СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКВОЗНЫХ ДЕФЕКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля изделий и может быть использовано для дефектоскопии магистральных трубопроводов, заполненных газом, нефтью, нефтепродуктами под давлением, а более конкретно - для обнаружения сквозных трещин в газопроводах.

Наиболее часто встречаются сквозные дефекты, имеющие небольшие размеры, например 10х0,2 мм, 25х0,2 мм, 12х0,1 мм. Однако при истечении через сквозной дефект (трещину) газопровода газа с большой скоростью (до 700 м/с) может возникнуть лавинный процесс разрушения газопровода. Протяженность дефекта может увеличиться до сотен и даже тысяч метров. Это подтверждает актуальность проблемы своевременного и с большой вероятностью обнаружения дефектов в газопроводах и их устранения на начальной стадии возникновения. Практически необходимо иметь непрерывный контроль состояния трубопроводов (продуктопроводов), особенно вблизи населенных пунктов, железнодорожных переездов, промышленных и других народнохозяйственных объектов.

Известно устройство для акустоэмиссионной (АЭ) диагностики трубопроводов [1] . В этом устройстве повышение точности диагностики трубопроводов (газо- и нефтепроводов) при их испытаниях и эксплуатации достигается за счет определения разности времени прихода гармонических составляющих сигнала АЭ путем измерения сигнала на двух уровнях дискриминации и измерения энергетических параметров сигнала с учетом затухания волн АЭ в материале изделия. При истечении газа через дефект возникают акустические колебания (сигналы). С помощью установленных на трубе электроакустических преобразователей эти сигналы принимают. Отмечают время прихода различных гармонических составляющих акустического сигнала. Вследствие дисперсии звука в трубопроводе время распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала от источника до приемника АЭ неодинаково. По разности времени прихода этих гармонических составляющих судят о расстоянии от источника (дефекта) до приемника, определяя тем самым местоположение дефекта. Устройство отличается сложностью из-за введения в его состав дополнительных блоков, определяющих затухание акустических волн в материале и повышающих точность пространственно-временной селекции сигналов АЭ. наряду со сложностью системы обработки к недостаткам данного устройства относятся низкая помехозащищенность АЭ-приемников в производственных условиях и сложность определения местоположения дефектов на протяженном участке трубопровода. Для протяженных участков трубопроводов потребовалось бы большое количество ультразвуковых преобразователей. Это приводит к дополнительному усложнению системы, снижению ее надежности и требует сложную и дорогостоящую систему сбора, обработки и передачи информации на диспетчерский пункт.

Эти недостатки частично преодолены в известном устройстве для диагностики магистральных трубопроводов [2]. Достоверность диагностики, проводимой с помощью этого устройства, повышается за счет локального нагружения стенок контролируемого трубопровода повышенным давлением рабочей среды. Устройство состоит из двух блоков: силового и блока регистрации и обработки информации. Устройство перемещается внутри контролируемого трубопровода под действием рабочей среды. Силовой блок создает локальное повышенное давление на стенки трубопровода. Под действием динамической деформации трубопровода возникает электромагнитное излучение, которое воспринимается антенной, также размещенной на блоке регистрации и обработки. По изменению характеристик этого излучения (сигнала) в результате прохода устройства по трубопроводу после обработки полученной информации судят о наличии дефектов в трубопроводе.

Несмотря на то, что данное устройство обеспечивает возможность контроля протяженных участков и получения информации об ослабленных (в смысле механической прочности) участках трубопровода, оно не позволяет быстро и надежно выдать информацию о наличии дефекта и месте его расположения. Информация может быть получена только после извлечения снаряда, прошедшего весь контролируемый участок трубопровода. Фактически с его помощью невозможен непрерывный контроль за состоянием трубопровода, особенно необходимый в густонаселенных промышленных районах и в местах пересечений с железнодорожными и другими магистралями.

