СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING BREAKDOWN PARAMETRES OF MAIN GAS PIPELINES AND SYSTEM FOR REALISING SAID METHOD

Предлагаемое к патентованию изобретение относится к измерительной технике и предназначено, главным образом, для измерения скорости распространения фронта трещины в магистральном газопроводе при его испытании на протяженное разрушение.
Известен способ дефектоскопии магистрального газопровода при помощи магнитного дефектоскопа, который помещают внутрь газопровода, после чего создают перепад давлений до дефектоскопа и после него (см. заявку RU №2004125461/28, 2006). Данный способ не пригоден для измерения скорости распространения трещины. Известно также устройство для определения скорости автомобиля, содержащее чувствительные к давлению колес автомобиля детекторные кабели, которые укладывают на дорогу поперек направления движения автомобиля (см. патент RU №2025735, 1994). При движении автомобиля его колеса поочередно переезжают через кабели, которые связаны с регистрирующими приборами. Зная расстояние между колесами автомобиля и интервал времени между сигналами от соответствующих кабелей, можно вычислить скорость автомобиля. Указанное устройство не пригодно для измерения параметров разрушения газопроводов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является, на наш взгляд, изобретение «Способ контроля удаленных датчиков и устройство для его осуществления», применяемое в шахтном оборудовании для управления конвейером (см. патент RU №20012062, МПК G08C 19/16, 1994 - прототип). При помощи описанного в прототипе способа передают по двухпроводной линии связи к датчикам переменное питающее напряжение, которое пропускают через выпрямительные диоды на датчиках. Из полученных от датчиков однополупериодных импульсов формируют при помощи специального блока импульсы с постоянной амплитудой, причем длительность импульса соответствует состоянию датчика (длинный - включен, короткий - выключен). Для опроса датчиков генерируют синхронизированный эталонный импульс промежуточной длительности и вычитают его из импульса от датчика. Результирующий сигнал подают на табло. В зависимости от полярности результирующего сигнала (плюс или минус) на табло появляется информация «Датчик включен» или «Датчик выключен».
Указанное в качестве прототипа устройство содержит набор датчиков, установленных на конвейере, и двухпроводную линию связи, подключенную к источнику переменного напряжения. К первому проводу линии каждый датчик подключен через нормально замкнутый контакт. Ко второму проводу линии датчик подключен через выпрямительный диод, соединенный с линией через блок формирования длительности импульсов, который соединен с вычислительным устройством (микроЭВМ), связанным с блоком контроля, выход которого соединен с информационным табло.
К недостаткам прототипа (способа и устройства) следует отнести его сложность и инерционность, обусловленную невысоким быстродействием механического контакта в составе датчика. Проблема в том, что при испытании магистрального газопровода на протяженное разрушение трещина в его стенке распространяется со скоростью взрывной волны. Для регистрации параметров столь быстротекущего процесса требуется более высокое быстродействие. Кроме того, из-за отсутствия идентификации датчиков затруднен поиск неисправных датчиков. Возможности контрольной системы, указанной в качестве прототипа, не отвечают перечисленным выше требованиям, необходимым при испытаниях магистральных газопроводов.
Технической задачей является упрощение способа измерения параметров разрушения магистрального газопровода, повышение быстродействия и удобства обслуживания комплекса для осуществления способа.
Технический результат (как способ) достигается тем, что в способе измерения параметров разрушения магистральных газопроводов, конкретно скорости распространения трещины в стенке газопровода, в котором передают от источника питания по линии связи к набору параллельно соединенных датчиков питающее напряжение, формируют для датчиков импульсы тока, которые пропускают через датчики в линию связи, производят над импульсами тока от датчиков арифметические операции, результирующие импульсы подают в устройство отображения информации, применяют набор нумерованных датчиков, причем датчики выполняют в виде петли провода из легко разрываемого материала, которую закрепляют на испытуемой трубе перпендикулярно ее оси, в качестве источника питания применяют источник постоянного напряжения, которое преобразуют в переменное по направлению напряжение с постоянной амплитудой, при этом переключение направления напряжения используют для синхронизации импульсов тока от датчиков, которые формируют одинаковыми по величине и с длительностью, равной частному от деления длины полупериода питающего напряжения на число датчиков, причем в течение одного полупериода напряжения формируют один импульс тока для датчика с задержкой времени, пропорциональной порядковому номеру датчика, суммируют в линии импульсы тока от датчиков, а суммарный токовый импульс отображают графически на дисплее персонального компьютера.
