Система дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов
SYSTEM FOR REMOTE MONITORING OF UNDERGROUND PIPELINES STATE

Изобретение может быть использовано для дистанционного контроля состояния подземных стальных трубопроводов, а также установленного на них оборудования и прилегающих к ним территорий с применением датчиков, измерительных контроллеров и средств передачи данных, установленных на трубопроводах или в непосредственной близости от них и использующих для своего питания разность потенциалов, существующую между трубопроводом, находящимся под катодной защитой, и заземляющим контуром, а в качестве среды передачи данных пару «стальной подземный трубопровод - земля».
Периодический дистанционный контроль подземных стальных трубопроводов в наружном изоляционном покрытии, прилегающего к ним грунта и установленного на трассе трубопроводов обслуживающего оборудования является важным фактором обеспечения безаварийной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта в течение всего срока проектной эксплуатации.
Контролю может подлежать качество электрохимической защиты (суммарный и поляризационный потенциал, скорость коррозии, сопротивление защитный кожух - труба, сопротивление изолирующей вставки и прочее), состояние изоляционного покрытия, состояние прилегающего грунта (влажность, температура, кислотность, подвижки и прочее), отсутствие несанкционированных работ в охранной зоне трубопровода, параметры работы оборудования трубопровода.
Контроль указанных факторов осуществляется, как правило, путем периодического опроса устанавливаемых с определенным интервалом в непосредственной близости от трубопровода датчиков или соответствующих интерфейсов обслуживающего оборудования. Места установки датчиков могут совпадать с местами установки контрольно-измерительных пунктов (КИП) или контрольно-измерительных колонок (КИК) с интервалом от несколько сот метров до нескольких километров. Требуемая частота замеров может варьироваться от нескольких раз в месяц до нескольких раз в сутки.
Расположение трубопроводов в труднодоступной местности со сложными климатическими условиями, а также необходимость оперативного обнаружения вышедшего из строя оборудования или возникновения аварийных ситуаций достигается только применением системы дистанционного телеконтроля.
Стационарное размещение измерительного оборудования с функцией телеконтроля вне зон размещения контролируемых пунктов телемеханики (КП ТМ - крановые узлы, установки катодной защиты, узлы связи и прочее) требует наличия электропитания, что вызывает существенные ограничения по их применению, вызванные сложностью и дороговизной прокладки кабеля и обеспечения его целостности вдоль всей трассы трубопровода или установки сменных источников питания.
Результаты опроса измерительного оборудования необходимо передавать в пункты управления. Для передачи данных, полученных от датчиков, могут применяться различные способы, в том числе, передача по кабелю связи различного типа (медного, оптического), передача по беспроводному каналу (сотовая связь, спутниковая связь, радиомодемная связь), передача данных по вдольтрассовому кабелю электроснабжения. Для работы оборудования передачи данных также требуется электропитание.
Известно устройство передачи информации [RU 2221333, С2, Н04В 3/54, 10.01.2004], содержащее передатчик, линию связи, приемник и согласующие трансформаторы, причем, выход передатчика и вход приемника через согласующие трансформаторы и конденсаторы связи соединены с линией связи, роль которой выполняет высоковольтный силовой кабель, при этом, в каждом из согласующих трансформаторов одна из обмоток реализована на основе использования проводника, предназначенного для заземления бронирующей оплетки кабеля, а функцию конденсатора связи выполняют емкости между бронирующей оплеткой и токонесущими проводниками силового кабеля.
Недостатком этого технического решения является существенное энергопотребление, требование непрерывной работы, относительно узкая область применения, вызванная необходимостью прокладки и поддержания в исправном состоянии высоковольтного силового кабеля, а также вызванного этим относительно высокой сложностью устройства и относительно низкой безопасностью использования.
