Регистрирующий блок для мониторинга технического состояния линейного трубопровода

Полезная модель относится к трубопроводному транспорту и может быть использована для мониторинга герметичности стенки линейного трубопровода (ЛТ).
Известно устройство, расположенное на линейном участке магистрального трубопровода, по которому между соседними перекачивающими станциями осуществляется направленное движение перекачиваемой среды, содержащее датчик вибрации на поверхности трубы, например, пьезоэлектрический виброметр, и датчик давления, вкрученный в стенку трубы для обеспечения контакта со средой, например, тензометрический преобразователь давления [RU 2565112 С2, МПК F17D 5/06, опубл. 2015].
Известно устройство для дистанционного мониторинга герметичности магистрального газопровода (МГ) [RU 148947 U1, МПК F17D 5/06, опубл. 20.12.2014]. Устройство содержит пару высокочастотных пьезоэлектрических сенсоров пульсаций давления, пару автономных источников питания и усилителей сигналов, пару передающих радиомодемов, расположенных после выхода перекачивающей станции в начале участка МГ и перед входом перекачивающей станции в конце участка МГ. Сенсоры пульсаций давления осуществляют непрерывный мониторинг состояния МГ, их выходы подключены к автономным источникам питания и усилителям сигналов, выходы которых подключены к соответствующим входам передающих радиомодемов, которые через радиоканал передают аналоговый сигнал на соответствующий принимающий радиомодем, соединенный выходами с аналогово-цифровым преобразователем, подключенным к персональному компьютеру оператора со специализированным программным обеспечением, осуществляющим запись, обработку, ранжирование по степени опасности, занесение записей о состоянии и местоположении негерметичности, а также хранение полученных данных.
Недостатком известного устройства является то, что используемые сенсоры рассчитаны на параметры вязкости газообразной среды, кроме того заявленные производителем свойства мембраны сенсоров не обеспечивают достаточного уровня антикоррозийной устойчивости к химическим воздействиям со стороны перекачиваемого по трубопроводу продукта, что значительно ограничивает область применения диагностической системы для линейных трубопроводов (ЛТ), отличных от заявленных в прототипе назначений. Использование статичного центрального пункта ограничивает мобильность оператора, что усложняет взаимодействие с аварийными бригадами в случае возникновения внештатной ситуации.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании полезной модели, является разработка регистрирующего блока, позволяющего осуществить многоканальный прием информации о наличии негерметичности стенки ЛТ с учетом устранения недостатков аналогов, параметры которого удовлетворяют современным требованиям к мониторингу трубопровода.
Техническим результатом, получаемым от внедрения полезной модели, является возможность дистанционного мониторинга технического состояния ЛТ любых назначений, заполненных любой средой, повышение объективности проводимых исследований за счет использования дополнительного канала получения информации (не только среды, заполняющей трубопровод, но и металла стенки трубы), повышение эффективности функционирования системы дистанционного мониторинга технического состояния ЛТ за счет повышения точности определения местоположения негерметичности путем внедрения в систему корректировки величины скорости звука в продукте по изменениям температуры перекачиваемого продукта, в результате чего повышается надежность функционирования ЛТ.
Указанный технический результат достигается тем, что регистрирующий блок для дистанционного мониторинга технического состояния линейного трубопровода содержит датчик давления, вкрученный в стенку трубы, выход которого подключен к блоку питания и усилителя сигналов, дополнительно содержит датчик вибрации - высокочастотный акселерометр со встроенным аналого-цифровым преобразователем и бесконтактный датчик температуры. Выходы датчиков подключены ко входам многофункционального модуля беспроводной платформы сбора и хранения данных. Связь обеспечивается посредством беспроводного соединения с мобильным смарт-планшетным компьютером оператора со специализированным программным обеспечением (приложением), осуществляющим дистанционный доступ к управлению регистрирующим блоком, а также получающим уведомления в реальном времени.
