УСТАНОВКА И СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРУБОПРОВОДА НА СТАДИИ СПУСКА ПОСРЕДСТВОМ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
INSTALLATION AND METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF PIPELINE AT DESCENT STAGE BY MEANS OF SOUND WAVES IN REAL TIME

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к установке для дистанционного измерения геометрических параметров трубопровода на стадии спуска посредством звуковых волн в режиме реального времени и к соответствующему способу.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
На стадии спуска труб для подводных трубопроводов с помощью трубоукладочного судна 200 (схематически показано на фиг. 7) необходимо обеспечивать целостность самого трубопровода 2 с момента перемещения на судне 200 до конечного размещения на морском дне.
Однако различные факторы, включая выполнение сварочных операций на судне 200, перемещение трубопроводов по вспомогательным средствам перемещения на борт судна 200, кривизна трубопровода на стадии спуска, контакт с морским дном и т. п., могут приводить к локальным деформациям трубопроводов 2, которые могут перерасти в более серьезные повреждения, такие как локальные вмятины или выступы, и спровоцировать более критические последствия как во время монтажа, так и после.
Поэтому контроль геометрических параметров трубопровода посредством измерения в режиме реального времени на стадии спуска имеет большое значение для своевременной диагностики любых отклонений.
В результате обнаружения таких отклонений еще на стадии спуска могут быть назначены меры по устранению недостатков, что обеспечит очевидное преимущество.
Недостоверное выявление таких отклонений или неспособность их обнаружить может повлечь за собой на стадии укладки и во время эксплуатации связанные с издержками происшествия, такие как, например, прерывание подачи углеводородов или загрязнение окружающей среды.
На сегодняшний день для обнаружения дефектов, таких как вмятины или выступы, выгибы или чрезмерные деформации, связанные со спуском трубопровода, как правило, используют измерительный прибор под названием «детектор коробления» (ДК), который представляет собой механический прибор, состоящий из круглого измерительного прибора, закрепленного на каретке, соединенной с судном металлическим тросом 201, и датчика нагрузки, выполненного с возможностью контроля натяжения металлического троса.
Каретка удерживается на заданном расстоянии для контроля критических участков, которые наиболее всего подвергаются нагрузке, и отображая наибольшее количество аномалий и геометрических деформаций.
Каретка перемещается относительно спускаемого трубопровода и издает сигнал тревоги, свидетельствующий о наличии деформаций, препятствующих его движению вперед и проявляющихся в виде повышенного натяжения металлического троса.
В таких случаях выбор размера измерительного прибора продиктован стандартами и осуществляется на основании внутреннего диаметра проверяемого трубопровода или технических требований проекта. Некоторые обычные производственные дефекты трубопровода, такие как овальность, несоосность или переменный внутренний диаметр, влияют на достоверность проверки.
Использование механического прибора, такого как «детектор коробления» (ДК) является проникающим процессом и сопряжено с затруднениями, рисками и другими недостатками во время работы.
Во-первых, такой механический прибор очень громоздкий из-за наличия металлического троса, каретки и датчика нагрузки, более того, он должен все время находиться внутри трубопровода и во время выполнения операций укладки постоянного находиться под контролем и управлением.
Кроме того, длина металлического троса для непрерывного соединения «детектора коробления» (ДК) с судном 200 может достигать нескольких сот метров, при этом из-за скольжения внутри трубопровода существует возможность разрыва.
Это все влияет на точность и достоверность измерения.
Также спуск, ремонт и техническое обслуживание «детектора коробления» (ДК) (последняя операция необходима ввиду механического износа вследствие непрерывной эксплуатации) занимают очень много времени.
Кроме того, с точки зрения работоспособности, «детектор коробления» (ДК) способен обнаруживать в одной точке одно отклонение и низкой точностью и воспроизводимостью измерения, что приводит к пропускам или ложным сигналам тревоги.
Также эксплуатация «детектора коробления» (ДК) может быть сопряжена с риском, поскольку во время укладки трубопровода может возникнуть одно из следующего: разрыв металлического троса, застреванием «детектора коробления» (ДК) во время перемещения, одно или несколько повреждений внутренней обшивки трубопровода в результате, главным образом, перемещения металлического троса. Учитывая эти недостатки, существует необходимость в создании непроникающего (с использованием «детектора коробления» (ДК)) технического решения.
В связи с этим известны некоторые установки, находящиеся на стадии экспериментов, предназначенные для обнаружения отклонений в трубопроводе с помощью непроникающей передачи радиочастотных (РЧ) электромагнитных волн в самом трубопроводе (который выполняет функцию электромагнитного волновода).
Передача радиочастотных (РЧ) электромагнитных волн осуществляется от источника спуска на открытом конце трубопровода, и радиочастотные (РЧ) электромагнитные волны, отражаемые от внутренних стенок трубопроводов, поступают на блок обработки. За счет использования алгоритмов обработки сигналов блок обработки оценивает наличие отклонений в трубопроводе на основании результатов сравнения энергии подаваемого сигнала с энергией отраженного сигнала.
Такое решение предназначено для получения результатов измерений допустимой точности, но оно ограничено по расстоянию (из-за затухания, которому подвержены электромагнитные волны), т. е. оно имеет ограничения по длине проверяемого трубопровода. Такие ограничения в некоторых случаях могут быть крайне невыгодными.
