ПРОФИЛЕМЕР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
GEOMETRY TOOL USING OPTICAL FIBRES

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода.
Известен одноканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, (а.с. СССР SU 1768941, МПК: G01B 7/12, дата публикации 15.10.92), включающий в себя корпус для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе средства обработки, анализа и хранения данных, чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, установленных на корпусе вокруг главной оси корпуса, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода и скользящих по указанной поверхности. Рычаги кинематически связаны с двумя дисками, которые в свою очередь кинематически связаны с датчиками взаимного перемещения дисков. Отклонение любого из чувствительных рычагов приводит к изменению расстояния между дисками, которое измеряется с помощью реостатных датчиков. Измеряя расстояние между дисками, определяют наличие деформации в сечении трубопровода.
Недостатками одноканального профилемера является нестабильность показаний датчиков, т.к. в результате многократных поворотов контакты реостатных датчиков меняют свойства, особенно при использовании в агрессивной среде, и невозможность идентифицировать различие между деформацией трубы и наличием вваренного в трубу предмета, т.к. по данным о расстоянии между дисками не может быть определена ориентация дефекта в сечении трубопровода.
Известен многоканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, описанный в патенте США US 4342225, МПК: G01B 5/28, дата публикации 03.08.82, который включает в себя корпус с установленными на нем манжетами для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе средства обработки, анализа и хранения данных, чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, установленных на корпусе вокруг главной оси корпуса, каждый из которых кинематически связан с соответствующим ему резистивным датчиком угла поворота. Указанные чувствительные рычаги опираются на внутреннюю поверхность установленной на корпусе манжеты, внешняя поверхность которой прижимается к внутренней поверхности трубопровода.
Недостатками данного устройства является нестабильность показаний датчиков, т.к. каждый из чувствительных рычагов кинематически связан с соответствующим ему реостатным датчиком и в результате многократных поворотов контакты реостатов меняют свойства, особенно при использовании в агрессивной среде, и невозможность идентифицировать локальные дефекты трубы, инородные тела, т.к. хотя манжета позволяет избежать ударных нагрузок на чувствительные рычаги, однако отклонение одного из рычагов из-за наличия локального выступа на внутренней поверхности трубопровода приводит к отклонению в меньшей степени соседних рычагов из-за изгиба края манжеты.
Известен шестиканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, описанный в патенте США US 3974680, МПК: G01M 3/00, дата публикации 17.08.76, который включает в себя корпус для пропуска внутри контролируемого трубопровода. На корпусе установлены средства обработки, анализа и хранения данных. Корпус состоит из двух подвижно соединенных секций, на каждой из секций корпуса установлены по две манжеты. На второй секции в направлении от носовой части корпуса вокруг главной оси указанной секции корпуса установлены чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, чувствительных к неровностям поверхности трубы, таким как сварные швы, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода. В теле рычагов установлены магниты. На корпусе вокруг его главной оси установлено множество датчиков, чувствительных к магнитному полю вблизи рычагов, так что каждый датчик чувствителен к изменению положения соответствующего ему чувствительного рычага.
Недостатками данного устройства является невозможность выполнения корректных измерений при попадании железосодержащего мусора вместе с транспортируемой средой в пространство между магнитом и датчиком магнитного поля, т.к. описанная система характеризуется сильной нелинейностью магнитного поля в области датчика магнитного поля в зависимости от расстояния между магнитом и датчиком магнитного поля.
Известен профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов [пат. РФ №73943, кл. F17D 5/00, 2008], который включает себя корпус в виде загрузочной камеры, чувствительного средства измерения в виде инжекционного снаряда в виде упругодеформируемого поршня, и средства обработки, анализа и хранения данных, включающих в себя прибор позицирования поршня в контролируемом трубопроводе. Диагностирование сечения трубопровода выполняется путем пропуска инжекционного снаряда в трубопроводе под давлением. При движении инжекционного снаряда в контролируемом трубопроводе на местах сужений или препятствий фиксируется увеличение давления, а в местах увеличения диаметра трубопровода - падение давления. Диагностирование трубопровода выполняется путем пропуска упругодеформируемого поршня в трубопроводе под давлением, при этом работа центробежного насосного агрегата происходит с постоянным оборотом двигателя и при фиксированном положении выкидной задвижки. За счет изменения давления в большую или меньшую сторону и с привязкой этих скачков давления по длине трубопровода определяются аномалии внутреннего сечения трубопровода. Увеличение давления указывает на место сужения проходного сечения трубопровода (наличие отложений, деформация внутреннего покрытия и т.д.), а уменьшение - на увеличение диаметра трубы, отсутствие внутреннего покрытия, наличие врезок или утечек. По величине перепада давления определяются размеры аномалий.
