Устройство для определения эффективного внутреннего диаметра трубы

1 Настоящее изобретение относится к способам и устройствам, использующим пассивные акустические методы для определения изменений эффективного внутреннего диаметра трубы,в частности, когда такие уменьшения и/или увеличения эффективного диаметра обусловлены отложением накипи, образованием гидратов,осаждением парафина, коррозией, эрозией и т.д. Многие трубопроводные системы для транспортировки жидкостей страдают от накопления твердого или подобного твердому вещества на внутренней стенке трубы. Эти накопления приводят к уменьшению эффективного внутреннего диаметра трубы. Накопления в виде накипи, гидратов и парафина являются обычными причинами, которые уменьшают эффективный внутренний диаметр труб при транспортировке нефтепродуктов. Коррозия и эрозия это две обычные причины увеличения эффективного внутреннего диаметра труб. Любые изменения внутреннего диаметра могут вызвать разнообразные проблемы в части обеспечения непрерывного функционирования трубопроводной системы. Уменьшение эффективного внутреннего диаметра трубы приводит к увеличению скорости движения потока и увеличивает потери давления на трения в действующем трубопроводе. Увеличение потерь давления на трение компенсируется трубопроводной системой и ее первичным движителем одним из двух способов. При первом увеличивается действующее давление в трубопроводе со стороны ввода для того, чтобы обеспечить пропускание заданного объема жидкости при обеспечении требуемого давления на выходе. Это вызывает необходимость расходовать энергии больше, чем потребовалось бы при использовании трубопровода без уменьшения диаметра. При втором способе объем перекачиваемой жидкости уменьшается, потому что давление со стороны ввода в трубопровод ограничивается. Если оператор обнаруживает или подозревает наличие на внутренней стенке трубы накоплений нетекучего вещества, то часто в трубопровод запускается "болванка" для того, чтобы снимать и удалять накопления до того, когда пропускная способность трубопровода окажется под угрозой. Процедура прочистки трубопровода с помощью болванки связана с рядом трудностей, например болванка может застрять в трубопроводе, что препятствует его дальнейшему использованию. Коррозия и эрозия в трубопроводе для перекачки жидкостей вызывает уменьшение толщины материала стенки трубы, что может привести, при несвоевременном обнаружении, к утечкам в трубопроводе, разрывам или к другим катастрофическим последствиям подобного рода. Поэтому операторам трубопроводов желательно иметь в своем распоряжении измерительную систему, которая обладала бы способ 000077 2 ностью обнаруживать любые изменения внутреннего диаметра трубы. В идеале эта измерительная система должна не только обнаруживать наличие накоплений, но также определять их толщину. Эти измерения могут оказаться полезными в следующих случаях. Во-первых,обнаружение начальных накоплений нетекучих веществ или увеличения внутреннего диаметра трубы может предупредить оператора о необходимости принятия профилактических мер. Например, если в протекающую жидкость добавляются химические вещества для предотвращения коррозии или накоплений, то концентрация введенных химических веществ может быть выбрана оптимальной благодаря использованию системы, которая измеряет внутренний диаметр трубы. Во-вторых, если в качестве профилактической меры периодически используются трубопроводные болванки, то система, с помощью которой измеряется эффективный внутренний диаметр трубы, позволила бы оператору свести к минимуму излишние процедуры прочистки с использованием болванки. Эта болванка запускалась бы только в том случае, когда результаты измерений подтверждали бы необходимость ее использования. В-третьих, изменение эффективного размера внутреннего диаметра трубы может указывать на изменения в перекачивающей системе, которые обычно не обнаруживаются до тех пор, пока не возникнут другие проблемы. Метод обнаружения накоплений или коррозии/эрозии служил бы в данном случае системой "раннего предупреждения" и давал возможность оператору принимать меры для предотвращения появления более серьезных проблем. Известны устройства, которые выполняют некоторые из этих измерений, некоторые из них могут работать в агрессивных средах. В одном из классов