс трудоемок, низкопроизводителен и ненадежен.

Таким образом, сравнение корреляционно-акустической технологии с шумометрической и соответственно эксплуатационно-технических характеристик корреляционных течеискателей с соответствующими характеристиками шумометрических течеискателей приводит к однозначному выводу о существенном превосходстве корреляционных течеискателей над шумометрическими, которые теряют свою работоспособность при средней и глубокой прокладке труб, а также в условиях городских и промышленных шумов. Они совершенно не способны конкурировать с корреляционными течеискателями при работе на трубопроводных сетях и протяженных трубопроводах, в частности на водопроводных сетях, заводских трубопроводных коммуникациях, продуктопроводах и т.д.

3. Локализация утечки

Локализация утечки осуществляется по значениям функций кросскорреляции. Ключевым моментом в методике является правильный выбор частотного диапазона измерения и частотной полосы анализа.

Определение утечки осуществляется в следующей последовательности:

1. Установка датчиков на трубопровод. При этом прибор позволяет определить правильность установки датчиков - на один сегмент трубопроводов, (в отличие от случая установки датчиков на несвязанных трубах).
2. Определение скорости звука и расстояния между датчиками. Методика позволяет правильно установить параметры измерения - частотный диапазон и количество усреднений в зависимости от ситуации на объекте.

Процесс измерения может длиться в зависимости от установленного разрешения и верхней частоты анализа от нескольких секунд до нескольких минут. По окончанию измерения на дисплее отображаются функции кросс-спектра и кросскорреляции, рис. 7.

Для определения местоположения утечки требуется установить частотную полосу анализа на функции кросс-спектра или функции когерентности. Полоса должна охватывать значимые пики этих функций.

После ввода значений скорости звука и расстояния между датчиками, (рис. 18), расчет местоположения утечки осуществляется в приборе Т-2001 автоматически по максимуму функции кросскорреляции (рис. 8).

4. Особенности прибора Т-2001

1. Прибор Т-2001 позволяет проанализировать результаты проведенного обследования и определить причины невыявления утечки.

Для этого предусмотрено:

• получение и просмотр временных функций (по обоим каналам при правильном измерении временные функции должны быть непрерывны, т.е. заполнять всю временную ось (рис. 9);
• получение и просмотр спектральных функций (по обоим каналам при правильном измерении спектральные функции должны иметь значимые составляющие, превышающие уровень помех (рис. 10).

  На рис. 9-10 представлены временные функции и спектры, полученные при определении утечки в городских условиях.

  Рис. 9. Нормальный вид временных функций в каналах А и В.	Рис. 10. Нормальный вид авто спектров в каналах А и В.

• получение функций когерентности и кросскорреляции. Эти функции имеют существенные различия для случаев, когда утечка выявляется и не выявляется:
  • утечка не выявляется - функции не имеют выраженных областей с высоким уровнем значений или отдельных высоких максимумов, рис. 11;
  • утечка выявляется - функции имеют выраженные области высоких значений или отдельные высокие максимумы, рис. 12

  Рис. 11. Вид функций когерентности и кросскорреляции при отсутствии утечки.	Рис. 12. Вид функций когерентности и кросскорреляции при выявлении утечки.

Анализ проведенных измерений позволяет сделать следующие выводы:

• о единственности утечки и ее точном местоположении. В вышеприведенном примере это вывод о единственности когерентного (точечного) источника звука, т.к. разброс данных не превышает 40 см, что для сегментов трубопроводов, не имеющих пересечений, отводов, разветвлений и пр. (между датчиками), означает единственность выявленной утечки и этим определяет ее местоположение ( в данном случае 23 м от датчика А вдоль оси трубы).
• о наличии нескольких утечек (если разброс данных превышает 1 м)
• об определении мнимой утечки, генерируемой источником звука, расположенным на сопряженных участках трубопроводов.

2. Прибор Т-2001 позволяет максимально уточнить местоположение утечки в ситуациях, когда затруднено проведение земляных работ, например, для принятия решения - вскрывать асфальт, или можно достичь места утечки от края дороги.

