УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ТЕЧИ ПРОДУКТА ИЗ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к технике контроля технического состояния трубопроводных систем в напорных нефте-газопроводах, в частности в морских подводных трубопроводах и в дюкерах.
Одним из первых приборов по обработке сигналов акустических шумов течи продукта из трубопровода, является прибор DF-02 французской фирмы Metravib. Это устройство было создано в 1978 г. Другими фирмами в нашей стране и за рубежом созданы аналогичные приборы, но алгоритм обработки информации и основные технические характеристики, заложенные в прибор DF-02 и сегодня являются основой для новых разработок. Отечественный аналог ТАК-01 был создан в СССР в конце 80-х г.г. В новых конструкциях течеискателей функции вычислительного устройства выполняет микро-ЭВМ.
Известно устройство определения места течи из трубопровода как источника акустического излучения из патента США №4858462. Это устройство содержит два разнесенных акустических датчика, два блока усиления и фильтрации, два аналого-цифровых преобразователя и компьютер со средствами отображения.
Недостатком устройства является трудоемкая процедура размещения акустических датчиков вдоль трубопровода, в особенности на больших глубинах (более 50-100 м). Поэтому оказывается необходимым максимально разносить датчики (приемные каналы), что ведет к малым отношениям сигнал/помеха и, соответственно, низкой помехоустойчивости течеискателя. Недостатком также является контактная по металлу трубы постановка датчиков, т.е. использование канала распространения акустического сигнала по металлу трубы, что связано с большим погонным затуханием акустической энергии сигнала течи, его неустойчивостью и отсюда сравнительно небольшими расстояниями между датчиками (до 100-200 м), пониженной вероятностью правильного обнаружения и повышенной вероятностью ложных тревог.
Указанный недостаток устраняется посредством размещения акустических датчиков (приемных каналов) в воде вблизи трубопровода. В этом случае используется водный канал распространения акустического сигнала шумоизлучения струи (RU, №2001125842/28, Кл. G01M 3/24; F17D 5/02, 2003 г).
Известен акустический контактный определитель мест утечки в трубопроводах «Онега-1 Г» (Журнал «Инновации», №1 (58), февраль 2003, с.94). Устройство содержит два разнесенных акустических датчика с блоками предварительной обработки, обеспечивающими усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигнала, а также компьютер со средствами отображения, обеспечивающий определение взаимной корреляционной функции и расчет местоположения утечки на трубопроводе.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности, является устройство определения местоположения течи продукта из подводных трубопроводов (RU №40474, Кл. G01M 3/24, 2004 г). Известное устройство содержит два приемных акустических канала сигнала течи, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя акустических сигналов в электрические, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя с автоматической регулировкой усиления и аналого-цифрового преобразователя, а также последовательно соединенных вычислителя взаимной корреляционной функции, решающего устройства и индикатора. При этом приемные акустические каналы расположены на полюсах носителя в виде буксируемого шланга, а сам шланг кабель-тросом соединен с расположенным на борту судна-буксира токоприемником, выход которого подключен на вход вычислителя взаимной корреляционной функции. Устройство также оснащено системой ориентации (слежения) буксируемого шланга с автономным блоком управления, содержащей устройство постановки и выборки, заглубитель и подруливающее устройство, синхровходы и синхровыходы которых соединены с соответствующими входами и выходами автономного блока управления. Синхровходы и синхровыходы блока управления устройством в целом соответствующими входами и выходами соединяются с решающим устройством, системой ориентации и автономным блоком управления положением буксируемого шланга.
Изменяя время задержки сигнала, находят максимум взаимной корреляционной функции и по данным системы позиционирования судна-буксира и трубопровода, скорости распространения акустического сигнала в воде, скорости буксировки шланга с акустическими приемниками и длины базы между приемными каналами определяют местоположение течи на трубопроводе.
Недостатком известного устройства является необходимость использования судна для буксировки шланга вдоль всего обследуемого участка подводного трубопровода, что существенно ограничивает возможность его использования в зимний период, в частности в водах Арктики, а также использования географических координат для фиксирования местоположения течи на подводном трубопроводе.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности эксплуатации устройства в зимний период и в условиях Арктики.
