Устройство для автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов закрытой оросительной системы
DEVICE FOR AUTOMATIC MONITORING OF THE CONDITION OF ASBESTOS-CEMENT DISCHARGE PIPELINES IN A CLOSED IRRIGATION SYSTEM

Изобретение относится к эксплуатационному мониторингу технического состояния сооружений оросительных систем в гидротехническом строительстве, в частности к устройствам для определения состояния асбестоцементных труб, как наиболее экономичного материала для сооружения оросительных систем.
Известно изобретение (патент РФ № 2368730, кл. E02В 13/00, 2009 г.), с помощью которого определяют состояние лотковых каналов оросительных систем посредством приборов неразрушающего контроля с применением ультразвукового метода или метода ударного импульса.
Недостатком известного технического решения, является то, что оно предназначено для мониторинга состояния лотковых каналов оросительной системы, а не для асбестоцементных сбросных труб.
Известен техническое решение, в котором осуществляют BIM проектирование наземно-подземного объекта (патент РФ № 2699257, кл. G01T 17/00, 2019 г.) за счет лазерного сканирования наземного объекта в координатах его местоположения с последующим его созданием 3D модели, определение местоположения подземной части объекта в тех же координатах, осуществление бурения скважин с отбором проб грунта, по которым определяют их состав и физико-механические свойства, по полученным данным определяют геологическое строение массива пород и создают 3D модель геологического пространства, в которую вписываю т подземную часть объекта в тех же координатах, что и наземная часть, после чего создают или корректируют 3D модель объекта в наземной и подземной частях с учетом данных 3D модели геологического пространства.
Однако, не смотря на достоинства, известного технического решения, оно не используется для мониторинга состояния сооружений закрытой оросительной системы, созданных из асбестоцементных труб.
Также известно устройство для автоматической визуализации поверхности труб (патент РФ № 2571159, кл. G01N 21/88, 2015 г. - прототип), содержащее перемещаемое относительно обследуемого трубопровода с помощью приводных колес устройство со средствами сканирования, получения изображений поверхности трубопровода, регистратор и передачи данных на компьютер для формирование трехмерной модели трубопровода с помощью блока программного обеспечения.
Недостатком известного устройства является отсутствие оценки состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов и определение объема их ремонта, а также определения возможности вторичного их использования.
Задача изобретения заключается в том, чтобы создать устройство для мониторинга состояния асбестоцементных труб, поскольку они широко используются для сооружения оросительных системах, за счет низкой себестоимости материала. Асбест, в сочетании с цементом и водой, имеет намного меньшую цену, чем металл или пластик, даже самого низкого качества. Производство асбестоцементной продукции не занимает много времени и требует небольшое количество техники и рабочего персонала.
Техническим результатом является обеспечить возможность оценки состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов и принятия решения о необходимом виде и объеме их ремонта, а также определение возможности вторичного их использования, за счет визуализации состояния грунта прилегающего к трубопроводу на наличие просадок, пустот, разуплотнения и посторонних включений, влияющих на состояние трубопроводов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов закрытой оросительной системы, содержащем, перемещаемое относительно обследуемого трубопровода с помощью приводных колес устройство со средствами сканирования, получения изображений поверхности трубопровода, регистратор и передачи данных на компьютер для формирования трехмерной модели трубопровода с помощью блока программного обеспечения, согласно изобретению, в качестве средств для: формирования трехмерной модели трубопровода с прилегающим к нему объемом грунта, получения изображений внутренней поверхности трубопровода и регистрации использованы соответственно: сканер в виде георадарной антенны на телескопической штанге, цифровой фотоаппарат или видеокамеру с подсветкой и регистратор в виде маркера сообщенного через магистраль с емкостью для красящего вещества, при этом для обеспечения возможности их циклического вращения по внутренней поверхности трубопровода и перемещения вдоль него, использован шаговый электродвигатель с полым вращающимся валом и блоком управления сообщенного с компьютером и с узлом для переключения режимов вращательного и поступательного движений, причем георадарная антенна, цифровой фотоаппарат или видеокамера с подсветкой и маркер установлены на вращающемся валу, последовательно друг за другом на расстояниях равных ширине сканируемого участка, магистраль для подачи красящего вещества из емкости в маркер расположена внутри полости вращающегося вала, а емкость для красящего вещества соединена с блоком управления, при этом георадарная антенна расположена от сканируемой поверхности на одинаковом расстоянии, автоматически регулируемое с помощью телескопической штанги, в зависимости от изменения скорости ее движения, ширина захвата объектива цифрового фотоаппарата или видеокамеры равна ширине участка сканирования, а приводные колеса сообщены с узлом для переключения режимов вращательного и поступательного движений.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что по сравнению с известными техническими решениями обеспечивается возможность оценки асбестоцементных сбросных трубопроводов и прогнозирование оставшегося срока их эксплуатации, а именно по состоянию грунта прилегающего к трубопроводу на наличие просадок, пустот, разуплотнения и посторонних включений, по которым можно определить однородность и прочность трубопроводов, степень, вид и глубину, характер трещин и их ширину.
