СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТРАССЫ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1995 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и его системам наблюдения, контроля, оперативного управления и безопасности, включая экологию.

Для обеспечения надежности, живучести и безопасности эксплуатации трубопроводов необходим текущий и периодический контроль не только самих трубопроводов, но и их трасс.

Имеется достаточно большое количество технических и технологических способов контроля трубопроводов и их трасс, включая визуальный контроль в сочетании с носимыми и возимыми приборами инструментального контроля путем расстановки стационарно по трассе трубопровода и на самом трубопроводе приборов контроля и их включения в систему автоматики и телемеханики; электроемкостный способ контроля заглубленных трубопроводов и их трасс путем замеров в отдельных наиболее опасных местах и более точного определения места и объема контролируемых веществ, смесей, продуктов; использование электромагнитных излучений путем последовательного ультрафиолетового облучения отдельных участков или лазерного зондирования с вертолета и другие.

Все рассмотренные способы обеспечивают дискретный местный контроль и требуют больших временных и материальных затрат.

Известен импульсный электромагнитный способ контроля пожаров и взрывов (аварий) на трубопроводах [1] включающий возбуждение поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся по телу трубопровода. По изменению параметров прошедшей и отраженной волны на основе реакции электромагнитной волны на ионизированную среду устанавливают факт и место пожара или взрыва (аварии).

Способ является моноизмерительным, так как определяет один из факторов состояния среды и одно из возможных взаимодействий электромагнитной волны со средой. Он основан на импульсном режиме посылки электромагнитных волн и, кроме того, не осуществляется выбор и определение параметров поверхностной электромагнитной волны, а фиксируется лишь факт ее распространения по телу трубопровода. Однако при этом трубопровод может работать как антенна, радиус внешнего электромагнитного поля может быть очень мал, и оно не будет иметь контакта с внешней средой (трассой) трубопровода и распространяться на очень небольшие расстояния (несколько километров).

В то же время реально необходимы избирательный целенаправленный постоянный многопараметрический контроль трубопроводов, наблюдение и идентификация многочисленных факторов среды, влияющих на их надежность, живучесть, безопасность, включая экологию. Желательно осуществление контроля на всем протяжении трассы, повышение избирательности и достоверности результатов.

Для достижения данных целей разработан способ, при котором контроль проводят по меньшей мере в два этапа.

На первом этапе увеличивают внешний радиус поверхностной электромагнитной волны и соответственно охватываемый объем контроля и направляют распространение электромагнитной волны вдоль тела трубопровода и по изменению параметров прошедшей и отраженной электромагнитных волн проводят идентификацию среды и сравнивают с нормативной, на основе полученных данных об изменении состава среды устанавливают требуемый тип электромагнитной волны, частоту и радиус внешнего поля, соответствующие контролируемым средам и их объемам на трассе трубопровода.

На втором этапе проводят уточняющий, избирательный контроль также по изменению параметров прошедшей и отраженной электромагнитных волн и определяют время, место, объем и качественно состав претерпевшей изменения среды.

Схема реализации способа представлена на чертеже
Схема содержит трубопровод 1, заполнение трубопровода 2 жидкие диэлектрики типа нефтепродуктов, устройство 3 возбуждения на трубопроводе поверхностной электромагнитной волны с гальваническим контактом и противовесами (возможны также варианты с коаксиальным кабелем, или волноводом, и рупором), устройство 4 обеспечения однонаправленности распространения поверхностной электромагнитной волны (противовесы), зоны 5 трассы (среды) образования различных смесей, веществ, продуктов, проливов и других факторов изменения, которые для электромагнитной волны представляют собой определенные неоднородности, нерегулярности, нелинейности, несогласованности, границы раздела сред и т.п. изменяющие ее параметры, внешнее электромагнитное поле 6, распространяющейся вдоль трубопровода электромагнитной поверхностной волны по его трассе радиуса r_o, приемную аппаратуру 7 с устройствами идентификации, гальванический контакт 8 при возбуждении поверхностной электромагнитной волны.

Способ контроля трассы трубопровода в качестве технического решения реализует электромагнитный контроль трубопроводов и их трасс как новый технологический процесс, как определенная информационно-техническая система.

Осуществление способа контроля трассы трубопроводов базируется на интеграции четырех физических объектов и на происходящих при их взаимодействии процессах, которые исследованы, апробированы, экспериментально проверены, реализованы, ведется дальнейшая их разработка: металлодиэлектрическая структура трубопроводов и их электродинамические и электростатические параметры; поверхностные электромагнитные волны, их канализация и распространение на металлодиэлектрической структуре трубопроводов; характеристики различных сред на трассе трубопроводов, их взаимодействие с ПЭМВ и характер изменения параметров и характеристик ПЭМВ; регистрация, измерение и идентификация состояния трасс и трубопроводов.

