Способ и устройство контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий действующих промысловых трубопроводов
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING OF TECHNICAL CONDITION OF INTERNAL PROTECTIVE-INSULATING COATINGS OF OPERATING FIELD PIPELINES

Предлагаемые способ и устройство относятся к области технической диагностики действующих промысловых нефтегазопроводов посредством воздействия переменного электромагнитного поля для контроля технического состояния внутреннего полимерного покрытия трубопроводов в процессе эксплуатации. Область преимущественного применения - парк действующих промысловых трубопроводов диаметром от 114 мм до 273 мм.
Известен «Способ внутритрубной дефектоскопии стенок трубопроводов» по патенту РФ RU2622355 (дата публикации: 10.06.2016, МПК F17D 5/06, G01R 29/027). Способ внутритрубной дефектоскопии стенок трубопроводов заключается в измерении величины электрического тока, распределенного в стенке трубы, электродами, расположенными кольцевыми рядами, при аксиальном перемещении по трубопроводу, и выявлении зоны дефекта в стенке трубопровода путем определения отклонений распределенного в стенке трубы электрического тока от заданных значений с привязкой к текущим координатам. Общим с заявляемым способом признаком является использование мостовой измерительной схемы при определении дефектов трубопроводов. Недостатком известного способа является невозможность фиксировать мелкие нарушения сплошности внутреннего полимерного покрытия (менее 5 мм, царапины), а также практическую невозможность работы в жидких средах, содержащих газовую компоненту, что является обычной составляющей многокомпонентного перекачиваемого продукта в промысловых трубопроводах.
Известен способ для дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий действующих промысловых трубопроводов по патенту РФ RU2679042 (дата публикации: 05.02.2019, МПК F17D 5/06), основанный на измерении утечки электрического тока, возникающей вследствие нарушения внутренней полимерной пленки внутреннего покрытия трубы. При этом излучаются зондирующие импульсы напряжения с помощью генератора и измеряются параметры импульса тока через участок трубопровода, ограниченный двумя полиуретановыми чистящими дисками и покрытый изнутри изоляционной пленкой. Общим с заявляемым способом признаком является измерение параметров сигнала. Основным недостатком способа является относительно низкое значение аномального эффекта (не более 25%) в интервале повреждения полимерного покрытия, а также зависимость от вероятной негерметичности ограничивающих измерительную камеру полиуретановых манжет, возникающей при прохождении любых конструктивов трубопровода.
Известно устройство для дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий действующих промысловых трубопроводов по патенту РФ RU2679042 (дата публикации: 05.02.2019, МПК F17D 5/06). Устройство ограниченно двумя изолирующими чистящими дисками, герметично закрепленными на корпусе внутритрубного прибора, измерительная система устройства содержит измерительный электрод «А0», а также электрод «В1» в задней части внутритрубного прибора и электрод «В2» в передней части, относительно которых производятся поочередные импульсные измерения, причем измерительный электрод подключен через низкоомный шунт для измерения параметров, протекающих через него импульсов тока. Общими с заявляемым устройством признаками являются: наличие трех электродов, один из которых измерительный (третий электрод), двух изолирующих чистящих дисков (обеспечение формирования изолированного участка трубопровода). Недостатком устройства является высокая вероятность ложного срабатывания при отсутствии дефекта покрытия трубопровода, а также низкая эффективность срабатывания устройства при обнаружении дефекта трубопровода.
В случае использования трех электродов в жидкости, на этих электродах появляется собственный потенциал. Наибольшую проблему составляет неконтролируемый наведенный потенциал на среднем электроде по причине того, что принимаемый сигнал заметно слабее по амплитуде. Помеха от наведенного потенциала заметно осложняет процесс измерения.
Технический результат заключается в повышении точности и достоверности дефектоскопии защитно-изоляционного покрытия стенок трубопровода, в том числе за счет повышения помехоустойчивости.
Технический результат достигается за счет того, что при применении способа контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий осуществляют:
- формирование участка трубопровода с жидкостью, изолированного от основного участка;
- формирование измерительной мостовой схемы, содержащей по крайней мере два последовательно соединенных плеча, каждое из которых образовано электрическим сопротивлением и емкостью трубопровода, его защитно-изоляционного покрытия и жидкости, находящейся в изолированном участке трубопровода, при этом вершины питающей диагонали мостовой схемы соединены с жидкостью изолированного участка трубопровода, а вершина измерительной диагонали измерительной мостовой схемы соединена с жидкостью основного участка трубопровода;
- подачу сигналов на питающую диагональ измерительной мостовой схемы;
- перемещение измерительной мостовой схемы по трубопроводу и измерение сигнала в измерительной диагонали измерительной мостовой схемы.