По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, позволяющая получить технический результат, который ранее не достигался известными средствами, что позволяет судить об изобретательском уровне заявляемого предложения.
Предлагаемое устройство работоспособно и может быть использовано для технологических процессов с целью автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов оросительной системы, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена общая схема устройства для автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов закрытой оросительной системы; на фиг. 2 – то же, в аксонометрии; на фиг. 3 представлен фрагмент скриншота трехмерной модели трубопровода с прилегающим к нему объемом грунта; на фиг. 4 - фото с изображением фрагмента внутренней поверхности трубопровода с иловыми наносами.
На графических материалах для большей ясности представлены только те элементы, которые необходимы для понимания сущности изобретения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, не представлены.
Устройство для автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов закрытой оросительной системы, содержит перемещаемое относительно обследуемого трубопровода 1 с помощью приводных колес 2 устройство со средствами сканирования, получения изображений поверхности трубопровода, регистратор и передачи данных на компьютер 3 для формирования трехмерной модели трубопровода с помощью блока программного обеспечения. В устройстве, в качестве средств для: формирования трехмерной модели трубопровода с прилегающим к нему объемом грунта, получения изображений внутренней поверхности трубопровода и регистрации использованы соответственно: сканер в виде георадарной антенны 4 на телескопической штанге 5, цифровой фотоаппарат 6 или видеокамеру с подсветкой и регистратор в виде маркера 7 сообщенного через магистраль 8 с емкостью 9 для красящего вещества. Для обеспечения возможности их циклического вращения по внутренней поверхности трубопровода 1 и перемещения вдоль него, использован шаговый электродвигатель 10 с полым вращающимся валом 11 и блоком управления 12 сообщенного с компьютером 3 и с узлом 13 для переключения режимов вращательного и поступательного движений. Георадарная антенна 4, цифровой фотоаппарат 6 или видеокамера с подсветкой и маркер 7 установлены на вращающемся валу 11, последовательно друг за другом на расстояниях равных ширине сканируемого участка 14. Магистраль 8 для подачи красящего вещества из емкости 9 в маркер расположена внутри полости вращающегося вала 11, а емкость 9 соединена с блоком управления 12. Георадарная антенна 4 от сканируемой поверхности имеет постоянное расстояние, автоматически регулируемое с помощью телескопической штанги 5 с помощью блока управления 12, в зависимости от изменения скорости ее движения за счет иловых отложений на внутренней поверхности трубопровода. Ширина захвата объектива цифрового фотоаппарата 6 или видеокамеры равна ширине участка сканирования 14. Привод 15 колес 2 соединен с узлом 13 для переключения режимов вращательного и поступательного движений, для обеспечения поступательного движения колес вдоль трубопровода.
Георадарная антенна 4 на телескопической штанге 5, цифровой фотоаппарат 6 или видеокамеру с подсветкой и регистратор в виде маркера 7 сообщенного через магистраль 8 с емкостью 9 для красящего вещества сообщены с компьютером 3 через блок управления 12 (на фиг. 1 не показано). Сообщение может быть как проводным, так и беспроводным
Устройство для автоматического мониторинга состояния асбестоцементных сбросных трубопроводов закрытой оросительной системы работает следующим образом
Для исследования состояния асбестоцементного трубопровода, при отсутствии воды, вовнутрь его устанавливают устройство со средствами получения изображений поверхности трубопровода, регистрации и передачи данных на компьютер, сканирование поверхности трубопровода. Через блок управления 12 включают шаговый двигатель 10 с полым валом 11 в режиме вращательного движения. Использование шагового двигателя обусловлено тем, что он обеспечивает точное определенное пошаговое механическое вращение, поскольку, в отличие от других двигателей он работает с запрограммированными дискретными управляющими импульсами, которые подаются на обмотки статора (на фиг. 1 не показано) через блок управления 12 сообщенного с компьютером 3. Расположенные на валу 11 сканер в виде георадарной антенны 4 на телескопической штанге 5, цифровой фотоаппарат 6 или видеокамеру с подсветкой и регистратор в виде маркера 7 сообщенного через магистраль 8 с емкостью 9 для красящего вещества начинают вращаться и осуществляют одновременно циклическое, круговое, последовательное сканирование участка внутренней поверхности трубопровода совместно с объемом грунта прилегающего к нему, получение плоскостного панорамного изображения внутренней поверхности трубопровода и