Более того, в некоторых ситуациях, когда электромагнитные волны находятся в микроволновом поле, отраженные волны могут поступать от множества миниатюрных дефектов, которыми в рамках проверки можно пренебречь, но которые могут генерировать непренебрежимое суммарное воздействие на общую полученную отраженную волну и может даже вызывать своего рода паразитные помехи электромагнитного приемника.
Таким образом, существует необходимость в предоставлении установок для непроникающего контроля и измерения с соответствующей точностью обнаружения дефектов и отклонений (без возникновения указанного выше явления паразитных помех) на больших расстояниях (то есть с возможностью контроля длинной полосы трубопровода), а также способных с большой точностью определять положение, форму и геометрические параметры каждого обнаруженного дефекта.
В частности, существует необходимость в идентификации дефектов и отклонений, возникающих на некоторых релевантных участках трубопровода, например, речь идет об i) участке контакта трубопровода с морским дном (ТКД — точка касания дна); ii) участках пролета трубопровода с наибольшей кривизной; iii) участке выхода трубопровода из судна, т. е. из специальной опорной конструкции («стингера»); iv) участках контакта трубопровода с опорными конструкциями (например, роликовыми настилами), расположенными на судне или вдоль «стингера». Релевантные участки могут находиться на расстоянии порядка сотен метров и километров от приемной стороны трубопровода.
Более того, в уровне техники существует острая необходимость в возможности обнаружения даже макроскопических препятствий, которые могут присутствовать в трубопроводе, и/или нарастающих волн, которые могут проходить в трубопроводах, с целью более оперативного вмешательства, чем существует на сегодняшний день.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Целью настоящего изобретения является предоставление установки для дистанционного измерения геометрических параметров трубопровода посредством звуковых волн, т. е. с помощью волн давления, распространяющихся в текучей среде внутри трубопровода, на стадии спуска в режиме реального времени для по меньшей мере частичного устранения описанных выше недостатков, присущих решениям из уровня техники, и для удовлетворения описанных выше потребностей, остро ощущаемых в области техники настоящего изобретения.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление способа дистанционного измерения в режиме реального времени посредством звуковых волн, т. е. с помощью волн давления, распространяющихся в текучей среде внутри трубопровода, геометрических параметров трубопровода на стадии спуска, который может выполняться с помощью указанной установки.
Эта цель достигается с помощью установки по п. 1.
Остальные варианты осуществления такой установки описаны в пп. 2–22.
Способ в соответствии с настоящим изобретением определен в п. 23.
Остальные варианты осуществления такого способа описаны в пп. 24–32.
Краткое описание фигур
Другие признаки и преимущества установки для дистанционного измерения в режиме реального времени посредством звуковых волн, т. е. с помощью волн давления, распространяющихся в текучей среде внутри трубопровода, геометрических параметров трубопровода на стадии спуска согласно настоящему изобретению станут понятны из приведенного далее описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных в качестве неограниченного примера со ссылкой на прилагаемые фигуры, где:
— на фиг. 1 показана принципиальная схема установки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
— фиг. 2 показана принципиальная схема другого варианта осуществления установки;
— на фиг. 3 показаны некоторые возможные моды распространения звука в цилиндрической трубе;
— на фиг. 4A и 4B показано механическая/структурная конфигурация другого варианта осуществления установки;
— на фиг. 5 схематически показана часть установки и сечение трубопровода, дефекты которого могут быть обнаружены с помощью установки;
— на фиг. 6 показана упрощенная схема модели распространения и отражения звука, использованная в варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению;
— на фиг. 7 схематически показан метод измерения, применяемый в уровне техники, в контексте спуска трубопровода на морское дно с помощью судна; и
— на фиг. 8a–8e схематически показаны примеры размещения элементы передачи звука и элементы приема звука согласно различным вариантам осуществления установки.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Установка для дистанционного измерения геометрических параметров трубопровода на стадии спуска посредством звуковых волн в режиме реального времени согласно настоящему изобретению, далее так же — установка, обозначенная в целом цифровой позицией 100, будет описана далее со ссылкой на фиг. 1. Также далее будут подробно описаны примеры указанных выше геометрических параметров.
В целях описания сути настоящего изобретения необходимо отметить, что под звуковыми волнами следует понимать волны давления, распространяющиеся в текучей среде внутри трубопровода, например, на минимальной частоте в несколько Гц и на максимальной частоте, зависящей, например, от диаметра трубопровода. Например, для диаметра, равного 4” (дюйма), т. е. приблизительно 10 см, максимальная частота распространения звуковой волны в текучей среде внутри трубопровода будет составлять приблизительно 1500 Гц, а для диаметра, равного 60” (дюймов), т. е. приблизительно 150 см, максимальная частота распространения звуковой волны в текучей среде внутри трубопровода будет составлять приблизительно 100 Гц.
Установка 100 содержит блок 1 приемопередачи звука, который может быть расположен в трубопроводе 2 (часть которого схематически показана на фиг. 1), и блок 3 управления.
Блок 1 приемопередачи звука содержит блок 4 передачи звука, выполненный с возможностью подавать входной звуковой сигнал sa1 в трубопровод 2 на основании управляющего электрического сигнала sp.
Блок 1 приемопередачи звука дополнительно содержит блок 5 приема звука, отличный от блока 4 передачи звука и выполненный с возможностью обнаружения входного звукового сигнала sa1 и генерирования первого электрического измерительного сигнала se1 в зависимости от входного звукового сигнала sa1.
