Импульсно-акустический способ определения местоположения внутритрубного очистного снаряда в магистральном трубопроводе
PULSE-ACOUSTIC METHOD OF DETERMINING THE LOCATION OF AN IN-PIPE CLEANING TOOL IN A MAIN PIPELINE

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов, в частности к способам обнаружения местоположения очистных или диагностических снарядов внутри нефтяных и газовых трубопроводов.
Известны методы и средства определения местоположения внутритрубных снарядов ССВС-001 ТУ 4389-001-39145393-2001 НПФ «ТОРИ», ОАО «Транссибнефть» (журнал Трубопроводный транспорт нефти №12, 2003 г.), позволяющие определять местоположение внутритрубных снарядов при их движении в трубопроводе в реальном времени способом генерирования, регистрации, распознавания, анализа и обработки акустического сигнала, генерируемого акустическим излучателем, установленным на внутритрубном снаряде, распространяющегося в рабочей среде - нефти - вдоль трубопровода и воспринимаемого акустическим датчиком с модулем первичного преобразования, сообщенного с модулем обработки и передачи сигнала по линии передачи информации и управляющих сигналов на центральный компьютер в диспетчерский пункт.
Эти методы и средства предназначены для применения на нефтепроводах и основаны на измерении характеристик акустического сигнала, распространяющегося в жидкой среде в одном направлении от излучателя к датчику.
Основные недостатки данных методов и средств заключаются в следующем:
- необходимость использования специализированных внутритрубных снарядов с установленным на них оборудованием генерации акустического сигнала и установки автономных источников электропитания (аккумуляторных батарей);
- при длительном нахождении снаряда внутри трубопровода амплитуда излучаемого им сигнала снижается по мере разрядки аккумуляторной батареи, что накладывает ограничения на продолжительность сопровождения снаряда в трубопроводе.
Известны методы и средства определения местоположения внутритрубных снарядов на основе установки на трубопроводе множества ультразвуковых приемников - сигнализаторов /RU 2408815/ факта прохождения снаряда по трубопроводу.
Основной недостаток этих методов и средств заключается в том, что они определяют только факт прохождения снаряда в месте установки датчика. Поскольку снаряд проходит значительные расстояния внутри трубопровода, а место возможной остановки (застревания) снаряда случайно, то для поиска точного местоположения снаряда необходимо использовать большое число сигнализаторов /RU 2408815/.
Известен струйно-акустический способ измерения расстояний (RU 2032183), заключающийся в том, что от источника измерения посылают к объекту направленное излучение, принимают сигнал, отраженный от объекта и по величинам параметров сигнала судят о расстоянии между излучателем и объектом, причем в качестве измерительного излучения используют акустические колебания, самовозбуждающиеся на торце сопла и переносимые истекающим из него воздушным потоком, который падает на объект и возбуждает в точке падения многочастотные акустические колебания, распространяющиеся в пространство от объектов в виде сферических волн и попадающие на приемник, усиливают сигнал и измеряют в скользящем интервале времени их суммарную мощность, имеющую экспоненциальную убывающую зависимость от длины струи, а по величине средней мощности сигнала судят о расстоянии между соплом и объектом.
Устройство для воплощения способа содержит цилиндрическое сопло, подключенное к пневмосети, приемник в виде различного типа микрофонов или пьезоэлектрических преобразователей, предусилитель, усилитель мощности.
Недостатком указанного способа является невозможность измерения расстояний при остановке внутритрубного снаряда, так как формирование струи осуществляется при движении внутритрубного снаряда.
Известны мпульсно-акустический способ /RU 2307978/, позволяющий определять местоположение внутритрубного очистного снаряда в магистральном трубопроводе с достаточной точностью.
Указанный импульсно-акустический способ /RU 2307978/ определения местоположения внутритрубного очистного снаряда в магистральном трубопроводе заключается в генерации и посылке из заданной точки измерения на магистральном трубопроводе импульсных акустических зондирующих сигналов, приеме отраженного от внутритрубного снаряда акустического эхоимпульса, измерении промежутка времени τ от момента посылки зондирующего импульса до момента приема эхоимпульса и определении расстояние R от места измерения до внутритрубного снаряда из условия R=V⋅τ/2, где V - скорость звука в среде магистрального трубопровода.
При этом местом измерения расстояния R до внутритрубного снаряда является торец трубы в месте запуска внутритрубного снаряда, акустический импульс генерируют путем импульсной подачи порции сжатого до сверхкритического давления воздуха в полость магистрального трубопровода в направлении внутритрубного снаряда с максимально ограниченной по времени длительностью переходных процессов начала и конца подачи воздуха и процесса импульсной подачи воздуха, принимают в месте измерения приемником давления, установленным на заглушке торца трубопровода, акустический импульс, отраженный от внутритрубного снаряда, идентифицируют его в виде волны кратковременного повышения давления, распространяющейся со скоростью звука, при этом замеряют промежуток времени от момента посылки акустического импульса до момента приема отраженного акустического импульса и определяют расстояние от места измерения до внутритрубного снаряда.