таких устройств используются ультразвуковые методы. Эти измерительные системы могут быть интрузивными (расположенными внутри трубы) или неинтрузивными (расположенными снаружи), в зависимости от конкретного применения. Увеличение скорости потока при постоянной объемной скорости потока указывает на уменьшение площади поперечного сечения из-за накопления нетекучих веществ. Однако накопление веществ на внутренней стенке трубы может привести эту систему в неработоспособное состояние, которое вызывает сильное ослабление сигнала, тем самым уменьшая чувствительность измерения. Скорость жидкости может быть измерена с использованием доплеровских измерителей потока. Эти ультразвуковые устройства могут быть неинтрузивными (смонтированными с внешней стороны трубы) и защищенными от воздействия окружающей среды. Идея, на которой основаны эти устройства, состоит в том, что ультразвуковой сигнал непрерывно передается в трубу, содержащую жидкость, в которой проис 3 ходит рассеивание этого сигнала на твердых взвешенных частицах, воздушных пузырьках,разрывах или возмущениях в протекающем потоке. Рассеянный сигнал улавливается и его частота сравнивается с частотой переданного сигнала. Различие этих частот пропорционально скорости потока. Эти измерения выполняются с наибольшей точностью для жидкостей с ньютоновскими профилями потока, содержащими взвешенные частицы или воздушные пузырьки. В общем, существующие системы для определения характеристик потока, использующие ядерные, акустические или электромагнитные методы, рассчитаны только на некоторые идеализированные ситуации и измеряют ограниченный набор параметров, хотя в этой сфере активно ведутся исследования. Эти измерительные системы могут быть интрузивными или неинтрузивными, некоторые могут требовать бокового отвода для взятия пробы с целью получения требуемых данных. Существуют пассивные методы измерений в трубах, в частности простое обнаружение акустического излучения или "выслушивание", но эти методы ограничены по охвату и применению. Например, акустические излучения могут использоваться для обнаружения потока партии и наличия песка в многофазных трубопроводах(патент США N 5148405); утечек в трубопроводах природного газа (патент США N 5117676); для оценки качества пара, где акустические излучения возникают от калиброванной струи пара, выпускаемой из отверстия (патент США N 4193290). В настоящее время не известно использование акустических излучений в пассивных и неинтрузивных способах количественной оценки внутреннего диаметра трубы. В авторском свидетельстве СССР N 1747893 описано устройство, содержащее средство для приема сигналов, устанавливаемое на внешней поверхности трубы, и средство для обработки этих сигналов. В соответствии с настоящим изобретением, указанные выше проблемы решаются тем,что средство для приема сигналов представляет собой датчик, чувствительный к вибрации трубы в диапазоне частот от 2,0 до 30 кГц, по которой протекает поток жидкости. Настоящее изобретение использует пассивные акустические методы для выполнения независимого измерения внутреннего диаметра трубы, независимо от состояния потока внутри трубы. Акустические характеристики, включающие частоту и амплитуду вибраций, определяются в диапазоне от 2,0 до 30,0 кГц. Пример осуществления настоящего изобретения описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи. На фиг.1 изображено схематическое представление устройства в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.2 а, 2 б и 2 в - частотные характеристики для труб диаметром 2,5, 1,9 4 и 1,3 см соответственно; на фиг.3 - график зависимости характеристической частоты от диаметра трубы. Настоящее изобретение касается использования неинтрузивного пассивного устройства для обнаружения акустических колебаний, которое способно записывать колебания наружной поверхности трубы. Принятый сигнал записывается и подвергается анализу с целью определения внутреннего диаметра трубы в том месте,где производятся измерения. Общеизвестно, что жидкости, перекачиваемые по трубе, являются источником шума внутри трубы. В принципе, это естественно возникающее явление в состоянии дать информацию о жидкостях, которые текут по трубе. На фиг.1 показано устройство 10, которое используется для количественного определения внутреннего диаметра трубы 