Блок 5 приема звука дополнительно выполнен с возможностью приема входного отраженного сигнала sa2, сгенерированного в трубопроводе 2 и зависящего от входного звукового сигнала sa1 и от геометрических параметров трубопровода, и с возможностью генерирования второго электрического измерительного сигнала se2 на основании отраженного звукового сигнала sa2.
Блок 3 управления выполнен с возможностью генерировать управляющий электрический сигнал sp и функционально соединен с блоком 1 приемопередачи звука для создания управляющего электрического сигнала sp и приема первого электрического измерительного сигнала se1 и второго электрического измерительного сигнала se2.
Более того, блок 3 управления выполнен с возможностью измерения геометрических параметров трубопровода 2 на основании первого электрического измерительного сигнала se1 и второго электрического измерительного сигнала se2.
Следует отметить, что в описанной выше установке 100 блок 4 передачи звука и блок 5 приема звука могут работать независимо друг от друга.
Более того, блок 3 управления может измерять геометрические параметры трубопровода 2, учитывая при этом отраженный звуковой сигнал sa2 (например, сгенерированный отраженными волнами или эхо в трубопроводе 2), а также фактический входной звуковой сигнал sa1, точно измеренный блоком 5 приема звука, а не приблизительно подсчитанный.
Другими словами, блок 5 приема звука измеряет и входной звуковой сигнал sa1, поданный блоком 4 передачи звука, и отраженный звуковой сигнал sa2.
Заявитель экспериментально установил, что, для того чтобы получить точную количественную оценку дефектов, очень важно точно знать величину входного звукового сигнала sa1 на стадии обработки эхо.
Следует отметить, что в различных вариантах применения геометрические параметры трубопровода 2, которые могут быть измерены установкой 100, включают сечение и/или форму трубопровода 2 (в продольном направлении трубопровода 2), например, диаметр трубопровода, который может составлять от приблизительно 4” (приблизительно 10 см) до приблизительно 60” (приблизительно 150 см), и/или дефекты или отклонения (например, выступы или коробления) на трубопроводе 2 в любом положении.
В случае дефектов или отклонений геометрические параметры, которые могут быть измерены с помощью установки 100 согласно настоящему изобретению, включают положение, форму и размер каждого обнаруженного дефекта или отклонения.
Следует отметить, что блок 1 приемопередачи звука может быть размещен в любой точке внутри трубопровода 2, но предпочтительно на первом отрезке трубопровода 2, на трубоукладочном судне 200 и более предпочтительно на приемной стороне самого трубопровода 2, где под приемной стороной трубопровода 2 следует понимать оконечное устройство трубопровода 2 со стороны трубоукладочного судна 200.
В соответствии с характерным вариантом осуществления установки, показанным на фиг. 2, блок 4 передачи звука содержит по меньшей мере два элемента 6, 6’ передачи звука, выполненные с возможностью подачи входного звукового сигнала sa1, предусматривающего по меньшей мере одну моду распространения звука.
В таком случае блок 3 управления выполнен с возможностью генерировать управляющий электрический сигнал sp, содержащий один или более управляющих электрических сигналов sp’, sp”, предназначенных для управления каждым из по меньшей мере двух элементов 6, 6’ передачи звука.
С другой стороны, блок 5 приема звука содержит по меньшей мере два элемента 7, 7’ приема звука, выполненные с возможностью принимать звуковой сигнал sa2, предусматривающий указанную по меньшей мере одну моду распространения звука.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления указанные по меньшей мере два элемента 6, 6’ передачи звука выполнены с возможностью подавать входной звуковой сигнал sa1, предусматривающие основную моду распространения звука и меньшей мере одну дополнительную моду распространения звука.
Более того, в таком случае указанные по меньшей мере два элемента 7, 7’ приема звука выполнены с возможностью приема звукового сигнала sa2, предусматривающего по меньшей мере основную моду распространения звука и по меньшей мере одну дополнительную моду распространения звука.
Преимущественно в соответствии с таким дополнительным вариантом осуществления может генерировать множество мод распространения, которые будут записаны и опознаны (например, как показано на фиг. 3), и каждая из которых может быть чувствительна к различным геометрическим параметрам возможных дефектов трубопровода 2 (например, вмятин), тем самым обеспечивая более высокую надежность и точность при идентификации и воссоздании типа отклонения.
Например, основная мода распространения звука (0,0) симметрична относительно оси трубопровода 2 и чувствительна к изменениям сечения, а мода (1,0) несимметрична и поэтому может определять местоположение возможного вмятины вдоль окружности трубопровода 2, и т. д.
В соответствии с другим дополнительным вариантом осуществления указанные по меньшей мере два элемента 6, 6’ передачи звука выполнены с возможностью подавать первый переданный звуковой сигнал sa1’ и второй переданный звуковой сигнал sa1”, которые акустически объединяются с образованием входного звукового сигнала sa1.
В соответствии с одним вариантом осуществления двумя элементами 6, 6’ передачи звука можно управлять независимо друг от друга, так что первый переданный звуковой сигнал sa1’ и второй переданный звуковой сигнал sa1” будут отличаться друг от друга, для определения множества возможных входных звуковых сигналов.