Техническим результатом является повышения точности определения местоположения течи на трубопроводе в подводных условиях.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что устройство определения местоположения течи продукта из подводных трубопроводов содержит блок системы слежения с синхровходами и синхровыходами, блок управления и два приемных акустических канала сигнала течи, расположенных на полюсах носителя, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя акустических сигналов в электрические, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя с автоматической регулировкой усиления и аналого-цифрового преобразователя при этом приемные акустические каналы последовательно соединены с вычислителем взаимной корреляционной функции, решающим устройством и индикатором. Согласно полезной модели устройство дополнительно снабжено отражателями, жестко закрепленными на трубопроводе, блоком вычисления расстояний, панорамным эхолотом и последовательно соединенным с ним пороговым устройством, при этом выходы приемных акустических каналов соединены с первым и вторым входами вычислителя взаимной корреляционной функции, информационные выходы порогового устройства и решающего устройства соединены с информационными входами блока управления, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входом панорамного эхолота, а второй управляющий выход - с управляющим входом блока системы слежения, информационный выход блока системы слежения соединен с третьим информационным входом блока управления, управляющий вход и информационный выход блока вычисления расстояния присоединены к соответствующим третьему управляющему выходу и четвертому информационному входу блока управления, причем синхровходы и синхровыходы блока системы слежения соединены с соответствующими входами и выходами блока вычисления расстояния, третий выход которого соединен с индикатором, кроме того, носитель приема акустических сигналов выполнен в виде подводного аппарата. При этом отражатели могут быть выполнены в виде набора уголковых отражателей, каждый из которых снабжен тремя взаимно-перпендикулярными плоскими гранями и расположены на верхней полусфере трубопровода на расстоянии друг от друга, обеспечивающим исключение ошибки обсервации определения его номера и точности определения положения от пройденного подводным аппаратом расстояния вдоль оси трубопровода и местоположения течи до отражателя. Целесообразно отражатели располагать на трубопроводе на расстоянии от 21 до 1000 м друг от друга. Блок системы слежения включает телевизионную систему с распознаванием объектов, магнитометрические датчики и электромагнитные устройства, акустический профилограф и секторный гидролокатор, а блок вычисления расстояния выполнен с возможностью коррекции доплеровским лагом.
Введение в устройство определения местоположения течи продукта из подводных трубопроводов дополнительно отражателей, жестко закрепленными на трубопроводе, блока вычисления расстояний, панорамного эхолота и последовательно соединенным с ним порогового устройства позволяет производить линейную (пикетажную) привязку местоположения утечки к соответствующим координатам трубопровода (отражателям) что в свою очередь обеспечивает использование устройства без высокоточных систем позиционирования носителя и судна, а также использования устройства в подледных условиях. Точность позиционирования места спуска аппарата в географических координатах в худшем случае (при совместном использовании ГЛОНАСС/GPS/Galileo) составляет 7 метров. Накопленная погрешность счисления расстояния, пройденного аппаратом составляет 4 м на 500 м пути. Таким образом, отражатели целесообразно ставить друг от друга на расстоянии от 21 до 1000 м. При этом, уменьшать расстояние меньше 21 м - нецелесообразно из-за необоснованно большого количества отражателей, а увеличение расстояния больше 1000 м увеличит погрешность определения места течи из трубопровода.
Использования в качестве носителя подводного аппарата, также обеспечивает возможность эксплуатации устройства в любое время года, в том числе и в зимний период, в подледных условиях. Заявленное расположение и связи блоков устройства обеспечивают надежную работу устройства, повышение точности месторасположения течи продуктов из подводных трубопроводов, исключение ошибки обсервации и точность определения расстояния подводного аппарата вдоль оси трубопровода. Блок системы слежения использует различные средства слежения для возможных вариантов положения трубопровода относительно грунта. Так если трубопровод лежит на грунте используют телевизионную систему и секторный гидролокатор, а если трубопровод находится под грунтом - магнитометрические датчики и электромагнитные устройства, акустический профилограф.
Целесообразность выполнение отражателя в виде набора уголковых отражателей с тремя взаимно-перпендикулярными плоскими гранями каждый обосновывается тем, что любой луч, пришедший к трубопроводу с верхней полусферы, отразившись от трех взаимно-перпендикулярных граней отразится от последней в направлении обратном направлению падения [Ю.Г.Степанов. Противорадиолокационная маскировка. Уголковые отражатели. - М.: Сов.радио, 1968. - с.97-115]. Таким образом, действия уголкового отражателя эквивалентно действию плоскости перпендикулярной направлению прихода луча. Поэтому уголковый отражатель отражает обратно к излучателю значительно большой процент энергии, чем любое другое тело тех же размеров, в том числе и труба трубопровода (под ред. В.И.Мясищева Физические основы подводной акустики - М.: Сов.радио 1956. - с.138).
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схематическое изображение одиночного уголкового отражателя; на фиг.3 - схема определения места утечки из трубопровода.
