СПОСОБ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА
METHOD OF DIAGNOSTIC CONTROLLING TECHNICAL PARAMETERS OF UNDERGROUND PIPELINE

Изобретение относится к области наружного диагностического контроля технических параметров подземного трубопровода и уровня его коррозионной защищенности от влияния окружающей среды и может быть использовано при проведении комплексного обследования технического состояния подземного трубопроводного транспорта в нефтегазовой отрасли, жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях, где эксплуатируются подземные и подводные трубопроводы.
Известен способ бесконтактного выявления местоположения и характера дефектов металлических сооружений, который включает измерение над трубопроводом в заданных точках в процессе перемещения векторов магнитного поля в прямоугольных координатах, по крайней мере, двумя трехкомпонентными датчиками, составление тензора градиентов магнитного поля, путем матричного преобразования проводят обработку полученной информации, по результатам обработки определяют фоновое значение и отклонения этого значения, по отличию которых на заданную критериальную величину от фонового значения судят о наличии и местоположении дефектов металлических трубопроводов и строят магнитограмму с указанием местоположения дефектов [1].
Недостатками способа являются:
измерения на трубопроводе, на который воздействуют электромагнитные поля от соседних электропроводных коммуникаций, будут проводиться в условиях существенно неоднородного магнитного поля, и получаемые в этом случае нормированные разности одноименных компонент поля не являются градиентами поля, т.к. градиенты возможно получить при бесконечно малом расстоянии между магнитными датчиками;
не учитывается при обработке изменение расстояния от датчиков до трубопровода, что приводит к ошибкам при измерениях;
невысокая достоверность диагностического контроля при расположении рядом соседних коммуникаций с током;
невозможность проводить диагностический контроль на технологических площадках с плотной сеткой размещения трубопроводов с током из-за высокой погрешности в измерениях;
необходимость трассировки местоположения проекции трубопровода на землю с использованием трассопоисковых приборов, что приводит к увеличению трудоемкости процесса диагностического контроля и негативно отражается на точности привязки выявленных аномалий.
Известен способ диагностики технического состояния подземного трубопровода, относящийся к бесконтактной диагностике, который включает непрерывное измерение градиентов индукции постоянного магнитного поля в восьми точках около трубного пространства при перемещении трех линеек датчиков, причем две линейки расположены вертикально, а одна горизонтально относительно поверхности Земли, каждая линейка датчиков состоит из трех трехкомпонентных датчиков, математическую обработку измерений проводят путем решения избыточной системы уравнений, составленной для градиентов индукции постоянного магнитного поля, а пространственную траекторию трубопровода определяют на основе зависимости величин градиентов от глубины погружения трубопровода и от расстояния между линейкой датчиков и проекцией оси трубопровода, тогда как выявление дефектов и их ранжирование проводят на основе рассчитанных геометрических параметров и компонент магнитных моментов дефектов и градиентов моментов вдоль оси трубопровода [2].