Таким образом, предоставляются различные степени свободы для генерирования входных звуковых сигналов разной формы и/или модулированных самыми разнообразными способами, а также предназначенных для заданных целей.
Например, могут быть сгенерированы импульсы, модулирующие входной звуковой сигнал sa1.
В соответствии с вариантом осуществления установки, показанным на фиг. 2, каждый из указанных блоков 4 передачи звука или элементов 6, 6’ передачи звука и каждый из указанных блоков 5 приема звука или элементов 7, 7’ приема звука содержит электроакустический преобразователь известного типа per se.
Более того, блок 3 управления содержит блок 8 сбора первого электрического измерительного сигнала se1 и второго электрического измерительного сигнала se2, блок 9 генерирования управляющего электрического сигнала и процессор 10.
Процессор 10 выполнен с возможностью выполнения обработки с целью измерения геометрических параметров трубопровода 2 на основании первого электрического измерительного сигнала se1 и второго электрического измерительного сигнала se2, а также с возможностью управления блоком 9 генерирования управляющего электрического сигнала.
В соответствии с типичным вариантом осуществления блок 9 генерирования управляющего электрического сигнала содержит генератор 11 электрических сигналов, модулятор (по умолчанию включенный в блок 11) и усилитель 12.
Как будет подробно описано далее, генератор 11 электрических сигналов может быть выполнен с возможностью генерирования множества различных сигналов и форм волны: например, ЛЧМ-сигнал (в частности, нелинейный чирп), или волны Рикера, или волны Ормсби, или волны Клодера, и т. п.
В соответствии с вариантом осуществления установки 100 блок 4 передачи звука содержит матрицу динамиков, установленных в заданных местоположениях в форме элементов 6, 6’ передачи звука; блок 5 приема звука содержит матрицу микрофонов, установленных в заданных местоположениях в виде элементов 7, 7’ приема звука.
В соответствии с другими вариантами осуществления количество, геометрическое размещение, положение, взаимные расстояния элементов передачи звука и элементов приема звука могут быть самыми разными в зависимости от конкретных требований приема и передачи звука и требований к воспроизводимым модам распространения (например, показанным на фиг. 3).
На фиг. 8a–8e показаны разные примеры расположения элементов 6, 6’ передачи звука и элементов 7, 7’ приема звука, используемых в разных дополнительных вариантах осуществления установки.
Как было показано выше, степени свободы, обеспечиваемые за счет наличия множества звуковых излучателей и приемников, преимущественно задают возможность управления звуковыми сигналами, предусматривающими множество мод распространения, в соответствии с заданным для оптимизации измерения точности и эффективности геометрических параметров трубопровода.
Более того, матрица элементов передачи обеспечивает более эффективное управление испускаемыми сигналами, а также возможность генерирования волн сложной формы за счет подачи разных сигналов от каждого из элементов передачи (например, для генерирования импульсов).
В соответствии с вариантом осуществления установки (который может быть предоставлен отдельно от других вариантов осуществления, раскрытых в настоящем документе) блок 3 управления выполнен с возможностью выполнения следующих операций: определение формы анализирующей волны и генерирование управляющего электрического сигнала sp, в результате чего происходит модулирование входного звукового сигнала sa1 с помощью определенной формы анализирующей волны; дополнительное определение ожидаемой модели распространения; как следствие оценивание идеального отраженного звукового сигнала на основании формы анализирующей волны и ожидаемой модели распространения; затем сравнение ожидаемого идеального отраженного звукового сигнала за промежуток времени с обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 на основании второго электрического измерительного сигнала se2 за соответствующий промежуток времени; и наконец, получение геометрических параметров трубопровода 2 на основании указанного сравнения.
Полученные таким образом геометрические параметры описывают фактическую обнаруженную форму трубопровода 2 и найденные отклонения и/или дефекты.
Следует отметить, что блок 3 управления выполнен с возможностью оценки идеального отраженного сигнала и обнаружения отраженного звукового сигнала sa2 на основании указанных первого и второго электрических измерительных сигналов se1, se2.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления блок 3 управления выполнен с возможностью определения формы анализирующей волны на основании требуемого диапазона расстояний, внутри которого выполняется поиск дефектов, и/или на основании типа искомых дефектов, и/или на основании ожидаемого дефекта.
В соответствии с другим дополнительным вариантом осуществления установка дополнительно содержит средство для обнаружения фонового шума; в этом случае блок 3 управления выполнен с возможностью определения формы анализирующей волны посредством учета обнаруженного фонового шума. Таким фоновым шумом может быть окружающий шум, присутствующий в трубопроводе, или внешний окружающий шум (например, создаваемый внешним механическим оборудованием), поступающий в трубопровод 2. В связи с этим предлагается несколько вариантов. При условии наличия окружающего шума установка 100 может быть включена заранее относительно подачи входного звукового сигнала sa1 для того, чтобы в первую очередь можно было зарегистрировать фоновый шум; если предположить, что этот шум имеет стационарный характер, излучение звука формируется по частоте, обеспечивая тем самым необходимое отношение сигнал-шум по всей рассматриваемой полосе.
В случае внешнего окружающего шума средство для обнаружения фонового шума будет представлять собой звуковой датчик известного типа, установленный снаружи трубопровода 2 (возможно, рядом с источниками окружающего шума) и выполненный с возможностью записи такого внешнего шума на протяжении всей стадии работы. На стадии обработки данных используют методы адаптивного подавления шума, с помощью которых сводят к минимуму корреляцию между внешним измерением и измерением внутри трубопровода.
