СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ПОДЗЕМНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ПРОДУКТОПРОВОДА
METHOD OF DETECTING EMERGENCY SITUATION PRECURSORS ON LINEAR PART OF UNDERGROUND MAIN PRODUCT PIPELINE

Изобретение относится к контролю безопасности эксплуатируемых магистральных продуктопроводов и может быть использовано для предотвращения установки врезок в трубу, боеприпасов для ее подрыва, имитаторов утечек перекачиваемого продукта для дезинформации службы безопасности, обнаружения утечек продукта.
Известен способ обнаружения изменения состояния участка трубопровода по появлению виброакустического сигнала в оболочке трубы, формирующегося при установке в нее врезки [Защита трубопроводов от несанкционированных врезок / А.А. Казаков // Системы безопасности. - 2008. - №5. - С.150-154]. Недостатком этого способа является запоздалое появление предупреждающего сигнала, исключающее возможность предотвратить нарушение целостности трубы злоумышленниками и сопутствующую этому чрезвычайную ситуацию.
0
0
Известен способ обнаружения «аварийно-опасного» участка трубопровода, основанный на возбуждении ударных виброакустических импульсов в оболочке трубы с помощью приваренных к ней звукопроводящих стержней с последующим определением отношения резонансной частоты диагностируемого трубопровода к эталонной [Пат. 2350833 РФ, МПК F17D 5/00. Способ контроля и диагностики состояния трубопровода [Текст] / Толстунов С.А., Мозер С.П., Толстунов А.С]. В основу способа положено известное соотношение зависимости резонансной частоты пластины ƒ от ее толщины h:ƒ=c/2h, c - скорость распространения продольных волн в трубопроводе. Использование этой закономерности для выявления земляных работ в охраняемой зоне не представляется возможным.
Известна заявка №2006137406/28 от 23.10.2006 (дата публикации 27.04.2008) на способ и устройство дальнего обнаружения утечек в трубопроводе. Согласно заявке, в перекачиваемом продукте создаются периодические волны давления, которые регистрируются на другом конце контролируемого участка. По искажению регистрируемой волны судят о наличии утечки на этом участке. Способ не позволяет фиксировать изменения, происходящие за пределами оболочки трубопровода.
Известен способ обнаружения утечек на трубопроводном транспорте углеводородов, основанный на регистрации и анализе инфразвуковых сигналов в перекачиваемом продукте [Пат. US 666861982. Pattern matching for real time leak detection and location in pipelines (Распознавание образов для детектирования в реальном времени факта и локализации врезок в трубопроводы) и в различных вариантах исполнения описанный в http://acoustic-solution-intl.com/faq_index.htm; www.grouplb.com; http://torinsk.ru/publication/25-mpp2007.html и др. Недостаток способа - регистрируется факт нарушения целостности трубопровода, а не подготовительные работы по установке врезки или боеприпаса.
Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является способ обнаружения изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального трубопровода [Пат. 2463590 РФ МПК G01N 29/04. Способ обнаружения изменений параметров среды в окружении заглубленного магистрального трубопровода/Епифанцев Б.Н., Федотов А.А.].
Согласно способу в выбранном сечении оболочки трубы возбуждают прозванивающие импульсы упругих колебаний, регистрируют их на удалении от сечения возбуждения, проводят накопление определенного числа зарегистрированных импульсов в очередном цикле последовательно принимаемых решений, формируют эталоны предвестников чрезвычайных ситуаций (ЧС) и принимают решение по результатам сравнения результата накопления с эталоном. Недостатком способа является высокая трудоемкость создания ситуаций для построения эталонов предвестников ЧС на действующем продуктопроводе. Для имитации утечки требуется выкопать шурф, частично заполнить его нефтью, засыпать оставшееся пространство грунтом, утрамбовать землю над шурфом. Для имитации ситуации «подготовка к врезке» необходимо не только выкопать шурф, но и удалить изоляцию с трубы. Перечисленные операции не предусмотрены действующими техническими условиями эксплуатации продуктопроводов. Кроме того, построенные эталоны не отражают действительное состояние продуктопровода при изменении погодных условий, режимов перекачки продукта и необходимо их часто корректировать.