Недостатками способа являются:
требуется предварительная трассировка местоположения проекции трубопровода на землю с использованием трассопоисковых приборов, что приводит к увеличению трудоемкости процесса диагностического контроля и негативно отражается на точности привязки выявленных аномалий;
расчет градиентов магнитного поля и магнитных моментов исходя из средней скорости перемещения оператора над трубопроводом будет приводить к ошибкам в определении реальных величин магнитных моментов в условиях, когда оператор осуществляет диагностическое обследование в постоянно меняющихся трассовых условиях, например чередование участков трассы, заросших высокой травой или кустарником, и равнинной местности, на которых скорость движения оператора сильно отличается;
невысокая достоверность диагностического контроля при расположении рядом соседних коммуникаций с током;
невозможность проводить диагностический контроль из-за высокой погрешности в измерениях на технологических площадках, на которых имеется плотная сетка расположения трубопроводов с током.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ диагностики технического состояния трубопровода, включающий возбуждение в зоне трубопровода переменного магнитного и переменного электрического поля, измерение расстояния от датчиков до проекции оси трубопровода на дневную поверхность, индицирование величины и направления удаления датчиков от проекции оси трубопровода, на основании чего оператор корректирует путь перемещения вдоль трубопровода, а при диагностировании, идентификации и ранжировании аномалий внесение поправок в величины компонент поля и их разностей, связанных с расстоянием от датчиков до оси трубопровода, определение углов поворота датчиков поля вокруг горизонтальных и вертикальной осей, получение матрицы поправок и внесение их в матрицы компонент поля и их разностей, измерение индукции постоянного магнитного поля не менее чем в шести точках пространства над трубопроводом и не менее девяти разностей величин индукции постоянного магнитного поля в этих же точках, одновременно с индукцией постоянного магнитного поля проводят измерение не менее двух компонент вектора индукции переменного магнитного поля, по крайней мере, в трех точках пространства над трубопроводом, расположенных вдоль горизонтальной или вертикальной оси и совпадающих с точками измерения постоянного магнитного поля, и не менее двух компонент вектора напряженности переменного электрического поля, причем датчики постоянного магнитного поля, переменного магнитного поля и переменного электрического поля совмещены в одном конструктиве, проведение предварительной статистической обработки результатов измерений, выделение по совокупности признаков участков трубопровода для последующей обработки, определение расположения и магнитных моментов источников аномалий постоянного и переменного магнитных полей и параметров нарушений изоляции трубопровода и проведение по полученным данным идентификации и ранжирования особенностей технического состояния трубопровода [3].
Недостатками способа являются:
невысокая достоверность диагностического контроля при расположении рядом соседних коммуникаций с током;
невозможность проводить диагностический контроль из-за высокой погрешности в измерениях на технологических площадках, на которых имеется плотная сетка расположения трубопроводов с током.
Задачей изобретения является повышение достоверности и точности диагностического контроля при проведении комплексного обследования технических параметров подземного трубопровода в независимости от условий его расположения: в техническом коридоре или на технологической площадке, где имеется плотная сетка трубопроводов с током.
Это достигается за счет того, что в способе диагностики технического состояния подземного трубопровода, включающем возбуждение переменного магнитного поля в зоне трубопровода, измерение индукции переменного магнитного поля, создаваемой током в трубопроводе, над и вблизи трубопровода, измерение расстояния от датчиков до проекции оси трубопровода на дневную поверхность, индицирование величины и направления удаления датчиков от проекции оси трубопровода, на основании чего оператор корректирует путь перемещения вдоль трубопровода, определение углов поворота датчиков поля вокруг горизонтальных и вертикальной осей трубопровода, получение матрицы поправок, связанных с углами поворота датчиков и их расстоянием относительно оси трубопровода, внесение поправок в матрицы компонент поля и их разностей, предлагается при перемещении датчиков магнитного поля над трубопроводом определять степень фактического влияния на диагностируемый трубопровод магнитных полей от соседних трубопроводов, расположенных в непосредственной близости, для чего перемещать матрицу датчиков магнитного поля как вдоль, так и поперек оси диагностируемого трубопровода в обе стороны на расстояние не менее десятикратной глубины его заложения, проводить измерение в пространстве векторов индукции переменного магнитного поля, создаваемых токами в трубопроводах, получать ситуационную картину магнитных полей вблизи диагностируемого трубопровода, проводить расчеты и определять, при каких фактических величинах токов, глубин и расстояний между трубопроводами рассчитанная ситуационная картина распределения векторов магнитного поля около диагностируемого трубопровода будет соответствовать измеренному распределению, далее вычитать при расчетах токи от соседних трубопроводов при проведении обработки результатов измерений, определении расположений источников аномалий переменного магнитного поля и параметров нарушений изоляции трубопровода.
При определении координат и параметров источников магнитного поля на трубопроводе используют магнитную локацию, которая позволяет проводить измерения при произвольном положении датчиков магнитного поля, расположенных в магнитной антенне устройства, относительно оси диагностируемого трубопровода [4].
Алгоритм магнитной локации сводится к решению системы уравнений вида:
где  - вектор магнитного поля в точке пространства, где проводятся измерения,  - вектор магнитного момента объекта,  - вектор из точки нахождения диполя в точку пространства, где проводятся измерения магнитного поля.
