СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DIAGNOSING MAIN PIPELINES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области измерений, а более конкретно к способам и устройствам экстренной диагностики трубопроводов высокого давления, преимущественного, проложенных по дну водоемов.
Известен способ обнаружения утечек в трубопроводе [патент RU №2108597], представляющий собой способ лазерной локации утечек металла в промышленных газопроводах, который состоит в том, что осуществляют сканирование вдоль газопровода тремя радиочастотными модулированными по амплитуде лазерными лучами, причем частоту сканирования согласовывают с частотами модуляции, осуществляют селективный прием фотоприемником отраженного лазерного сигнала, прошедшего облако метана, на трех частотах, соответствующих частотам модуляции лазерных лучей, причем частоту модуляции согласовывают с частотно-временными параметрами фильтров фотоприемника. Устройство для реализации данного способа представляет собой устройство лазерной локации утечек метана в промышленных газопроводах, которое содержит лазерный излучатель, первый амплитудный модулятор, второй лазерный излучатель, светоделитель, второй амплитудный модулятор, оптическую систему, фотоприемник, блок обработки сигнала, сканирующее устройство.
Известен также способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающийся в обзоре трубопровода трассоискателем, одновременным сканированием трубопровода телевизионным датчиком, с помощью которого определяют место утечки, в котором обзор трубопровода осуществляют облетом на маловысотном летательном аппарате с использованием в качестве трассоискателя метрового локатора, а для определения места утечки дополнительно используют тепловизионный датчик, сьюстированный с тепловизионным датчиком, и осуществляют совместную цифровую фильтрацию сигналов локатора, телевизионного и тепловизионного датчика [патент RU №2040783].
Известные способы [патенты RU №2108597, 2040783] имеют ограниченное применение, т.к. их использование возможно только для определения утечки в трубопроводах, уложенных на поверхности суши или уложенных в грунте, и при благоприятных погодных условиях для выполнения полетов и отсутствии навигационных опасностей.
Аналогичные недостатки имеют и другие известные способы [авторское свидетельство СССР №1789899, патент RU №2017138]. Известный способ [авторское свидетельство СССР №1789899] представляет собой способ дистанционного определения места повреждения магистрального трубопровода путем сканирования трубопровода лазерным излучателем, в котором при определении в результате сканирования возможных утечек формируют командный сигнал на включение устройств для фотографирования в инфракрасных и видимых лучах, с помощью которых производят аэрофотосъемку в инфракрасных лучах трассы трубопроводов и аэрофотосъемку местности, а местонахождение утечек газа определяют путем наложения снимков трассы и снимков местности. При наложении снимков трассы и снимков местности выполняют идентификацию зарегистрированных объектов, как правило методом экспертных оценок, что может вносить дополнительные неоднозначности в результаты исследований.
1
2
1
1
2
2
2
1
В другом известном способе [патент RU №2017138], который представляет собой способ обнаружения утечек природного газа из трубопроводов и заключается в облучении участка земной поверхности вблизи трубопровода лазерным излучением на двух длинах волн, одна из которых λ попадает в полосу поглощения газа, а другая λ лежит вне ее, регистрации интенсивности рассеянного поверхностью излучения на длине волны λ-P и λ-Р формировании видеосигнала, пропорционального отношению Р/Р, и сравнении видеосигнала с априорно заданным порогом и в котором для повышения точности определения места утечки и точности оценки концентрации газа в облаке утечки, дополнительно регистрируют температурный контраст обследуемого участка, по которому определяют координаты вероятного места утечки и его размеры L на поверхности, а лазерным излучением облучают непосредственно вероятное место утечки, причем среднюю концентрацию природного газа в облаке утечки определяют по формуле:
1
2
2
1
1
1
2
2
-1
N=[2(σ-σ)Λ]ln/(Р/P), Λ=min{L/cosθ, Н), где σ - сечение поглощения газа на длине волны λ; σ - сечение поглощения на длине волны λ, θ - угол зондирования вероятного места утечки, отсчитываемый от вертикали; Н - высота, с которой производится обследование.
Для уточнения места утечки, при появлении в пределах обследуемого участка более одного вероятного места утечки необходимо осуществлять повторное многократное облучение выделенных мест утечки лазерным излучением на тех же самых длинах волн с разных направлений по отношению к облаку утечки, по которым устанавливают истинное место утечки, что существенно повышает трудоемкость выполнения способа.
