Текущее состояние. На сегодняшний день значительная часть неметаллических газопроводов в Российской Федерации, вплоть до 70%, не оборудована средствами для их обнаружения, что представляет собой серьёзную проблему для обеспечения безопасности эксплуатации этих коммуникаций. Отсутствие эффективных методов обнаружения приводит к рискам аварийных ситуаций, особенно в условиях интенсивного строительства новых инфраструктурных объектов.

Решаемая научная проблема. Идея исследования состоит в решении проблемы обнаружения подземных неметаллических трубопроводов при помощи использования виброакустических устройств.

Методы исследования. Методы исследования включают в себя анализ научных публикаций, коммерческих устройств и справочников, компьютерное моделирование и синтез полученной информации.

Детали исследования. Созданная на основании литературного обзора классификация акустических методов обнаружения подземных неметаллических трубопроводов показана на рисунке 1.

Различные исследователи выделяют 3 типа волн, наиболее эффективно передающих энергию и распространяющихся в подземных трубопроводах: 

1) осесимметричная волна с преобладающим распространением в транспортируемой среде и некоторым радиальным движением, связанным с податливостью трубы и грунта (n = 0; s = 1); 

2) осесимметричная волна с преобладающим распространением по телу трубы и некоторым сопутствующим радиальным движением стенки, на которое влияют коэффициент Пуассона и модуль объемной упругости транспортируемой среды (n = 0; s = 2);

3) осесимметричная волна скручивания, практически не сопровождающаяся радиальным движением стенки трубы (n = 0; s = 0). 

Визуализация описанных мод колебаний представлена на рисунке 2.

На основании данного анализа был создан перечень наиболее перспективных параметров для оптимизации исследуемой технологии, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Резервы оптимизации исследуемой технологии

Для оценки количественных характеристик резервов оптимизации по затуханию волны в прямой трубе был использован программный комплекс COMSOL Multiphysics 6.2.

При помощи модуля Pressure acoustics и узла (node) Narrow Region Acoustics была проведена серия расчетов для трубы диаметром 45 миллиметров и протяженностью 20 метров. В результате были получены данные, приведенные в таблице 2. Базовыми условиями расчета были давление 1 атм, температура 25 оС и частота звука 500 Гц.

Таблица 2. Предварительные результаты моделирования затухания звука в трубе диаметром 45 мм длинной 20 м

Для достижения более высоких показателей дистанции обнаружения необходимо оптимизировать излучаемый сигнал и методику его получения и обработки с учетом особенностей конструкций конкретных трубопроводов, что и будет рассмотрено авторами в дальнейшей работе.

Заключение. На основании анализа была обоснована эффективность виброакустического метода локации подземных неметаллических трубопроводов. В доказательство приведен перечень-сравнение коммерческих устройств, использующих различные методы акустического обнаружения подземного положения неметаллических трубопроводов.

Для виброакустического метода обнаружения местоположения подземных неметаллических трубопроводов описаны основные способы передачи акустического сигнала на поверхность, изучены механизмы его затухания в трубе и передачи в окружающую среду. В работе также описаны основные методы математического моделирования исследуемого процесса и зависимости затухания сигнала в грунте от различных условий. В результате анализа вышеперечисленной информации выделены 3 наиболее перспективных направления оптимизации исследуемой технологии:

1. Изменение температуры, влажности и давления газа;

2. Увеличение амплитуды передаваемого сигнала и оптимизация его характеристик;

3. Оптимизация измерительных устройств, фильтрации и обработки данных.