УСТРОЙСТВО ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Полезная модель относится к средствам диагностики технического состояния трубопроводов и может быть использована для непрерывного мониторинга технического состояния подземных магистральных трубопроводов, размещенных в криолитозоне.
Известно устройство мониторинга трубопровода [Reliability and field testing of distributed strain and temperature sensors, Daniele Inaudi and Branko Glisic, SPIE Smart Structures and Materials Conference in San Diego. 2006 February 27, March 2, 2006]. Устройство состоит из трех параллельных линий распределенных волоконно-оптических сенсоров деформации, распределенного волоконно-оптического сенсора температуры, которые посредством соединительных кабелей и кроссов подключены к центральному измерительному пункту, и обеспечивает мониторинг средних натяжений, кривизны и деформированной формы трубопровода. Сенсоры деформации смонтированы вдоль всей контролируемой длины сегмента трубопровода на поверхности трубопровода параллельно его оси так, что в плоскости сечения, перпендикулярной оси трубопровода, углы между радиусами, проведенными от оси трубопровода к верхней образующей трубопровода и соответствующему сенсору, составляют 0°, 120° и -120°. Сенсор температуры смонтирован вдоль всей контролируемой длины сегмента трубопровода на верхней образующей трубопровода. Распределенные волоконно-оптические сенсоры деформации и температуры разработаны специально для использования в распределенных сенсорных системах, в частности, в системах, использующих Бриллюэновское рассеяние (Вынужденное Рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна - ВРМБ). В качестве устройства опроса всех сенсоров используется одна система DiTeSt, представляющая собой анализатор ВРМБ. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления мониторинга передачи тепла между трубопроводом и вмещающим его грунтом, что приводит к увеличению риска возникновения опасных воздействий со стороны грунта на трубопровод и не позволяет обеспечить безопасный режим эксплуатации трубопровода в криолитозоне.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели (прототипом) является система мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода (патент РФ №2451874, F17D 5/00, опубл. 27.05.2012), включающая набор датчиков для измерения физических параметров и средства для обработки измеренных физических параметров. Средства для обработки измеренных параметров содержат блок сбора данных, блок хранения данных и расчетных моделей, блок адаптации расчетных моделей, блок вычисления обобщенных косвенных показателей и устройство отображения информации АРМ диспетчера. Устройство позволяет изучать внешние влияющие на техническое состояние трубопровода факторы и обеспечивает удобную форму предоставления информации. По адаптированной расчетной модели и измеренным параметрам блок вычисления обобщенных косвенных показателей системы вычисляет для каждого конечного элемента модели обобщенный косвенный показатель, например, запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода. Полученный одномерный массив косвенных показателей по каждому участку трубопровода оценивают по зонам допуска как «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо» и направляют на устройство отображения АРМ диспетчера для принятия решения. Недостатком известного устройства является невозможность определения разности температур между трубопроводом и вмещающим его грунтом и, следовательно, передачи тепла между ними, что не позволяет обнаруживать образование отложений парафинов или гидратов, а также не позволяет обнаруживать места активизации геокриологических процессов, вызванных влиянием на грунт со стороны трубопровода, места повреждения теплоизоляции трубопровода и места утечек продукта в трубопроводе.
Известные устройства мониторинга не позволяют получить весь объем информации, который необходим для того, чтобы обеспечить безопасный режим эксплуатации подземного трубопровода, проложенного в суровых климатических и геологических условиях, когда изменение режима эксплуатации трубопровода может уменьшить риск возникновения одной проблемы при одновременном увеличении риска возникновения другой проблемы. Например, для трубопровода, транспортирующего газоконденсат, при увеличении температуры транспортируемого продукта улучшаются характеристики его транспортирования, но при этом увеличивается растепление и разжижение на участках многолетнемерзлых грунтов, что увеличивает риск возникновения опасных деформаций трубопровода.
Измерение вдоль контролируемого участка трубопровода с заданным пространственным разрешением датчиков температуры распределений температуры на поверхности трубопровода (но под теплоизоляцией) и температуры грунта позволяет точнее рассчитать температуру продукта и потери тепла при транспортировке продукта.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, позволяющего с высокой точностью осуществлять мониторинг напряженно-деформированного состояния трубопровода, а также обнаруживать места повреждения теплоизоляции трубопровода и места утечек продукта в трубопроводе.
Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является повышение эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов в криолитозоне.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство геотехнической диагностики и мониторинга магистральных трубопроводов, включающее датчик деформации трубопровода, датчик температуры трубопровода, датчик температуры грунта, блок сбора данных, содержит блок обработки данных и блок управления. Датчик деформации трубопровода состоит из трех сенсорных волоконно-оптических кабелей, каждый из которых закреплен по всей длине контролируемого участка трубопровода вдоль образующей на поверхности трубопровода под теплоизоляцией трубопровода и механически связан с трубопроводом, причем упомянутые сенсорные волоконно-оптические кабели закреплены вдоль разных образующих. Датчик температуры трубопровода состоит, по меньшей мере, из одного сенсорного волоконно-оптического кабеля, расположенного по всей длине контролируемого участка трубопровода вдоль образующей на поверхности трубопровода под теплоизоляцией трубопровода. Датчик температуры грунта состоит, по меньшей мере, из одного сенсорного волоконно-оптического кабеля, расположенного по всей длине контролируемого участка трубопровода на расстоянии от поверхности теплоизоляции трубопровода. Теплоизоляция трубопровода выполнена из материала, коэффициент теплопроводности которого меньше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности трубопровода. Все сенсорные волоконно-оптические кабели соединены с входом блока сбора данных, выход блока сбора данных соединен с входом блока обработки данных, который через интерфейс взаимодействия соединен с блоком управления
На фиг.1 показана схема устройства геотехнической диагностики и мониторинга магистральных трубопроводов (МТ) в криолитозоне.
На фиг.2 - поперечное сечение контролируемого участка МТ с установленными на контролируемом участке датчиками.
Устройство геотехнической диагностики и мониторинга МТ в криолитозоне содержит распределенный волоконно-оптический датчик (1) деформации трубопровода, распределенный волоконно-оптический датчик (2) температуры трубопровода, распределенный волоконно-оптический датчик (3) температуры грунта. Датчик (1) деформации трубопровода состоит из трех чувствительных к деформации сенсорных волоконно-оптических кабелей, каждый из которых расположен параллельно оси трубопровода, вдоль образующей на поверхности трубопровода по всей длине контролируемого участка (4) МТ и механически, например, посредством клея, связан с трубопроводом. Сенсорный волоконно-оптический кабель представляет собой оптический кабель, одно (или несколько) оптических волокон которого на всем протяжении кабеля является чувствительным элементом, преобразующим контролируемую величину (температуру и деформацию) в оптический сигнал, например, в сигнал Вынужденного Рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна. Все упомянутые кабели закреплены вдоль разных образующих, что позволяет измерять распределение деформации изгиба и удлинения вдоль контролируемого участка (4) МТ с заданным пространственным разрешением датчика. Упомянутые кабели, например, могут быть распределены так, что в плоскости перпендикулярной оси трубопровода, углы между радиусами, проведенными от оси трубопровода к верхней образующей трубопровода и соответствующему кабелю, составляют 0°, 120° и -120°. Датчик (2) температуры трубопровода состоит, по меньшей мере, из одного чувствительного к температуре сенсорного волоконно-оптического кабеля, расположенного вдоль образующей на поверхности трубопровода под теплоизоляцией (5) трубопровода. Теплоизоляция (5) трубопровода выполнена из материала с коэффициентом теплопроводности меньше, чем у материала поверхности трубопровода, что позволяет измерять температуру поверхности трубопровода вдоль контролируемого участка (4) МТ с заданным пространственным разрешением датчика (2). Датчик (3) температуры грунта содержит, по меньшей мере, один чувствительный к температуре сенсорный волоконно-оптический кабель, расположенный вдоль контролируемого участка (4) трубопровода на расстоянии от поверхности теплоизоляции (5) трубопровода, что позволяет измерять температуру грунта, на который опирается МТ, вдоль контролируемого участка МТ с заданным пространственным разрешением датчика (3). Расстояние от поверхности теплоизоляции (5) трубопровода, на котором расположен датчик (3) температуры грунта, зависит от температуры транспортируемого продукта. В частности, расстояние составляет 0,5 м при температуре продукта, близкой к температуре грунта. Расстояние увеличивается при увеличении температуры продукта в МТ. Все входящие в состав распределенных датчиков сенсорные волоконно-оптические кабели соединены с входом блока сбора данных (6), в качестве которого используют анализатор ВРМБ или иное аналогичное устройство для измерения распределения деформации и температуры оптического волокна с заданным пространственным разрешением датчиков. Выход блока сбора данных (6) соединен с входом блока обработки данных (7), который через интерфейс взаимодействия (8) соединен с блоком управления (9). Блок обработки данных (7) хранит данные произведенных измерений и результаты их обработки в течение заданного периода времени. Блок обработки данных может быть выполнен, например, в виде компьютера (сервера), с программным обеспечением для обработки данных измерений и базой данных. Блок управления (9) осуществляет управление технологическим процессом транспортировки продукта в МТ. Блок управления может быть выполнен, например, в виде компьютера (рабочей станции), оборудованного интерфейсом взаимодействия с АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом - на фигурах не показана) и интерфейсом взаимодействия с оператором. Интерфейс взаимодействия с оператором может быть выполнен, например, в виде монитора, сигнальных ламп, клавиатуры, переключателей и т.д.
