Устройство автоматизированного геотехнического мониторинга для подземных трубопроводов
DEVICE OF COMPUTERIZED GEOTECHNICAL MONITORING FOR UNDERGROUND PIPELINES

Изобретение относится к средствам диагностики технического состояния трубопроводов и может быть использовано для непрерывного мониторинга технического состояния подземных трубопроводов, проложенных в суровых климатических и геологических условиях.
Известно устройство для определения положения оси заглубленного трубопровода (патент RU №2451874, G01С 15/06, опубл. 2005 г.), состоящее из соединенных между собой и установленных в штанге стержней.
Недостатком известного устройства является неполнота анализ состояния заглубленного трубопровода.
Известна система мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода (патент RU №139 945, F17D 5/00, опубл. 2014 г.), включающая набор датчиков таких, как датчик температуры трубопровода, датчика температуры грунта, служащих для измерения физических параметров и средства для обработки измеренных физических параметров. Устройство позволяет изучать внешние влияющие на техническое состояние трубопровода факторы и обеспечивает удобную форму предоставления информации.
Недостатком известного устройства является невозможность надежного определения разности температур между трубопроводом и вмещающим его грунтом и, следовательно, передачи тепла между ними, а также невозможность обнаруживать места активизации геокриологических процессов, вызванных влиянием на грунт со стороны трубопровода. Все вместе взятое не обеспечивает надежность проводимых измерений и, соответственно, полноту сведений об истинном состоянии трубопровода.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в выявлении напряженно-деформированного состояния трубопровода.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение надежности проводимых измерений, что приведет к повышению эксплуатационной надежности трубопроводов в сложных эксплуатационных условиях.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве автоматизированного геотехнического мониторинга для подземных трубопроводов, включающем датчик температуры и регистратор, устройство выполнено в виде закрепляемого на трубопроводе с помощью гибких элементов фиксации изогнутого основания, на котором установлена несущая стойка, на боковой стороне которой закреплены первая и вторая дополнительные стойки, при этом нижняя часть первой дополнительной стойки выполнена изогнутой по дуге, повторяющей дугу окружности трубопровода, внутри первой дополнительной стойки установлен датчик температуры, соединенный с логгером, расположенным внутри второй дополнительной стойки, причем датчик температуры является многозонным цифровым датчиком температуры с по меньшей мере пятью измерительными зонами, кроме того, внутри несущей стойки в ее нижней части посредством штанги установлен первый термопреобразователь сопротивления, соединенный с регистратором, на несущей стойки в ее верхней части размещены второй термопреобразователь сопротивления, установленный на опоре отражатель, деформационная марка, распределительная и коммутационная коробки, при этом отражатель установлен с возможностью поворота, а кабели коммутации первого и второго термопреобразователей сопротивления и регистратора снабжены кабельными вводами.
При этом несущая стойка, первая и вторая дополнительные стойки выполнены в виде труб.
А первый и второй термопреобразователи сопротивления являются программируемыми.
Причем регистратором является регистратор-измеритель температуры.
Кроме того, отражатель выполнен в виде пластины, которая является квадратной пластины со стороной квадрата размером не менее 500 мм.
Гибкие элементы фиксации выполнены в виде металлических лент, а на все сопрягаемые с трубопроводом поверхности устройства установлены защитные резиновые элементы. А внутри несущей стойки в верхней и в нижней ее части установлена теплоизоляция.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - вид на устройство сбоку.
Устройство автоматизированного геотехнического мониторинга состоит из несущей стойки 1, штанги 2 для установки и извлечения первого термопреобразователя сопротивления 3, второго термопреобразователя сопротивления 4, опоры 5, отражателя 6 виде пластины, многозонного цифрового датчика температуры 7 с по меньшей мере пятью измерительными зонами (участками), первой 8 и второй 9 дополнительной стойки, деформационной марки 10, регистратора - измерителя температуры 11, логгера 12, теплоизоляции 13, кабельных вводов 14, коммутационной коробки 15, распределительной коробки 16, гибких элементов фиксации 17 в виде лент, защитных резиновых элементов 18, изогнутое основание 19 несущей стойки 1.
Первый термопреобразователь сопротивления 3 (программируемый) установлен на стенке трубопровода 20 с помощью штанги 2, расположен внутри несущей стойки 1 в месте ее крепления к изогнутому основанию 19 и предназначен для замера температуры по наружной поверхности стенки трубопровода 20.
Второй термопреобразователь сопротивления 4 (программируемый) установлен на опоре 5 и предназначен для замера температуры окружающего воздуха.
Для измерения планово-высотного положения (ПВП) с использованием дистанционных методов - воздушного лазерного сканирования (ВЛС) в верхней части несущей стойки 1 установлен отражатель 6 в виде съемной квадратной пластины со стороной размером не менее 500 мм. Причем отражатель 6 крепится к несущей стойке 1 с помощью опоры 5, позволяющей осуществлять установку и регулирование угла наклона отражателя 6 по уровню горизонта.
Многозонный цифровой датчик температуры 7 установлен внутри первой дополнительной стойки 8 на подземный трубопровод 20 без теплоизоляции, а также на подземный трубопровод с теплоизоляцией и позволяет замерять температуру по периметру наружной поверхности трубопровода на границе трубопровод/грунт или по периметру наружной поверхности теплоизоляции на границе теплоизоляция/грунт с устанавливаемой периодичностью измерений. Выбор количества участков измерительных зон не менее пяти обусловлен неоднородностью теплового поля вокруг эксплуатируемого трубопровода.