маркировку этого же участка сканирования. После прохода одного оборота (цикла) по окружности трубопровода узел 13 подключает режим поступательного движения к приводу 15 колес 2, которые перемещают устройство на запрограммированное расстояние равное ширине участка 14. Затем узел 13 через блок управления включает вращательное движение вала 11 и процесс повторяется. Маркировка отсканированного участка 14 осуществляется с помощью люминесцентной краски, которая предварительно помещена в прозрачную емкость 9 для накопления энергии света. Расстояние георадарной антенны от сканируемой поверхности устанавливают постоянным, и регулируют с помощью блока управления 12, в зависимости от изменения скорости ее движения за счет иловых наносов на внутренней поверхности трубопровода. Ширину захвата объектива цифрового фотоаппарата или видеокамеры устанавливают по ширине участка сканирования, чтобы не было наложений кадров друг на друга. В результате сканирования и фотографирования полученные данные отраженных сигналов от неоднородностей и объектов в толще трубопровода с объемом грунта поступают в блок памяти компьютера для формирование трехмерной модели трубопровода с прилегающему к нему грунтом (фиг. 3) с помощью блока программного обеспечения и получения изображения или панорамное фото (фиг. 4), в зависимости от того, что было использовано цифровой аппарат или видеокамера.
Всем процессом осуществления сканирования с фотографированием и маркировкой управляет компьютер с помощью соответствующей программы сбора и хранения информации.
По трехмерной модели трубопровода с прилегающему к нему грунтом визуально определяют состояние грунта прилегающего к трубопроводу на наличие просадок, пустот, разуплотнения и посторонних включений, т.к. его неоднородное состояние отрицательно влияет на качество асбестоцементной трубы. Например, уплотнения грунта расположенного над трубой, образованного за счет многократного прохождения различных с.-х. машин при поливе, обработке почвы увеличивают нагрузку на асбестоцементные трубы, в результате уменьшается предел прочности их поверхности, и появляются микротрещины, через которые просачивается вода, со временем увеличивая их. По полученным изображениям видеосъемок или фото внутренней поверхности с маркировкой определяют наличие и уровень толщины иловых наносов.
Георадарная антенна может быть выполнена в виде антенны по патенту на полезную модель № 97217, 2010 г., поскольку она разборная и может сканировать различные поверхности: плоские, угловые, выпуклые и вогнутые.
Она позволяет получать непрерывный разрез исследуемой среды и записывать его в файл для дальнейшей обработки, анализа и документирования.
Поскольку асбестоцементных трубопроводы находятся на глубине 0,8-1,2 м, то для измерения толщины трубопровода и слоя грунта, окружающего его, необходимо использовать высокочастотные антенные блоки с частотой 900-1200 МГц, имеющие глубинность менее двух метров, но высокую разрешающую способность.
Для подтверждения эффективности заявляемого устройства проводились производственные исследования на разборной закрытой оросительной системе учхоза «Кубань» Кубанского аграрного университета.
Срок эксплуатации данной оросительной системы 14 лет. Водосбросные асбестоцементные трубопроводы длиной 5 м заложены на глубине около 1 м. Вода проходит самотеком, за счет небольшого уклона труб. Смотровые колодцы установлены через 30-40 м.
Через смотровой колодец в трубопровод было установлено устройство для мониторинга его состояния и грунта вокруг него. Для управления устройством использовалась беспроводная связь, через пульт управления.
В качестве экспериментального участка был выбран фрагмент трубопровода между смотровыми колодцами. Для упрощения управления, сначала устройство запускали с одного конца трубопровода до середины расстояния между смотровыми колодцами, затем с другого соседнего колодца запускали устройство, также до середины расстояния между этими колодцами. Полученные данные в результате сканирования и получения изображений (использовалась видеокамера) поступали на компьютер, обрабатывались и визуализировались на экране монитора.
Анализ трехмерной модели трубопровода с грунтом и полученных изображений показал, что под трубопроводом, вдоль него есть небольшие участки уплотненного грунта, что указывает на просачивание воды через микротрещины, которые визуально не просматривались. Поскольку срок эксплуатации асбестоцементных труб 20 лет и их уже использовали 14 лет, то до конца срока использования, целесообразно наблюдать за состоянием этих труб, в случае ухудшения или по окончанию срока использования - заменить. Кроме того, по полученному изображению было определено, что внутри имеются иловые отложения, занимающие 20-30% от площади поперечного сечения трубопровода, которые необходимо очистить традиционным методом, путем пропуска потока воды под большим напором.