СПОСОБ ЭКСТРЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
METHOD FOR EMERGENCY DIAGNOSTICS OF TRUNK PIPELINE

Изобретение относится к области измерений, а более конкретно к способам экстренной диагностики трубопроводов высокого давления, преимущественно, проложенных по дну водоемов.
Известен способ обнаружения утечек в трубопроводе [1], в котором для обнаружения утечек используют прибор наблюдения, выполненный в виде оптико-гидроскопического блока, соединенного с тепловизионным и телевизионным каналами обработки. При этом прибор наблюдения выполнен двухканальным и состоит из оптико-гироскописческого блока, содержащего блок силовых и измерительных катушек, внутри которого размещены карданов подвес и установленные вдоль одной оптической оси, соосной с осью карданова подвеса, призма БР-180, малая корригирующая линза, пластина и двухспектральное фотоприемное устройство, подсоединенное к усилителю, а также большая корригирующая линза и рефлектор, являющийся зеркалом магнитом, при этом призма БР-180 и малая корригирующая линза закреплены на внешнем кольце карданова подвеса, на котором также установлены большая корригирующая линза и рефлектор, а пластина и фотоприемное устройство с усилителем закреплены во внутреннем кольце карданова подвеса, причем в опоре гироскопа установлен микрохолодильник.
Комплексирование оптико-гироскопического канала с тепловизионным и телевизионным каналами, основанными на разных физических принципах, повышает эффективность обнаружения утечек локальных трубопроводов преимущественно с внешней стороны трубопровода при транспортировке продукта в виде жидкой массы, однако, использование данного способа ограничено из-за необходимости учета влияния внешних факторов, которое может быть существенным, особенно для трубопроводов, расположенных на дне водоемов с неблагоприятными физико-географическими и гидрологическими условиями.
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 [2].
Данный способ имеет ограниченное применение т.к. его 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.
Известен также способ контроля магистрального трубопровода посредством обнаружения с вертолета облака метана над трубопроводом с использованием лазерного локатора, сканирующим атмосферу вдоль газопровода тремя разностными лучами [3].
Данный способ имеет ограничения по использованию, обусловленные благоприятными погодными условиями для выполнения полетов.
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 [4].
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 [5]. 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 [6], которые при сравнительно низкой производительности и эффективности являются трудоемкими и дорогостоящими операциями и практически не являются средствами 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 [7].
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 [8]. 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, 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 [9]:
где T - 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
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. Последняя 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 сигналам 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.
Задачей заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей способа экстренной диагностики трубопроводов высокого давления, размещенных преимущественно на дне водоемов.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе экстренной диагностики трубопроводов высокого давления, заключающемся в измерении физических величин несколькими датчиками, расположенными по всей длине трубопровода, о состоянии изделия судят по результатам сравнения измеренных физических величин с полученными для стационарных условий в течение некоторого интервала времени, согласно изобретению 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, размещенных 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, 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 измеряется 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 заявляемом техническом решении посредством 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.
Новым в заявляемом техническом решении является измерение конкретных физических величин, таких как линейное смещение, угловая скорость, частота и амплитуда вибрации на стыковых участках трубопровода, определение планово-высотных и географических координат посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода и с внешней стороны с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря; при установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами; n-датчиков, размещенных внутри трубопровода перемещаются в потоке транспортируемого продукта; n-датчиков перемещаются в транспортируемом продукте со скоростью, равной скорости потока или менее скорости 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 в процессе непрерывной обработки и циклами 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, посредством которых дополнительно регистрируют сигналы искусственных аномалий в водной среде и акустического импеданса донных слоев. Определение эталонных параметров выполняют с учетом корректирующих сигналов, обусловленных влиянием литодинамических процессов, придонных течений, волнения и ледовых нагрузок в прибрежной зоне.
Совокупность новых признаков заявляемого технического решения из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
По длине магистрального трубопровода высокого давления на стыковых участках устанавливают датчики, 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 береговой станцией (станциями) волоконно-оптическим кабелем.
Посредством датчиков 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 [11], 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 береговой станции.
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 [12], 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 береговой станции.
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 системой, 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 этого размещают датчики с внешней стороны трубопровода в точках наблюдения, расположенных на разных уровнях в горизонтальной и вертикальной плоскостях внешней среды стационарно и на подвижных морских объектах. Датчики, устанавливаемые стационарно, представляют собой устройство, состоящее из герметического корпуса, внутри которого размещены блок определения ориентации датчика, включающий измерители углов наклона и азимута; блок акселерометров для измерения компонент волнового поля; блок гидроакустических датчиков давления; блок гидроакустической связи; блок синхронизации; блок питания. На внешней поверхности корпуса размещена гидроакустическая антенна и узел крепления датчика к морскому дну. Датчики размещаются вдоль трассы по обе стороны трубопровода на определенных расстояниях параллельно и перпендикулярно оси трубопровода. Аналогично располагаются и датчики, размещенные на поверхности моря, представляющие собой дрифтеры, которые дополнительно снабжены антенной и блоком связи со спутниковым навигационным аппаратом.
Посредством этих датчиков 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 (см. например: 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 (см. например: Ильичев В.И. Исследование поля акустического шума океана векторно-фазовыми методами // Акустика океанской среды).
Датчики, размещаемые на подвижных морских объектах (суда, управляемые подводные аппараты), представляют собой многолучевой эхолот для съемки рельефа дна, гидролокатор бокового обзора, гидроакустический профилограф дна, сканирующий гидролокатор, модуль обнаружения и индентификации искусственных акустических аномалий в водной среде путем измерения скорости звука, плотности и акустического импеданса в диапазоне глубин от 0,5 до 250 м. Модуль обнаружения и индентификации искусственных аномалий может быть также размещен на дрифтерах.
Измерение посредством датчиков в том или ином сочетании выполняют с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря.
Измеренные посредством датчиков физические величины, характеризующие технико-эксплуатационное состояние трубопровода, внешней среды, по линиям связи поступают на модуль апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенный на береговой станции, 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.
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".
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2081369.
2. Патент РФ №2040783.
3. Патент РФ №2108597.
4. Патент РФ №2076989.
5. Сайт DIAPAC KORAL. htm.
6. Проспект завода "Марион", Л., 1990 г.
7. Заявка на выдачу патента РФ №93005061 от 18.03.93, G01B 7/16, PCT/US 91/06757 от 18.09.91.
8. Авторское свидетельство №1227904.
9. Патент РФ №2079829.
10. Патент РФ №2076445.
11. Патент РФ №2076989.
12. Патент РФ №2133209.