Устройство определения местоположения течи продукта из подводных трубопроводов содержит два приемных акустических канала 1 и 2 сигнала течи, расположенных на полюсах носителя и выполненный в виде подводного аппарата 3. Каждый из каналов 1 и 2 состоит из последовательно соединенных преобразователя 4 акустических сигналов в электрические, предварительного усилителя 5, фильтра 6, основного усилителя 7 с автоматической регулировкой усиления и аналого-цифрового преобразователя 8. Приемные акустические каналы 1 и 2 последовательно соединены с вычислителем 9 взаимной корреляционной функции, решающим устройством 10 и индикатором 11. Устройство также содержит блок системы 12 слежения с синхровходами и синхровыходами (на фиг. не показано), блок управления 13, блок 14 вычисления расстояний, выполненный с возможностью коррекции доплеровским лагом, панорамный эхолот 15 и последовательно соединенный с ним пороговое устройство 16. Для обеспечения необходимой точности определения положения местоположения течи на трубопроводе (на фиг. не показано) жестко закреплены уголковые отражатели 17, каждый из которых снабжен тремя взаимно-перпендикулярными плоскими гранями (фиг.2.). Отражатели 17 расположены на верхней полусфере трубопровода на расстоянии друг от друга, обеспечивающим исключение ошибки обсервации определения номера отражателя 17 и точности определения его положения от пройденного подводным аппаратом 3 расстояния вдоль оси трубопровода и местоположения течи до отражателя 17. Выходы приемных акустических каналов 1 и 2 соединены с первым и вторым входами вычислителя 9 взаимной корреляционной функции. Информационные выходы порогового устройства 16 и решающего устройства 10 соединены с информационными входами блока 13 управления, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входом панорамного эхолота 15, а второй управляющий выход - с управляющим входом блока системы 12 слежения. Информационный выход системы 12 слежения соединен с третьим информационным входом блока 13 управления. Управляющий вход и информационный выход блока 14 вычисления расстояния присоединены к соответствующим третьему управляющему выходу и четвертому информационному входу блока 13 управления. Синхровходы и синхровыходы блока системы 12 слежения соединены с соответствующими входами и выходами блока 14 вычисления расстояния, третий выход которого соединен с индикатором 11. Отражатели 17 акустически через водную среду связаны с панорамным эхолотом 15. Блок системы слежения 12 включает телевизионную систему с распознаванием объектов, магнитометрические датчики и электромагнитные устройства, акустический профилограф и секторный гидролокатор (на фиг. не показано).
Устройство определения местоположения течи продукта из подводных трубопроводов работает следующим образом. Подводный аппарат 3, используя блок системы слежения 12, обеспечивает буксировку акустических каналов 1 и 2 над трубопроводом на горизонте с глубиной места, например, 10-30 м от планового положения трубопровода. Приемные каналы 1 и 2 акустического приемника измеряют акустические сигналы в диапазоне частот шума струи. Блок управления 13 получает сигнал о моменте прохода подводного аппарата 3 над местом утечки продукта из трубопровода от решающего устройства 10 и запускает блок 14 вычисления расстояния. Одновременно с этим начинает работать в режиме излучения и приема сигнала панорамный эхолот 15. Подводный трубопровод обладает низкой отражательной способность, поэтому на его верхнюю полусферу устанавливают отражатели 17, которые повышают отражательную способность и играют роль пикетажных отметок на трубопроводе.
При размещении приемных акустических каналов 1 и 2 на подводном аппарате 3, их разносят друг от друга максимум на 2 метра. При прохождении аппарата 3 над местом утечки продукта из трубопровода, время задержки равно 0. Точно зафиксируют положение аппарата 3 над утечкой, а затем, используя блок 14 вычисления расстояния, фиксируют номер отражателя 17 и расстояние от отражателя 17 до утечки.
В вычислителе 9 взаимной корреляционной функции вычисляется взаимный спектр
,где:
1
2
r и r - соответственно, расстояние от места повреждения трубопровода до первого и второго акустических каналов;
d - расстояние вдоль трубопровода между акустическими каналами;
Ò
t - временная задержка между сигналами от течи, принятыми акустическими каналами;
È
t - временная задержка, искусственно вводимая с помощью алгоритма временной задержки;
Ò
G(f) - энергетический спектр сигнала течи в трубопроводе;
È
G(f) - энергетический спектр мешающего сигнала;
R - расстояние от источника мешающего сигнала, например, судна;
k - волновое число, , c - скорость звука в воде;
θ - угол между перпендикуляром к базе d в ее середине и направлением на источник мешающего сигнала.
Время задержки сигнала определяют как
, где:
1,2
1,2
где Im[G(f)], Re[G(f)] - символы мнимой и действительной части взаимного спектра.
Ò
1,2
1,2
T
T
Ò
Величина задержки t может определяться и по другому, например, путем выделения только мнимой составляющей взаимного спектра Im[G(f)]. Для этого находят частоты нулевых значений Im[G(f)]=G(f)·sin2·π·f·(t) и определяют t как , i=1, 2,…
Во время прохождения подводного аппарата 3 над местом утечки, временная задержка между сигналами от течи принимает нулевое значение, решающее устройство 10 передает сигнал блоку 13 управления.
