Авторы: Katherine Albion, Joseph Downey, Erin Hansuld, Derek Hartling, Lauren Briens, Cedric Briens, Franco Berruti, Steven McDougall*
Western Fluidization Group, Faculty of Engineering
The University of Western Ontario, London, Ontario, N6A 5B9, Canada
*Syncrude Canada Ltd., Research Centre, Edmonton, Alberta, T6H 1H4, Canada

Автор перевода: Барабанов Д.О.

РЕЗЮМЕ

Негабаритный материал, такой как камни, в системе гидротранспорта мелких частиц может привести к повреждению насосов и оборудования. Надежный, не требующий вмешательства в целостность трубопровода, акустический метод был разработан для обнаружения негабаритного материала. Анализ сигналов, записанных на микрофон у стенки трубы, обеспечивает надежное обнаружение пород разных размеров и форм, без каких-либо ложных срабатываний.

ВВЕДЕНИЕ

Нередко в транспортируемой массе попадаются включения камней(1). Хотя камни могут быть удалены использованием экранов до того как пласты разрыхляются, износ экрана приводит к увеличению отверстий, которые позволяют камням и металлическим элементам от оборудования, попасть в трубопровод. Этот негабаритный материал может застрять в колесе насоса, в результате: повреждение насоса, простой и потери продукции.

Цель этого документа заключается в представлении метода обнаружения крупногабаритных материалов в гидротранспортной системе. Возможно применение только неинвазивных датчиков, т.к. абразивные условия в трубопроводе наносят ущерб инвазивным зондам. Внешние микрофоны были выбраны в качестве неинвазивных датчиков и их сигналы были проанализированы с использованием современных методов.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Акустика

Акустические датчики стоят недорого и могут выдерживать широкий диапазон условий технологического процесса. Они обеспечивают надежный, он-лайн и неинвазивный мониторинг. Существует два метода акустического контроля:

• активная акустика – обнаружение влияния процесса на передаваемые ультразвуковые, акустические волны;
• пассивная акустика – обнаружение акустических волн, образующихся в ходе процесса.

В процессах связанных с движением твёрдых частиц, акустические эмиссии вызваны сталкиванием частиц друг с другом, со стенками сосудов и другими объектами (6). Как правило, пассивный акустический метод реализуется гораздо проще, и предпочитается, когда процессы акустической эмиссии сильны, как и в случае с камнями в гидротранспортной системе.

Эксцесс, который является мерой относительного пикового распределения, был использован для анализа сигналов. Это безразмерная величина используется для определения относительной высоты пика (7).

ОБОРУДОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Гидротранспортная система

Гидротранспортная система, используемая в данном исследовании состоит из труб из нержавеющей стали диаметром 0,05м, рис.1. Вода и массив были добавлены в резервуар через отверстие в верхней части сосуда. Для перекачки пульпы по трубопроводу был использован мембранный насос. Магнитный расходомер был использован для наладки и мониторинга скорости пульпы. После выхода из мембранного насоса, пульпа текла по наклонному участку трубопровода длинной 2,75м под углом 30° от горизонтали. Затем пульпа проходила вертикальный участок длинной 1,7м и горизонтальный участок длинной 3,6м, прежде чем вернуться в резервуар. Камеры для поступления камней находились в верхней части наклонной линии. Эта камера состоит из двух шаровых кранов которые выступали как водяной замок и допускали введение горных пород в систему. Приёмник для камней был расположен на конце трубы, чтоб исключить повторное попадание камней в систему и повреждение насоса. Шаровые краны для дренажа пульпы из бака и трубопроводов.

Свойства шлама и горных пород

Силикатный песок был использован для разработки метода обнаружения негабаритных материалов при различных концентрациях суспензии и скоростях. Средний диаметр кварцевого песка составляет 180мкм, а плотность частиц 2 650 кг/м3. Предельная скорость отдельной частицы со средним диаметром составила 0,022 м/с. Концентрация пульпы контролировалась количеством песка добавляемого в раствор. Движение шлама было рассмотрено при скоростях 1, 2, 3 и 3,5 м/с, и с концентрацией раствора 10, 20, 30, 40 и 50% от массы.