Металлодиэлектрическая структура и электродинамические параметры трубопроводов (изоляция, металл, заполнение, целостность, сборно-разборность, диаметры, засыпка, статические электрические заряды, наличие рядом других трубопроводов, изгибы, линейное оборудование, характер возможных потерь электромагнитной энергии, лесные массивы, воды, катодная защита и др.) учитывают на первом этапе осуществления предлагаемого способа. Здесь обеспечивают максимальный радиус ПЭМВ. За счет этого увеличивают охватываемый объем контроля на первом шаге.

На первом этапе осуществляют задачу согласования выходного каскада (приемопередающей аппаратуры) с трубопроводным трактом, определяют характер ПЭМВ, частоту, радиус поля, оценивают возможные потери, характер канализации и распространения ПЭМВ, способ возбуждения. Разработаны соответствующие программы на ЭВМ. Выполнены натурные эксперименты на различных трубопроводах.

На первом этапе способа рассматривают и оценивают тот или иной трубопровод как волновод поверхностной электромагнитной волны, как линейную направляющую линию поверхностной электромагнитной волны (ЛПВ).

Поверхностная электромагнитная волна (ПЭМВ) является рабочим инструментом и определяется многими параметрами и характеристиками, которые используют при реализации способа контроля, в том числе совмещенные и непосредственно связанные с трубопроводом (R, L, C, G, Z_b, Z_bx, α, α_p, β, ρ, k_бв, k_св, l и др.). Обнаружен эффект для трубопроводов при d > 500 мм, когда распределение линий потока электромагнитной энергии подобно ламинарному потоку жидкости в трубопроводах.

Верхние и нижние рациональные частоты определяются
f_в= CF_В(2πr);
f_н= CF_Н(2πr). Радиус поля
r_o= (σZ_o)^1/2 tg Потери
α_p= Re(γ_p)= ·
α_м= 4 1- = 1+ ;
α_д= · 1+ ≃ · 1
Поверхностную электромагнитную волну канализируют и распространяют по трубопроводу. Она сосредоточивается на разделе сред диэлектрик-металл и как бы прилипает, течет вдоль трубопровода. При наличии покрытия и заглублении получают многослойную структуру и ПЭМВ рассчитывают на основе закона парциальных мощностей поля.

Следовательно, трубопровод и трасса с канализированной и распространяющейся электромагнитной волной реализуют сложной структуры волновод ПЭМВ. Таким образом, на первом этапе реализации предлагаемого способа организуют фактически однопроводный тракт передачи электромагнитных сигналов вдоль трубопровода на ПЭМВ с усилителями, преобразователями и направленными ответвителями. Макроструктура трубопроводных коммуникаций и сетей подобна линиям и сетям электросвязи с соответствующими неоднородностями, нерегулярностями, нелинейностями и несогласованностями вдоль трассы, на которые реагирует ПЭМВ. Разрешающая способность способа: радиус r_o ПЭМВ до 50 м; участки контроля без усиления l 40-50 км и до 80-100 км с НУП и ОУП вдоль всей трассы.

Предлагаемым способом контроля осуществляют всесторонний постоянный и дискретный контроль трассы трубопровода. Особенно это важно для заглубленных и сборно-разборных трубопроводов. Прежде всего фиксируют нормальное состояние трассы в соответствии со стандартами, строительными и эксплуатационными нормами. Контролируют же нарушения засыпки, изоляции, прогибы трубопроводов, выход перекачиваемого продукта и формирование при этом новой границы раздела сред, различные воздействия электрических полей (электрифицированные железные дороги, грозовые разряды, наведенные электрические поля, разрывы трубопроводов, значительные притрассовые изменения и др.

Для сборно-разборных трубопроводов с различными стыками контролируют внутреннюю часть трубопроводов и производят обнаружение газовоздушных пробок и других включений. Это связано с проникновением через стыки электромагнитного поля внутрь трубопроводов, что невозможно на сплошных трубопроводах из-за скин-эффекта.

Измерения осуществляют приборами и способами, которые являются стандартными с разработанной технологией от обычных неперметра и радиорефлектомера до эллипсометрии с обработкой данных последовательно и по участкам на ЭВМ с фиксацией неоднородностей, нелинейностей, рассогласованностей и нерегулярностей, потерь и других измерений на трассе.