Известен также способ определения координат места повреждения изоляции подземного трубопровода путем измерения разности потенциалов, в котором определяют координаты центра дефектных мест изоляции трубопровода по оси и периметру его сечения в горизонтальных и вертикальных плоскостях по максимальному значению разности потенциалов в этих координатах посредством шагового перемещения датчика по оси трубопровода, перпендикулярно оси, и по глубине залегания трубопровода [патент RU №2076989].
Данный способ, благодаря возможности шагового перемещения датчика по оси трубопровода, перпендикулярно оси, и по глубине залегания трубопровода позволяет производить диагностику по результатам измерений, полученных по шаговому принципу. Однако данный способ имеет положительный эффект при контроле локальных участков трубопровода из-за низкой производительности. Использование его для контроля магистральных трубопроводов, имеющих длину 1000 км и более, потребует применения существенного количества датчиков, что повлечет за собой существенное увеличение трудовых и материальных затрат.
Известен также способ диагностики трубопроводов, имеющих большую протяженность, в основу которого положен метод акустической эмиссии [Сайт DIAPAC KORAL.htm].
При этом процедура тестирования заключается в изменении уровня давления в трубопроводе для стимуляции акустической эмиссии источников, связанных с наличием дефектов. Регистрация уровня сигналов акустической эмиссии осуществляется в реальном масштабе времени, начиная с момента изменения уровня давления на 5-10% от рабочего в сторону его увеличения или уменьшения. При этом локация производится с учетом всех реальных сочетаний сигналов и характера их затухания путем фильтрации шумов с последующей автоматической кластеризацией и определением характеристик кластеров.
Применение данного способа позволяет за один цикл, составляющий приблизительно 40-60 минут, охватить 500 м трубопровода. Недостатками способа является выполнение контроля только по зонному принципу, с размещением датчиков на расстоянии друг от друга до 100 м. При выполнении линейной локации увеличивается вероятность одновременного срабатывания нескольких источников акустической эмиссии и, как следствие этого, определение координат с большими ошибками, а также должен быть обеспечен доступ к поверхности трубопровода, что в условиях эксплуатации трубопроводов, расположенных на дне водоемов, не всегда может быть обеспечено, из-за наличия донных отложений. Кроме того, зонная локация, с размещением датчиков на расстояниях более 100 м друг от друга приводит к неоднозначности результатов диагностики, так как точность локации зависит от размеров базы. Вследствие этого, получение результатов измерений с необходимой точностью возможно только путем корреляционной обработки сигналов локации, который должен быть адаптирован к решению задачи локации отраженных во времени сигналов переходного типа для удаления шумов, в том числе и шумов электромагнитного происхождения.
Известны также способы локального контроля участков подводных трубопроводов путем визуального обследования водолазами или телевизионного обследования с подводных аппаратов [Проспект завода "Марион", Ленинград, 1990 г.], которые при сравнительно низкой производительности и эффективности являются трудоемкими и дорогостоящими операциями и практически не являются средствами оперативного и объективного контроля для трубопроводов большой протяженности, так как они могут использоваться только при благоприятных гидрометеорологических условиях.
Известен также способ для измерения механической деформации в элементах конструкции, в котором используют материал, который изменяет свою фазу под действием деформации так, что измерение фазового изменения показывает деформацию. При этом материал должен представлять собой преобразованную легированную сталь с улучшенной пластичностью. Указанные элементы могут быть выполнены как элементы, закрепленные на поверхности конструкции, так и представлять часть конструкции [заявка на выдачу патента RU №93005061 от 18.03.93].
Так как указанные элементы могут быть закреплены на трубопроводе только посредством сварки, то это приводит к развитию дополнительных сварочных напряжений и деформаций, а с учетом того, что пластичность зависит от условий деформирования (скорость нагружения, температура, давление и т.д.), то при использовании данного способа для магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов, необходимо учитывать изменения, обусловленные влиянием внешней среды, что существенно снижает эффективность данного способа.
Известен также способ контроля трубопровода путем измерения в двух сечениях и сравнения между собой уровня ультразвуковых колебаний, генерируемых транспортируемой средой, в котором с целью возможности контроля качества изготовления и монтажа путевых соединений трубопроводов, уровень ультразвуковых колебаний измеряют за путевым соединением в сечениях, расположенных на расстоянии меньше одного диаметра и более двух диаметров ниже по потоку [авторское свидетельство СССН №1227904]. Данный способ имеет положительный эффект при использовании его для диагностики локальных трубопроводов, проложенных по суше, но практически не эффективен при размещении трубопроводов по дну водоемов, особенно на сравнительно больших глубинах, когда ультразвуковые колебания будут отражаться от реверберационных слоев.