Также способ может содержать этапы, при которых осуществляют
- формирование изолированного участка трубопровода с жидкостью осуществляют путем установки корпуса измерительного устройства с торцевыми электропроводными стенками, цилиндрической неэлектропроводной частью, на котором последовательно установлены три электрода;
- формирование измерительной мостовой схемы, в которой первая и вторая вершины питающей диагонали измерительной мостовой схемы соединены соответственно с первым и вторым электродами, установленными на неэлектропроводную цилиндрическую часть корпуса, а вершина измерительной диагонали измерительной мостовой схемы соединена с третьим электродом, установленным между первым и вторым электродами и соединенным через торцевые электропроводные стенки с жидкостью основного участка трубопровода.
По крайней мере два плеча измерительной мостовой схемы, каждое из которых может быть сформировано параллельно соединенными резистором и конденсатором.
Для осуществления способа электроды могут быть выполнены кольцевыми из стали.
Технический результат достигается за счет того, что устройство контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий включает:
- корпус, выполненный с возможностью формирования изолированного от основного участка трубопровода с жидкостью,
- по крайней мере одну ветвь питающей диагонали измерительной мостовой схемы с электрическим контактом между плечами ветви, генератор напряжения,
- при этом вершины питающей диагонали измерительной мостовой схемы подключены соответственно к первому и второму электродам, выполненным с возможностью омывания жидкостью изолированного участка трубопровода,
третий электрод, находящийся между вышеупомянутыми электродами, выполненный с возможностью электрического соединения с одной стороны с жидкостью изолированного участка трубопровода, а с другой - с жидкостью основного участка трубопровода и;
устройство измерения, подключенное между электрическим контактом питающей диагонали измерительной мостовой схемы и третьим электродом.
При этом первый и второй электроды являются питающими.
Корпус устройства может содержать по меньшей мере электропроводные торцевые стенки, выполненные с возможностью формирования участка трубопровода, изолированного от основного участка, и неэлектропроводную цилиндрическую часть, при этом электроды расположены на неэлектропроводной цилиндрической части корпуса.
Ветвь питающей диагонали устройства может включать по крайней мере два плеча, каждое из которых сформировано параллельно соединенными резистором и конденсатором.
В устройстве может быть использован импульсный генератор.
Электропроводные торцевые стенки выполнены из стали, электроды также могут быть выполнены из стали кольцевыми.
Устройство контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий может включать корпус, содержащий по меньшей мере электропроводные торцевые стенки, выполненные с возможностью формирования участка трубопровода, изолированного от основного участка, и неэлектропроводную цилиндрическую часть, при этом электроды расположены на неэлектропроводной цилиндрической части корпуса.
Ветвь питающей диагонали может включать по крайней мере два плеча, каждое из которых сформировано параллельно соединенными резистором и конденсатором.
В устройстве может быть использован импульсный генератор, при этом устройство измерения подключено между электрическим контактом питающей диагонали измерительной мостовой схемы и третьим электродом через дифференциальный усилитель.
Электропроводные торцевые стенки могут быть выполнены из стали.
Устройство и способ контроля технического состояния внутритрубных защитно-изоляционных покрытий может быть реализовано при использовании различных комбинаций вышеуказанных дополнительных признаков.
Под изолированным участком трубопровода понимается участок трубопровода, в котором электрическое сопротивление между жидкостью, находящейся внутри изолированного участка и вне этого участка, значительно превышает электрическое сопротивление жидкости, измеренное от края до края внутри участка.
Под электрическим контактом понимается электропроводный элемент, к которому может быть осуществлено присоединение элемента электрической схемы или измерительное устройство.
В заявляемых способах и устройствах соединения могут быть выполнены непосредственно или через дополнительные элементы, сохраняющие принцип работы измерительного моста.
Применение для измерения мостовой схемы импульсного режима тока позволяет проводить стабильные знакопеременные измерения с высокой чувствительностью и компенсировать мешающие факторы такие как: вариации температуры, синфазные помехи, контактные потенциалы электродов.
Измерительные мостовые схемы известны из уровня техники, в частности. https:/ru.wikipedia.org/wiki/Измерительный_мост.
