СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА

о г в
Система определения положения подводного трубопровода.
Полезная модель относится к гидроакустическим средствам определения положения и глубины залегания подводных трубопроводов.
Добыча нефти и газа на шельфе огромных морей России, доставка нефти и газопродуктов через реки и через участки моря, например, в Калинградскую область, приводит к необходимости прокладывать под дном водоемов в траншеях (дюкеры) и бестраншейным способом сотни километров нефтегазопроводов. Стоимость ремонта подводных переходов иногда превышает стоимость их строительства. Кроме того, аварийные ситуации могут
привести к экологической катастрофе. Поэтому необходимо регулярное обследование и диагностирование подводных переходов трубопроводов.
Известно, устройство обследования трубопроводов в виде штыря, с помощью которого водолазы «обстукивают трубопровод В.И. Добринский и др. Аппаратно-программный комплекс для обследования подводных переходов нефтегазопроводов. IX международная конференция, АПЭП-98.
Этот метод требует использования дорогостоящего оборудования для обеспечения водолазных работ. Он мало эффективен из-за трудности проведения водолазных работ, обусловленной плохой видимостью в воде и наличием придонных течений. Метод обстукивания (штыревания) не пригоден
ДЛЯ больших глубин. Кроме того, удары штырем повреждают гидроизоляцию трубопроводов, что ускоряет процесс их коррозии.
Известно устройство, позволяющее определять с поверхности воды или льда плановое и высотное положение заглубленных в грунт подводных трубопроводов без их вскрытия и применения водолазного труда. Оно содержит генератор переменного электромагнитного поля, индуцирующий токи в короткозамкнутом витке, образованном основной и резервными нитками В.И. Добринский и др. Аппаратно-программный комплекс для обследования подводных переходов трубопроводов нефти и газа IX международная конференция, АПЭП-98.
Недостатком этого устройства является малая точность измерений.
Известны магнитометры и феррозонды, используемые для поиска и определения местоположения подводных трубопроводов А.С. СССР №1670647.
Недостатком этих устройств является необходимость использования специальных буксируемых контейнеров для магнитометров и феррозондов. Кроме того, при определенных условиях из-за образования «теневой зоны невозможно обнаружить аварийные участки.
Известен аппаратно-программный комплекс для обследования подводных участков трубопроводов нефти и газа, созданный Институтом вычислительной математики Сибирского отделения РАН г. Новосибирск и проектным институтом строительства и реконструкции объекгов нефти и газа г. Омск IV Международная конференция АПЭП-98, и содержащий геопрофилограф, цифровой эхолот, гидролокатор бокового обзора, электромагнитный трассоискатель, газоанализатор, геодезическую спутниковую систему GPS.
Недостатком этого комплекса является неустойчивая работа геопрофилографа и снижение эффективности комплекса на мелководье.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемой системе является «Малогабаритный параметрический гидроакустический комплекс «Trassa, разработанный заводом «Прибой (г. Таганрог, ул. Большая бульварная, Д.13). Комплекс «Trassa выполнен в виде панорамного эхолокатора и системы ориентации местоположения с использованием приемнопередающих радиоустройств для спутниковой ориентации в акватории и/или береговых радиореперов Техническое описание комплекса «Trassa.
Недостатком устройства- прототипа в виде комплекса «Trassa является недостаточная достоверность его информации для изогнутых трубопроводов, когда отраженный эхосигнал не всегда попадает на приемную гидроакустическую систему эхолокатора.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение достоверности, надежности и точности определения геометрии трассы расположения подводного трубопровода путем повышения отражательной способности от участков трубопровода.
Предлагаемая система определения положения подводного трубопровода также как и устройство- прототип содержит панорамный эхолокатор и систему ориентации местоположения панорамного эхолокатора. В систему дополнительно введены отражатели, акустически через среду связанные с эхолокатором, жестко соединенные с трубопроводом и расположенные друг от друга на расстояниях, на которых прогиб трубопровода не должен превышать заданной величины.
Отражатель может быть выполнен в виде приемно-излучающего гидроакустического ответчика, содержащего последовательно соединенные всенаправленный приёмник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, усилитель мощности, излучатель, также содержит блок синхронизации синхровходы и синхро- выходы которого соединены с соответствующими синхровходами и синхро- выходами аналого-цифрового преобразователя, цифрового фильтра, блока памяти, цифро-аналогового преобразователя.
В другом исполнении отражатель может быть выполнен в виде уголкового отражателя с тремя взаимно-перпендикулярными плоскими гранями каждый.
Любой луч, пришедший к трубопроводу с верхней полусферы, отразившись от трёх взаимно-перпендикулярных граней, отразится от последней в направлении обратном направлению падения.
Для обеспечения максимальной отражающей способности отражателя уголковый отражатель следует выполнить из листов нержавеющей стали с толщиной пластин
1, ,м. Площадь апертуры уголкового из соотношения отражателя . при этом выбирается
с fl,.2.1oOlP-  . У-О.- f2  ALp
где с - скорость звука в среде, /- рабочая частота панорамного эхолокатора, г - наибольшая глубина .залегания трубопровода относительно гидроакустической антенны панорамного эхолокатора, р - затухание звука в среде, эпо пороговая интенсивность эхосигнала используемого панорамным эхолокатором, при котором обеспечивается заданная вероятность обнаружения и точность определения места, Ра - акустическая мощность, излучаемая панорамным эхолокатором, S - площадь апертуры гидроакустической антенны панорамного эхолокатора.
Техническим результатом системы определения положения подводного трубопровода является повышение достоверности и точности за счёт существенно более высокого уровня эхо сигналов от отражателей, чем отражения от изогнутой трубы, эхолокационные блики от которой в ряде случаев могут не попадать на гидроакустическую антенну панорамного эхолокатора.