ij
ij
j
Отмеченных недостатков, частично, лишен способ экстренной диагностики трубопроводов высокого давления [патент RU №2079829], заключающийся в том, что измеряют ковариационную функцию r(f) дисперсии δ и среднее значение амплитуды a виброакустического шума в начальный период трубопровода и через заданный период наработки, а о состоянии изделия судят по результату сравнения измеряемых величин, в котором измерения производят несколькими датчиками, расположенными по всей длине трубопровода, причем измеряются все значимые ковариационные функции, а также бактеровские и логарифмические функционалы, при этом производят сравнения вновь полученных функционалов с полученными в стационарных условиях в течение достаточно большого интервала времени, а о наличии дефекта судят по невыполнению следующих соотношений:
; ;
;
;
;
где Т - длительность измерения параметров виброакустического шума в стационарных условиях;
Λ - полоса пропускания;
ij
r(t) - сигнал, полученный от i-го датчика;
ij
r(t) - оценка взаимной ковариационной функции в начальный период наблюдения;
ij
i
i
r(t)=cov(ξ(1+s), ξ(s) - i-го и j-го сигналов;
i
a - стационарное значение среднего i-го сигнала
i
0
i
T
a=1/T⌡ξ(t)dt;
i
d - логарифмический функционал, полученный в стационарных условиях:
;
ij
β - взаимный бактеровский функционал i-го и j-го сигналов:
;
Λ - интервал сканирования;
; ; ;  - текущие значения тех же параметров.
Основным недостатком данного способа является то, что для сравнения вновь полученных функционалов с полученным в стационарных условиях, требуется достаточно большой интервал времени, что не позволяет использовать его для экстренной диагностики трубопроводов высокого давления.
Кроме того, для получения достаточной оценки, необходимо выполнить объемные измерения для набора статистических данных с последующей их обработкой с использованием сложного математического аппарата (ковариационные функции, бактеровские и логарифмические функционалы), что в сочетании с отсутствием в известном способе (как и аналогах) учета условий влияния внешней среды, обусловленных литодинамическими процессами, придонными течениями, волнением и ледовыми нагрузками в прибрежной зоне, не позволяет оперативно оценить степень воздействия внешних факторов. При диагностике по виброакустическим шумам для трубопроводов, размещенных на дне водоема, акустические шумы внешней среды при экстремальных условиях вносят дополнительную погрешность при измерениях, что существенно снижает эффективность экстренной диагностики магистральных трубопроводов высокого давления и сужает область применения известных способов, особенно в зонах, подверженных динамическому изменению физико-географических и гидрологических факторов.
Известные способы диагностики трубопроводов обеспечивают решение задач, направленных на выявление мест утечек транспортируемого продукта, или связанных с обнаружением дефектов механического происхождения (вмятины, нарушение целостности сварных соединений и изоляции), вызванных питинговой и общей коррозией на теле трубы и потерей металла вследствие вмятин и задиров, преимущественно путем измерения сигналов по виброакустическим шумам или изменением давления с использованием зонного принципа. Использование известных способов для экстренной диагностики магистральных трубопроводов, уложенных по дну водоемов (морей и заливов) и имеющих длину сотни километров, практически неэффективно по причине их низкой производительности.
Для диагностики трубопроводов большой протяженности, уложенных по дну водоемов, помимо решения задач внутренней и внешней дефектоскопии на локальных участках, необходимо и решение задачи по определению проблемных участков трубопровода на ранних стадиях развития предаварийной ситуации одновременно по всей длине трубопровода, что может быть достигнуто при обеспечении непрерывного контроля технического состояния трубопровода с обеспечением синхронизации измеряемых параметров по всей длине трубопровода от единой системы часов реального времени и календаря. Необходимость решения данной задачи обусловлена тем, что собственная динамика таких трубопроводов подвержена существенному влиянию внешних факторов. Так, элементы трубопроводов, лежащих над разломами или каньонами морского дна, под воздействием морских течений и движением песчаных волн испытывают как стационарные, так и пульсирующие нагрузки большой интенсивности. Эти нагрузки помимо статических деформаций трубопровода вызывают и их вибрацию, которая в процессе эксплуатации в экстремальных условиях может сравнительно за короткое время привести к появлению в материале трубопровода усталостных напряжений, и как следствие этого, к его преждевременному разрушению. Низкочастотные пульсации давления перекачиваемого продукта оказывают влияние на значения перерезывающих сил и изгибающих моментов, возникающих на изогнутых участках трубопровода. Возникающие нагрузки зависят от геометрии изогнутых участков и условий их закрепления и в определенной степени определяют ресурс изогнутых участков. И если при использовании известных способов диагностики локальных участков трубопровода, включающих критические узлы и элементы, обеспечивается возможность по измеренным посредством датчиков сигналов с последующей их обработкой по статистическим характеристикам, таким как спектры мощности и корреляционные функции с последующим сравнением с эталонными значениями, выполнить анализ возможных последующих повреждений, то обеспечить контроль технического состояния по всей длине трубопровода одновременно посредством известных способов практически невозможно ввиду того, что известные способы диагностики по набору измеряемых физических параметров не позволяют определить степень воздействия на трубопровод изменяющихся во времени таких факторов, как увеличение статических нагрузок на трубопровод вследствие его деформации, вызванной горизонтально-вертикальным перемещением конструкций вследствие заглубления в грунт морского дна, возникновением свободных пролетов, влиянием морских отложений, ввиду изменчивости критических элементов гидрометеорологических факторов таких, как ледяной покров, абразия, в том числе ледовая в прибрежной зоне, литодинамические процессы, поверхностное волнение в прибрежной зоне, подводные течения, колебания уровня моря, скорость и направление ветра в прибрежной зоне, температура воздуха и морской воды в прибрежной зоне, рост морских отложений, влияние ингибиторов, движение песчаных волн.