В соответствии с другими вариантами осуществления блок 3 управления выполнен с возможностью генерировать форму анализирующей волны в виде синусоидальной формы волны, модулированной по частоте с помощью чирпа и/или модулированной по амплитуде, или в соответствии с другими вариантами в виде волны Рикера, или волны Клодера, или волны Ормсби.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления блок управления выполнен с возможностью определения ожидаемой модели распространения на основании геометрических параметров геометрической модели трубопровода при условии отсутствия отклонений во время укладки.
В соответствии с другим дополнительным вариантом осуществления блок 3 управления также выполнен с возможностью определения ожидаемой модели распространения с учетом термодинамических параметров текучей среды (например, воздуха), находящейся внутри трубопровода, что будет раскрыто далее.
В соответствии с вариантом осуществления блок 3 управления выполнен с возможностью выполнения указанного выше сравнения за счет взаимной корреляции между ожидаемым идеальным отраженным звуковым сигналом за промежуток времени и обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 за соответствующий промежуток времени.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, для того, чтобы получить геометрические параметры трубопровода 2, блок 3 управления выполнен с возможностью выполнения следующих операций: определение функции пространственного отражения трубопровода, указывающей на уменьшение диаметра трубопровода в зависимости от расстояния на основании результата сравнения ожидаемого идеального отраженного звукового сигнала и обнаруженного отраженного звукового сигнала sa2; затем идентификация наличия и пространственного положения дефектов (например, 20 на фиг. 5) на основании указанной функции пространственного отражения; затем идентификация оцененной реальной геометрической модели трубопровода при наличии оцененного дефекта в идентифицированном положении дефекта; более того, вычисление ожидаемого отраженного звукового сигнала на основании оцененной реальной геометрической модели трубопровода; затем модифицирование геометрических параметров оцененной реальной геометрической модели трубопровода 2 на основании взаимной корреляции между ожидаемым отраженным звуковым сигналом и обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 за промежуток времени, соответствующий положению вокруг идентифицированного дефекта; и наконец, повторное выполнение указанного процесса модифицирования до тех пор, пока указанные геометрические параметры не сойдутся с получением реальной геометрической модели трубопровода 2, указывающей на обнаруженную форму трубопровода 2 и найденные отклонения.
Дополнительные сведения о принципах обработки, выполняемой блоком 3 управления, будут приведены далее со ссылкой на способ согласно настоящему изобретению.
В соответствии с вариантом осуществления установка 100 дополнительно содержит средство для обнаружения давления окружающей среды, выполненное с возможностью подачи на блок 3 управления информации об обнаруженном давлении окружающей среды.
В соответствии с другим дополнительным вариантом осуществления блок 3 управления выполнен с возможностью сохранения информации о температуре и/или профилей температуры, характерных для трубопровода 2 или ожидающихся в нем.
Блок 3 управления выполнен с возможностью определения ожидаемой модели распространения и/или оценки идеального отраженного звукового сигнала с учетом указанного давления окружающей среды и/или информации о температуре.
В таких случаях информация об изменениях давления и температуры вдоль трубопровода 2 включена в расчетные модели оценки распространения и отраженного звукового сигнала. Поскольку такие изменения давления и температуры влияют на скорость распространения волны и затухание волны, возможность их учета позволяет добиться высокой точности обнаружения положения дефектов и их количественного определения соответственно.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления блок 3 управления выполнен с возможностью сохранения множества измерений геометрических параметров и оценки пространственно-временного изменения одного или более участков трубопровода 2 на основании указанного множества измерений.
В соответствии с другим дополнительным вариантом осуществления установка 100 дополнительно содержит средство для оценки формы трубопровода 2 на стадии спуска, выполненное с возможностью измерения поперечных сечений участков трубопровода на стадии спуска, которые еще находятся на борту судна для спуска, и отправку информации о форме трубопровода 2 на стадии спуска и перед укладкой в блок 3 управления на основании постепенно измеренных поперечных сечений.
В этом случае блок 3 управления также выполнен с возможностью измерения геометрических параметров трубопровода с учетом указанной информации о форме трубопровода 2 на стадии спуска и еще находящегося на борту трубоукладочного судна 200.
В соответствии с вариантом осуществления установки (показанным на фиг. 4A и 4B) блок 1 приемопередачи звука может быть механически встроен в один модуль 30, прикрепляемый к внутреннему зажимному приспособлению, предназначенному для соединения и сварки участков трубопровода 2 на стадии спуска и широко известному как «внутренний центратор» (ILUC); блок 3 управления может быть встроен в тот же модуль 30.
В соответствии с вариантом осуществления блок 3 управления может быть расположен дистанционно от блока 1 приемопередачи звука, а установка дополнительно содержит электронное средство связи между блоком 1 приемопередачи звука и блоком 3 управления.
Далее будет описан способ дистанционного измерения в режиме реального времени посредством звуковых волн, т. е. волн давления, распространяющихся в текучей среде внутри трубопровода (как было определено выше), геометрических параметров трубопровода на стадии спуска. Такой способ может быть выполнен с помощью установки 100, описанной ранее.