Перечисленные недостатки частично преодолены с помощью способа регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ) [3], взятого за прототип. Дефект на поверхности металлического изделия, например трубопровода, находящегося за слоем диэлектрика, обнаруживают по параметрам СВЧ-волны, дифрагированной на поверхности изделия на сигналах АЭ, возникающей при истечении газа или иного продукта под давлением через сквозную щель. Схема реализации данного способа регистрации сигналов АЭ содержит СВЧ-генератор и СВЧ-приемник, передающую и приемную антенну, направленные на поверхность контролируемого изделия, которая покрыта слоем диэлектрика. Способ реализуется следующим образом. Генерируют электромагнитную когерентную поляризованную волну СВЧ-диапазона с помощью генератора. Посредством передающей антенны излучают ее на поверхность контролируемого изделия, принимают дифрагированную электромагнитную волну приемником СВЧ. Электрический сигнал с выхода СВЧ-приемника усиливают, обрабатывают по выбранному параметру и регистрируют в блоке обработки и регистрации сигналов. Сравнивают параметры СВЧ-излучения, полученные ранее при отражении от поверхности изделия без дефектов (а, следовательно, и без присутствия акустоэмиссионных сигналов) с параметрами СВЧ-излучения, измененными при появлении акустических сигналов. По изменению параметров регистрируемого СВЧ-поля отмечают наличие сигналов АЭ и, следовательно, наличие дефекта. Данный способ позволяет дистанционно регистрировать сигналы АЭ, а посредством их и наличие дефекта, однако он может быть использован лишь для наблюдения за участком контролируемого изделия ограниченной площади, характеризующимся наибольшей вероятностью появления в нем дефектов. Довольно низка и чувствительность метода, во-первых, из-за низкой интенсивности самого акусто-эмиссионного сигнала, а, во-вторых, из-за низкой эффективности дифракции падающего СВЧ-излучения на сигналах АЭ. С другой стороны, поскольку на приемник наряду с полезным сигналом попадает интенсивное излучение, отраженное от металлической поверхности, например трубы, то на фоне этого излучения (одинаковой частоты с полезным сигналом, но с другой фазой) сложно выделить и обработать полезный сигнал из-за низкого соотношения сигнал/шум. На формирование полезного сигнала влияют также интерференционные явления, возникающие за счет проникновения внешнего электромагнитного поля внутрь трубы (дифракция на щели), и дополнительного отражения от внутренней поверхности трубы в сторону щели. В этом случае коэффициент отражения и набег фазы являются сложными функциями как диэлектрической проницаемости покрытия трубы, так и отношения d/λ , где d - толщина стенки трубы, λ - длина зондирующей волны. Поскольку при обнаружении трещины по сигналу АЭ основным информативным параметром является фаза дифрагированной волны, а детекторы, чувствительные к фазе, также чувствительны и к амплитуде сигнала, то при реализации способа большая погрешность в обнаружении фазового сдвига обусловлена затуханием отраженной волны в слое грунта, которым может быть закрыта труба. Сильное влияние на определение местоположения трещины оказывают акустические шумы, метеоусловия и т.д. Вредному влиянию подвержены как передающий, так и приемный каналы предлагаемой диагностической системы, реализующей способ. К недостаткам следует отнести также низкую степень развязки приемного и передающего трактов. Поскольку в способе и в реализующем его устройстве положение приемника и передатчика зафиксировано в пространстве, то зона обзора контролируемой трубы фактически ограничена размером пятна, определяемым диаграммой направленности передающей антенны. Это означает, что способ-прототип не позволяет непрерывно контролировать протяженный участок трубы.

Цель изобретения - увеличение протяженности непрерывно контролируемого участка трубопровода.

Цель достигается тем, что, как и в прототипе, генерируют и принимают электромагнитную волну СВЧ-диапазона и по изменению параметров принятых СВЧ-сигналов судят о наличии дефекта. В отличие от прототипа СВЧ-волну длиной λ < 1,71 D, где D - диаметр трубопровода, возбуждают внутри трубопровода, который используют как волновод для излучаемых электромагнитных волн. Наличие сквозного дефекта определяют по СВЧ-сигналу, принимаемому приемником со сканирующей антенной, удаленным от трубопровода на расстояние l, определяемое из соотношения:
2- l L ,
(1) где Р_о - мощность электромагнитной волны;
α- коэффициент ослабления электромагнитной волны на щели, в грунте;
G - коэффициент усиления приемника;
Р_аmin - пороговая мощность приемника;
L - длина непрерывно контролируемого участка трубопровода.

В практике известен радиоволновый метод обнаружения объектов и определения их положения в пространстве путем облучения их СВЧ-волной, приема и обработки отраженного сигнала (активная радиолокация) либо в результате собственного излучения объекта (пассивная радиолокация). Предлагаемый способ схож со способом активной радиолокации в той части, которая также содержит генерацию СВЧ-колебаний, прием и обработку полезного сигнала. Однако он отличается от известного способа активной радиолокации тем, что объект (дефект) не облучается извне зондирующим импульсом и, соответственно, не отражает часть СВЧ-энергии. СВЧ-энергия в виде волны заданного типа подается и распространяется по волноводу-трубопроводу, а затем ее часть излучается через сквозной дефект в свободное пространство. Этот излученный сигнал и является полезным сигналом, который необходимо зарегистрировать (обнаружить).