Целью изобретения является исключение процесса создания физических эталонов предвестников ЧС на заглубленных продуктопроводах при сохранении надежности обнаружения на необходимом уровне в любое время года.
j
Указанная цель достигается тем, что регистрацию прозванивающих импульсов упругих колебаний проводят в двух сечениях оболочки продуктопровода, удаленных примерно на одинаковые расстояния по обе стороны от сечения их возбуждения, результат накопления получают в виде отсчетов интегралов разностей этих импульсов, причем число накоплений N в цикле определяют в результате решения уравнения
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>j</mi></msub><mo>≥</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>±</mo><mtext> </mtext><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><mo>±</mo><mtext> </mtext><mi>∞</mi></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>Δ</mi><mi>E</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>Δ</mi><mi>E</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
j
j
ΔE
j
j
по задаваемой вероятности ложных решений ε для j-го предвестника ЧС, расчетной оценке ожидаемого сигнала ΔC в точках регистрации, среднеквадратичному отклонению регистрируемых отсчетов указанных интегралов ΔE, т.е. σ, в качестве эталонов используют уровни ±N ΔC, а решение о появлении j-го предвестника ЧС принимают при превышении накопленного за цикл результата установленных для него эталонных уровней.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами. На фиг.1 представлен вариант структурной схемы, реализующей предлагаемый способ. Фиг.2 поясняет алгоритм определения числа накоплений интегралов разностей регистрируемых сигналов.
y
вр
y
вр
j
j
i
i
Обозначения на фигурах: 1 - изображение продуктопровода; 2 - окружающий продуктопровод грунт; 3, 4 - датчики виброакустических колебаний в оболочке трубы; 5 - преобразователь электрических сигналов в упругие колебания в заданной точке трубы; 6 - ключ, обеспечивающий пропускание входного сигнала на выход в течение действия управляющего сигнала по другому входу; 7 - схема вычитания; 8 - линия задержки; 9 - генератор «прозванивающих» импульсов; 10 - интегратор входного сигнала в течение существования «прозванивающего» импульса; 11 - вычислитель среднеквадратичного отклонения проинтегрированных разностей сигналов от датчиков 3, 4; 12 - микроконтроллер; 13, 14 - накопители входных сигналов; 15, 16, 17, 18 - решающие устройства; 19, 20 - перемножители; 21 - громкоговоритель; A, B - смежные участки продуктопровода, C - устройство принятия решений; ΔC, ΔC - приращения регистрируемого сигнала при появлении на участке продуктопровода соответственно утечки или изменений, связанных с подготовкой врезки; ε, ε - задаваемые (приемлемые) вероятности ложных решений, обеспечиваемые устройством, N, - необходимое число накоплений для обеспечения обнаружения соответствующего предвестника ЧС с вероятностью ложных решений ε, «Син» - синхронизация работы (сброс, пуск) устройства принятия решений C, P(…) - плотности вероятностей проинтегрированных разностей сигналов от датчиков ΔE(t) в моменты t.
Известно, что амплитуда сигнала на выходе датчиков 3, 4 содержит информацию о параметрах перекачиваемого продукта, характеристиках трубы и окружающей его среды [Буденков С.А. и др. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов // Дефектоскопия, 2000, №2, С.29-36]. Переизлучение упругих колебаний оболочки в жидкость определяется ее плотностью, турбулентная среда, которая представляет собой перекачиваемый продукт, порождает флуктуации амплитуды регистрируемых сигналов. Корни деревьев в ветреную погоду являются источниками упругих колебаний в почве, проникающими из окружающей среды в оболочку продуктопровода. Эти и ряд других источников неинформативных сигналов (шумов) определяют дисперсию амплитуд регистрируемых сигналов, поступающих на схему вычитания 7.
Импульсы от генератора 9 преобразуются в упругие колебания элементом 5, регистрируются датчиками 3, 4, вычитаются один из другого схемой 7, поступают через ключ 6 на интегратор 10, отсчеты получаемых интегралов разностей указанных импульсов поступают на схемы 11, 13, 14. Поскольку при распространении упругих колебаний по продуктопроводу происходит их задержка относительно возбуждаемых импульсов генератора 9, введена линия задержки 8 для управления ключом 6. Интегрирование получаемых разностей увеличивает отношение сигнал/шум, подавляются высокочастотные составляющие шумов.
N
На схему 11 возложена функция вычисления среднеквадратичного отклонения поступающих отсчетов σ:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>τ</mi></mrow></munderover><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow></mrow></mstyle><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>τ</mi></mrow></munderover><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
i
N
где N - число поступивших отсчетов в схему 11, ΔU(t) - сигнал на выходе схемы 7 в момент существования импульса на выходе схемы 8, τ - длительность импульса задающего генератора 9,
- оценка математического ожидания ΔE(t), которое при отсутствии предвестников ЧС устанавливается равным 0. Число N определяется по задаваемой точности определения σ схемой 11 с учетом количества импульсов, поступающих на ее вход со схемы 8.