Для устранения отмеченных недостатков в известном способе экстренной диагностики трубопроводов высокого давления [заявка RU №2008120067/06 (023535) от 20.05.2008], заключающемся в измерении физических величин несколькими датчиками, расположенными по всей длине трубопровода, а о состоянии изделия судят по результатам сравнения измеренных физических величин с полученными для стационарных условий в течение некоторого интервала времени, в котором измерение физических величин выполняют посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода и с внешней стороны с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря, при этом посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода, дополнительно измеряют географические координаты; при установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами; n-датчиков, размещенные внутри трубопровода, перемещаются в потоке транспортируемого продукта; n-датчиков перемещаются в потоке транспортируемого продукта со скоростью, равной скорости потока или менее, чем скорость потока; дополнительно определяют степень воздействия на трубопровод внешней среды при изменении ее физических параметров по одновременно измеренным сигналам посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода, и с внешней стороны, о степени воздействия судят по сравнению измеренных и эталонных физических величин посредством кластеризации и численного моделирования до и после воздействия; измерение физических параметров внешней среды выполняют посредством датчиков, размещенных в точках наблюдения, расположенных на разных уровнях в горизонтальной и вертикальной плоскостях внешней среды; n-датчиков, расположенных в точках наблюдения, размещены стационарно и на подвижных морских объектах; n-датчиков, размещенных в точках наблюдения, дополнительно регистрируют сигналы искусственных акустических аномалий в водной среде и акустического импеданса донных слоев.
В отличие от известного способа экстренной диагностики трубопроводов высокого давления [патент RU №2079829], в котором измеряют ковариационную функцию дисперсии и среднее значение амплитуды виброакустического шума в начальный период трубопровода и через заданный период наработки, а о состоянии изделия судят по результату сравнения измеряемых величин, в котором измерения производят несколькими датчиками, расположенными по всей длине трубопровода, причем измеряются все значимые ковариационные функции, а также бактеровские и логарифмические функционалы, и при этом производят сравнение вновь полученных функционалов с полученными в стационарных условиях в течение достаточно большого интервала времени, а о наличии дефекта судят по невыполнению ряда математических соотношений, в техническом решении [заявка RU №2008120067/06 (023535) от 20.05.2008], посредством измерительных датчиков измеряют конкретные физические параметры, а именно линейное смещение, угловую скорость, частоту и амплитуду вибрации на стыковых участках трубопроводов, географические координаты, а сравнение результатов измерений выполняют с учетом корректирующих сигналов, обусловленных влиянием литодинамических процессов, придонных течений, волнения и ледовых нагрузок в прибрежной зоне, измерение физических величин, характеризующих состояние трубопровода и внешней среды, выполняют с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря, что не требует достаточно большого интервала времени для набора достоверного объема статистических данных с последующей обработкой с привлечением сложного математического обеспечения, что позволяет оперативно производить диагностику трубопровода, а ввод корректирующих сигналов, обусловленных влиянием внешних факторов, расширяет функциональные возможности способа и исключает субъективные ошибки при диагностике, что особенно существенно для магистральных трубопроводов высокого давления, уложенных по дну водоемов, в том числе морей и океанов.