Недостатком данного устройства является небольшая протяженность измерения, а также интегральная погрешность измерений сечения, т.к. появление в одном месте трубопровода расширения сечения может быть скомпенсировано по давлению сужением сечения в другом месте трубопровода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, принятый за прототип, описанный в патенте США US 5299359, МПК: G01B 7/12, дата публикации 05.04, который включает в себя корпус с установленными на нем манжетами для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе по его периметру вокруг главной оси трубопровода чувствительные средства измерений в виде множества чувствительных рычагов, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода и скользящих по указанной поверхности. Каждый из чувствительных рычагов кинематически связан с соответствующим ему датчиком перемещения. Сигналы с датчиков перемещения, соответствующие изменению положения чувствительных рычагов, обрабатываются средствами обработки, анализа и хранения данных, установленными в корпусе профилемера, и передаются на средства хранения данных, находящиеся вне корпуса профилемера. Датчик перемещения включает в себя активные токовые обмотки, внутри которых при повороте чувствительных рычагов перемещается ферромагнитное тело.
Недостатками многоканального профилемера является невозможность диагностики труб среднего диаметра D≤100 мм, ограниченная длина трубопроводов, которая может быть проконтролирована, и невозможность внутритрубного контроля магистральных трубопроводов, т.к. необходимо поддерживать связь профилемера со средствами хранения данных, находящимися вне корпуса профилемера, невозможность диагностики многих локальных дефектов, размер которых в плоскости сечения трубы меньше величины зазора между рычагами, т.к. зазоры между рычагами превышают ширину рычагов в месте контакта рычагов с внутренней поверхностью трубопровода в его сечении.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей.
Техническим результатом является возможность диагностики трубопроводов среднего диаметра D≤100 мм, возможность прохождения профилимером сложных трасс за счет сферической формы.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в профилемере для внутритрубного контроля трубопроводов, содержащем установленные на корпусе чувствительные средства измерения, расположенные внутри корпуса средства обработки, анализа и хранения данных, согласно изобретению чувствительные средства измерения выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из многомодовых оптических волокон, корпус выполнен в виде сферической оболочки, на упругой поверхности которой расположена широтно-долготная оптоволоконная сетка, а в расположенном внутри корпуса твердом ядре находятся средства обработки, анализа и хранения данных в виде полученных спекл-картин.
i
Корпус имеет сферическую форму и выполнен в виде твердого ядра с эластичной оболочкой с использованием чувствительных средств измерения в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки, расположенной на оболочке, с дополнительной защитой в виде «глухого» полиуретанового шара. В твердом ядре находятся источники излучения, батарея электропитания, вспомогательные световодные компоненты, фотоприемные элементы, система оптических гироскопов для позиционирования снаряда внутри трубопровода, средства обработки, анализа и хранения данных. Сферическая форма профилемера обеспечивает малую степень застревания в трубопроводе, обладает меньшим числом степеней свободы, легче преодолевает изгибы трасы и задвижки. Чувствительные средства измерения профилемера выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из не связанных оптически между собой колец из многомодовых оптических волокон, в каждом из которых используется определенная длина волны света λ. Это обеспечивает простое определение номера (номеров) колец, подвергшихся деформации. Использование оптоволокна обеспечивает компактность и пожаробезопасность профилемера.
Основными признаками, отличающими предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов от известного, является наличие чувствительных средств измерения в виде оптоволоконного сенсора в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки, позволяющего с высокой точностью выполнять диагностику трубопроводов среднего объема, а также выполнение корпуса профилемера в сферической форме, что облегчает прохождение изгибов трассы трубопроводов.
Это дает преимущество перед известными решениями в отношении повышения точности диагностики внутреннего диаметра, уменьшения габаритов профилемера, упрощения конструкции прибора и расширения области применения.
Предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопровода позволяет проводить диагностику трубопроводов, как большого диаметра с D≥1000 мм, так и среднего диаметра с D≤100 мм, обеспечивая высокую точность измерения, чем определяется его широкая промышленная применимость.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 - блок-схема профилемера для внутритрубного контроля трубопроводов; на фиг. 2 - схема широтно-долготной оптоволоконной сетки.