Практически во всех случаях при средней и большой длине сегмента трубопровода, порядка 50 м и более, это уточнение может быть сделано путем уточнения скорости распространения звукового сигнала по трубопроводу. В приборе Т-2001 предусмотрена функция расчета скорости звука и возможность высокоточной локализации утечки.

5. Поиск утечек в сложных случаях

5.1. Выявление мнимых утечек от сопряженных трубопроводов.

В тех случаях, когда место утечки, определенное прибором, расположено в ближней зоне (0,5...1 м для сегментов длиной до 20 м и 3...5 м для сегментов до 300 м) от места сопряжения контролируемого трубопровода с внешним трубопроводом или в зоне установки датчиков, требуется дополнительно проверить, не является ли данная утечка «мнимой» (псевдоутечкой), которая на самом деле расположена в другом месте или вовсе не существует. Такая ситуация встречается довольно часто и может привести к существенным ошибкам по определению местоположения утечки. Это проиллюстрировано на рис. 14.

Чтобы избежать ошибок в данном случае, проводится дополнительная проверка на сопряженном сегменте, как показано на рис. 14. Датчики устанавливаются в точки А' и В'.

В результате проверки могут быть получены три альтернативных результата:

Первый возможный результат. Утечка выявляется на сопряженном сегменте, и ее место достаточно удалено от его концов. Этот результат следует принять как окончательный (утечка выявлена на сегменте A' B').

Второй возможный результат. Утечка выявляется на сопряженном сегменте и ее местоположение определяется на противоположном конце от первого проверенного сегмента или вблизи него (точка В', рис. 14). Этот результат может быть следствием:

а) забора воды потребителем на участке за датчиком В', например, за ним находится ввод в жилой дом;

б) нахождения утечки за датчиком В', вне сегмента А'В';

в) нахождения утечки перед датчиком В', на данном сегменте.

Факт забора воды потребителем (а) выявляется перекрытием подачи воды потребителю или, если нет такой возможности, проведением мониторинга - повторением измерений в течение 0,5 - 1 часа времени; при заборе воды мнимая утечка то появляется, то исчезает.

Для ситуации (б) требуется проверка следующего смежного сегмента (точка В' внутри него).

Для ситуации (в) требуется провести дополнительные замеры на данном сегменте для уточнения места утечки.

Третий возможный результат. Утечка выявляется на сегменте А'В' и ее положение определяется на ближнем конце к первому проверенному сегменту АВ или вблизи него (точка А', рис. 14).

Этот результат требует проверки, как минимум, одного, а лучше двух сегментов трубопроводов АВ' (рис. 15) и ВВ' (рис. 16). Такая проверка дает окончательную и точную информацию о местоположении утечки.

Графики функции когерентности и кросскорреляции, соответствующие схеме проверки рис. 17, приведены на рис. 19.

При повторной проверке сегмента А'В' (схема на рис. 18, функции когерентности и кросскорреляции рис. 20-21) утечка выявилась не на магистральной уличной линии, как это было ошибочно определено при первой проверке, а на отводе дома № 22. Расстояние между ошибочным и правильным результатом составило около 7 м вдоль трубы. Окончательный результат проверки (8,6 м от датчика В) полностью подтвердился при вскрытии и ремонте трубопровода.

5.2. Выявление мнимых утечек от отраженных сигналов

Когда трубопровод имеет отводы или тройники, звуковые волны, порожденные утечкой, отражаются от них, при этом возникают отраженные волны, соответствующие этим мнимым источникам звука. При измерениях на таких трубопроводах в функциях когерентности и кросскорреляции появляются дополнительные максимумы, которые можно ошибочно принять за истинные сигналы утечки. Эти мнимые максимумы, являющиеся следствием отражения сигнала утечки, зачастую равны или превышают максимумы, действительно связанные с утечкой.

