УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ТЕЧИ ПРОДУКТА ИЗ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к технике контроля технического состояния трубопроводных систем в напорных нефте-газопроводах, в частности в морских подводных трубопроводах и в дюкерах.
Одним из первых приборов по обработке сигналов акустических шумов течи продукта из трубопровода, является прибор DF-02 французской фирмы METRAVIB. Это устройство было создано в 1978 г. Другими фирмами в нашей стране и за рубежом созданы аналогичные приборы, но алгоритм обработки информации и основные технические характеристики, заложенные в прибор DF-02 и сегодня являются основой для новых разработок. Отечественный аналог ТАК-01 был создан в СССР в конце 80-х г.г. В новых конструкциях течеискателей функции вычислительного устройства выполняет микро-ЭВМ.
Известно устройство определения места течи из трубопровода как источника акустического излучения из патента США №4858462. Это устройство содержит два разнесенных акустических датчика, два блока усиления и фильтрации, два аналого-цифровых преобразователя и компьютер со средствами отображения.
Недостатком устройства является трудоемкая процедура размещения акустических датчиков вдоль трубопровода, в особенности на больших глубинах (более 50-100 м). Поэтому оказывается необходимым максимально разносить датчики (приемные каналы), что ведет к малым отношениям сигнал/помеха и, соответственно, низкой помехоустойчивости течеискателя. Недостатком также
является контактная по металлу трубы постановка датчиков, т.е. использование канала распространения акустического сигнала по металлу трубы, что связано с большим погонным затуханием акустической энергии сигнала течи, его неустойчивостью и отсюда сравнительно небольшими расстояниями между датчиками (до 100-200 м), пониженной вероятностью правильного обнаружения и повышенной вероятностью ложных тревог.
Указанный недостаток устраняется посредством размещения акустических датчиков (приемных каналов) в воде вблизи трубопровода. В этом случае используется водный канал распространения акустического сигнала шумоизлучения струи. Смотри, например, полезную модель «Способ определения места и размеров течи в трубопроводе и устройство для его осуществления» (Решение о выдаче Свидетельства №2001125842 (027548) от 30.01.2003 г).
Наиболее близким, к предлагаемому устройству по технической сущности, является акустический контактный определитель мест утечки в трубопроводах «Онега-1Г». Журнал «Инновации», №1 (58), февраль 2003 г., с.94. Устройство содержит два разнесенных акустических датчика с блоками предварительной обработки, обеспечивающими усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигнала, а также компьютер со средствами отображения, обеспечивающий определение взаимной корреляционной функции и расчет местоположения утечки на трубопроводе.
Задачей полезной модели является совершенствование устройства определения места течи за счет сокращения времени осмотра протяженных трубопроводов, устранения множества операций постановки и выборки приемных каналов, повышения помехоустойчивости, повышения вероятности правильного обнаружения и снижения вероятности ложных тревог.
Заявленное устройство определения места утечки продукта из трубопровода как и устройство-прототип содержит два приемных акустических канала сигнала течи, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя акустических сигналов в электрические (ПР), предварительного усилителя (ПУ), фильтра (Ф), основного усилителя с автоматической регулировкой усиления (ОУ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также последовательно соединенных вычислителя взаимной корреляционной функции, решающего устройства и индикатора. В заявленном устройстве приемные каналы расположены в буксируемом шланге на его полюсах, сам шланг кабель-тросом соединен с расположенным на борту судна-буксира токоприемником, выход которого подключен на вход вычислителя взаимной корреляционной функции, кроме того в устройство введена система ориентации буксируемого шланга с автономным блоком управления, содержащая устройство постановки и выборки, заглубитель и подруливающее устройство, синхровходы и синхровыходы которых соединены с соответствующими входами и выходами автономного блока управления, при этом синхровходы и синхровыходы автономного блока управления устройством в целом соответствующими входами и выходами соединяются с решающим устройством, системой ориентации и автономным блоком управления положением буксируемого шланга.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является сокращение времени осмотра протяженного трубопровода за счет непрерывной буксировки шланга с приемными каналами и устранения множества операций постановки-выборки приемных каналов, а также повышение помехоустойчивости, повышение вероятности правильного обнаружения и снижение вероятности ложных тревог.