Способ предусматривает следующие стадии: подачу в трубопровод 2 входного звукового сигнала sa1 на основании управляющего электрического сигнала sp посредством блока 4 передачи звука; как следствие, обнаружение указанного входного звукового сигнала sa1 с помощью блока 5 приема звука, отличного от блока 4 передачи звука, и генерирование первого электрического измерительного сигнала se1, зависящего от входного звукового сигнала sa1. Способ дополнительно предусматривает прием блоком 5 приема звука отраженного звукового сигнала sa2, сгенерированного в трубопроводе 2 и зависящего от входного звукового сигнала sa1 и от геометрических параметров трубопровода 2, и генерирование второго электрического измерительного сигнала se2 на основании отраженного звукового сигнала sa2; и наконец, стадию измерения геометрических параметров трубопровода 2 с помощью блока 3 управления на основании первого и второго электрических измерительных сигналов (se1, se2 соответственно).
В соответствии с вариантом осуществления способа стадия подачи входного звукового сигнала sa1 предусматривает подачу первого переданного звукового сигнала sa1’ первым элементом 6 блока 4 передачи звука и второго переданного звукового сигнала sa1” вторым элементом 6’ блоком 5 передачи звука соответственно, где первый переданный звуковой сигнал sa1’ и второй переданный звуковой сигнал sa1” объединяются с образованием входного звукового сигнала sa1.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способ предусматривает следующие дополнительные стадии: определение формы анализирующей волны и генерирование управляющего электрического сигнала sp, в результате чего происходит модулирование входного звукового сигнала sa1 с помощью определенной формы анализирующей волны; дополнительное определение ожидаемой модели распространения; затем оценка идеального отраженного звукового сигнала на основании формы анализирующей волны и ожидаемой модели распространения; как следствие, сравнение ожидаемого идеального отраженного звукового сигнала за промежуток времени с отраженным звуковым сигналом sa2, обнаруженным на основании второго электрического измерительного сигнала se2 за соответствующий промежуток времени, и наконец, получение геометрических параметров трубопровода 2 на основании результатов указанного сравнения, причем полученные геометрические параметры указывают на фактически обнаруженную форму трубопровода 2 и найденные отклонения и/или дефекты 20.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления стадия определения формы анализирующей волны предусматривает определение формы анализирующей волны на основании требуемого диапазона расстояний, внутри которого выполняется поиск дефектов, и/или на основании типа искомых дефектов, и/или на основании ожидаемого дефекта.
В соответствии с вариантом осуществления способ дополнительно предусматривает обнаружение фонового шума и определение формы анализирующей волны с учетом обнаруженного фонового шума.
В соответствии с вариантом осуществления стадия генерирования формы анализирующей волны предусматривает генерирование синусоидальной формы волны, модулированной по частоте с помощью чирпа и/или модулированной по амплитуде и/или в виде волны Рикера, или волны Клодера, или волны Ормсби.
В соответствии с другим вариантом осуществления способа стадия определения ожидаемой модели распространения предусматривает определение ожидаемой модели распространения на основании геометрических параметров геометрической модели трубопровода без отклонений при укладке и/или на основании термодинамических параметров текучей среды, находящейся внутри трубопровода.
В соответствии с другим вариантом осуществления способа стадия сравнения предусматривает выполнение взаимной корреляции между ожидаемым идеальным отраженным звуковым сигналом за промежуток времени и обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 за соответствующий промежуток времени.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа стадия получения геометрических параметров трубопровода 2 предусматривает: на основании результатов сравнения ожидаемого идеального отраженного звукового сигнала с обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 обнаружение функции пространственного отражения трубопровода 2, указывающей на уменьшения диаметра трубопровода в зависимости от расстояния; как следствие, идентификация наличия и пространственного положения дефектов 20 на основании указанной функции пространственного отражения; более того, определение оцененной реальной геометрической модели трубопровода 2 при наличии оцененного дефекта в идентифицированном положении дефекта; затем вычисление ожидаемого отраженного звукового сигнала на основании оцененной реальной геометрической модели трубопровода; как следствие, модифицирование геометрических параметров оцененной реальной геометрической модели трубопровода на основании взаимной корреляции между ожидаемым отраженным звуковым сигналом и обнаруженным отраженным звуковым сигналом sa2 за промежуток времени, соответствующий положению вокруг идентифицированного дефекта; и наконец, повторное выполнение указанного процесса модифицирования до тех пор, пока геометрические параметры не сойдутся с получением реальной геометрической модели трубопровода, указывающей на обнаруженную форму трубопровода 2 и найденные отклонения.