При строительстве или реконструкции МТ на контролируемом участке (4) трубопровода устанавливают распределенный датчик (1) деформации трубопровода, распределенный датчик (2) температуры трубопровода и распределенный датчик (3) температуры грунта. В процессе эксплуатации МТ блок сбора данных (6) опрашивает указанные датчики и регистрирует измеренные значения относительной деформации удлинения/сжатия чувствительных к деформации сенсорных волоконно-оптических кабелей с привязкой к координате вдоль контролируемого участка трубопровода, а также измеренные значения температуры трубопровода и грунта с привязкой к координате вдоль контролируемого участка трубопровода. Из блока сбора данных (6) указанная выше информация поступает в блок обработки данных (7).
В блок обработки данных (7) через интерфейс взаимодействия (8) из блока управления (9) поступают также данные о текущих или планируемых к применению значениях технологических параметров эксплуатации трубопровода, а именно: температуре продукта на входе в трубопровод, скорости прокачки продукта, направлении прокачки продукта, составе продукта. Полученные значения параметров блок обработки данных (7) обрабатывает следующим образом:
- Рассчитывает распределение температуры транспортируемого продукта вдоль контролируемого участка трубопровода. В простейшем случае за температуру продукта можно принять данные измерений датчиков (2) температуры трубопровода. При необходимости учитываются поправки на разность температур трубы и грунта и скорость прокачки продукта, которые рассчитываются путем решения уравнения теплопроводности, исходя из конструкции трубопровода, схемы расположения датчиков и параметров грунта, или могут рассчитываться по эмпирическим формулам, подтвержденным данными независимых измерений, проведенных в процессе пуско-наладки.
- Осуществляет анализ распределения температуры прокачиваемого продукта вдоль всего контролируемого участка трубопровода и при наличии участков, где указанная величина выходит за заданный интервал значений, который для каждого состава транспортируемого продукта задается заранее, формирует сигнал тревоги. При этом сигнал тревоги содержит информацию о координате события и величине параметра, выходящей за заданный интервал значений.
- Рассчитывает распределение потерь тепла продукта на контролируемом участке трубопровода, исходя из данных по распределению температуры транспортируемого продукта.
- Осуществляет анализ распределения теплового сопротивления трубопровода вдоль всего контролируемого участка трубопровода и при наличии участков, где величина указанного параметра меньше заранее заданного порогового значения, формирует сигнал тревоги. При этом сигнал тревоги содержит информацию о координате события и величине, выходящей за заданный интервал значений. Данный сигнал тревоги может использоваться для индикации участков, где повреждена теплоизоляция (5) трубопровода. Кроме того, данный сигнал в условиях криолитозоны может использоваться для прогнозирования растепления (потери несущей способности) грунта.
- Рассчитывает прогнозное распределение температуры продукта для контролируемого участка трубопровода на основании текущих или планируемых к применению значений технологических параметров эксплуатации трубопровода. При этом учитывается текущее распределение теплового сопротивления трубопровода вдоль всего контролируемого участка трубопровода.
- Рассчитывает суммарные потери тепла на заданный будущий отрезок времени с учетом текущих значений температуры грунта и погонного сопротивления трубопровода, на основании которых формирует информацию о распределении температуры перекачиваемого продукта.
Затем блок обработки данных (7) вырабатывает и передает при помощи интерфейса взаимодействия (8) блоку управления (9) сигналы тревоги в случаях, если какое либо значение измеренного, расчетного или прогнозного расчетного параметра выйдет за пределы заранее установленного диапазона, при этом сигналы тревоги содержат информацию об опасном событии (место события, значение параметра), что позволяет оценить степень повреждения МТ. Сигнал тревоги может использоваться для индикации участков, где происходят процессы деформации трубопровода. Информация о распределении температуры грунта позволяет проводить анализ причин возникновения деформации трубопровода. Информация о распределении теплового сопротивления позволяет прогнозировать места растепления грунта.
Кроме того, анализ всего массива данных о технологических параметрах эксплуатации трубопровода, а именно о температуре продукта на входе в трубопровод, скорости прокачки продукта, направлении прокачки продукта, а также данных измерений и результатов их обработки о деформациях трубопровода, температуре окружающего грунта, температуре и потерях тепла продукта в каждой точке контролируемого участка трубопровода позволяет спрогнозировать температуру продукта и опасность деформации трубопровода, что опосредовано позволяет судить о режимах транспортировки продукта, возможности гидратообразования в трубопроводе, а значит повысить эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.