Изобретение поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - схема устройства контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий, установленная в трубопроводе;
фиг. 2. - эквивалентная измерительная мостовая схема устройства контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий;
фиг. 3. - схематичное изображение контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий;
фиг. 4 - пример записи измеренного сигнала в интервале с наличием муфтового соединения труб с внутренним полимерным покрытием Целлера;
фиг. 5 - пример записи измеренного сигнала в интервале с наличием дефекта защитно-изоляционного покрытия промысловой трубы 219 мм на Вынгапуровском месторождении нефти.
Исследуемый трубопровод можно представить как протяженный электрический конденсатор, у которого обкладками являются: металл трубы (трубопровода) и жидкость (жидкий продукт), перемещаемая по трубе. Изолятором данного конденсатора служит защитное изоляционное покрытие трубы. Поскольку корпус устройства имеет электрический контакт с жидкостью в трубопроводе 2, а жидкость в трубопроводе 2 имеет электрический контакт с трубой 2, то потенциал точки В примерно равен потенциалу трубы 2 (фиг. 1, фиг. 2). В результате электрическая эквивалентная цепь части трубопровода 2 состоит из (фиг. 1) омического (активного) сопротивления прокачиваемой жидкости и распределенной емкости (конденсатора) участка трубы 2.
1
1
2
2
ж2
т2
ж1
т1
с
т1
ж1
т2
ж2
Элементы цепи С, R, С, R, R, С, R, C представляют собой «плечи» измерительного моста переменного тока. Потенциал, снимаемый с диагонали измерительного моста (точка D и точка В (электрод Э центральный электрод)), зависит от изменения параметров С, R, С, R.
ж1
ж2
R, R - омическое сопротивление электрод-жидкость-покрытие-трубопровод на ограниченном участке трубопровода.
т1
т2
С, С - емкости (конденсаторы) электрод-жидкость-покрытие-трубопровод на ограниченном участке трубопровода.
т1
т2
Отсутствие одной из емкостей С, С (сквозной дефект пленочного покрытия) приводит к резкому (свыше 100% от фона) изменению сигнала.
1
2
1
1
2
2
Переменное электрическое поле может быть создано путем подачи переменного электрического напряжения от генератора Г (см. фиг. 1) на питающие электроды Э и Э устройства в цепи С, R, С, R.
1
2
с
1
2
с
Устройство (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий 1 трубопроводов 2 включает корпус, выполненный с возможностью формирования изолированного 3 от основного участка 4 трубопровода 2 с жидкостью, по крайней мере одну ветвь питающей диагонали (например A-D-C) измерительной мостовой схемы с электрическим контактом (например D) между плечами ветви, генератор напряжения 5. При этом вершины (в данном случае А и С) питающей диагонали измерительной мостовой схемы подключены соответственно к первому (Э) и второму (Э) электродам, выполненным с возможностью омывания жидкостью изолированного участка 3 трубопровода 2. Устройство включает третий электрод (Э), находящийся между вышеупомянутыми электродами (Э и Э), выполненный с возможностью электрического соединения с одной стороны с жидкостью изолированного участка 3 трубопровода 2, а с другой - с жидкостью основного участка 4 трубопровода 2 (например, через соединение 6). При этом устройство контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий включает устройство 7 измерения, подключенное между электрическим контактом (например D) питающей диагонали измерительной мостовой схемы и третьим электродом (Э), например точкой В.
1
с
2
Устройство контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий может включать корпус, содержащий две электропроводные торцевые стенки 8, выполненные с возможностью формирования изолированного участка 3 трубопровода 2 от основного участка 4 трубопровода 2, и неэлектропроводную цилиндрическую часть 9, при этом электроды (Э, Э, Э) расположены на неэлектропроводной цилиндрической части 9 корпуса.
1
с
2
1
2
т1
т2
В данном устройстве использован импульсный генератор 5. Электропроводные торцевые стенки 8 выполнены из стали, а электроды (Э, Э, Э) выполнены кольцевыми из стали. Устройство может содержать дифференциальный усилитель 10, подключенный между точками D и В перед устройством измерения 7. Ветвь питающей диагонали устройства может включать два плеча, каждое их которых сформировано параллельно соединенными резистором (R и R) и конденсатором (C и С).