Разнообразие контролируемых факторов и использование различных параметров и характеристик ПЭМВ требуют не менее двухстепенных действий, так как необходимы выбор, перебор и распознавание. В сложных случаях повторение проводят многократно с изменением радиуса, дальности и частот при контроле. На последнем этапе регистрируют, измеряют и идентифицируют факт, время, место, объем и качественно изменения, новые события, состав изменившейся среды и др. Комплекс данных технологических процессов осуществляет электродинамический контроль трубопроводов и их трасс. При этом регистрируют и измеряют все возможные искажения, перестройки и изменения электромагнитной волны и ее поля (поляризация, изменение напряженности поля и уровня сигнала по времени, искажение амплитудно-частотной характеристики, отражение, преломление, интерференция, дифракция, рефракция, рассеяние, ослабление сигнала, потери всех видов по тракту и трассе), а также применяют ряд специальных методов фиксации измерения взаимодействия электромагнитного поля со средой.

Данные измерений по трубопроводу и трассе сравнивают с исходными состояниями, с результатами монотонного хода процесса и с идеальной однородной линией по элементам, участкам, на всем протяжении трассы и линии трубопровода. Используются цифры, таблицы, графики, номограммы, сравнительные расчетные варианты и др.

Как неоднородности, нелинейности, несогласованности, нерегулярности для электромагнитной волны реально фиксируются даже изолированные объемы воздуха (более теплый или более влажный), его восходящие и нисходящие потоки, вертикальный столб дыма. Это связано с изменением диэлектрической проницаемости. Используют при этом стандартный радиорефлектометр.

Ослабляют сигналы притрассовая растительность, стволы деревьев, кустарники. Происходят замирание, интерференция. Производят замеры напряженности поля.

Рассмотрим несколько примеров реализации предлагаемого способа. Чувствительным и хорошо измеряемым параметром являются α_p(α_м, α_д) потери электромагнитной энергии при распространении ПЭМВ вдоль трассы, особенно для заглубленных трубопроводов.

Структура и состав материалов, их композиционное сочетание могут быть различными при формировании трассы и засыпки трубопровода.

Для материалов, кроме проницаемости, учитывается их прозрачность, эффективная, комплексная и абсолютная проницаемость.

При засыпке формируется среда с потерями, которая характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью K= K ε_r= ε(1-γ·tgδ). При создании трассы может осуществляться замена грунта грунтом с улучшенными параметрами (меньшими потерями), делается металлизация грунта или используются металлосодержащие руды, осуществляется опыливание из диэлектрика, создаются слои радиопрозрачного материала. Например, если проводимость почвы составляет (1-2). 10^-2 см/м, можно создать "подушку" из гравия, проводимость которой 10^-3 см/м с металлизацией. Можно использовать строительный диэлектрик, смолу ФАЭД, композиты смолы ФАМ (фурфуролацетоновый мономер), смолу ЭД-20, эпоксидные, полиэтиленоаминные составы, гранитный щебень, кварцевый песок, андезитовую муку, стеклопластики и др.

Многослойность с выполнением высококачественной засыпки с малыми потерями, структура с разделами сред и форма (геометрические параметры) траншеи при определенном погружении трубопровода в грунт определяют параметры создания тракта передачи ПЭМВ. Заглубление всего на 0,2-0,5 м снижает затухание, заглубление до 2 м в 2-2,5 раза.

Потери составляют для ПЭМВ на трубопроводах от 0,3 до 15 дБл на 1 км.

Эффективным и имеющим хорошую разрешающую способность является используемый при реализации нового технического решения для контроля трассы трубопровода метод идентификации и измерения изменения электромагнитного поля эллипсометрия. При ее использовании получают на автоматических приборах эллипсограммы и фиксируют неоднородности, нелинейности, несогласованности, нерегулярности включения по трассе, изменяющие вектор электромагнитного поля.

Из условий Рытова-Леонтовича и теоремы взаимности дают оценку влияния профиля трассы трубопровода на возбужденное электромагнитное поле на модели поля нитевидной электрической цепи К (π(B)² (sin β)^1-π/β [sin(ε / 2)]^π/β-1
Получено, что профиль трассы трубопровода влияет на распространяющееся по нему электромагнитное поле, так как изгибы, провалы являются определенными неоднородностями. Резкое влияние фиксируется при вогнутостях, особенно при вогнутостях более 3 π/2.

При физической реализации предлагаемого способа осуществляется использование новых теоретических и экспериментальных исследований по искажению (перестройке) электромагнитного поля на основе теории особенностей, бифуркаций и катастроф.

Ввиду того, что электромагнитное поле представляет собой бесстолкновительную среду, так как в одном и том же месте в одно и то же время могут существовать различные электромагнитные волны, то в конкретной многослойной среде трубопроводов и их трасс скорости распространения электромагнитных волн будут различными, с течением времени по трассе в зависимости от состава среды в результате обгона и отставания насыщенность электромагнитного поля меняется. Происходит динамическое искажение поля скоростей электромагнитных волн при их распространении по трубопроводу и его трассе. Они фиксируются и описываются.