Однако при обнаружении утечек природного газа из трубопроводов, кроме установки места утечки, также важным фактором является учет перемещения облака газа. Особенно важным учет перемещения облака газа является в зонах морских нефтегазовых терминалов и в зонах интенсивного судоходства. При неблагоприятном стечении обстоятельств, например, появление искры в поле газового облака может привести к непредвиденным последствиям.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности эксплуатации морских нефтегазовых терминалов.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе диагностики трубопроводов, уложенных на дне водоемов, внешнюю поверхность трубопровода зондируют гидроакустическими сигналами, концентрацию метана в газовом облаке определяют посредством датчика метана, путем измерения величины изменения активного слоя датчика метана при диффузии молекул углеводородов из морской воды через силиконовую мембрану, определяют закономерности распределения плотности скопления пузырьков газа по глубине, путем распределения диапазона на слои с вычислением плотности скопления пузырьков газа для каждого слоя по глубине, выполняют оценку количественных характеристик разреженных газовых скоплений, при этом количество приемных станций удовлетворяет условию заполнения исследуемой области вдоль трассы трубопровода, передачу информации от приемных станций на пульт управления, при этом на каждой приемной станции измеренные значения параметров океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее номер приемной станции и измеренные значения параметров атмосферы, океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на несущей частоте, манипулируют его по фазе цифровым сообщением и сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте управления осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом и обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют номер приемной станции и значения параметров океана, на пульте управления выполняют мониторинг исследуемой области по фондовой и/или архивной информации и зарегистрированных сигналов, с формированием базы данных, включающую информацию о рельефе дна, стационарных и аномальных гидродинамических процессах, дистанционных гидроакустических зондирований, с последующим восстановлением рельефа среды, при этом излучение и прием сигналов выполняют по методике многократных перекрытий или одинаковых зондирований, выделяют флуктуации аномальных сигналов на фоновых уровнях естественной среды, выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации, путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на безопасную эксплуатацию трубопровода, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок, с помощью коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита и параметрической модели парных сравнений - Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса - и непараметрических моделей теории люсианов, при этом используют устройство для осуществления способа, представляющее собой локатор для обзора трубопровода, датчики измерения деформаций и механических перемещений, установленные на поверхности трубопровода и соединенные с пультом управления, в котором локатор для обзора трубопровода выполнен в виде гидроакустической системы, включающей эхолот, гидролокатор бокового обзора высокочастотный и низкочастотный профилографы, спутниковую навигационную систему, дополнительно введен датчик определения концентрации метан, причем гидроакустическая система и датчик метана соединены посредством кабеля-троса с приемной станцией, размещенной на поверхности воды и сочлененной со стабилизирующим устройством, выполненным в виде подводного паруса, и снабженной спутниковым каналом связи и движителем; датчик метана и приемоизлучающие устройства гидроакустической системы (антенны эхолота, гидролокатора бокового обзора, накачки параметрических профилографов) размещены в забортной части приемной станции, которая выполнена в виде подводного зонда.
Совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами.
Фиг.1. Схема реализации способа. Схема реализации способа включает трубопровод 1, уложенный на морском дне 2, датчики измерения виброакустического шума и динамических характеристик 3 трубопровода 1, пульт управления 4, расположенный на морском терминале 5, среднеорбитальная и низкоорбитальная группировка ИСЗ 6, приемная станция 7, подводный зонд 8, кабель-трос 9, подводный парус 10 приемной станции 7, антенны спутниковой навигационной связи 11 и 12, соответственно приемной станции 7 и пульта управления 4.
Фиг.2. Блок-схема измерительной аппаратуры приемной станции 7 включает: спутниковый канал связи 13, сетевой концентратор 14, генератор зондирующих импульсов 15, приемник эхосигналов 16, датчики измерения температуры воздуха 17 и морской воды 18, атмосферного 19 и гидростатического 20 давлений, измеритель течения 21, скорости и направления ветра 22, микро ЭВМ 23 с программным обеспечением, блок пространственной ориентации 24.
Фиг.3. Блок-схема измерительной аппаратуры подводного зонда 8 включает антенну 25,эхолота 26, антенну 27 гидролокатора бокового обзора 28, антенну накачки 29 параметрического профилографа 30, которая является одновременно и антенной высокочастотного профилографа 31, низкочастотную приемную антенну 32 низкочастотного параметрического профилографа 33, датчик солености 34, датчик температуры морской воды 35, датчик течения 36, датчик гидростатического давления 37, геофон 38, датчик метана 39, контроллер 40.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
По длине магистрального трубопровода высокого давления на стыковых участках устанавливают датчики 3, представляющие собой, например, акселерометр, обеспечивающий измерение более широкого спектра физических параметров по сравнению с гироскопом и измерителем центростремительных сил, позволяющих измерять только угловую скорость твердого тела, являющегося одной из величин, характеризующих его физическое состояние.