Тринадцать видов пород использовались для проверки метода обнаружения частиц с различными размерами, формой и плотностью. Породы показаны на рисунке 2.

Акустические датчики

Десять акустических датчиков были расположены непосредственно па поверхности труб, в каждой точке измерения. Точки измерения были равномерно распределены по всей длине труб 0.05, 0.90, 1.80 и 2.75м в наклонном участке, и 0.03, 0.50, 1.00, 1.50, 2.00 и 2.50 м в горизонтальной части. Точки расположения микрофонов приведены на рисунке 1. Акустические датчики крепились к трубопроводу через прокладки в форме датчика и подключены к тонкому слою пены, которая была плотно прижата к трубе по всей её окружности.

Экспериментальный метод

Для каждой концентрации раствора использовалось 45 литров воды и соответствующее количество песка. После стабилизации потока запускались акустические измерения. В течении каждого акустического измерения в пульпу добавлялся один камень. Камень перемещался по системе и улавливался приёмником в конце трубопровода. Для извлекания камней, сетка откручивалась от трубы, очищалась и устанавливалась снова.

Методы анализа сигналов

Необработанные сигналы записывались с помощью Labview компании National Instruments для сбора данных. Эксцесс сигналов, был рассчитан; амплитуда пиков в необработанном сигнале соответствовала величине пиков эксцесса. Временной интервал для расчета эксцесса соответствовал 0,010с. Предел порога эксцесса был задан пределом 10 V4. Количество пиков в сигнале рассчитывалось на основании числа пиков превышающих это пороговое значение. Эта величина была выбрана исходя из того, что она может различать пики вызванные шумом шлама и пики вызванные столкновением камней о стенки трубопровода.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Необработанные акустические сигналы

Рис. 3 показывает необработанные акустические сигналы в различных участках горизонтального трубопровода, соответствующие измерения зафиксированы на 0.03, 1.00 и 2.00 м горизонтальной линии. В данном эксперименте использовался камень С, большого размера и округлой формы (рис.2), скорость шлама 3.0 м/с, концентрация 30% по массе.

Как показывают сигналы на рис.3а, в сигнале присутствуют регулярные пульсации, которые соответствуют пульсациям создаваемым мембранным насосом и обладающим интервалом примерно 0.5с. Импульсы в этом звуковом сигнале были вызваны движением гидросмеси при каждом такте насоса.

Ряд дополнительных, более узких пиков произошел во всех точках расположения микрофонов в интервале между 5.5 – 6.5 с. Эти пики свидетельствуют о прохождении камня через трубопровод. Пики в акустическом сигнале зависят от размера камня и расстояния от точки удара до микрофонов. В среднем, крупные камни и воздействие вблизи микрофонов оказались результатами больших пиков, а мелкие камни и удалённость от микрофонов вызвали меньшие пики. Тем не менее, небольшой удар камня вблизи микрофона вызывает больший пик, чем большой камень ударяющий вдали от микрофона. Размер пика уменьшается с увеличением расстояния до микрофона.

Прогрессию от камней можно увидеть в необработанном сигнале. На рис.3а, камень находится на 0.03м примерно 5.5с, а 6.5с он переместился на 2.00м от колена. Было установлено, что при более высоких скоростях шлама, камни меньшее время пребывают в трубопроводе, чем при более низких скоростях, где требуется больше времени для преодоления трубопровода. Было установлено, что при скорости пульпы 1 м/с, и концентрации 10, 20 и 30% все породы на мгновение задерживались в нижней части трубопровода, а затем двигались дальше. Тем не менее, при скорости 1 м/с и концентрации 40% и 50%, камни всегда проходили через этот участок. Расширение движения пород обусловило увеличение эффективной вязкости раствора при более высоких концентрациях песка. Камни были обнаружены микрофонами во всех случаях.