Известно также техническое решение [RU 2006953, CI, G08C 19/02, 03.06.1999], содержащее на каждом объекте контроля генератор и согласующий блок, трубопровод, являющийся каналом связи, на приемной стороне - избирательный фильтр, соединенный с трубопроводом, усилитель и заземлитель, а также на объекте контроля электромагнитный датчик, связанный с дренажным кабелем станции катодной защиты и соединенный через согласующий блок с входом питания генератора, выполненного с инфранизкой частотой пульсаций отрицательной полярности однополупериодного выпрямленного напряжения, сигнальный выход которого подключен к дренажному кабелю станции катодной защиты, причем, выход генератора подключен к заземлителю, выполненному в виде диодного моста, одна вершина которого является шиной нулевого потенциала, на приемной стороне выход избирательного фильтра через последовательно соединенные усилитель, индикатор и заземлитель подключен к шине нулевого потенциала.
Недостатком этого технического решения является необходимость использования соответствующих средства питания генераторов, размещенных на каждом объекте контроля, что вызывает относительно высокую сложность технического решения, а также относительно узкая область применения, вызванная тем, что в ряде случаев невозможна подача питания на отдельных участках трасс трубопроводов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной является система контроля установками катодной защиты магистральных газопроводов [RU 2540847, С2, G05B 19/00, C23F 13/02, 10.02.2015], содержащая установки катодной защиты со станциями катодной защиты, с блоками контроля и управления, трубопроводами, анодными заземлителями, контрольно-измерительными пунктами, датчиками потенциалов и датчиками скорости коррозии, диспетчерский пункт с автоматизированным рабочим местом диспетчера, канал связи между станциями катодной защиты и диспетчерским пунктом, причем, канал связи организован посредством подключения к воздушной линии электропередач высокочастотных заградителей и конденсаторов связи, соединенных с фильтрами присоединения, снабженными заземляющими ножами и подключенными к блокам высокочастотной связи, один из которых установлен в диспетчерском пункте и связан с автоматизированным рабочим местом диспетчера, а другие - в установках катодной защиты и связаны с блоками контроля и управления, при этом, к каждому анодному заземлителю и к каждой точке дренажа трубопровода подключен измерительный преобразователь, связанный с блоком контроля и управления.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности системы, поскольку обеспечивается лишь контроль установками катодной защиты магистральных газопроводов, а не контроль более широкой номенклатуры устройств, а также относительно высокая сложность, обусловленная тем, что, необходимо использовать канал связи между станциями катодной защиты и диспетчерским пунктом, организованный посредством подключения к воздушной линии электропередачи, поскольку в значительном ряде случаев прокладка таких линий затруднительна или практически невозможна. Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для дистанционного контроля состояния подземных стальных трубопроводов, а также установленного на них оборудования и прилегающих к нему территорий с применением датчиков, установленных на трубопроводах или в непосредственной близости от них.
Технической задачей, которая решается в предлагаемом изобретении, является расширение арсенала технических средств, используемых для контроля состояния подземных стальных трубопроводов на всем их протяжении и создание системы, отличающейся от известных более простой конструкцией и более широкой областью применения за счет того, что система дистанционного контроля подземного стального трубопровода в наружной изоляции, находящегося под катодной защитой, не требует прокладки дополнительных линий электропитания и связи для измерительных и телекоммуникационных устройств, размещаемых вдоль трассы трубопровода, что, в свою очередь, обеспечит повышение надежности системы, продление срока эксплуатации, своевременное реагирование на аварийные ситуации, увеличение объема анализируемой информации, снижение энергопотребления.
Дополнительным техническим результатом является возможность оперативного контроля состояния наружного изоляционного покрытия трубопровода на наличие дефектов за счет периодического анализа затухания передаваемого по трубопроводу сигнала.