Деформационная марка 10 на несущей стойке 1 служит для измерения ПВП с применением оборудования глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и геодезического оборудования.
Объем памяти регистратора - измерителя температуры 11, размещенного в штанге 2, объем памяти которого обеспечивает запоминание и хранение данных по измерениям показаний по температуре наружной поверхности стенки трубопровода 20.
Снятие и передача накопленных регистратором - измерителем температуры 11 данных производится с коммутационной коробки 15.
Логгер 12, размещенный во второй дополнительной стойке 9, представляет собой запоминающее устройство с автоматическим сохранением показаний многозонного цифрового датчика температуры 7.
Снятие и передача накопленных логгером 12 данных производится с распределительной коробки 16.
При работе устройства возможна передача данных с коммутационной коробки 15 и с распределительной коробки 16 на автоматизированное рабочее место (АРМ) для дальнейшей обработки специалистом службы эксплуатации.
Для ограничения теплового влияния внешней среды на показания первого термопреобразователя сопротивления 3 в верхней и в нижней части несущей стойки 1 устройства устанавливается теплоизоляция 13.
Обеспечение герметизации вывода кабелей коммутации первого 3 и второго 4 термопреобразователей сопротивления и регистратора - измерителя температуры 11 осуществляется с помощью кабельных вводов 14.
Фиксация устройства на трубопроводе 20 производится при помощи изогнутого основания 19 и гибких элементов фиксации 17 посредством защитных резиновых элементов 18.
Устройство может эксплуатироваться при температуре воздуха от минус 60°С и устанавливаться на территориях с сейсмичностью до 9 баллов включительно по шкале MSK-64.
Монтаж устройства производится как на вновь строящиеся, так и на эксплуатируемые трубопроводы без остановки перекачки, без проведения огневых работ.
Монтаж устройства автоматизированного геотехнического мониторинга для подземных трубопроводов осуществляется в следующей последовательности:
- разработка котлована под монтаж устройства на трубопровод;
- монтаж несущей стойки 1 на поверхность трубопровода 20 изогнутым основанием 19 через резиновый элемент 18 с герметизирующим кольцом (не показано). Фиксация устройства на трубопроводе 20 производится при помощи гибких элементов фиксации 17 через резиновые элементы 18;
- установка первой 8 и второй 9 дополнительных стоек с многозонным цифровым датчиком температуры 7 и логгером 12 и их фиксация на несущей стойке 1 с помощью хомутов (не показаны);
- монтаж штанги 2 с оборудованием для мониторинга температуры поверхности трубопровода 20 с установленным первым термопреобразователем сопротивления 3 и регистратором - измерителем температуры 11 с фиксацией и уплотнением;
- вывод кабелей первого 3 и второго 4 программируемых термопреобразователей и регистратора - измерителя температуры 11 в коммутационную коробку 15 с использованием кабельных вводов 14;
- монтаж на несущую стойку 1 отражателя 6 для проведения ВЛС. Устройство автоматизированного геотехнического мониторинга для подземных трубопроводов работает следующим образом:
- выполняется измерение температуры стенки трубопровода 20 с заданной периодичностью для мониторинга фактических данных температур стенки трубопровода 20;
- выполняется измерение температуры окружающего воздуха;
- выполняется измерение температуры по периметру наружной поверхности трубопровода 20 (на границе трубопровод/грунт) или температуры по периметру наружной поверхности теплоизоляции (на границе теплоизоляция/грунт) в автоматизированном режиме;
- выполняется снятие и передача данных, накопленных логгером 12 и регистратором - измерителем температуры 11;
- выполняется измерение ПВП трубопровода с использованием оборудования ГНСС, оборудования ВЛС и геодезического оборудования.
В результате работы устройства обеспечивается:
- определение фактического теплового баланса в системе «трубопровод-грунт-атмосфера»;
- возможность калибровки математических теплогидравлических моделей эксплуатируемых трубопроводов и калибровки моделей теплопередачи в системе «трубопровод-грунт-атмосфера» в части определения той части выделяемой движущейся жидкостью энергии, которая уходит на нагрев трубопровода;
- определение температурного перепада в стенке трубопровода и его учета при расчете напряженно-деформированного состояния трубопровода.
Кроме того, при измерении ПВП трубопровода обеспечивается:
- выявление перемещений трубопровода;
- применение в качестве маркерных пунктов при внутритрубной диагностике трубопроводов;
- применение для калибровки математических моделей расчета перемещений подземного трубопровода.
Устройство обеспечивает получение данных, необходимых для оценки технического состояния:
- температуры наружной поверхности трубопровода с заводским полимерным покрытием (температурным датчиком с автоматическим сохранением показаний с заданной дискретностью);
- температуры окружающего воздуха в районе размещения объекта (температурным датчиком с автоматическим сохранением показаний с заданной дискретностью);
- температуры по периметру наружной поверхности трубопровода или теплоизоляции (на границе трубопровод/грунт или теплоизоляция/грунт) (многозонным цифровым датчиком температуры с автоматическим сохранением показаний с заданной дискретностью);
- ПВП подземного трубопровода (установленной деформационной маркой с использованием оборудования ГНСС, а также возможность использования дистанционных методов - ВЛС с использованием пластины-отражателя).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить повышение надежности проводимых измерений.
Устройство может устанавливаться на любом участке трубопровода в любом количестве.