N
y
вр
y
вр
N
i
По завершению формирования значения σ включается в работу микроконтроллер 12. Его задача по заданным ε, ε, ΔC, ΔC и σ определить значения чисел накапливаемых сигналов ΔE(t) для обнаружения соответствующих предвестников ЧС: «утечки» или «подготовка к установке врезки». В общем случае предвестников может быть больше, устройство на фиг.1 отражает случаи обнаружения обозначенных отклонений от нормы на одном из контролируемых участков A, B.
i
i
y
вр
j
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>≈</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>Δ</mi><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msqrt><mi>N</mi></msqrt></mrow>
Алгоритм работы микроконтроллера 12 можно пояснить с помощью изображенных на фиг.2 плотностей вероятностей сигналов ΔE(t). При отсутствии их накопления (N=1) плотность вероятностей имеет вид Р(ΔЕ(t), N=1). Шумы, порождаемые турбулентными пульсациями давления в перекачиваемом потоке, по своей природе имеют нормальный закон распределения вероятностей и при
, характеризуются на выходе схемы 11 только дисперсией
. Накопление независимых отсчетов
увеличивает (согласно положениям теории вероятностей) среднеквадратическое отклонение обозначенной усредненной суммы в
раз (см. фиг.2). В то же время накопление сигнала ΔC·/(ΔC) увеличивает итоговый сигнал в N раз. Поэтому увеличивая N, можно в принципе выявить сколь угодно малый полезный сигнал ΔC. Это известный вывод теории обнаружения сигналов. Применительно к рассматриваемой задаче не ясно, на каком количестве накоплений следует остановиться для ее решения.
вр
y
вр
y
вр
y
С физической точки зрения формирование шурфа на смежном участке (А или В) и подготовка обнажившейся трубы для установки приспособления для создания врезки ведет к резкому сокращению переизлучения распространяющихся колебаний по продуктопроводу в этой зоне и появлению положительного приращения ΔC в сечении регистрации (формулы для расчета этого приращения приводятся в [Меркулов Л.Г. Затухание нормальных волн в пластинах, находящихся в жидкости//Акустический журнал, 1964, т.Х, вып.2, С.206-211; Буденков Г.А. и др. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов//Дефектоскопия, 2000, №2, С.29-36]). При утечке окружающий продуктопровод грунт будет пропитываться вытекающим продуктом. В результате переизлучение распространяющейся энергии упругих колебаний увеличивается, сигнал на выходе системы регистрации уменьшается (-ΔC). Существующие расчетные методики позволяют оценить значения ΔC и ΔC. Но есть проблема обнаружить эти отклонения в условиях, когда отношение сигнал/шум на входе датчиков оказывается существенно меньше единицы. Единственно видимый путь решить обозначенную задачу - провести накопление малых отклонений ΔC, ΔC. По условиям задачи допускается проведение нескольких тысяч накоплений и, следовательно, можно увеличить исходное отношение сигнал/шум до 50-60 раз. Противоположное требование: чем больше времени будет затрачено на реализацию операции накопления, тем больший объем грунта будет загрязнен вытекающим продуктом, т.е. интервал накопления следует уменьшить.
Компромиссный вариант решения задачи просматривается при анализе фиг.2.
вр
y
вр
y
<mrow><msqrt><mi>N</mi></msqrt><msub><mi>σ</mi><mi>N</mi></msub></mrow>
При решении задач обнаружения (распознавания) задаются приемлемыми для потребителя вероятностями ложных решений ε (ε) и пропуска цели. При накоплении сигнал увеличивается по закону NΔC(NΔC), среднеквадратическое отклонение шумов - по закону
. Вероятность ложной тревоги
<mrow />
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>j</mi></msub><mo>≥</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>±</mo><mtext> </mtext><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><mo>±</mo><mtext> </mtext><mi>∞</mi></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>σ</mi><mi>N</mi></msub></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>Δ</mi><mi>E</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><mi>N</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>σ</mi><mi>N</mi></msub></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
j
j
j
При знании оценки энергии шумов
(определяется экспериментально при каждом цикле принятия решений схемы 11), заданной вероятности ложных решений ε (например, 0,01) и расчетной оценке сигнала ΔC, от предвестника ЧС при нормальном распределении
последовательное задание числа N позволяет определить его величину при решении приведенного уравнения. Эта функция возложена на микроконтроллер 12.
1
2
1
2
1
y
2
вр
Найденные значения N и N поступают на устройство принятия решений с одновременным запуском его в рабочее состояние (сигнал «Син»). Соответствующие накопители 13 и 14 производят суммирование N и N входных отсчетов, при превышении этими суммами порогов NΔC и NΔC решающие устройства 15, 16, 17, 18 формируют сигналы «Решение».
1
2
N
1,
2
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Пороги принятия решений определяются числами N и N, которые вычисляются по текущей дисперсии
. Изменения режима перекачки, усиление ветра меняют показатель σ, а через него N N. В результате поддерживается заданная вероятность ложных решений при обнаружении исходных изменений на продуктопроводе не ниже заданных при любых отклонениях параметров системы перекачки продуктов и погодных условий.