Устройство содержит широтно-долготную оптоволоконную сетку 1, в которую входит блок CWDM фильтров 2, выход которого соединен с входом входного сегмента 3. Входной сегмент 3, основанный на одномодовом оптическом волокне, выход которого соединен с входом оптического изолятора 4, компенсирующего отражения, оптический изолятор 4, который соединен с входом размножителя мод 5. Размножитель мод 5, выход которого соединен со входом многомодового оптического волокна 6, многомодовое оптическое волокно 6, выход которого соединено с входом селектора мод 7. Селектор мод 7, выход которого соединен со входом выходного сегмента 8, основанного на одномодовом оптическом волокне. Выходной сегмент 8, выход которого соединен с оптическим изолятором 9. Оптический изолятор 9, выход которого соединен с входом блоком фильтров 10. Блок фильтров 10, выход которого соединен со входом разветвителя 1×N 11, разветвитель 1×N 11. Лазерный источник непрерывного излучения 12, выход который соединен с входом широтно-долготный оптоволоконной сетки 1, широтно-долготная оптоволоконная сетка 1, выход которой соединен с входом фотоприемного устройства 13, фотоприемное устройство, выход которого соединен с входом блока обработки и анализа данных 14, блок обработки и анализа данных 14, с входом которого также соединен гироскопический 2D-сенсор 15 и выход которого соединен с блоком хранения данных 16, блок хранения данных 16, выход которого соединен с устройством для Bluetooth-связи 17, защитная оболочка твердого ядра 18, мягкая буферная оболочка 19, защитная полиуретановая оболочка 20.
Устройство работает следующим образом. В процессе прохождения по трубе шар наталкивается на парафиновые и другие наросты, размер и местоположение которых необходимо зафиксировать. При воздействии наростов на защитную полиуретановую оболочку 14 происходит прогиб мягкой буферной оболочки 13 и широтно-долготной оптоволоконной чувствительной сетки 10, состоящей из множества оптоволоконный колец, что приводит к изменению характера оптических сигналов, поступающих в электронную часть профилемера. Изменения записываются в оцифрованном виде с помощью устройства для записи на карту памяти 17 и далее могут быть переданы на станцию с помощью устройства для Bluetooth-связи 18. Переворот/разворот шара фиксирует, т.е. констатирует неизменность ориентации «верх»-«низ» и «право»-«лево» относительно трубы, кроме волоконно-оптических элементов, чувствительных к прогибу, гироскопический 2D-сенсор 11.
Оптоволоконные кольца на поверхности шара расположены равномерно, и прогиб его оболочки приводит к смещению спекл-картины не менее чем в двух кольцах - одном горизонтальном и одном вертикальном. С учетом того, что такое смещение происходит в любом сечении MMF, в том числе и в области селекторов мод 5, на выходе колец 6 происходит изменение мощности. Оптические выходы всех колец объединены через разветвитель 1×N 19 и подключены на вход фотоприемного устройства 15, что позволяет легко определить - по значению длины волны - в каком кольце и на какую величину произошло изменение сигнала.
Чувствительность сенсора зависит от количества темных и светлых пятен спекл-картины - т.е. от ее подробности, а последняя напрямую связана с количеством возбужденных мод в MMF. Из-за того, что большинство распространенных источников света являются маломодовыми, используется размножитель мод 3.
i
Источник света L 7 являлся широкополосным, излучающим в C+L WDM-диапазоне (от 1528 до 1626 нм). Для получения волновых каналов λ используется блок CWDM фильтров 20, вырезающий диапазоны приблизительно по 4,8 нм.
Для выполнения функции селектора мод 5 применяется Y-разветвитель 1×2, выходной сегмент 6 которого является одномодовым оптическим волокном. Ввиду различия диаметров сердцевин MMF и SMF, на площадь торца SMF поступает только часть спекл-картины, что и приводит к выбору соответствующей части передаваемой оптической мощности.
По отношению к аналогам, предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопровода позволяет с высокой точностью осуществлять измерение диаметра нефте- и газотрубопроводов. Точность измерения обеспечивается чувствительной широтно-долготной оптоволоконной сеткой, реагирующей на давление. Посредством измерения этих изменений происходит фиксация деформации профилемера, а соответственно, наростов на стенах нефте- и газопроводов.
По отношению к прототипу и аналогам предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов позволяет обеспечить возможность диагностики трасс диаметром D≤100 мм за счет сферической формы. Таким образом, предложенный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов позволяет устранить недостаток современных профилемеров, связанный с невозможностью диагностики труб малого диаметра.