Устройство /RU 2307978/ для импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного снаряда в магистральном трубопроводе содержит установленные на заглушке торца трубопровода генератор акустических импульсов и приемник давления. Генератор акустических импульсов выполнен электромеханическим и содержит пневмоцилиндр двустороннего действия, запорный орган в виде клапана с хвостовиком, подвижный плунжер, две пружины, посредством которых плунжер взаимодействует с корпусом и хвостовиком,. Поршень пневмоцилиндра выполнен заодно с плунжером, а цилиндр - заодно с корпусом. Пневмораспределитель снабжен электромагнитным приводом, электроконтактным реле давления и тарелкой, установленной на свободном конце хвостовика и совмещенной с золотником пневмораспределителя.
Технической проблемой известного способа импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного снаряда в магистральном трубопроводе является необходимость вскрытия трубопровода для измерений и, как следствие, пониженная производительность поиска застрявшего внутритрубного снаряда, связанная с увеличенными затратами времени для измерений и определения его местонахождения.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение производительности измерений местоположения внутритрубного снаряда в магистральном трубопроводе при сохранении требуемой точности измерения положения снаряда в трубе и исключения необходимоти вскрытия трубы для указанных измерений.
Сущность изобретения.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что импульсно-акустический способ определения местоположения внутритрубного очистного снаряда в магистральном трубопроводе включает генерацию и посылку из заданной точки измерения на магистральном трубопроводе импульсных акустических зондирующих сигналов, приеме отраженного от внутритрубного снаряда акустического эхоимпульса, измерении промежутка времени τ от момента посылки зондирующего ультразвукового сигнала до момента приема эхосигнала и определении расстояние R от места измерения до внутритрубного снаряда из условия R=V⋅τ/2, где V - скорость звука в среде магистрального трубопровода. Согласно изобретению перед генерацией акустических зондирующих сигналов дополнительно измеряют спектр акустических шумов в магистральной трубе. Несущую частоту акустических зондирующих сигналов выбирают в диапазоне несущих частот от 300 Гц до 5000 кГц и вне спектра частот акустических шумов магистральной трубы. Генерацию и прием акустических сигналов производят с помощью акустических передатчиков и приемников соответственно, устанавливаемых на внешней поверхности магистрального трубопровода. После приема отраженных эхоимпульсов определяют время τ их задержки относительно зондирующего сигнала путем корреляционной и пороговой обработки принятых эхосигналов.
Для повышения точности измерений величину задержки τ амплитуду, частоту или начальную фазу зондирующих сигналов при необходимости модулируют помехоустойчивыми кодами. В качестве помехоустойчивых кодов модуляции используют коды Баркера, М-последовательности, коды Якоби, нелинейные или дополнительные последовательности модулирующих импульсов.
Далее, на основе найденного численного значения τ задержки сигналов определяют расстояние R от места измерения до внутритрубного снаряда из указанного выше соотношения R=V⋅τ/2.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - рисунок, поясняющий сущность способа измерения расстояния до внутритрубного снаряда; фиг. 2 - конструкция устройства реализующего способ импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного очистного снаряда в магистральном трубопроводе и схема его установки на магистральном трубопроводе. На фиг. 1-2 обозначены:
1 - устройство импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного очистного снаряда;
2 - внутритрубный очистной снаряд;
3 - магистральный нефтегазовый трубопровод (труба);
4- передатчик акустических сигналов 8 с цифровым входом;
4.1 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
4.2 - усилитель мощности электрических сигналов;
4.3 - пьезокерамический электрострикционный излучатель механических (акустических) сигналов;
5 - приемник акустических сигналов с цифровым выходом;
5.1 - пьезокерамический электрострикционный преобразователь 5.1 механических (акустических) сигналов в электрический сигнал;
5.2 - усилитель электрических сигналов;
5.3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) аналоговых электрических сигналов в цифровой сигнал;
6 - цифровое устройство генерации и обработки сигналов;
6.1 - двунаправленная интерфейсная шина сопряжения;
6.2 - управляющий контроллер;
6.3 - генератор цифровых сигналов;
6.4 - цифровой коррелятор;
6.5 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
6.6 - перепрограммируемое запоминающее устройство (ПЗУ);
6.7 - порт связи;
7 - цифровой индикатор;
зонд
8 - зондирующий сигнал (U);
отр
9 - ответный эхосигнал (U).