Заявленный способ контроля технического состояния внутренних защитно-изоляционных покрытий 1 осуществляется следующим образом:
формирование изолированного 3 от основного 4 участка трубопровода 2 с жидкостью;
ж1
ж2
т1
т2
формирование измерительной мостовой схемы, содержащей по крайней мере два последовательно соединенных плеча, каждое из которых образовано электрическим сопротивлением (R и R) и емкостью (C и С) трубопровода, его защитно-изоляционного покрытия и жидкости, находящейся в изолированном участке трубопровода, при этом вершины А, С питающей диагонали мостовой схемы соединены с жидкостью изолированного участка трубопровода, а вершина D измерительной диагонали измерительной мостовой схемы соединена с жидкостью основного участка трубопровода;
подачу сигналов на питающую диагональ (А-С) измерительной мостовой схемы;
перемещение измерительной мостовой схемы по трубопроводу 2 и измерение сигнала в измерительной диагонали (D - В) измерительной мостовой схемы.
1
2
При этом осуществляется воздействие переменным электрическим полем между двумя электродами (Э) и (Э), расположенными на поверхности измерительного прибора, находящегося внутри исследуемой трубы (трубопровода 2). Наиболее целесообразно применение импульсного режима возбуждения и регистрации электромагнитного поля.
с
ж1
ж2
т1
т2
с
т1
т2
с
1
2
т1
т2
Эквивалентная электрическая схема может быть представлена с учетом следующего. Корпус устройства находится в перемещаемом продукте (одинаковый потенциал). При этом перемещаемый продукт имеет тот же потенциал, что и труба 2. В результате между трубой 2 и Э есть также R и R и C и С. Малая часть тока замыкается на Э (точка В), минуя реактивные сопротивления C и С. Но при появлении сквозного дефекта в защитно-изоляционном покрытии фактически появляется параллельная линия для тока от точки А до точки В, что резко снижает суммарное комплексное сопротивление линии и, тем самым, изменяет комплексные параметры тока. Поскольку на Э (точка В), Э(А) и Э (С) единый потенциал, то C и С могут быть показаны на эквивалентной схеме как подключенные в точку - В.
т1
т2
ж1
ж2
Показанные на схемах (фиг. 1, фиг. 2) конденсаторы С С, включенные последовательно с каждым из резисторов R и R, отображают емкостные свойства изоляционного покрытия в каждом из секторов.
т1,
т2
Абсолютные значения С С каждого из участков трубопровода будут определяться толщиной покрытия, протяженностью участка камеры измерения, уровнем контакта жидкой субстанции перекачиваемого продукта со стенкой трубы и внутренним диаметром исследуемого трубопровода.
ж1
ж2
При отсутствии нарушений пленочного покрытия система цепи при практически одинаковых значениях R и R находится в сбалансированном состоянии, т.е. снимаемый с точки В (фиг. 1, фиг. 2) сигнал стабилен и близок к нулю или слабым малым значениям. Уровень сигнала в каждом конкретном случае определяется степенью сбалансированности плеч «моста».
т1
т2
Баланс схемы наступает при относительной сбалансированности плеч мостовой схемы, в состав которых входят С и С.
Основное значение разности потенциалов точек D и В (фиг. 1) в номинальных условиях - «баланс измерительного моста»:
или
где:
w=2 πƒ - циклическая частота, рад/с.
/- линейная частота питающего тока, Гц, (в нашем случае 10 кГц).
т1
т2
Фактически, при наличии C и С измерительная схема моста находится в сбалансированном состоянии, так как все действующие элементы схемы неизменны.
1
с
2
т1
т2
Нарушение баланса измерительного моста происходит при прохождении электродов Э, Э, Э участков с повреждением изоляционной пленки (защитно-изоляционного покрытия), втулки муфтовых соединений любого типа (CPS, Целлера и т.п.), т.е. фактически ступенчатое изменение емкостей С С (тройников, отводов и аналогичных конструктивных элементов).
Нарушение баланса будет наблюдаться в виде изменения амплитуды и фазы измеряемого сигнала (знака относительно фона) - разности потенциалов точек D и В (фиг. 1):
или:
т1
т2
Фактически, при появлении в исследуемом интервале сквозного дефекта защитной пленки (С или С) меняется амплитуда и фазовые параметры тока, протекающего по правому крылу схемы, что приводит к изменению потенциала точки В и, соответственно, к разбалансу измерительного моста.
1
2
1
2
с
Корпус (нержавеющая сталь) имеет контакт с жидкостью за пределами измерительной камеры. В пределах самой измерительной камеры электроды Э и Э практически изолированы от трубы (если защитная пленка не повреждена). Измерительная камера отделена от основной полости трубы разделительными полиуретановыми манжетами. Возможный электрический контакт между полостями измерительной камеры и трубы вне камеры практической роли не играет - помеха достигает первых процентов, так как все питающие токи (на Э и на Э) и измерительный ток (Э) замкнуты внутри измерительной камеры.
с
Корпус устройства и электрод Э соединены.