Характерный пример приведен на рис. 22. При контроле сегментов АВ или A'B' в районе стыка трубопроводов возникает отраженная волна от утечки, оба сигнала в функции кросскорреляции, полученной с помощью коррелятора, дают два пика, приблизительно одинаковых по уровню (рис. 23) один соответствует утечке, другой - точке отражения сигнала от тройника. Расстояние между этими источниками составляет 3,3 м.

В качестве примера на рис. 24 приведена объемная схема одного из проверенных трубопровода, на котором была выявлена мнимая утечка, связанная с отражением сигнала утечки в тройнике.

Таким образом, признаком проявления отраженного сигнала являются два близко расположенные максимума функции кросскорреляции.

В этом случае для уточнения места утечки следует проверить, не находится ли координата одного из них в зоне колена, тройника или другого подобного сопряжения труб.

Если это так, следует определить эту координату: измерить расстояние между датчиками, или уточнить схему расположения трубопровода, или измерить скорость распространения звука по трубе.

В случае устойчивости мнимого максимума, соответствующего точке отражения, второй максимум должен соответствовать месту утечки. Расстояние от точки сопряжения трубопроводов до утечки можно определить, выделив полосу между максимумами дельта-курсором, как показано на рис. 23.

Если конфигурация трубопровода позволяет (см. пример на рис. 24), можно получить аналогичный результат для смежных сегментов, определив на каждом из них место утечки.

В примере на рис. 24 сначала был проверен сегмент А1 - В1: датчик А был установлен на вводе в дом № 26, а датчик В - на уличной задвижке напротив дома № 28, при этом выявилась утечка в зоне сопряжения отвода от главной линии. Затем был проверен сегмент А2 - В2: датчик А был перенесен на ввод в дом № 21, а датчик В остался на уличной задвижке напротив дома № 28; этот сегмент был базовым для выявления отражения.

После этого, для подтверждения результата было определено местоположение утечки на сегменте А3 - В3: датчик А остался на вводе в дом № 21, а датчик В был перенесен на ввод в дом № 26. На этом сегменте было в точности подтверждено местоположение утечки, определенное перед тем на сегменте А2 - В2.

5.3. Выявление двух и более утечек на сегменте трубопровода

Выявление двух и более утечек не отличается сложностью, тем не менее, ошибки при такой ситуации являются достаточно вероятными.

Процесс выявления двух утечек рассмотрен на примере проверки участка муниципальной водопроводной сети одного из крупных городов (рис. 25). На данном участке имелась явная утечка, признаком которой было непрерывное и быстрое наполнение водой колодца напротив жилого дома № 331.

Ввиду того, что показанный на рис. 25 трубопровод, выполнен из композитных трехслойных труб типа "бетон-сталь-бетон", которые имеют более высокое акустическое сопротивление прохождению сигналов, контроль трубопровода осуществлялся малыми сегментами.

Последовательность проверки сегментов: дом № 333 - № 332; дом № 332 - № 331 и т. д. в сторону уменьшения номеров домов.

На сегменте дом № 331 - № 330 были выявлены две утечки:

• первая находится на отводе к гидранту, находящемуся рядом с домом № 331;
• вторая - в зоне датчика, установленного на задвижке уличного водовода, напротив дома № 330.

Проверка следующего сегмента уточнила, что вторая утечка находится на смежном сегменте дом № 330 - № 229, но обе эти утечки проявлялись только на сегменте дом № 331 - № 330.

Две утечки были выявлены путем расчета кросскорреляционных функций по двум разным областям функции когерентности, как это показано на рис. 26-27.

6. Характерные спектры, получаемые при неправильной эксплуатации корреляционного течеискателя Т-2001.

Ниже приведены примеры основных ошибок, допускаемых при эксплуатации прибора Т-2001. Для сравнения на рис. 32 приведены спектральные характеристики, соответствующие правильно проведенным измерениям.

Не подключен прибор Т-2001

6.2. Обрыв кабеля в канале Б.

6.3. Ослабление или обрыв в разъеме канала Б.

6.4. Не включено питание внешнего усилителя канала Б.

6.5. Правильно проведенные измерения.