Эксцесс необработанного акустического сигнала

Рис.3б показывает, эксцесс пики соответствуют пикам на рис.3а, примерно 5.5 – 6.5с. Опять же, на рис.3б соответствуют акустические зонды 0.03, 1.00 и 2.00м на горизонтальном участке. Эксцесс пиков рассчитывался за интервал 0.010с.

Сравнение сигналов на рисунке 3a с сигналами на рисунке 3b, появление пиков то же самое, и величина пиков похожи: большие пики в первичных сигналах соответствуют большим пикам рассчитанным эксцессам. Опять же, большие пики соответствуют столкновениям камней вблизи микрофона.

Существует правило, что большой пик с маленькими пиками с обеих сторон, свидетельствует о том, что сигнал получен от камня, который приближался к микрофону и удалялся от него.

Хотя на рис.3а и 3б пики от воздействия камней были обнаружены, на рис.3б они более отчётливые чем на рис.3а. Следует отметить, что сигналы вызванные насосом не присутствуют в расчёте сигнала эксцесса. Камни можно обнаружить с помощью эксцесса, даже если звук от камней нельзя отделить от шума насоса в необработанном звуковом сигнале. Это делает расчёт эксцесса с помощью акустических зондов ценным инструментом для выявления присутствия негабаритных материалов в гидротранспортной системе. Все породы в системе были обнаружены использованием эксцесс сигнала от 10 микрофонов, и не было ложных предупреждений о породах, когда породы отсутствовали в системе.

Влияние количества микрофонов и критическое расположение микрофонов

На рис.4 показано влияние количества микрофонов на процент обнаружения камней . Для каждого микрофона были рассчитаны числа столкновений которые он обнаружил и была использована лучшая комбинация микрофонов. Рис.4 показывает, что уменьшение количества микрофонов снижает эффективность обнаружения всех камней, в частности когда используются только один или два микрофона. Было установлено, что микрофон на отметке 0.03м в горизонтальном участке (рис.1) является наиболее важным микрофоном в системе, так как он обнаружил наибольшее количество столкновений.

Определение размера включений при помощи микрофонов

Различные свойства горных пород были рассмотрены для описания поведения камней. Размер частиц горных пород заметно влияет на характер столкновений.

Количество столкновений камней со стенками трубопровода сильно зависит от скорости шлама, увеличение скорости шлама уменьшает число столкновений. Камни большого размера чаще сталкиваются со стенками чем маленькие, вероятно, потому что их сложнее удержать во взвешенном состоянии в потоке жидкости. Из-за тяжести, более крупные камни выпадают из взвешенного состояния чаще, что приводит к более частым столкновениям. При больших скоростях шлама камни лучше поддерживаются во взвешенном состоянии, что приводит к уменьшения воздействия на стенки трубопровода.

В гидротранспорте пласта, крупные камни особенно нежелательны, так как они могут быть потенциально более разрушительными. Однако невозможно избежать попадания камней в систему. Важно определить размер негабаритных включений которые приведут к немедленному повреждению оборудования и насосов в системе, и размер включений которые могут являться допустимыми и не принесут ущерба. В этом случае, допустимыми считаются камни, диаметрк которых составляет не более 25% от диаметра трубопровода, камни с диаметром больше 25% считаются недопустимыми. Для включений с диаметром более 25% был присвоен индекс 1, а индекс 2 для камней с диаметром меньше, чем 25%.

Сигналы микрофона могут быть использованы для мониторинга системы гидротранспорта и определения размера камней, регрессия используется для определения корреляции индекса размера камня, общее число столкновений от 10 акустических зондов определяется через эксцесс. Предел эксцесс порога 10 V4 был выбран, чтобы отличить столкновение камней от шума шлама. Эксцесс значение больше указанного порога, столкновения не произошло.