12, через которую течет смесь жидкости и газа. Датчик 14, чувствительный к вибрациям, например акселерометр, размещается в тесном контакте с трубой. Электрический сигнал от датчика 14 при необходимости подается на предварительный усилитель 16 для усиления и передачи на устройство 18 обработки сигнала. Обычно устройство 18 включает в себя средства 20 частотного анализа спектра,способные выполнять быстрое преобразование Фурье (БПФ) для входных сигналов во временной области; средства 22 графического отображения, например плоттер; средства 24 визуального отображения (видеодисплей) для наблюдения за частотным спектром; средства 26 хранения данных и средства 28 ввода и обработки данных. Для определения подходящих параметров,требуемых для количественного описания потока газожидкостной смеси, был проделан ряд измерений. Эти эксперименты проводились при низких давлениях и температурах окружающей среды для стальных труб диаметром 1,3, 1,9 и 2,5 см длиной 2,4 м. В качестве газожидкостных смесей использовались воздушно-водяные смеси. Скорость потока при этих измерениях находилась в диапазоне от 0,9 до 14 литров в минуту для воды и от 0,08 до 17 м 3 в минуту для воздуха. Эти величины соответствуют диапазону скорости по общей массе от 1,0 до 16 кг/мин в минуту. Измерения показали, что определение изменения характеристической частоты вибрации трубы является важным для определения характеристик потока жидкости. Акустический спектр, наблюдаемый для смеси воды и воздуха в кольцевом потоке для каждого из трех размеров труб, указанных выше, приведен на фиг.2. В то время как для идентификации режима потока может быть использован полный спектр, этот же спектр также определяет характеристическую частоту вибрации трубы, то есть наиболее заметную единственную частоту, общую для всех режимов потока. Пик на частоте 8,4 кГц опреде 5 ляет характеристическую частоту для трубы диаметром 2,5 см. Такое высокое значение частоты означает, что вибрация трубы, прежде всего, обусловлена вибрацией радиального типа, а не поперечного или продольного. Эти результаты также показывают, что характеристическая частота в сильной степени зависит от внутреннего диаметра трубы. Эта зависимость была измерена для труб с диаметрами от 1,3 до 5,1 см и показана на фиг.3. Изменение диаметра внутренней части трубы, будь то уменьшение, вызванное накоплением нетекучего вещества, или увеличение,вызванное коррозией или эрозией, обнаруживается в виде сдвига характеристической частоты трубы. Увеличение внутреннего диаметра проявляется в уменьшении характеристической частоты, в то время как уменьшение внутреннего диаметра трубы проявляется в увеличении характеристической частоты. Два аспекта настоящего изобретения являются совершенно новыми. Во-первых, хотя использование акустических методов является обычным в известных способах измерения толщины стенки трубы и скорости жидкости, все известные методы требуют, чтобы труба и жидкость были бы акустически возбуждены средствами, независимыми от потоковой системы. В настоящем изобретении подобные средства акустического возбуждения не требуются, используемый метод является полностью пассивным в том смысле, что он требует обнаружения и анализа только естественно возникающих вибраций в потоковой системе. Во-вторых, измерение внутреннего диаметра трубы не требует априорных знаний об условиях функционирования трубопроводной системы. Измерения диаметра по скорости жидкости основываются на знании состава жидкости и объемной скорости потока,а также на предположении, что скорость потока постоянна по всему диаметру трубы. Настоящее изобретение позволяет осуществить измерение внутреннего диаметра трубы независимо от условий протекания потока. Настоящее изобретение допускает много модификаций и изменений. Данное описание представляет только пример осуществления изобретения, объем которого определяется формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для определения эффективного внутреннего диаметра трубы, содержащее средство для приема сигналов, устанавливаемое на внешней поверхности трубы, и средство для обработки этих сигналов, отличающееся тем,что средство для приема сигналов представляет собой датчик, чувствительный к вибрации трубы в диапазоне частот от 2,0 до 30,0 кГц, по которой протекает поток жидкости.