Требуемый технический результат заключается в упрощении системы и расширении области применения с одновременным повышением ее надежности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в систему, содержащую датчики дистанционного контроля с аналоговым и цифровым выходом, средства электропитания, а также канал связи, обеспечивающий передачу данных дистанционного контроля в диспетчерский пункт системы от контролируемого пункта телемеханики, согласно изобретению, введены измерительный модуль, содержащий аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с выходами датчиков дистанционного контроля с аналоговыми выходами, а выходы являются выходами измерительного модуля, управляющий модуль, первый вход которого соединен с выходом измерительного модуля, второй вход соединен с выходами датчиков дистанционного контроля с цифровыми выходами, а третий вход соединен с выходом датчика аварийной сигнализации, первый модуль согласования, первый модуль приема-передачи, первый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего модуля, а второй вход-выход соединен с входом-выходом первого модуля согласования, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом посредством контрольного проводника, а заземляющие контакты соединены с контуром заземления, второй модуль приема-передачи и второй модуль согласования, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго модуля приема-передачи, второй вход-выход которого соединен через контролируемый пункт телемеханики с диспетчерским пунктом, усилитель напряжения, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом посредством контрольного проводника, а заземляющие контакты соединены с контуром заземления, и аккумулятор емкостью не менее 1 Ач, входные контакты которого соединены с выходными контактами усилителя напряжения для обеспечения возможности зарядки аккумулятора от разности потенциалов между стальным трубопроводом и контуром заземления, причем, в качестве средства электропитания используется автономный модуль электроснабжения, который обеспечивает подачу напряжения питания от аккумуляторной батареи на датчики дистанционного контроля с аналоговым и цифровым выходом, на модуль приема-передачи, на измерительный модуль и на управляющий модуль, содержащий сторожевой таймер с расчетным интервалом срабатывания и/или срабатыванием по сигналу датчика аварийной сигнализации.
На чертеже представлена функциональная схема системы дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов.
На чертеже обозначены:
1 - подземный стальной трубопровод;
2 - датчики с аналоговым выходом;
3 - датчики с цифровым выходом;
4 - измерительный модуль;
5 - управляющий модуль;
6 - контрольный пункт телемеханики;
7 - аккумуляторная батарея;
8 - автономный модуль электропитания;
9 - контур заземления;
10 - контрольный проводник;
11 - дренажный кабель;
12 - первый модуль приема-передачи;
13 - усилитель напряжения;
14 - первый модуль согласования;
15 - сторожевой таймер;
16 - диспетчерский пункт;
17 - датчик аварийной сигнализации;
18 - второй модуль согласования;
19 - второй модуль приема-передачи.
Система дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов содержит датчики 2 дистанционного контроля с аналоговым выходом и датчики 3 дистанционного контроля с цифровым выходом.
Кроме того, система содержит измерительный модуль 4, содержащий аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с выходами датчиков 2 дистанционного контроля с аналоговыми выходами, а выходы являются выходами измерительного модуля 4, управляющий модуль 5, первый вход которого соединен с выходом измерительного модуля 4, второй выход соединен с выходами датчиков 3 дистанционного контроля с цифровыми выходами, а третий вход соединен с выходом датчика 17 аварийной сигнализации.
Система содержит также первый модуль 14 согласования, первый модуль 12 приема-передачи, первый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего модуля 5, а второй вход-выход соединен с входом-выходом первого модуля 14 согласования, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом 1 посредством контрольного проводника 10, а заземляющие контакты соединены с контуром 9 заземления.
Помимо указанных выше, система содержит второй модуль 19 приема-передачи и второй модуль 18 согласования, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго модуля 19 приема-передачи, второй вход-выход которого соединен через контролируемый пункт 6 телемеханики с диспетчерским пунктом 16.
В систему входит также усилитель 13 напряжения, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом 1 посредством контрольного проводника 10, а заземляющие контакты соединены с контуром 9 заземления, и аккумулятор 7 емкостью не менее 1 Ач, входные контакты которого соединены с выходными контактами усилителя 13 напряжения для обеспечения возможности зарядки аккумулятора 7 от разности потенциалов между стальным трубопроводом 1 и контуром 9 заземления, причем, в качестве средства электропитания используется автономный модуль 8 электроснабжения, который обеспечивает подачу напряжения питания от аккумуляторной батареи 7 на датчики дистанционного контроля с аналоговым 2 и цифровым 3 выходом, на первый модуль 12 приема-передачи, на измерительный модуль 4 и на управляющий модуль 5, который содержит сторожевой таймер 15 с расчетным интервалом срабатывания и/или срабатыванием по сигналу датчика 17 аварийной сигнализации.