Согласно фиг. 1-2 устройство 1 импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного очистного снаряда 2 в магистральном трубопроводе 3, реализующего предложенный способ измерения содержит акустический передатчик 4 с цифровым входом и приемник 5 акустических сигналов с цифровым выходом. Передатчик 4 и приемник 5 акустических сигналов соединены через цифровое устройство 6 генерации и обработки сигналов с цифровым индикатором 7. Причем цифровое устройство 6 генерации и обработки сигналов содержит двунаправленную интерфейсную шину 6.1 сопряжения, на которой установлены управляющий контроллер 6.2, генератор 6.3 цифровых сигналов; цифровой коррелятор 6.4; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6.5; перепрограммируемое запоминающее устройство (ПЗУ) 6.6 и порт связи 6.7. Акустический передатчик 4 с цифровым выходом содержит последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4.1, усилитель 4.2 мощности электрических сигналов и пьезокерамический электрострикционный излучатель 4.3 механических звуковых колебаний. Приемник 5 акустических сигналов содержит последовательно соединенные пьезокерамический электрострикционный преобразователь 5.1 механических колебаний в электрический сигнал, усилитель 5.2 электрических сигналов и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5.3 аналоговых электрических сигналов в цифровой сигнал.
Устройство 1 импульсно-акустического определения местоположения внутритрубного очистного снаряда 2 в магистральном трубопроводе 3 по предлагаемому способу работает следующим образом.
Перед началом работы устройство 1 располагают непосредственно на внешней поверхности магистрального трубопровода 3 в котором необходимо обнаружение внутритрубного очистного снаряда 2.
шум
шум
шум
шум
зонд
шум
отр
отр
зонд
отр
к
зонд
отр
зонд
зонд
отр
Далее включают электропитание устройства 1 (на фигурах не показано) и управляющий контроллер 6.2 цифрового устройства 6 по заданной в ППЗУ 6.1 программе вырабатывает команды управления генерацией зондирующих 8 и обработкой ответных 9 сигналов. При этом пьезокерамический преобразователь 5.1 приемника 5 принимает шумовые механические колебания трубы, вызванные проходящим через нее рабочим телом (нефть или газ), и преобразует их в электрический шумовой сигнал U. Далее принятые аналоговые шумовые сигналы U усиливаются усилителем 5.2 и в АЦП 5.3 преобразуются в цифровой сигнал и передаются в цифровой коррелятор 6.4 цифрового устройства 6 для фильтрации и корреляционной обработки шумовых сигналов. В блоке 6.4 определяется спектр шумового U сигнала и параметры спектра передается через линию 6.1 под управлением контроллера 6.2 на генератор 6.3 для генерации зондирующего сигнала (ЗС). На основе анализа спектра шумового сигнала U генератор 6.3 вырабатывает ЗС с амплитудой U в цифровой форме и со звуковой частотой в диапазоне частот от 300 Гц до 5000 кГц и вне спектра шумов U магистрального трубопровода. Этот сигнал поступает на передатчик 4. В ЦАП 4.1 передатчика 4 ЗС преобразуется в аналоговую форму. Далее в усилителе 4.2 ЗС усиливается по мощности и передается на пьезокерамический электрострикционный излучатель 4.3. Излучатель 4.3 на основе электрострикционного эффекта пьезокерамики преобразует электрические ЗС в механические колебания звуковой частоты. Эти колебания возбуждают в трубе 3 в месте установки излучателя 4.3 механические колебания 8 рабочей среды (нефть, газ) звуковой частоты. Часть этих колебаний (продольные звуковые волны) 8 в рабочем среде распространяются в трубе 3 в сторону очистного снаряда 2 со скоростью V, зависящей от плотности рабочего тела (жидкость или газ). Достигнув через время задержки τ очистного снаряда 2 звуковая волна отражается от него и в виде отраженного 8 эхосигнала U возвращается в обратную сторону по трубе 3 и принимается приемником 5. Принятые механические эхосигналы U преобразуются в пьезокерамическом преобразователе 5.1 приемника 5 в аналоговую форму, усиливаются усилителем 5.2, преобразуются в АЦП 5.3 в цифровую форму и передаются на коррелятор 6.4. В корреляторе 6.4 производится свертка зондирующего U и отраженного сигнала U и формирование их взаимной корреляционной функции, по максимальному значению U которой определяют численное значение временной задержки τ между сигналами U и U. Для увеличения точности измерений величины х амплитуду, частоту и/или начальную фазу зондирующих сигналов U можно модулировать помехоустойчивыми кодами, такими как коды Баркера, М-последовательности, коды Якоби, нелинейные или дополнительные последовательности модулирующих импульсов. Далее на основе найденного значения х задержки между сигналами U и U определяют расстояние R от места измерения до внутритрубного снаряда из условия R=V⋅τ/2, где V - скорость звука в среде магистрального трубопровода.
Изобретение разработано на уровне опытного образца, реализующего предлагаемый способ определения местоположения внутритрубного снаряда в магистральном трубопроводе. Испытания опытного образца показали повышение производительности измерений местоположения внутритрубного снаряда в магистральном трубопроводе по предлагаемому способу за счет исключения необходимости вскрытия трубы для указанных измерений. При этом одновременно повысилась точность измерения местоположения положения снаряда в магистральной трубе за счет корреляционной обработки принятых сигналов.