В предлагаемом регистрирующем блоке в качестве датчика давления, улавливающего распространяемые внутри трубы акустические колебания, возможно использование пьезоэлектрического высокочастотного сенсора пульсаций давления (дополнительное исполнение с мембраной из коррозионно-стойкой, жаропрочной стали), рассчитанного на работу с различными средами. В качестве датчика вибрации возможно использование высокочастотного акселерометра для регистрации вибраций металла стенки трубы. Благодаря наличию датчика температуры обеспечивается возможность корректировки значений величины скорости звука в среде, которая, как известно, зависит от температуры самой среды (газ, жидкость) и, значит, влияет на время запаздывания информации регистрируемой в точке приема.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема расположения устройства на исследуемом участке ЛТ, на фиг. 2 изображена структурная схема регистрирующего блока (R) для мониторинга технического состояния ЛТ.
Регистрирующий блок устанавливают на концевую часть линейного трубопровода 1, по которому от перекачивающей станции 2 осуществляется целенаправленное движение перекачиваемого продукта.
Регистрирующий блок R содержит пару совместно работающих датчиков: датчик давления 5, который инсталлирован в стенку ЛТ, таким образом, чтобы мембрана находилась в непосредственном контакте с перекачиваемым продуктом и датчик вибрации 4 со встроенным АЦП, который размещен снаружи трубы непосредственно на металле стенки.
В качестве датчика давления можно использовать, например, высокочастотный ICP сенсор пульсаций давления S113B22 фирмы РСВ PIEZOTRONICS INC с мембраной из нержавеющей стали коррозионно-стойкой, жаропрочной. А в качестве датчика вибрации 4 возможно использование, например, высокочастотного цифрового акселерометра DIGIDUCER™ 333D01 со встроенным АЦП фирмы РСВ PIEZOTRONICS INC.
В состав регистрирующего блока дополнительно включен бесконтактный датчик температуры 7 перекачиваемого продукта, который необходим для корректировки параметров скорости звука в реальном времени, например, PyroCouple фирмы CALEX.
Датчик давления 5 соединен с блоком питания и усиления сигналов 6, параметры которого подбирают в соответствии с параметрами датчика давления, например, автономный источник питания и усилитель сигналов для датчиков ICP модели 400А81 фирмы РСВ PIEZOTRONICS INC.
Датчики давления, вибрации и температуры подключены к многофункциональному модулю беспроводной платформы сбора и хранения данных 8 (датчик давления через блок питания и усиления сигнала), сохраняющий данные, позволяющий производить подключение по Bluetooth и GSM, в автоматическом режиме передающий данные оператору при появлении отклонений технических характеристик ЛТ (например, передающий модуль беспроводной модульной платформы сбора данных NI CompactDAQ WirelessChassis фирмы National Instruments™).
c
м
Известно, что в герметичном трубопроводе имеет место стационарный режим движения среды, который характеризуется устойчивым уровнем вибрации трубы и соответствующим составом спектра частот акустических шумов. Факторами, влияющими на характер вибраций и амплитудно-частотную характеристику такого стационарного режима, выступают изменение технологического режима движения среды, ее состава и свойств, а также непосредственно появление утечки на данном участке магистрального трубопровода. При появлении негерметичности стенки возникает упругая акустическая волна и импульс избыточного давления, которые со скоростью звука (в металле, газе, жидкости) распространяются в обе стороны от места возникновения негерметичности по металлу трубы и по среде, заполняющей трубопровод, что нарушает существующий стационарный режим. Далее, вследствие возникновения переходного процесса и по его окончании, устанавливается новый стационарный режим. При этом в новом составе спектра акустических шумов появляется высокочастотная компонента, отсутствовавшая до момента возникновения негерметичности. Таким образом, факт регистрации скачка амплитуды вибрации металла стенки трубы («толчок») и регистрации импульса давления, а также последовавшее за ними изменение спектра акустических шумов в области высокочастотной компоненты, свидетельствует о высокой степени оперативности и достоверности регистрации факта возникновения негерметичности («свища»). В момент возникновения «свища» N, в