Технический результат (как устройство) достигается тем, что в комплексе для осуществления способа измерения скорости распространения трещины в стенке магистрального газопровода при его испытании на протяженное разрушение, содержащем источник питания, линию связи, набор датчиков, параллельно подключенных к линии связи, блок формирования импульсов для датчиков, блок регистрации импульсов от датчиков и устройство отображения информации, источник питания выполнен в виде источника постоянного напряжения, связанного с модулятором напряжения для формирования переменного по направлению напряжения с постоянной амплитудой, выход которого соединен с линией связи, каждый датчик выполнен в виде петли провода из легко разрываемого материала для закрепления на испытуемой трубе, при этом один конец датчика соединен с линией связи, а другой конец провода присоединен к электронной плате, содержащей ячейку памяти для занесения индивидуального номера датчика, стабилизатор напряжения, токовый ключ и формирователь импульсов тока с постоянной амплитудой и длительностью для подачи импульсов, с задержкой времени, пропорциональной номеру датчика, через указанный датчик в линию связи, при этом блок регистрации импульсов тока содержит датчик тока, связанный с приемником для суммирования импульсов тока, который соединен с персональным компьютером, оборудованным дисплеем.
Сущность способа измерения поясняется чертежами фиг.1-3, на которых изображены диаграммы, касающиеся работы комплекса. На фиг.1 показана диаграмма напряжения питания; фиг.2 - процесс формирования в линии связи импульсов тока от датчиков в порядке их нумерации; фиг.3 - суммарный ток в линии при обрыве 1-го датчика (диаграмма 3.1) и при обрыве 1-го и 2-го датчиков (диаграмма 3.2).
Устройство измерительного комплекса поясняется его структурной схемой, показанной на фиг.4. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - источник постоянного напряжения (ИП), 2 - модулятор напряжения мостового типа (М) с генератором 3 (Г), 4 - схема защиты линии от перенапряжения (СЗ), 5 - схема платы разрывного датчика 6 (РД), 7 - датчик тока (ДТ), 8 - приемник импульсов датчиков (ПР), 9 - устройство отображения информации (УО), 10 - интерфейс связи с процессором сбора данных (И), 11 - двухпроводная симметричная линия связи. Плата 5 содержит стабилизатор питания 12, формирователь 13 импульса тока с заданной задержкой, токовый ключ 14. Принципиальная схема комплекса может быть составлена с использованием различных по сложности и стоимости конкретных электронных приборов и элементов, выбор которых зависит от возможностей изготовителя (не показано).
Сущность предлагаемого способа заключается в суммировании формируемых с изменяющейся по времени задержкой импульсов тока от датчиков, закрепленных на разрушаемой трубе в порядке возрастания их номеров, и выведении на интерфейс суммарного сигнала в виде диаграммы, при этом появление на диаграмме «провальной» ступеньки указывает на обрыв датчика в момент прохождения под ним фронта трещины. Для осуществления способа предварительно устраивают испытательный полигон, на котором по известной методике подготавливают к натурным испытаниям на протяженное разрушение плеть магистральных труб (см. например, Анучкин М.П. и др. Трубы для магистральных трубопроводов, М., «Недра», 1986, с.48-49), на испытуемых трубах закрепляют петли провода разрывных датчиков 6. Один конец петли соединяют с клеммой на плате 5, другой - к одной из жил линии 11. Другую клемму платы 5 подключают к другой жиле линии 11. На безопасном удалении от плети труб устанавливают источник стабилизированного питания 1 (24 В), к которому присоединяют модулятор 2 с генератором 3 и схему защиты 4. Перечисленные приборы присоединяют к линии 13 вместе с датчиком тока 7 и приемником импульсов 8, соединенным с устройством отображения информации 9, связанным с интерфейсом 10, который соединен с персональным компьютером (не показан).