Основным отличием предлагаемого способа обнаружения дефекта от известных, является то, что в нем сигнал, несущий информацию о наличии дефекта, активно формируется, в то время как в используемых, например акустоэмиссионных, способах это пассивный процесс, подверженный влиянию большого количества факторов. При анализе патентной и научно-технической литературы авторами не обнаружено сведений об использовании радиоволнового метода в представленной выше комбинации операций для поиска дефектов в действующих трубопроводах (газопроводах, нефтепроводах). Это позволяет считать предложенный авторами способ обладающим существенными отличиями.

На чертеже показана структурная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит трубопровод 1, устройство ввода СВЧ-энергии 2, передатчик 3, генератор 4, автоподстройку частоты (АПЧ) 5, приемную антенну 6, усилитель высокой частоты (УВЧ) 7, приемник 8, индикатор 9, блок 10 обработки информации (ЭВМ), дефект 11.

Принцип работы устройства, реализующего данный способ, заключается в следующем.

Генерируемый передатчиком 3 импульс электромагнитного излучения СВЧ-диапазона посредством устройства ввода 2 возбуждает в трубопроводе 1 электромагнитную волну. Тип и рабочую длину волныλ выбирают с учетом обеспечения приемлемого для практики затухания и стабильности структуры поля (волны) в трубопроводе диаметром D.

При передаче электромагнитной энергии по волноводам в СВЧ-технике принято работать на низшем типе (основном) колебаний (Изюмова Т.И., Свиридов В. Т. Волноводы, коаксиальные и полосовые линии. М.: Энергия, 1975). Для круглого волновода этим типом является Н₁₁. С учетом диаметра трубы, рабочую длину волны выбирают из соотношения:
1,31D < λ < 1,71D. (2)
При соблюдении этого условия в волноводе будет существовать только основная волна Н₁₁ и передаваемая энергия не будет перераспределяться на другие типы, менее благоприятные по условиям их распространения в волноводе. По мере распространения по трубопроводу-волноводу часть энергии СВЧ-импульса расходуется на потери в стенках. При прохождении импульса по участку трубопровода-волновода с дефектом часть энергии излучается через щель (дефект) 11 в свободное пространство, являясь информативным сигналом для обнаружения и определения местоположения дефекта-щели. Этот сигнал принимается приемной антенной 6, усиливается широкополосным усилителем высокой частоты (УВЧ) 7 и подается на приемник 8, где преобразуется в импульсы промежуточной частоты (ПЧ), детектируется и уже в форме видеоимпульса подается на индикатор 9 и в блок обработки информации 10. На индикаторе дефект визуально отображается в виде яркостной отметки в определенном азимутальном секторе. Блок обработки 10 автоматически выдает информацию об обнаружении и местоположении дефекта по каналу связи на диспетчерский пункт. Для обеспечения высокой чувствительности приемник настроен на частоту генератора. Для удержания частоты генератора 4 в полосе приемника 8 в передатчике 3 предусмотрена схема АПЧ. За счет того, что в рассматриваемой схеме используется индикатор 9, аналогичный индикатору кругового обзора (ИКО) традиционного радиолокатора, на экране которого отображаются азимутальные метки и метки дальности, предложенный способ и устройство наряду с обнаружением дефекта позволяют также определить его координаты. Это является дополнительным преимуществом данного способа по сравнению со способом-прототипом.

Поскольку положение газопровода зафиксировано в пространстве, то координаты дефекта можно определить также топографическим путем, располагая знанием расстояния от антенны (приемника) до газопровода и азимутом дефекта, считанным с экрана индикатора и перенесенным на местность. Естественно, что при этом система координат индикатора сориентирована относительно сторон горизонта. СВЧ-генератор располагается непосредственно у трубопровода, а приемник с антенной относятся от трубопровода. Для обеспечения непрерывного контроля более протяженного участка трубопровода приемник с антенной следует располагать как можно дальше от трубопровода при заданном угле сканирования приемной антенны. Максимальное удаление будет определяться мощностью генератора (передатчика), чувствительностью приемника, характеристиками антенны, параметрами ослабления СВЧ-энергии в трубопроводе-волноводе, в грунте, на дефекте (щели). Максимальное удаление антенны с приемником l от трубопровода при заданной протяженности L контролируемого участка трубопровода рассчитывается по формуле (1), полученной с использованием основного уравнения радиолокации, устанавливающего взаимосвязь между мощностью передатчика и предельной дальностью обнаружения цели, и решения прямоугольного треугольника при расположении приемника на нормали к трассе трубопровода.

Минимальное удаление, в свою очередь, определяется минимальной требуемой длиной контролируемого участка трубопровода и уровнем мощности, обеспечивающим нормальную работу приемника (предотвращение выхода из строя из-за высокого уровня мощности сигнала).

Для расчета максимального удаления l антенны с приемником при заданной протяженности l непрерывно контролируемого участка трубопровода (в качестве примера - газопровода) зададимся значениями параметров, входящих в соотношение (1), определенным в результате проведенных экспериментальных исследований.