Достоинствами магнитной локации являются возможность проведения обследования в движении со скоростью до 5 км/час с шагом измерения от 10 см. При этом на качество обследования слабо влияет отклонение оператора от оси, изменение глубины залегания и произвольной ориентации матрицы магнитных датчиков устройства относительно оси трубопровода.
Известные способы диагностики основаны на предположении, что работает только один проводник с током бесконечной длины. Если в зоне диагностики находятся другие дополнительные источники тока, то измерения магнитных полей и расчет токов производятся также для одного идеализированного бесконечного проводника эквивалентного всей совокупности проводников с током в коридоре. Автоматический поиск ситуации наличия нескольких источников магнитных полей, восстановления ситуационной картины и выделения токов, протекающих только в диагностируемом трубопроводе, является новым отличительным признаком предлагаемого способа.
Результат достигается следующим образом. Если имеется система, состоящая только из одного проводника, то распределение магнитных полей в трехмерном пространстве имеет центральную симметрию, а магнитная индукция изменяется как 1/r, где r кратчайшее расстояние от точки измерения до оси трубопровода. Измеряя одновременно компоненты вектора магнитного поля в нескольких точках пространства, можно сделать вывод о соответствии распределения магнитного поля в пространстве требованиям одиночного бесконечного прямого проводника. Неизбежные отклонения оператора от оси трубопровода и колебания ориентации магнитной антенны позволяют выделить признаки, характеризующие наличие нескольких источников магнитного поля. А также выделить информацию, относящуюся только к диагностируемому трубопроводу. Это достигается многопараметрической оптимизацией ситуации, где последовательно подбирается такое положение диагностируемого источника магнитного поля и источников помехи, когда рассчитанная картина распределения магнитного поля в пространстве будет совпадать с измеренным распределением.
Выделение из общей системы фиксируемых токов только токов, относящихся к диагностируемому трубопроводу, позволяет зарегистрировать изменение этих токов, которые в настоящее время не видны на фоне помех от соседних трубопроводов в известных способах диагностики. Предлагаемый способ значительно повышает обнаружительную способность измерительного устройства, точность и достоверность диагностики.
х1
z1
x1
x2
z1
z2
На фиг. 1 представлена магнитограмма распределения индукции магнитного поля над трубами по компоненте X и Z при =5 метров, где 1 - В; 2 - В; 3 - B+B; 4 - B+B.
х1
z1
x1
х2
z1
z2
На фиг. 2 представлена магнитограмма распределения индукции магнитного поля над трубами по компоненте X и Z при =20 метров, где 1 - В; 2 - В; 3 - В+В; 4 - B+B.
Пример конкретного выполнения способа приведен для системы из двух трубопроводов с глубиной залегания до двух метров и расстоянием между осями трубопроводов 5 и 20 метров. Для проверки предлагаемого способа были проведены следующие операции:
Возбуждение в зоне трубопровода переменного магнитного поля.
Измерение индукции переменного магнитного поля при перемещении магнитной антенны устройства как вдоль, так и влево, вправо от оси диагностируемого трубопровода на расстояние L, равное не менее десятикратной глубине заложения диагностируемого трубопровода (технический коридор). При глубине заложения трубопровода 2 метра расстояние перемещения магнитной антенны будет равно 20 метрам и более.
x1
x2
z1
z2
z
х
z
1
2
1
2
Определение ситуационной картины (магнитограммы) распределения векторов индукции магнитного поля над трубопроводами в техническом коридоре. Измеренная магнитограмма распределения компонент вектора индукции магнитного поля при расстоянии между трубопроводами 5 метров показана на фиг. 1: (кривые 3 и 4 компоненты B+B и B+B соответственно). Явными признаками наличия соседнего трубопровода с током являются: смещение вверх по координате «У» минимума компоненты B и смещение максимума компоненты Вотносительно минимума компоненты B в сторону соседнего трубопровода (фиг. 1). Измеренные магнитограммы векторов индукции магнитного поля - кривые 3 и 4 (фиг. 1), могут соответствовать только определенным соотношениям токов i и i, глубин h и h и расстоянии  между трубопроводами 1 и 2.