В соответствии с разными дополнительными вариантами осуществления способ предназначен для измерения параметров, связанных с любой комбинацией указанных далее отклонений: геометрические дефекты; вмятины; изменения диаметра сечения; изменения формы сечения; блокировки и/или препятствия в трубопроводе; значительные неоднородности в свойствах текучей среды, находящейся внутри трубопровода; смещение объектов и/или дефекты в трубопроводе между последовательными измерениями; наличие воды в трубопроводе.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, говоря об алгоритмах оценки и измерения геометрических параметров трубопровода, следует отметить, что можно применить метод распознавания звукового сигнала, отраженного от геометрического отклонения в трубопроводе (например, вмятины 20). Преимущественно, в этом случае подается входной звуковой сигнал, который «взаимодействует» с геометрическим отклонением трубы, и определяется отраженный сигнал, в форме или амплитуде которого, а также в его энергии содержится информация, достаточная и необходимая для воспроизведения соответствующих геометрических параметров вмятины. В этом случае матрица или массив элементов 6, 6’ в блоке 5 передачи звука, соединенном с произвольным генератором 11 управляющего электрического сигнала, гарантирует значительную универсальность. В связи с этим используют, например, хорошо известные в литературе формулы (см., например: S. Del Giudice, G. Bernasconi “Acoustic response of a sinusoidally perturbed hard walled duct”, Mathematical Problems in Engineering Volume 2013, Article ID 267291), которые, с таким же формальным подходом, что и для описания эффекта Брэгга, описывают связь между формой вмятины (распределенной в виде суммы синусоидальных вмятин вдоль оси трубы) и амплитудой и частотой отраженного звукового сигнала. Объединив такие формулы с формулами, описывающими затухание звукового сигнала, распространяющегося по трубе (также известного), можно получить определение оптимальной подаваемой формы волны (указанная «форма анализирующей волны»), т. е. формы волы, способной проходить на заданное расстояние (таким образом, что общее затухание остается больше заданного порогового значения, например, больше чувствительности приемника), и получить информацию об отражении от вероятной вмятины, которая в конкретном случае может быть определена a priori (например, в группе вмятин, определенных пользователем), обо всех пространственных синусоидальных компонентах, частота за частотой.
Таким образом, отношение, связывающее вмятину с отраженным звуковым сигналом, может быть инвертировано для получения фактических геометрических параметров вмятины, исключая неоднозначность, создаваемую отраженным звуковым сигналом (т. е. вторым электрическим измерительным сигналом). Например, такая инверсия может быть достигнута с помощью байесовской инверсии на основании так называемого «способа Тарантола». Алгоритм инверсии хранится в процессоре 10 блока 3 управления и им же выполняется.
m
d
1
2
M
1
2
M
В соответствии с таким вариантом осуществления для адаптации параметров физической модели в способе используются полученные результаты измерения параметров. Более того, в алгоритме инверсии используется вероятностная модель распространения плоской звуковой волны, описывающая цилиндрические трубы, в которой для повышения точности выполняется калибровка температуры по длине трубопровода (с учетом фактической скорости распространения звука). Модельное пространство описывает предиктивную физическую модель и характеризуется параметрами  = {m,m,…,m}; пространство данных описывает измеримые переменные и характеризуется параметрами  = {d,d,…,d}. Оба указанных вектора параметров известны с некоторой неопределенностью.
d
m
d
m
d
m
D
M
При выполнения способа обработка может начинаться с параметров и данных модели, для которых a priori известна плотность вероятности ρ(,) = ρ() ρ(), которые используются в теоретической модели Θ(,).
Данные σ получают a posteriori в виде функции данных ρ, известных a priori , состояния модели Θ и их однородного распределения μ:
и плотность вероятности модели a posteriori, включенную в пространство данных, можно записать как:
,
формула, примененная к звуковой модели, позволяет добиться особенно эффективной сходимости, обычно ограниченной несколькими итерационными циклами. Заявитель установил, что с помощью этой формулы можно получить способ, который можно будет выполнить на относительно простом оборудовании, и который, с другой стороны, будет совместим с требованиями к точности вычислений и производственным процессам во время выполнения операций спуска.
Описанные выше стадии способа описаны далее более подробно. В соответствии с показанным вариантом осуществления алгоритм обнаружения отклонений, во-первых, предусматривает выбор диапазона анализируемых расстояний; затем определение формы анализирующей волны (источника), а затем запись окружающего шума для возможного формирования подаваемого входного звукового сигнала. После этого способ предусматривает подачу формы анализирующей волны и одновременно ее запись и, следовательно, запись эха (отраженного звукового сигнала) от трубопровода. Таким образом, последующая стадия способа предусматривает идентификацию дефектов, выполняемую на следующих стадиях.
Распространение формы анализирующей волны теоретически определяется на основании теоретической модели (известны такие элементы системы трубопровод — текучая среда, как диаметр, термодинамические свойства воздуха и т. д.) по мере увеличения расстояния во всем диапазоне расстояний, на которых выполняется анализ. Затем посредством взаимной корреляции теоретически распространяемая форма волы сравнивается с отраженным звуковым сигналом (т. е. на основании второго электрического измерительного сигнала), записанным в промежутке времени, соответствующем такому же расстоянию. Результат такой взаимной корреляции представляет собой коэффициент отражения вдоль трубопровода, амплитуда которого пропорциональна возможному уменьшению сечения; таким образом, предельно допустимые значения указывают на наличие и положение дефектов.
С учетом сказанного выше, извлекают часть времени отраженного звукового сигнала, содержащую волну, отраженную от дефекта, т. е. результат наблюдений в окрестностях положений идентифицированных дефектов. Таким образом, активируют процедуру итеративной инверсии, в ходе которой полученные при наблюдении данные сравнивают с вычисленными данными в модели трубопровода с гипотетическим дефектом: остаток между данными и оценкой оцененных изменений данных относительно параметров дефекта (матрица Якоби) является основанием для обновления модели и повторения процедуры до достижения схождения. Оцененная модель на последней стадии итерирования отображает геометрические параметры реального дефекта.