Датчики (акселерометры) крепятся на трубопроводе посредством бандажных колец и соединены с пультом управления 4 морского терминала 5 волоконно-оптическим кабелем.
Посредством датчиков 3 измеряют следующие параметры:
- линейное смещение;
- угловую скорость;
- частоту вибрации;
- амплитуду вибрации.
Диагностику трубопровода выполняют в следующей последовательности.
Посредством датчиков с чувствительным элементом, представляющим собой преобразователь инерциальной информации [патент RU №2076989], измеряют параметры на стыковых участках трубопровода в течение определенных интервалов времени.
По волоконно-оптическому кабелю измеренные параметры транслируются на модуль апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенный на пульте управления 4.
Одновременно с этими замерами регистрируют аналогичные физические параметры посредством датчиков, расположенных внутри трубопровода, преимущественно в точках сосредоточения арматуры (компрессорные станции, температурные компенсаторы, разъемные элементы и т.д.), которые также по волоконно-оптическому кабелю транслируют на береговую станцию. Посредством датчиков, перемещающихся со скоростью или менее скорости потока транспортируемого продукта, измеряют географические координаты трубопровода, а также радиусы и углы изгибов участков труб, внутренний диаметр трубопровода. Датчики представляют собой корпус торпедообразной формы, выполненный из полимерного материала высокого давления, снабженный движителем, выполненным в виде нескольких полиуретановых манжет или в виде ротора пластинчатого типа [патент RU №2133209], а также поддерживающими и одометрическими колесами. На внутренней поверхности корпуса установлены бесплатформенная инерциальная навигационная система, блок центрального контроллера и памяти, одометрический блок, блок идентификации поперечных швов трубопровода, модуль управления движением при дефектоскопических измерениях, блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены модуль профилеметрических измерений, модуль магнитной дефектоскопии, акустические излучатели. Блок центрального контроллера и памяти посредством телефонной линии связи соединен с модулем апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенным на пульте управления 4 морского терминала 5.
Отдельные датчики, перемещающиеся в потоке транспортируемого продукта, имеют скорость меньшую, чем скорость потока, что необходимо для регистрации физических величин, характеризующих дефекты, вызванные питинговой и общей коррозией на внутренней поверхности трубопровода с определением пространственного положения этих дефектов. Пространственное положение перемещающихся датчиков определяется посредством бесплатформенной инерциальной навигационной системы, которая обеспечивает выработку таких параметров, как координаты, скорость, курс, угловых скоростей и ускорений в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно оси трубопровода, линейных ускорений.
При установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами.
Для реализации данной задачи используются датчики измерения температуры воды 18 и 35, воздуха 17, атмосферного давления 19, гидростатического давления 20 и 37, измерители течения 21 и 36, солености 34, скорости и направления ветра 22.
Блок пространственной ориентации 24 включает измерители углов наклона и азимута; блок акселерометров для измерения компонент волнового поля; блок синхронизации; блок питания.
Посредством геофона 38 регистрируют звуковые частоты, обусловленные шумами морской среды с выделением спектральных характеристик, которые далее подвергаются фильтрации путем деления спектра на не пересекающиеся интервалы с использованием дискретного вейвлет-преобразования [Астафьева Н.М. Вейвлет - анализ: основы теории и примеры применения. УФН. 1998, т.166, №11, с.1145-1170], посредством пропускания сигналов через широкополосные и узкополосные фильтры, что позволяет в конечном итоге исключить из результатов наблюдений сигналы, обусловленные шумами моря в диапазоне частот 1-10 Гц [Ильичев В.И. Исследование поля акустического шума океана векторно-фазовыми методами // Акустика океанской среды / Под ред. Л.М.Бреховских. - М.: Наука, 1989. - с.140-152].
Измерения посредством датчиков в том или ином сочетании выполняют с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря.
Измеренные посредством датчиков, установленных непосредственно на трубопроводе, физические величины, характеризующие технико-эксплуатационное состояние трубопровода, внешней среды по линиям связи, поступают на модуль апостериорной обработки измеренных физических величин пульта управления 4 морского терминала 5, где по результатам сравнения эталонных и измеренных физических величин посредством датчиков выполняют диагностику трубопровода и степень воздействия на трубопровод внешней среды при изменении ее физических параметров посредством кластеризации и численного моделирования посредством сеточных методов нелинейного численного анализа.