трубопроводе 1, в обе стороны от негерметичности со скоростью Vраспространяется упругая звуковая волна в среде (импульс давления), а со скоростью V - упругая звуковая волна в металле (вибрация). Скорость распространения звуковых волн в металле на порядок выше, чем в газе и жидкости. Исходя из этого первым сигналом о возникновении «возмущения» (нештатной ситуации на данном участке трубопровода) будет являться регистрация виброметрами «толчка» (резкого скачка амплитуды вибраций металла трубы). Вследствие разницы в расстоянии от негерметичности до краев линейного участка трубопровода, появится первая известная величина - разность времени появления сигнала на противоположных концах участка, что позволит оценить местоположение «возмущения». Причинами возникновения «возмущения» могут быть как появление негерметичности, так и, не обязательно сопровождающиеся разрывом, сейсмическая активность, проседание почвы, изменение технологического режима, движение наземного транспорта, и т.д. О появлении негерметичности будет свидетельствовать, по существу, только следующая за «толчком» регистрация импульса давления, который, как «спусковой крючок», запускает процесс возникновения дополнительной высокочастотной компоненты в составе акустического спектра шумов на данном участке. По совокупности этих трех факторов можно с высокой степенью оперативности и достоверности говорить о нарушении герметичности стенки магистрального трубопровода. При этом о факте возникновения негерметичности будет свидетельствовать последовательность следующих друг за другом процессов - однократного скачка амплитуды вибраций металла трубы, затем однократного возникновение импульса давления в среде, заполняющей трубопровод, с последующим появлением дополнительной высокочастотной компоненты в спектре акустических шумов. В остальных случаях следует говорить лишь о нештатной ситуации на данном участке магистрального трубопровода.
Регистрирующий блок работает следующим образом.
На исследуемый участок линейного трубопровода 1, по которому от перекачивающей станции 2 осуществляется направленное движение перекачиваемого продукта, устанавливают регистрирующий блок 3, посредством которого производится непрерывный мониторинг пульсаций давления, спектра акустических шумов и вибрации металла стенки трубы, а также измерение температуры перекачиваемого продукта. В момент появления негерметичности (Leakage, фиг. 1), в среде, заполняющей трубопровод, и в металле стенки трубы возникает импульс, распространяющийся по обе стороны от негерметичности со скоростью звука, соответствующей значению скорости звука- при конкретной температуре в конкретном веществе (металл стенки и перекачиваемый продукт). Датчик температуры 7 отслеживает значения температуры для корректировки величины скорости звука в среде, которая, как известно из результатов многочисленных экспериментальных исследований, выполненных для различных сред (графики, таблицы), является функцией температуры. Датчик вибрации 4 регистрирует возрастание амплитуды вибрации стенки трубы, датчик давления 5 регистрируют кратковременный переходный процесс, и следующее за ним изменение спектра акустических шумов внутри трубопровода. Затем сигналы от датчиков поступают на вход многофункционального модуля беспроводной платформы сбора, анализа и хранения данных 8, который в автоматическом режиме настроен на контроль технического состояния ЛТ в реальном времени, а также имеет функцию отправки уведомлений об изменении параметров по сети GSM. В данном модуле реализована возможность беспроводного подключения со смарт-планшетного компьютера оператора со специализированным ПО для настройки системы и корректировки исходных параметров исследуемого ЛТ (длина участка, толщина стенки, перекачиваемый продукт). Данное подключение осуществляется однажды при запуске системы, далее только для внесения плановых изменений значений параметров. Соответствующая архитектура модуля позволяет работать в автоматическом режиме, все уведомления отправляются оператору в фоновом режиме за исключением «опасных» по мнению системы, которые требуют незамедлительного вмешательства ремонтной бригады. Запись сигналов, обработка и частотно-временной анализ полученных данных для последующего выявления геометрических размеров и координаты местоположения негерметичности (Leakage) производится автоматически.