Следует отметить, что приведенный выше способ, с учетом всех описанных вариантов осуществления, позволяет идентифицировать/установить местонахождение и количественно определить геометрические дефекты в заданной группе дефектов, определенных a priori, а также с высокой точностью идентифицировать другие отклонения.
В соответствии с вариантом осуществления способ также позволяет идентифицировать и установить местонахождение закупорок и/или препятствий в трубопроводе, таких как предметы, упавшие во время спуска, полная или частичная закупорка трубопровода.
В соответствии с другим примером применения способ предусматривает распознавание значительных неоднородностей в свойствах находящейся внутри текучей среды (например, поверхность контакта воздуха и воды).
В соответствии с другим вариантом осуществления способ предусматривает повторное выполнение процедуры установления местонахождения дефектов и закупорок известное последовательное число раз, а также последующее вычисление возможных «перемещений» дефектов между последовательными измерениями, учитывая скорость таких перемещений. Таким образом, с помощью способа можно отслеживать перемещение препятствий в трубопроводе и определять источник воды и соответствующие перемещения, которые, возможно, могут иметь место внутри трубопровода.
Далее со ссылкой на фиг. 6 будут описаны некоторые детали, известные per se, моделирования каналов распространения, на которых основана стадия теоретического определения распространения звуковой волны.
Распространение волны давления P(x,t) в трубопроводе, сгенерированной входным звуковым сигналом, можно описать формулой:
,
где x — это расстояние от блока передачи звука; α — коэффициент затухания, который также можно выразить как:
,
f
c — фазовая скорость, которую также можно выразить как ,
µ — это вязкость; ρ — это плотность; Pr — это число Прандтля, т. е. ; Cp — удельная теплоемкость; k — теплопроводность; γ — это отношение удельных теплоемкостей; SoundSpeed — это скорость звука; PipeRadius — радиус трубопровода.
Учитывая, что геометрическое отклонение приводит к частичному отражению входного сигнала, амплитуду отраженной части можно выразить следующим образом:
= ,
тогда как амплитуду переданной звуковой волны, которая продолжает распространяться за пределы отклонения, можно выразить следующим образом:
= ,
где S1 — это площадь сечения трубы, S2 — площадь сечения в месте геометрического отклонения.
Согласно фиг. 6 входной звуковой сигнал sa1 обозначен как волна давления P; отраженный звуковой сигнал sa2 обозначен как волна давления P2; переданные или отраженные волны давления в различных сечениях трубопровода обозначены позициями P1, P3, P4, P5, P6.
Принимая во внимание дискретизацию цилиндрических сечений 1, i-1, i, … n трубопровода, и принимая во внимание эквивалентный источник, генерирующий монохроматическую волну в сечении i, в каждом последующем сечении будет генерироваться передаваемая волна (вниз «d», вправо) и отраженная волна (вверх «u», влево), каждая из которых характеризуется разными коэффициентами отражения. Коэффициенты отражения можно вычислить на основании суммы отдельных волн, обнаруженных в одном сечении.
Как можно увидеть, цели настоящего изобретения можно достичь с помощью установки и способа, описанных выше с использованием описанных выше признаков.
При эксплуатации описанной выше установки можно использовать непроникающие методы, что позволяет устранить все ранее указанные недостатки, присущие проникающим методам (например, с использованием детекторов коробления).
Более того, используя звуковые волны вместо электромагнитных (основываясь на идее, что трубопровод может служить волноводом и для звуковых волн), можно проводить контролирующие измерения на больших расстояниях, охватывающих отрезки трубопровода, во время укладки в наиболее реалистичных ситуациях.
В то же время конструкционные и функциональные особенности установки позволяют использовать звуковые волны (входные и отраженные звуковые сигналы) для достижения значительной точности в соответствии с вариантом использования.
В частности, наличие блока передачи звука и блока приема звука, отличающихся друг от друга, позволяет точно контролировать и отраженный звуковой сигнал, и фактический входной звуковой сигнал, что, в свою очередь, позволяет получать результаты измерений с необходимой точностью.
Следует отметить, что обработка сигнала, выполняемая с помощью описанной выше установки, преимущественно позволяет удовлетворить потребности в высокоточном обнаружении дефектов, их типа и положения. Как было описано выше, установка может выполнять алгоритмы на основании обработки всего отраженного звукового сигнала (и в частности, всех компонентов его спектра), а не только измерять энергию такого сигнала.
Наконец, за счет своих конструкционных и функциональных особенностей установка может обнаруживать «геометрические» дефекты трубопровода и, как было описано выше, также обнаруживать в трубопроводе наличие возможных препятствий, перемещение таких препятствий и присутствие воды в трубопроводе.
Аналогичные преимущества могут быть приписаны раскрытым выше способам, в которых используется указанная установка.
Более того, область применения настоящего изобретения дополнительно включает в дополнение к укладке по S-образной кривой и укладке по J-образной кривой метод укладки с барабана.
Специалистам в области техники должны быть понятны изменения и адаптации вариантов осуществления описанной выше установки для дистанционного измерения геометрических параметров трубопровода на стадии спуска посредством звуковых волн в режиме реального времени, а также замены элементов другими с эквивалентными функциональными возможностями для приведения в соответствие с поставленными требованиями, при этом не выходя за пределы объема правовой защиты, определенного приведенной далее формулой изобретения. Все признаки вариантов осуществления, описанные выше, могут быть реализованы независимо от других описанных вариантов осуществления.