Поскольку было установлено, что скорость шлама влияет на число столкновений, регрессия была выполнена на число столкновений для всех пород и всех концентраций в каждой скорости. Однако регрессия не может определить, размер камня для всех скоростей раствора, так как большой камень с большей скоростью потока может иметь такое же число столкновений, как и маленький камень с малой скоростью потока. Тем не менее, на каждой скорости, число столкновений всегда больше для крупных пород, чем для мелких пород.

Рис.5 показывает, что сигналы микрофона могут быть использованы для надёжного определения размера камней. Рис.5 показывает результаты, полученные с линейной зависимости рассчитанной путём регрессии для горных пород со скоростью 2 м/с. Фактические уравнения для определения размера индекса камней со скоростью потока 2, 3 и 3.5 м/с:

• 2 м / с: S = 2,10 - 0.0859nTC (1)
• 3 м / с: S = 2,04 - 0.111nTC (2)
• 3,5 м / с: S = 2,20 - 0.0559nTC (3)

где S является расчетным показателем размера камней и nTC это общее число столкновений между камнем и стенкой трубы.

Было установлено, что для работающей регрессии, общее число столкновений с 10 микрофонов должно было определить размер камня. Уменьшение количества микрофонов, обеспечит неточную оценку размеров камня.

ВЫВОДЫ

Акустические зонды установленные с определённым интервалом на гидротранспортную трубу могут использоваться для обнаружения камней и негабаритных материалов в трубопроводе. Тесты с помощью пород различных размеров, форм и плотности показали, что метод обнаружения действует для всех видов пород. При использовании эксцесс, все породы были обнаружены в системе, на всех скоростях пульпы, и не было ложных сигналов. Кроме того, эксцессы акустических сигналов могут быть использованы для определения размеров камней и для использования в качестве предупреждения, если камень может привести к повреждению оборудования.

Увеличение скорости пульпы приводит к уменьшению столкновений между камнем и стенкой трубопровода. При малых скоростях камни не удерживаются потоком и происходит много столкновений. При больших скоростях, камни находятся длительное время во взвешенном состоянии и между столкновениями проходят значительное расстояние по трубопроводу. Камни большого размера чаще сталкиваются с трубопроводом, чем маленькие из-за их большей предельной скорости и трудности держать их во взвешенном состоянии.

Рекомендуется, чтоб массив микрофонов использовался для определения негабаритных включений в трубопроводе и определения размеров включений. В данной конфигурации микрофонов, наиболее эффективным оказался микрофон на 0.03м после колена, им было обнаружено наибольшее число столкновений камней друг с другом и со стенками трубопровода. Однако с 10 микрофонами метод становится 100% надёжным: обнаруживается любой камень без ложных предупреждений.

Ссылки

1. Paine, R.B.; and Wright, B.M., CIM Bulletin, 92, 105-108 (1999).
2. Sanders, R.S.; Schaan, J.; Hughes, R.; and Shook, C., Can. J. Chem. Eng., 82,850-857 (2004).
3. Valenti, M., Mechanical Engineering Magazine,
   http://www.memagazine.org/backissues/december98/features/oilsand/oilsand.ht ml, (1998).
4. Wu, F.-C.; and Chou, Y.-J., J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 129, 110-119 (2003).
5. Drake, T.G.; Shreve, R.L.; Dietrich, W.E.; Whiting, P.J.; and Leopold, L.B., J.Fluid Mech., 192, 193-217 (1988).
6. Boyd, J.W.R.; and Varley, J., Chem. Eng. Sci., 56, 1749-1767 (2001).
7. Flott, L.W., Metal Finishing, 93, 52-55 (1995).
8. Wu, C.F.J.; Holt, D.; and Holmes, D.J., Journal of the American Statistical Association, 83, 150-159 (1988).