Для подготовки комплекса к измерениям включают источник питания 1. Модулятор 2 переключает с частотой 500 Гц полярность напряжения от источника 1, которое на выходе модулятора имеет вид, показанный на фиг.1. Таким образом, переменное по направлению и постоянное по амплитуде напряжение питания поступает через линию связи 11 на платы 5. Формирователь 13 выдает импульс тока с задержкой времени, которая для данного датчика равна частному от деления полупериода напряжения питания на число датчиков, умноженному на номер датчика (см. фиг.2). В конкретном примере число датчиков N=41 для половины плети труб. Импульс тока проходит через разрывной провод 6 и поступает в линию 11. При этом в течение полупериода питающего напряжения (1 мс) в линии 11 формируется последовательность из N импульсов тока одинаковой амплитуды и длительности. Указанные импульсы обнаруживает датчик тока 7 и передает в приемник 8. Приемник суммирует импульсы и передает их в устройство 9 и интерфейс 10. Если все петли 6 исправны, то диаграмма суммарного тока в линии 11 на дисплее имеет вид, аналогичный диаграмме напряжения на фиг.1. Если же один или несколько датчиков имеют обрыв, то на соответствующих участках диаграммы суммарного тока появятся провалы. Благодаря дисплею неисправные датчики легко обнаружить и заменить.
При испытании газопровода на протяженное разрушение в центре плети труб известным способом инициируют появление трещины, которая быстро распространяется к концам плети. При этом фронт трещины последовательно разрывает петли датчиков 6 в порядке возрастания их номеров от центра плети. После обрыва первого датчика 6 исчезает первый импульс тока в линии 11. Тогда на соответствующем участке суммарной диаграммы появляется провал, как показано на диаграмме 3.1 (фиг.3). После обрыва второго датчика исчезают два импульса тока, а суммарный ток в линии принимает вид, показанный на диаграмме 3.2. Если диаграмма суммарного тока вырождается в линию (нулевой ток), это означает, что данный конец плети разрушен полностью. Если фронт трещины остановился между датчиками с номерами k и k+1, то диаграмма суммарного тока изобразит на дисплее отсутствие импульсов тока от датчиков с №1 до № k включительно и наличие импульсов, начиная с датчика № k+1 (для диаграммы 3.2 фиг.3 k=2). Зная расстояние L от центра плети труб до k-го датчика, легко определить скорость V перемещения трещины по формуле: V=1000·N·L/k.
Согласно описанной выше схеме заявителем была выполнена опытная проверка способа и устройства. Макет платы 5 был выполнен в виде отдельного модуля, подсоединяемого к проволочному разрывному датчику при помощи клемм. Результаты испытания, проведенные в условиях полигона с подключением предлагаемого комплекса к существующей аппаратуре сбора данных и размещением пробных датчиков на испытуемой плети газопроводных труб с их реальным разрушением, подтвердили правильность выбранных технических решений. По результатам проверки было предложено объединить датчик 6 и плату 5 в одно устройство.
Неочевидным в предложенном решении является использование переменного по направлению и постоянного по амплитуде питания, что позволило снизить уровень нечетных гармоник и увеличить пропускную способность линии без усложнения ее физической структуры. Кроме того, переменный характер токовых сигналов упрощает измерительный комплекс за счет исключения блока для фильтрации постоянной составляющей и генератора синхронизирующих импульсов. Предложенные решения, включая использование разрывных датчиков, срабатывающих точно в момент прохождения трещины, позволили упростить комплекс, повысить его быстродействие и надежность, а также удобство обслуживания за счет автоматического обнаружения неисправных датчиков.
Описанные выше способ и устройство, составляющие единый замысел, отвечающие требованиям новизны, неочевидности и промышленной применимости, предлагаются к правовой защите патентом на изобретение.