Заявленный способ обнаружения утечек на контролируемом участке действующего водопровода основан на формировании направленных навстречу ударных волн (колебательных процессов) посредством создания контролируемых гидроударов в разрешённых пределах с обоих сторон действующего водопровода и измерении времени прохождения ударных волн и давлений датчиками давления через место утечки. По результатам измерений и с учётом направления движения потока жидкости в действующем трубопроводе рассчитывается место утечки.
Технический результат достигается временной установкой с обоих сторон контролируемого участка водопровода датчиков для измерения давления с быстродействующими кланами. Клапаны обеспечивают создания контролируемых гидроударов в разрешённых пределах, т.е. формируют ударные волны навстречу друг другу.
Все датчики и быстродействующие клапаны управляются/снимают показания от одной компьютерной измерительной системы согласно схемы:
Рис. № 16.1. Сема реализации способа диагностики водопроводов способом формирования ударных волн. (гидравлический удар как основа диагностики)
Прежде чем приступить к описанию принципа работы измерительной системы необходимо остановится на самой сути явления гидравлического удара.
Гидравлический удар — явление резкого изменения давления в жидкости, вызванное мгновенным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Это давление формирует ударную волну, вызванную сжатием воды и деформацией стенок труб, которая распространяется вдоль трубопровода.
Таким образом гидравлический удар, это нежелательный эффект, который, сопровождается пульсации давления, подобно ударам молота и может воздействовать на трубы и компоненты системы.
Явление гидравлического удара открыл в 1897–1899 гг. Н. Е. Жуковский, вследствие чего скачки давления в трубопроводах часто называют «ударами Жуковского».
Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс, который объясняется инерцией массы жидкости, движущейся в нем. Всякое резкое изменение скорости потока в трубопроводе приводит к созданию замедленного или ускоренного движения, в связи, с чем в движущейся жидкости появляются силы инерции, которые и вызывают соответствующее повышение или понижение давления.
Целенаправленное использование в технике явления гидроударов настоящее время ограничено только гидравлическим тараном, позволяющим поднимать воду на более высокую отметку без использования насосной техники, только за счёт резкого изменения давления в жидкости запорной арматурой.
Во всех остальных случаях возникновение явление гидроудара в технике считается неблагоприятным. Предотвратить скачки давления при эксплуатации трубопроводной системы невозможно в принципе, поэтому важнейшим моментом является удерживание динамических изменений давления в контролируемых пределах.
Расчёты всех технологических трубопроводов всегда ведутся, в том числе и с учётом исключения последствий возможных гидроударов.
При этом мы утверждаем, что в любом случае при мгновенном изменении скорости течения воды в трубопроводе будет сформирована ударная волна, которая распространится вдоль трубопровода. Ударная волна будет сформирована при любых условиях не зависимо от диаметров и длин самих трубопроводов, их разветвлений или врезок в них других диаметров или длин отборных трубопроводов при резком изменении давления в системе.
Процесс происходит со скоростью распространения упругих деформаций, близкой к скорости звука (ещё раз подчеркну, что не следует путать высокие скорости фронтов давления с относительно низкими скоростями перемещения самой жидкости — в силу низкой сжимаемости жидкостей в заполненном сосуде её малейшие перемещения способны вызвать огромные перепады давления).
И вот здесь мы подходим к самому интересному в явлении гидроудара, а именно к формированию гидроударом волновой ударной волны (колебательного быстро затухающего процесса), которая распространяется вдоль трубопровода. Скорость волны определяется по известной формуле Николая Егоровича Циолковского:
c= Δp/(ρ*U) (1)
Где:
с – Скорость распространения ударной волны, м/с.
Δp – Повышение давления, па.
Ρ – Плотность жидкости, кг/м3.
U – Скорость течения воды в трубопроводе до удара, м/с.
Из формулы вытекает следствие, что если мы знаем длину участка трубопровода, то можем рассчитать время, по прошествии которого фронт ударной волны будет присутствовать в заданном месте. Такие же расчёты можно провести и для сложного составного трубопровода со многими ответвлениями, переходами и т.п.
После всего изложенного мы подошли к раскрытию сути заявленного способа обнаружение утечек и мест повреждения.
В формуле (1) присутствует интересный параметр — повышение давления — Δp. Так вот, если на каком-либо участке трубопровода присутствует утечка, разрыв, то значение повышения давления – Δpв этом месте изменится. По этой причине изменятся значения давлений ударных волн и время их распространения через место утечки, которые зафиксируют датчики измерения давлений. При этом изменение давлений и время распространении ударных волн на каждом датчике будет пропорционально изменению расстояния до места утечки.
Расчёт места утечки определяется программным способом с учётом следующих факторов:
- Учитывается направление движения потока в действующем газопроводе.
- С учётом данных по давлениям сформированных и поступивших ударных волн.
- С учётом разностей времен поступлений фронтов сформированных и поступивших ударных волн.
Таким образом заявленный способ обнаружения утечек и мест повреждения основан на формировании в водопроводе направленных навстречу колебательных процессов (ударных волн) посредством создания контролируемых гидроударов в разрешённых пределах и измерении времени прохождений и давлений ударных волн датчиками давления, которые установлены на разных концах контролируемого участка трубопровода. По результатам измерений рассчитывается место утечек.