Рабочая длина волны λ = 35
Мощность, вводимая в газопровод-волновод Р_о = 1˙10⁹ Вт
Пороговая мощность антенны (приемника) Р_аmin = -130 дБ/Вт
Тип волны Н₁₁
Диаметр трубопровода D = 250 мм
Ослабление в газопроводе α_тр= 3,5 дБ/км
Ослабление в грунте α_гр= 5 дБ/м
Ослабление дефектом α_деф= 68 дБ
Ослабление за счет экранирующего действия трубы α_экр= 9,5 дБ
Коэффициент усиления приемной антенны G = 550
Для удобства расчетов сделаем ряд допущений, не влияющих на точность расчета.

Удаление предполагаемого дефекта от точки ввода СВЧ-энергии в газопроводе составляет 5 км. Толщина слоя грунта, укрывающего газопровод, составляет 1 м.

Все составляющие ослабления мощности электромагнитной волны объединены коэффициентом
α=α_тр+α_гр+α_деф+α_экр≈100дБ
При этих допущениях расчет показывает, что дефект может быть обнаружен на максимальном удалении от антенны (приемника) до тысячи километров.

Такого же порядка составляет и протяженность контролируемого участка трубопровода. Эти расстояния являются теоретической оценкой, полученной для уровня мощности ≥1 ГВт и идеальных условий по трассе распространения излученного дефектом сигнала. Такие уровни мощности в настоящее время достижимы лишь с помощью средств релятивистской СВЧ-электроники (Диденко А.Н., Юшков Ю. Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, 112 с.). При использовании же генераторов на базе классического магнетрона с выходной импульсной мощностью, например, 230 кВт, предельное расстояние l, рассчитанное с использованием формулы (1) при заданной протяженности L = 5 км контролируемого участка и сделанных допущениях, составит ≈10 км. Использование при этом высокочувствительного приемника и антенны с узкой (≅4^о в горизонтальной плоскости) диаграммой направленности позволяет кроме достижения основной цели изобретения повысить также точность обнаружения дефекта.

Среди действующих устройств известна отечественная передвижная газоаналитическая лаборатория для поиска и обнаружения сквозных повреждений стенок труб газопроводов без вскрытия грунта на базе лазерного газоанализатора (Технические средства диагностирования: Справочник/ В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В. Е. Абрамчук и др. /Под общей ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.).

Этот способ, однако, мало пригоден для поиска дефектов, особенно в тяжелых почвенно-климатических условиях Западной Сибири, где разведаны крупные месторождения нефти и газа.

Позволяя довольно точно анализировать газовый состав (при отсутствии посторонних выходов газа), лаборатория предназначена, в основном, для профилактических осмотров газопровода и малопригодна для быстрого обнаружения дефектов (низкая, ≈10 км/ч скорость передвижения) на протяженных участках газопровода, а тем более для непрерывного контроля в зоне с плотной промышленной застройкой. Помимо этого, она проигрывает устройству, реализующему предложенный способ, по информативности, экспрессности и степени автоматизации сбора, обработки информации о дефекте и по скорости передачи этих данных на районный диспетчерский пункт. В противовес известной лаборатории предлагаемый комплекс может располагаться вблизи или непосредственно на трассе радиорелейной линии, обеспечивающей его каналами связи и телемеханики.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля изделий, а именно к обнаружению сквозных дефектов (трещин) в газопроводах. Увеличение протяженности непрерывно контролируемого участка трубопровода обеспечивается возбуждением в трубопроводе диаметром D, как в волноведущей системе СВЧ колебаний типа H₁₁ , на рабочей длине волны λ_p≅ 1,71D и приемом излученного сквозным дефектом сигнала с помощью высокочувствительного приемника, удаленного от трубопровода на расстояние l. 1 ил.

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКВОЗНЫХ ДЕФЕКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ, заключающийся в том, что излучают и принимают электромагнитные волны СВЧ-диапазона и используют параметры принятых СВЧ-волн, отличающийся тем, что используют трубопровод в качестве волновода для излучаемых электромагнитных волн, а наличие сквозного дефекта определяют по СВЧ-сигналу, принимаемому приемником, удаленным от трубопровода на расстояние l, определяемое из соотношения
2l L,
где λ - длина электромагнитной СВЧ-волны, λ < 1,71 D , D - диаметр трубопровода;
P_о - мощность электромагнитной волны;
α - коэффициент ослабления электромагнитной волны в трубопроводе, на щели и в грунте;
G - коэффициент усиления приемника;
P_amin - пороговая мощность приемника;
L - длина непрерывно контролируемого участка трубопровода.