Действительно, в случае, когда акустические приемники стационарно размещаются вдоль трубопровода, стремятся к максимальному их разнесению с тем, чтобы произвести осмотр возможно более протяженного участка трубопровода поскольку операция постановки и выборки относительно трудоемка в особенности при больших заглублениях трубопроводов (больше 30-50 м). При этом длина разноса приемников (до 300-500 м) ограничивается тем, что уровень сигнала шумоизлучения в месте размещения одного из приемников снижается до уровня суммарной акустической помехи из-за шумов моря, мешающего судоходства и других причин.
В предлагаемой полезной модели,
во-первых: приемные каналы удалены от места течи на 10-30 м и, следовательно, сигнал шума течи, с учетом удаленности от судна-буксировщика, не накрывается помехами моря и мешающего судоходства, что и предопределяет повышение помехоустойчивости, повышение вероятности обнаружения течи и снижение вероятности ложных тревог;
во-вторых: операция постановки и выборки акустического приемника разовая и при больших протяженностях трубопроводов (десятки и сотни километров) ее удельной трудоемкостью можно пренебречь.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит два приемных акустических канала сигнала течи (2 и 8) в свою очередь каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя акустических сигналов в электрические (3), предварительного усилителя (4), фильтра (5), основного усилителя с автоматической регулировкой усиления (6) и аналого-цифрового преобразователя (7), а также последовательно соединенных вычислителя взаимной корреляционной
функции (11), решающего устройства(18) и индикатора (19), причем приемные каналы расположены в буксируемом шланге (1) на его полюсах, сам шланг кабель-тросом (9) соединен с расположенным на борту судна-буксира токоприемником (10), выход которого подключен на вход вычислителя взаимной корреляционной функции (11), кроме того в устройство введена система ориентации буксируемого шланга (13) с автономным блоком управления (12), содержащая устройство постановки и выборки (14), заглубитель (15) и подруливающее устройство (16), синхровходы и синхровыходы которых соединены с соответствующими входами и выходами автономного блока управления (12), при этом синхровходы и синхровыходы автономного блока управления устройством в целом (17) соответствующими входами и выходами соединяются с решающим устройством (18), системой ориентации (13) и автономным блоком управления положением буксируемого шланга (12).
Процедура определения расстояния до места течи на трубопроводе состоит в следующем: устройством постановки и выборки, заглубителем и подруливающим устройством обеспечивается буксировка шланга с акустическим приемником над трубопроводом на горизонте с глубиной места, например, 10-30 м от планового положения трубопровода, и на расстояниях от судна-буксира, при которых помехой работе приемных каналов сигнала течи, создаваемой судном-буксиром, можно пренебречь. Приемные каналы акустического приемника измеряют акустические сигналы в диапазоне частот шума струи, далее рассчитывается их взаимная корреляционная функция. Изменяя время задержки сигнала находят максимум взаимной корреляционной функции и по данным системы позиционирования судна-буксира (например, GPS) и трубопровода (например, эхолота-профилографа), скорости распространения акустического
сигнала в воде, скорости буксировки шланга с акустическим приемником и длины базы между приемными каналами определяют местоположение течи на трубопроводе.
Шумы судна буксировщика и судов, проходящих вблизи подводных трубопроводов или пересекающих их, могут явиться причиной ложных тревог, а также маскировать шум течи.