Система контроля состояния подземных трубопроводов используется следующим образом.
Работа предложенной системы основана на использовании стального трубопровода и контура заземления с одной стороны, как источника энергии для обеспечения работы датчиков, а, с другой стороны, как канала связи для передачи информации на диспетчерский пункт.
Датчики с аналоговым выходом 2, с цифровым выходом 3 и охранные (аварийные) датчики 17 аварийного сигнала дистанционного контроля состояния подземных стальных трубопроводов, установленного на них оборудования и прилегающих к ним территорий, установленные вдоль трассы стального подземного трубопровода, обеспечивающие периодическое проведение измерений соответствующих параметров, преобразования результатов измерений с помощью аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав измерительного модуля 4, в цифровые данные, промежуточного сохранения и сжатия (присвоения идентификаторов, кодировки, шифрования) данных в управляющем модуле 5 и их передаче при помощи модуля приема-передачи данных 12 и модуля согласования передатчика 14 по каналу связи 1 (трубопроводу) через контрольный проводник 10 и земле через контур заземления 9 на контролируемый пункт телемеханики 6, который так же содержит модуль приема-передачи 19 и модуль согласования передатчика 18 по каналу связи 1 (трубопроводу) через дренажный кабель 11 и земле через контур заземления 9, и, далее, на диспетчерский пункт 16.
Электропитание датчиков 3 дистанционного контроля состояния подземных стальных трубопроводов, установленного на нем оборудования и прилегающих к нему территорий, установленные вдоль трассы стального подземного трубопровода, измерительного модуля 4 с аналого-цифровыми преобразователями 4, управляющего модуля 5 и модуля приема-передачи данных 12 с модулем согласования передатчика 14 обеспечивается автономным модулем электроснабжения 8 за счет защитного потенциала стального подземного трубопровода 1, который присутствует на нем при катодной защите. Напряжение потенциала, снимаемое между трубопроводом 1 и контуром заземления 9, увеличивается при помощи усилителя 13 до величины, достаточной для заряда аккумулятора 7. Полученное напряжение подается на автономный модуль электроснабжения 8 со встроенным аккумулятором 7. Управляющий модуль 5 содержит таймер 15, который с определенным интервалом времени или при срабатывании датчика сигнализации (аварии) 17 включает (выводит из режима «сна») сам управляющий модуль 5, измерительный модуль 4 в начале сеанса измерений и модуль приема-передачи 12 в начале сеанса связи. По завершении сеанса связи измерительный модуль 4 и модуль приема-передачи данных 12 выключаются (переходят в режим «сна»). Управляющий модуль 5 переходит в режим «сна» с включенным таймером и контролем контактов сигнализации.
Для передачи данных от датчиков 2 и 3 наведение электрических колебаний производится на стальной трубопровод. Для этого модули приема-передачи данных 9 преобразуют данные, полученные от датчиков 2, оцифрованных при помощи аналого-цифровых преобразователей измерительного модуля 4, и датчиков 3 в электрические колебания с последующим наведением колебаний при помощи модулей согласования. Наведенные колебания распространяются вдоль трубопровода до аналогичного приемного устройства, выполняющего обратное преобразование электрических колебаний в данные в цифровом виде с последующей их передачей в диспетчерскую систему.
Для проверки возможной реализации системы были проведены натурные испытания.
Пример 1.
Трубопровод: диаметр - 1200 мм, год постройки - 1995, суммарный защитный потенциал - 1,83 В, напряжение между трубопроводом и заземляющим контуром - 1,3 В, ток - 10 мА, напряжение на входе аккумулятора - 3,6 В, ток на входе аккумулятора - 3 мА.
Пример 2
Трубопровод: диаметр - 820 мм, год постройки - 2012, суммарный защитный потенциал - 1,75 В, напряжение между трубопроводом и заземляющим контуром - 2,1 В, ток - 15 мА, напряжение на входе аккумулятора - 3,6 В, ток на входе аккумулятора - 8 мА.
Таким образом, в предложенной системе достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении системы и расширении области применения с одновременным повышением экономичности и надежности.