На фиг.1 приведена блок-схема системы определения положения подводного трубопровода.
На фиг.2 приведена блок-схема приемно-излучающего гидроакустического ответчика.
На фиг.З приведено схематическое изображение уголкового отражателя. /V ТИГд,
ми последовательно соединенных панорамного эхолокатора 2 и системы ориентации положения эхолокатора 3.
Отражатель выполнен в виде приемно-излучающего гидроакустического ответчика, содержащего последовательно соединенные всенаправленный приемник 4, усилитель 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, цифровой фильтр 7, блок памяти 8, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 9, усилитель мощности 10, излучатель 11, также содержит блок синхронизации 12, синхровходы и синхровыходы которого соединены с синхровходами синхровыходами АЦП 6, цифрового фильтра 7, блока памяти 8 и ЦАП 9.
В другом исполнении отражатель 1 выполнен в виде уголкового отражателя с тремя взаимно-перпендикулярными плоскими гранями (фиг.2). причем уголки набраны так, что любой луч, пришедший к трубопроводу с верхней полусферы, отразившись от трех взаимно-перпендикулярных граней отразится от последней в направлении обратном направления падения.
Работа отражателя 1 осуществляется следующим образом. Всенаправленный приемник 4 принимает посылку эхолокатора 2. Сигнал преобразуется в электрическое напряжение, которое усиливается в усилителе 5. Далее это напряжение дискретизуется в АЦП6 фильтруется в цифровом фильтре 7, который пропускает только сигналы панорамного эхолокатора2, этот сигнал фиксируется в блоке памяти 8 и переводится в аналоговый сигнал в ЦАП9. Далее усиливается в услителе мощности 10 и излучается-с помощью излучателя 11 в обратном направлении на гидроакустическую антенну эхолокатора 2 с акустической мощностью Ра в единичном телесном угле такой, что интенсивность эхо сигнала J, поступающего на эхолокатор 2
превышала бы пороговое значение /э,ло необходимое для обнаружения эхосигнала с высокой вероятностью правильного обнаружения, т.е.
где К - коэффициент концентрации излучателя 11, Гд - максимальное расстояние от отражателя до гидроаустической антенны эхолокатора 2. Блок синхронизации 12 обеспечивает синхронизацию работы цифровых блоков устройства с тем, чтобы повторение эха происходило в строго фиксируемое время, подлежащее учёту при определении дистанции от гидроакустической антенны эхолокатора 2 до отражателя 1.
Работа отражателя 1 выполненного в виде уголкового отражателя осуществляется следующим образом Ю.Г. Степанов. Противорадиолокационная маскировка. Уголковые отражатели.-М.:Сов.радио,1968.-с.97-115. Сигнал от гидроакустической антенны эхолокатора 2 в виде плоской акустической волны поступает на уголковый отражатель. Он отражается от трёх взаимно-перпендикулярных плоскостей и от последней грани отражается в направлении обратном направлению падения, т.е. в направлении на гидроакустическую антенну эхолокатора. Таким образом, действия уголкового отражателя 1 эквивалентно действию плоскости перпендикулярной направлению прихода луча. Поэтому уголцовый отражатель 1 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).
Панорамный эхолокатор 2 работает на высоких частотах порядка ЮОКГц. Поэтому его целесообразно выполнить из стальных листов (из нержавеющей стали). Как известно коэффициент отражения от тонкой пластины имеет вид
где PC - акустический импезанс среды, со 271/ - круговая частота, Рст    масса одного квадратного метра пластины.
Примем, что после трёх отражений коэффициент отражения должен быть не менее 0,8. Тогда для стальной пластины нужно выбрать толщину
h,M Например, для частоты стины.
L Г 2рс f 1 (uMcosQ) ЮОкГц достаточно использовать 4мм стальные плаПлощадь аппаратуры Sy уголкового отражателя 1 определяетоя из
следующих соображений (A.M. Тюрим, А.П. Сташкевич, Э.С. Таранов. Основы гидроакустики-Л.: судостроение, 1966-С.86).
Интенсивность эхосигнала от апертуры уголкового отражателя зависит от эффективной отражающей поверхности
эф. - у.о.  у.о.
где Ку - коэффициент концентрации уголкового отражателя. Интенсивность эхосигнала в точке приема будет
т   -, г,-0,2рг  1б7сИ
где Ра - акустическая мощность, излучаемая гидроакустической антенной панорамного эхолокатора в единичный телесный угол,
К- коэффициент концентрации гидроакустической антенны панорамного эхолокатора,
р - километрическое затухание в среде,
г - расстояние между гидроакустической антенной эхолокатора и .отражателем. Так как, коэффициент концентрации
j, 47Г5,.,. л,,,,
где S - площадь гидроакустической антенны эхолокатора,
с
Л длина звуковой волны в среде.
Если требуется обеспечить заданную вероятность правильного обнаружения панорамным эхолокатором, то необходимо площадь апертуры уголкового отражателя выбрать
х
9  f .2 1 .чОДрг y-Q--j2
где С - скорость звука в среде, /- рабочая частота панорамного эхолокатора.
Отражатели в виде приемно-излучающих повторителей эха более дорогие, но позволяющие создавать очень вьюокие интенсивности J „. Они
требуют электропитание. Их целесообразно употреблять, комбинируя с гидроакустическими датчиками системы контроля течи в трубопроводе, а также в случае залегания трубопровода на больших глубинах моря. Уголковые отражатели более дешевые и надежные.
Выбор отражателей определяется требованиями к системе определения положения подводного трубопровода.
Блоки устройства известны из практики гидроакустики.