На основе тех же новых данных и подходов учета особенностей и бифуркационных явлений изменения, искажения электромагнитных волн, связанные с их возмущениями теми или иными неоднородностями, нелинейностями, нерегулярностями и несогласованностями при контроле трубопроводов и их трасс, распространяются вместе с электромагнитными волнами и образуют волновые фронты, на них возникают особенности, они устойчивы и определяются строго фиксируемыми их видами. Их рассматривают в пространстве и времени (плоскость и временная ось). Могут использоваться также каустики. Так, радуга также объясняется каустикой электромагнитных лучей.

Используя закономерности канализации электромагнитных волн и динамических их изменений, каустики и их перестройки могут быть видимы по трассе, если будут иметь на пути их распространения рассеиватели (пыль, туманы, электромагнитные диполи, и др.).

Таким образом, учет особенностей, геометрии каустик, фронтов и их перестроек позволяет ориентироваться на новые представления изменений и искажений электромагнитных волн и полей на трубопроводах и их трассах как линейных направляющих. Расчеты по итогам измерений и имеющимся данным выполняются на ЭВМ на основе зависимостей, развитых в настоящее время контактной геометрии и контактных преобразований полей.

Кроме того, при реализации предложенного способа контроля трубопроводов и их трасс учитывают явление внутреннего рассеяния волн на неоднородностях в средах. В случае внутреннего рассеяния трансформация электромагнитных волн происходит во внутренних точках среды, особенно в неоднородных средах. Эти динамические изменения внутреннего рассеяния также учитываются при электродинамическом контроле трубопроводов.

При контроле среды вдоль трассы трубопровода поверхностной электромагнитной волной на основе использования положений контактной геометрии производят расчеты при прохождении электромагнитного потока в пылевидной среде над скоплением больших проливов, разливов, выбросов, когда гладкое поле скоростей приобретает слабую особенность с (x, t)x^3/2θ(x). Осуществляют регистрацию с использованием ЭВМ.

Следовательно, предложенный способ реализуется на большом разнообразии методов, технологий, приемов, аппаратуры, приборов и методологий расчетов и является базовой основой для электродинамического контроля трубопроводов и их трасс.

Предлагаемый способ является полиизмерительным, многофакторным, многопараметрическим и многофункциональным. С его помощью осуществляют постоянные и дискретные наблюдения, контроль, идентификацию и оценку состояния трассы напорных и безнапорных, наземных, надземных, заглубленных трубопроводов, в том числе и сборно-разборных и составных.

Все данные поступают на ЭВМ и после выбора, перебора, идентификации и итоговых оценок состояния результаты выдаются в печать с графическим материалом по трассе.

Таким образом, предлагается новая эффективная технология контроля трубопроводов и их трасс, образующаяся на новой теоретической и методологической основе, на использовании трубопроводов в качестве волноводов поверхностной электромагнитной волны, их металлодиэлектрической структуры и закономерностей изменения, искажения и перестройки электромагнитного поля в средах.

Сущность изобретения: возбуждают поверхности электромагнитной волной, распространяющейся по телу трубопровода (ТП). По изменению параметров прошедшей и отраженной волн судят о состоянии ТП. Контроль проводят в два этапа. На первом этапе увеличивают внешний радиус поля волны и соответственно охватываемый объем контроля и направляют распространение волны вдоль тела ТП. По изменению параметров прошедшей и отраженной волн проводят идентификацию среды и сравнивают с нормативной. На основе полученных данных об изменении состояния состава среды устанавливают требуемый тип волны, частоту и радиус внешнего поля, соответствующие контролируемым средам и их объемам на трассе ТП. На втором этапе проводят уточняющий избирательный контроль по изменению параметров прошедшей и отраженной волн и определяют время, место, объем и качественный состав претерпевшей изменения среды. 1 ил.

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТРАССЫ ТРУБОПРОВОДА, включающий возбуждение поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся по телу трубопровода, при этом по изменению параметров прошедшей и отраженной волн судят о состоянии трубопровода, отличающийся тем, что контроль проводят по меньшей мере в два этапа, при этом на первом этапе увеличивают внешний радиус поля электромагнитной волны и соответственно охватываемый объем контроля и направляют распространение поверхностной электромагнитной волны вдоль тела трубопровода и по изменению параметров прошедшей и отраженной электромагнитных волн проводят идентификацию среды и сравнивают с нормативной, на основе полученных данных об изменении состава среды устанавливают требуемый тип электромагнитной волны, частоту и радиус внешнего поля, соответствующие контролируемым средам и их объемам на трассе трубопровода, на втором этапе проводят уточняющий избирательный контроль также по изменению параметров прошедшей и отраженной электромагнитной волны и определяют время, место, объем и качество состав претерпевшей изменения среды.