После обнаружения места утечки производят вычисление пройденного расстояния с помощью блока 14 до следующего отражателя 17, обнаружение которого осуществляет панорамный эхолот 15. Тем самым фиксируется номер отражателя 17 и пройденное подводным аппаратом 3 расстояние вдоль оси трубопровода между местоположением течи и отражателем 17.
Шумы подводного аппарата 3 и судов, проходящих вблизи подводных трубопроводов или пересекающих их, могут явиться причиной ложных тревог, а также маскировать шум течи.
Для пространственной режекции подводного шума мешающего судоходства могут быть применены специальные виды обработки сигнала и помех, например, формироваться взаимный спектр между сигналами с двух гидроакустических каналов приемника, что позволит организовать автосопровождение этого подводного шума. При этом выделяют действительную часть взаимного спектра (коспектр) и мнимую часть взаимного спектра (квадратурный спектр). При автосопровождении максимум коспектра в пространстве нацелен на мешающий шум, а квадратурный спектр в этом направлении равен нулю. Поэтому сигнал от течи, расположенной на трубопроводе, принимается без помехи по квадратурному спектру.
Выделяя действительную (коспектр) и мнимую (квадратурный спектр) части взаимного спектра, вводят временную задержку такую, чтобы максимум характеристики направленности коспектра был ориентирован на источник мешающего шума, при этом характеристика направленности квадратурного спектра в этом направлении имеет нулевое значение на всех частотах. Изменяя искусственно вводимую временную задержку, осуществляют автосопровождение источника мешающего сигнала. Далее анализируют квадратурный спектр сигналов в высокочастотной части, не содержащей мешающего сигнала; определяют по осцилляциям этого квадратурного спектра суммарную временную задержку от шума.
Низкочастотные сигналы ограничивают частотой меньшей, чем
MAX
где V - скорость вырывающейся из трубопровода струи; D - максимальный эквивалентный диаметр повреждения, при превышении которого прекращают эксплуатацию.
Высокочастотные сигналы ограничивают диапазоном частот от  до
Í
Это обусловлено тем, что максимум шума струи наблюдается при , на частоте f он меньше на 12 дБ (А.Г.Монин, М.А.Щепочкин. Спектр звуковой мощности до звуковой струи. - Акустический журнал, том XVIII, вып.2, 1972, - с.282-299).
В блоке решающего устройства 10 обеспечивается автосопровождение спектра источника мешающего сигнала при этом сигнал струи, вытекающей из трубопровода, в значительной степени отфильтрован.
Это автосопровождение основано на том, что на всех частотах коспектр
0
имеет максимум при θ-θ=0, а квадратурный спектр ,
0
ÍÑ
Í
ÍÑ
È
при θ-θ=0 равен нулю на всех частотах f. При этом обычно интегрируют сигнал в диапазоне частот от f, до f. Блоке решающего устройства 10 управляет величиной времени задержки t.
Наличие источника мешающего сигнала и его перемещения отображаются на индикаторе 11 оператора.
0
Далее идет анализ квадратурного спектра при θ-θ=0, то есть
V при выделении высокочастотных составляющих от  до
Ò
Ò
Ò
È
Если G(f)=0 на частотах этого высокочастотного диапазона, сигнал тревоги не подается. Если G(f)≠0, то осцилляциями синуса на одной из у частот, обычно, на частоте , или на нескольких частотах определяют значение суммарной задержки t+t.
Ò
Результаты определения t подаются на индикатор 11 течи. Таким образом, обеспечивается режекция мешающего сигнала и определяется положение места течи на трубопроводе.
Уголковый отражатель изготовляют из листов нержавеющей стали с толщиной пластин , м.
Ò.ï.
Площадь апертуры уголкового отражателя S - выбирается из соотношения , где:
с - скорость звука в среде;
f - рабочая частота панорамного эхолокатора;
r - наибольшая глубина залегания трубопровода относительно гидроакустической антенны панорамного эхолокатора, β - затухание звука в среде;
ý,ïîÒ
J - пороговая интенсивность эхосигнала используемого панорамным эхолокатором, при котором обеспечивается заданная вероятность обнаружения и точность определения места;
à
P - акустическая мощность, излучаемая панорамным эхолокатором 15;
S - площадь апертуры гидроакустической антенны панорамного эхолокатора 15.
В блоке системы 12 слежения могут быть использованы несколько устройств: телевизионная система с распознаванием объектов, магнитометрические датчики и электромагнитные устройства, акустический профилограф и гидролокатор секторного обзора [Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии. - М.: Наука, 2005. - 398 с.].
Блок 14 вычисления расстояния использует данные инерциальной навигационной системы подводного аппарата 3, корректируемая доплеровским лагом и обеспечивает точное счисление расстояние движения подводного аппарата 3.
Все блоки устройства известны из практики гидроакустики, подводной робототехники и навигации подводных аппаратов.
Полезная модель в настоящее время находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.