Посредством измерительной аппаратуры подводного зонда 8, включающей гидроакустические средства в составе панорамного эхолота 26, имеющего две характеристики направленности, гидролокатора бокового обзора 28 с переключаемой характеристикой направленности, параметрических профилографов 31 и 32 выполняют обнаружение и идентификацию искусственных акустических аномалий в водной среде, путем измерения скорости звука, плотности и акустического импеданса в диапазоне глубин от 0,5 до 250 м (проектный диапазон залегания трубопроводов, предусмотренный в рамках проектов «Северный поток» (Балтийское море) и «Южный поток» (Черное море). Кроме того, посредством гидроакустических средств подводного зонда 8 снимают рельеф дна, местоположение трубопровода, скопление пузырьков метана при утечках из трубопровода. Количественная оценка пузырьков метана производится по различным алгоритмам в зависимости от структуры и плотности скоплений выбросов метана из трубопровода.
Алгоритм количественной оценки в общем случае определяет переход от числа эхо-сигналов к абсолютной величине - числу пузырьков, для чего вычисляется нормированная величина - средняя плотность скопления пузырьков. При этом закономерности распределения плотности скопления пузырьков по глубине определяются путем разделения диапазона на слои и вычисления плотности скопления пузырьков для каждого слоя.
В частности, оценка количественных характеристик разряженных скоплений пузырьков метана выполняется на основе известного выражения для средней плотности разряженного скопления (метод эхо-счета):
,
1
1
2
где K - число эхо-сигналов от пузырьков из слоя 1; S - сечение зоны действия эхолота, м; Н - толщина скопления, м; Q - частота повторения излучаемых сигналов; Т - время зондирования скопления; m - количество слоев.
Для реализации алгоритмов количественной оценки используемые гидроакустические средства обладают необходимыми техническими характеристиками (таблица 1).
Таблица 1
Технические характеристики гидроакустических средств
Технические характеристики
Тракт эхолота
Тракт гидролокатора бокового обзора
Параметрический профилограф
Рабочая частота, кГц
204
286 и 320
10 и 150
Ширина характеристики направленности, град.
6×10 и 12×20
1,5×50 и 3×50
3×4
Длительность импульсов, мкс
50, 200, 500
50, 100, 1
0,5, 1,2
Диапазоны, м
5, 10, 20, 50, 100, 200
5, 10, 20, 50, 100, 200
5, 10, 20, 50, 100, 200
Эхолот 26 предназначен для поиска скоплений пузырьков метана, количественной оценки и профилирования дна. Гидролокатор бокового обзора 28 предназначен для съемки рельефа дна, поиска и количественной оценки скоплений и одиночных пузырьков. Высокочастотный профилограф 33 предназначен для точного профилирования рельефа дна в месте утечки. Низкочастотный профилограф 31 предназначен для профилирования придонных осадков.
Микро ЭВМ 23 предназначена для управления работой гидроакустических средств и через порт соединена с приемником канала спутниковой связи.
Датчик обнаружения метана 39 представляет собой датчик типа METS ("CAPSUM"), который позволяет измерять концентрацию метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняя сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.
Основные характеристики датчика обнаружения метана 39:
- 10 µм силиконовая мембрана;
- рабочая глубина 0-3500 м;
- рабочая температура 2-20 градусов С;
- время измерения от 1 до 3 сек.;
- время стабилизации диффузии до 5 минут, в зависимости от турбулентности;
- входное напряжение 9-36 В;
- расход энергии 160 мА/ч;
- выходной сигнал - аналоговый 0-5 В и цифровой RS - 485;
- метан 50 нмоль/л - 10 µмоль/л.
Датчик скорости и направления ветра 22 типа ДСНВ-9 содержит измерительный преобразователь и два анемометрических измерительных датчика: - скорости ветра (анемометр) и направления ветра (флюгер). Датчик скорости ветра состоит из трехчашечной крыльчатки, вращаемой ветром. На одной оси с крыльчаткой установлен перфорированный диск с отверстиями, который при вращении крыльчатки перекрывает луч света оптоэлектронного преобразователя. Частота импульсов, формируемых оптоэлектронным преобразователем, пропорциональна скорости вращения крыльчатки.
Чувствительный элемент датчика направления ветра - флюгер, ориентирующийся по направлению ветра. На оси вращения установлен перфорированный диск с отверстиями. Оптоэлектронный преобразователь снимает отсчет углового положения диска с шагом 5,6° и выдает цифровой код положения флюгера в виде кода Грея. Измерительный преобразователь преобразует дискретные отсчеты в линейно-изменяющийся ток для токовых измерительных каналов скорости и направления ветра в блоке БП-3.