Для пространственной режекции подводного шума мешающего судоходства могут быть применены специальные виды обработки сигнала и помех, например, формироваться взаимный спектр между сигналами с двух гидроакустических каналов приемника, что позволит организовать автосопровождение этого подводного шума. При этом выделяются действительная часть взаимного спектра (коспектр) и мнимая часть взаимного спектра (квадратурный спектр). При автосопровождении максимум коспектра в пространстве нацелен на мешающий шум, а квадратурный спектр в этом направлении равен нулю. Поэтому сигнал от течи, расположенной на трубопроводе, принимается без помехи по квадратурному спектру.
Выделяя действительную (коспектр) и мнимую (квадратурный спектр) части взаимного спектра, вводят временную задержку такую, чтобы максимум характеристики направленности коспектра был ориентирован на источник мешающего шума, при этом характеристика направленности квадратурного спектра в этом направлении имеет нулевое значение на всех частотах. Изменяя искусственно вводимую временную задержку, осуществляют автосопровождение источника мешающего сигнала. Далее анализируют квадратурный спектр сигналов в высокочастотной части, не содержащей мешающего сигнала; определяют
по осцилляциям этого квадратурного спектра суммарную временную задержку от шума.
Низкочастотные сигналы ограничивают частотой меньшей, чем
где V - скорость вырывающейся из трубопровода струи;
max
D - максимальный эквивалентный диаметр повреждения, при превышении которого прекращают эксплуатацию.
Высокочастотные сигналы ограничивают диапазоном от  до
н
Это обусловлено тем, что максимум шума струи наблюдается при  на частоте f он меньше на 12 дБ.(См., например, А.Г.Монин, М.А.Щепочкин. Спектр звуковой мощности до звуковой струи. - Акустический журнал, том XVIII, вып.2, 1972, - с.282-299).
Производится дискретизация сигналов в двух позициях по длине исследуемого участка трубопровода с помощью двух приемных каналов, в анализаторе взаимного спектра вычисляется взаимный спектр.
1
2
где r и r - соответственно, расстояние от места повреждения трубопровода до первого и второго акустических приемников;
1
2
d=r+r - расстояние вдоль трубопровода между акустическими приемниками;
Т
t - временная задержка между сигналами от течи, принятыми акустическими приемниками;
u
t - временная задержка, искусственно вводимая с помощью блока временной задержки;
Т
G(f) - энергетический спектр сигнала течи в трубопроводе;
u
G(f) - энергетический спектр мешающего сигнала;
R - расстояние от источника мешающего сигнала, например, судна;
k - волновое число,  C - скорость звука в воде;
θ - угол между перпендикуляром к базе d в ее середине и направлением на источник мешающего сигнала.
В блоке сопровождения мешающего сигнала обеспечивается автосопровождение спектра источника мешающего сигнала при этом сигнал струи, вытекающей из трубопровода, в значительной степени отфильтрован.
Это автосопровождение основано на том, что на всех частотах коспектра
0
, имеет максимум при θ-θ=0, а квадратурный спектр ,
0
нс
н
нс
и
при θ-θ=0 равен нулю на всех частотах f. При этом обычно интегрируют сигнал в диапазоне частот от f до f. Блок автосопровождения управляет величиной времени задержки t.
Наличие источника мешающего сигнала и его перемещения отображаются на индикаторе оператора.
0
Далее идет анализ квадратурного спектра при θ-θ=0, то есть
при выделении высококачественных составляющих от  до
Т
Т
Т
u
Т
1
2
Если G(f)=0 на частотах этого высокочастотного диапазона, сигнал тревоги не подается. Если G(f)≠0, то осциляциями синуса на одной из частот, обычно, на частоте  или на нескольких частотах определяют значение суммарной задержки t+t. Далее по данным из блока задержки t находят r и r из уравнения
Величину искусственной задержки вычитают из суммарной задержки и находят расстояние от места повреждения до приемников.
1
2
Результаты определения r и r подаются на индикатор течи. Таким образом обеспечивается режекция мешающего сигнала и определяется положение места течи на трубопроводе.