1
2
1
2
Проведение расчетов и определение, при каких величинах i, i, h, h и расстояниях между трубопроводами возможно получение распределения векторов индукции магнитного поля над трубопроводами в техническом коридоре, которое будет соответствовать измеренному распределению магнитного поля. При расчетах принимается, что начальная точка положения оси диагностируемого трубопровода и его направление известны. Расчет ситуационной картины распределения векторов индукции магнитного поля для двух труб в техническом коридоре производился по формулам:
0
i
i
х
z
где μ - магнитная постоянная; х, () и z; (h) - координаты заложения i-гo трубопровода; z (h) - задаваемая высота, на которой рассматривается распределение поля по компонентам; Ii - ток в трубопроводе; В и B - компоненты магнитного поля вдоль оси X.
Подбирая при расчете соотношение токов, глубин и расстояния между трубопроводами 1 и 2, возможно получить ситуационную картину распределения векторов индукции магнитного поля около диагностируемого трубопровода, которая будут отвечать измеренным магнитограммам - кривые 3 и 4, фиг. 1. Кривые 1 и 2 - это пример, как выглядит распределение векторов индукции магнитного поля для одиночного трубопровода с током.
Вычитание при расчетах токов от соседних трубопроводов при проведении обработки результатов измерений, определении расположений источников аномалий переменного магнитного поля и параметров нарушений изоляции трубопровода.
Далее магнитная антенна перемещается вдоль диагностируемого трубопровода. Расчет токов в трубопроводах производится по модели начального ситуационного плана расположения трубопроводов в техническом коридоре. Если задача не сходится для принятой модели, устройство автоматически подает сообщение в форме сигнала. В этом случае магнитная антенна перемещается перпендикулярно диагностируемому трубопроводу для получения нового или корректировки прежнего ситуационного плана.
При расстоянии между диагностируемым и соседним трубопроводом 20 метров (фиг. 2) влияние магнитного поля от соседнего трубопровода незначительно, находится в пределах 3% (ΔBx, фиг. 2) и может не учитываться при расчете токов, протекающих по диагностируемому трубопроводу.
На фиг. 3 представлена магнитограмма тока и рассчитанный ток в диагностируемом трубопроводе, где 1 - измеренный ток в трубопроводе при наличии помехи от соседнего трубопровода с током; 2 - рассчитанный ток в диагностируемом трубопроводе.
x
Для типового расстояния между трубами 5 метров и равенстве в них токов ошибка в определении тока в диагностируемом трубопроводе составляет 30% (ΔB, фиг. 1), что соответствует очень крупному дефекту в изоляции. Однако этот вывод ложный, так как изменение тока связано не с утечками через изоляцию, а с наличием помехи от соседнего трубопровода.
Необходимо также отметить, что постоянные изменения взаимного положения двух трубопроводов в коридоре будут вызывать непрерывное изменение рассчитанного тока в диагностируемом трубопроводе при способе расчета прототипа. На фоне таких изменений невозможно выделить участок с нарушением изоляции, которое ведет к изменению тока.
Способ позволяет проводить контроль электрического сопротивления изоляционных покрытий, уровня защищенности трубопровода средствами электрохимической защиты, опасного влияния блуждающих постоянных токов и токов промышленной частоты, аномально намагниченных зон трубопровода, местоположения трубопровода на местности и глубины его фактического заложения, выявление местоположения несанкционированного отбора продукта транспортировки, комплексного обследования переходов трубопровода через водные преграды с поверхности воды.
Источники информации
1. Патент РФ 2264617.
2. Патент РФ 2510500.
3. Патент РФ 2453760 - прототип.
4. Григорашвили Ю.Е., Стицей Ю.В., Иваненков В.В. Использование технологии магнитной локации при определении коррозионной защищенности магистральных трубопроводов. Ж. ВНИИСТ «Трубопроводный транспорт [теория и практика]», ноябрь 2009 г., №4 (16), стр. 17-23.