На металлическом электроде, находящемся в растворе любой жидкости, появляется собственный потенциал, практически не поддающийся учету. Нержавеющая сталь обладает небольшим собственным потенциалом, в частности может быть использована сталь 12Х18Н10Т.
При этом контролировать характеристики возникающего потенциала невозможно (состав перемещаемого по трубе продукта неизвестен). На питающих электродах появление наведенного собственного потенциала в определенной степени сглаживается за счет применения знакопеременного питающего тока.
с
с
Убрать мешающий потенциал с Э позволяет замыкание электрода Эна жидкость основной части трубопровода, через корпус устройства. Таким образом обеспечивается повышение помехоустойчивости.
1
с
с
2
с
В зависимости от того, на каком интервале (Э - Э) или (Э - Э) находится сквозной дефект защитной пленки, потенциал на В (Э) относительно точки D будет или положительным, или отрицательным (формулы (3) и (4)).
Положение дефекта защитного пленочного покрытия отмечается резким знакопеременным эффектом (фиг. 4). При перемещении устройства относительно дефекта потенциал изменит свой знак, например с «+» на «-», а при перемещении по трубопроводу в интервале с ненарушенным защитно-изоляционным покрытием снова установится в «балансовом» положении.
с
Производится регистрация потенциала на центральном (среднем) электроде Э (точка В) относительно точки D (фиг. 1).
Проводя перемещение измерительной системы по дистанции, происходит фиксирование участков со сквозным нарушением изоляции «конденсатора».
1-2
1-2
В условиях сбалансированности моста потенциалы D и В близки (формулы (1) и (2)). Подбор параметров измерительной системы (R и C) может быть произведен таким образом, что эффект поврежденного участка выделяется повышенной (многократно) амплитудой знакопеременного сигнала относительно фонового уровня на неповрежденных участках.
Негерметичность манжет никакого определяющего влияния на результаты измерений не оказывает.
1
2
Муфтовые соединения (втулки CPS, Целлера) надежно определяются при прямом и обратном движении устройства по трубопроводу за счет знакопеременного эффекта на краях муфты, а при малой стабилизации сигнала в центре муфты за счет ступенчатого изменения емкости С и/или С. Изменение амплитуды сигнала обусловлено также изменениями реактивного сопротивления емкости (объем пленочного покрытия) муфты относительно цельной трубы (без дефектов или втулок муфт).
Важным моментом является учет электрической связи объемов трубопровода, разделенных полиуретановыми манжетами различной конфигурации (толщина, геометрия), что обусловлено негерметичностью разделяющей манжеты во время движения прибора в интервалах.
Отметим, измеряемый сигнал мостовой схемы практически не зависит от наличия подобного рода помех, обусловленных негерметичностью разделяющих манжет, так как замыкание электрических цепей схемы происходит только внутри измерительной камеры.
Изготовленное на основании предлагаемого способа устройство прошло тестовые испытания на полигоне промысловых труб под давлением до 10 МПа на Вынгапуровском месторождении Ханты-Мансийского АО.
На фиг. 5 вертикальная шкала (15,02-24,07) указана в метрах (от запускной камеры полигона) и соответствует длине трубопровода. В интервале 17,65 м - 17,75 м (на фиг. 5 обозначено 17,70 м) выявлена знакопеременная аномальная зона повышенной амплитуды перед втулкой CPS (18,19 м), которая обусловлена наличием сквозного дефекта пленочного покрытия. Практически все муфтовые соединения CPS, обусловленные изменением значений емкости, создаваемой дополнительным пленочным покрытием втулок, выявлены и зафиксированы надежно на уровне относительно спокойного фонового сигнала.
1
2
Отметим, что внутренний перекачиваемый продукт исследуемого трубопровода является многофазной средой, содержащей нефтяные компоненты, что может вызвать покрытие электродов нефтяной пленкой. Реальная толщина такого рода пленки незначительна и составляет десятки микрометров, поэтому при значительной эффективной площади электродов и малой толщине защитно-изоляционного покрытия такого дополнительного «конденсатора» получим значения емкости, многократно превышающие емкости С и С. Следовательно, никаких существенных погрешностей в измерения такая нефтяная пленка не внесет, и следует пренебречь этой дополнительной емкостью в схеме измерений.
Привязка измеренных данных к пройденной дистанции по исследуемому трубопроводу может производиться при помощи одометрических колес и по записи их показаний.
Практическим результатом изобретения является высококачественная диагностика внутренних защитно-изоляционных покрытий действующих промысловых трубопроводов.