Датчик скорости и направления ветра 22 содержит нагревательный элемент, который включает термореле при понижении температуры ниже 4°С и поддерживает внутри датчика необходимую рабочую температуру и исключает образование льда.
Датчик атмосферного давления 19 типа ДАД-5 представляет собой цифровой барометр, чувствительным элементом которого является кремниевая диафрагма, работающий по принципу преобразования атмосферного давления в частоту.
Датчик температуры и относительной влажности воздуха 17 содержит измерительный преобразователь и чувствительные элементы (платиновый датчик сопротивления и кварцевый преобразователь влажности емкостного типа).
Температура и влажность воздуха изменяют величину сопротивления и емкость преобразователя чувствительного элемента и преобразуются измерительным преобразователем в линейно-изменяющиеся аналоговые сигналы, пропорциональные измеряемой температуре и влажности.
В качестве датчика давления и температуры воды 20 и 37 использован датчик, разработанный ФГУП ОКБ Океанологической техники РАН, имеющий диапазон измерения давления от 0 до 10 м, с погрешностью 0,1% и диапазон измерения температуры воды от -2 до +32 градусов С, с погрешностью 0,05 градуса С.
Приемная станция 7 выполнена в виде сферической поверхности и в нижней части снабжена парусным устройством 10, которое включает восемь плоскостей, расположенных в вертикальной плоскости, в нижней части снабженных поплавками для обеспечения нейтральной плавучести при нахождении приемной станции в зоне распространения метанового облака. В верхней части парусное устройство сочленено с поворотным устройством, приводимым в действие микродвигателем с редуктором, которые также служат для опускания и поднятия на заданную глубину подводного зонда 8 посредством лебедки. Парусное устройство 11 также выполняет функцию стабилизатора при внешних воздействиях.
Для перемещения приемной станции 7 вдоль трасы трубопровода она снабжена пластинчатым движителем роторного типа.
Команды на функционирование приемной станции и установленной на ней аппаратуры подаются с пульта управления 4 морского терминала 5 по спутниковому каналу связи.
Пульт управления 4 морского терминала через каналы спутниковой связи принимает сигналы от приемной станции 7 и представляет собой информационно-вычислительную систему, включающую модуль электронных цифровых карт в соответствии с требованиями IMO Resolution А. 817/19, на которых отображается рельеф дна с трубопроводом, скопления облаков газовых утечек. Информационно-вычислительная система также включает модуль спутниковой навигации, который по сигналам, принимаемым от ИСЗ, рассчитывает траекторию движения приемной станции относительно трассы трубопровода.
Передача информации от приемных станций на пульт управления осуществляется по следующему алгоритму. На каждой i-й приемной станции измеренные значения j параметров океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее i-й номер приемной станции и измеренные значения j параметров атмосферы, океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте ωi, манипулируют его по фазе цифровым сообщением и сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте управления осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом и обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют i-й номер приемной станции и значения j параметров океана.
На пульте управления 4 морского терминала 5, по информации, полученной от диагностических модулей, с учетом информационных данных предварительного целевого мониторинга, выполняемого по предыдущим текущим данным с учетом критериев эксплуатационной безопасности трубопровода выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации, путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в зонах исследований по трассе трубопровода определяют степень рисков, влияющих на безопасное функционирование трубопровода, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок, с помощью коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита и параметрической модели парных сравнений - Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса - и непараметрических моделей теории люсианов [А.Кофман. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982, 432 с.], что позволяет проводить точечное и интервальное оценивание параметров, проверять значимость их отличия от 0 в непараметрической постановке, строить доверительные границы для прогноза. Основными процедурами обработки прогностических экспертных оценок являются проверка согласованности, кластер-анализ полученных результатов исследований.
Заявляемый способ диагностики магистральных трубопроводов и устройство для его реализации может быть использовано для диагностики и обнаружения утечек из магистральных трубопроводов, уложенных на дне морей и предназначенных для транспортировки природного газа и нефти. Наличие в составе устройства гидроакустических средств обнаружения неоднородностей позволяет использовать данное техническое решение для обнаружения утечек из трубопроводов, уложенных на морском дне шельфа арктических морей при наличии ледового покрытия, что известными способами практически не обеспечивается.
Реализация заявляемого технического предложения технической трудности не представляет, так как датчики измерения физических величин имеют промышленную применимость, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".