СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ УТЕЧКИ НА УЧАСТКЕ ПОДЗЕМНОЙ КОММУНИКАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G01R31/08 G01R31/02 

Изобретение относится к технике электроизмерений и предназначено для использования при бесконтактных электромагнитных обследованиях коррозионного состояния металлических подземных линейных коммуникаций (газопроводов, нефтепроводов, водопроводов, продуктопроводов) и оценки качества их изоляции путем обнаружения и измерения величин токов, вытекающих в среду на участке изолированной подземной коммуникации.

Известен способ бесконтактного обнаружения повреждений изоляции, при котором искатель повреждений изоляции, содержащий два преобразователя напряженности магнитного поля в электрический сигнал, размещенные над трассой коммуникации на вертикальной прямой к трассе так, что первый размещенный под вторым, устанавливают поочередно в местах контроля вдоль трассы коммуникаций. Так производят измерения выходных напряжений с датчиков, которые пропорциональны напряженностям азимуатальных составляющих магнитного поля, создаваемого электрическими током, протекающим по коммуникации, и с помощью электронного преобразователя рассчитывают глубину залегания коммуникации и величину протекающего по ней тока. Разность между величинами тока, измеренными в местах контроля, определяет величину тока утечки в грунт на данном участке коммуникации (авторское свидетельство СССР N 1592810, G 01 R 31/08, 1987).

Основным недостатком способа является низкая производительность.

Наиболее близким к прелагаемым способам является способ бесконтактного измерения тока утечки на участке подземного токопровода, согласно которому в начале и в конце обследуемого участка в двух точках, расположенных одна под другой, измеряют над трассой токопровода напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (АСМП), создаваемого током, протекающим вдоль токопровода. При этом местоположение нижних точек измерения выбирают из условия равенства азимуатальных составляющих магнитного поля (Авторское свидетельство СССР N 1370626, G 01 R 23/02, 1986). Величину тока утечки определяют по формуле:
,
где ΔH₃₄ разность напряженностей азимуатальных составляющих магнитного тока в дальних от токопровода точках наблюдения на концах обследуемого участка;
H₁ и H₃ - напряженности азимуатальных составляющих поля тока в ближней и дальней от токопровода точках наблюдения в начале участка;
ΔH₂₄ - разность напряженностей азимуатальных составляющих поля в ближней и дальней от токопровода точках наблюдения на конце участка.

L - расстояние между ближней и дальней точками наблюдения на каждом из концов участка.

Основным недостатком способа является низкая производительность, связанная с необходимостью установки нижних датчиков в начале и в конце участка так, чтобы азимуатальные составляющие магнитного поля у них были равны, а также низкая точность определения тока утечки, связанная с ошибками при установке нижних датчиков.

Предлагаемые способы направлены на повышение оперативности обнаружения и точности определения токов утечки при одновременном снижении трудоемкости.

Предлагается способ бесконтактного обнаружения и измерения токов утечки на участке подземной коммуникации, при котором данный участок записывают с каждой из двух сторон электрическим модулированным током. В двух точках в начале и в двух точках в конце обследуемого участка, причем точки в начале и в конце участка расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль прямых, являющихся продолжением радиусов коммуникации, измеряют напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых этими токами. Обнаружение токов утечки от модулированных токов ведут, определяя в начале и в конце участка отношение напряженности азимуатальной составляющей магнитного поля, создаваемого одним из модулированных токов к напряженности азимуатальной составляющей магнитного поля, создаваемого другим током. Равенство данных отношений означает отсутствие токов утечки. При определении разницы в величинах отношения, что означает наличие токов утечки, их величины I_u1 (ток утечки от первого из токов) и I_u2 (ток утечки от второго из токов), а также суммарный ток утечки I_u определяют по формулам:


I_u = |I_u1|+|I_u2|,
где H₁₁₁ и H₁₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) первого тока в начале и в конце участка;
H₁₂₁ и H₁₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участка;
H₂₁₁ и H₂₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) первого тока в начале и в конце участка;
H₂₂₁ и H₂₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участка;
L - расстояние между ближней и дальней точками измерений на каждом из концов участка.

Возможно обнаружение и определение токов утечки от модулированных электрических токов вести, поочередно измеряя в начале и в конце участка напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых модулированными токами, и определяя их отношение.

Возможно электрические токи модулировать прерываниями.

Возможно каждый из электрических токов модулировать сигналом с определенной частотой.

Предлагается также способ бесконтактного обнаружения и измерения токов утечки на участке подземной коммуникации, при котором данный участок запитывается с каждой из двух сторон электрическим модулированным током. В двух точках в начале и в двух точках в конце обследуемого участка, причем точки в начале и в конце участка расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль прямых, являющихся продолжениями радиусов коммуникации, измеряют напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых этими токами. Обнаружение токов утечки от модулированных токов ведут по индексу утечки, определяемому по формуле:

При индексе утечки меньше 1 определяют величины токов утечки, а также суммарный ток утечки по формулам:


I_u = |I_u1|+|I_u2|,
где I_u1 - ток утечки от первого модулированного тока,
I_u2 - ток утечки от второго модулированного тока,
I_u - суммарный ток утечки,
H₁₁₁ и H₁₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) первого тока в начале и в конце участка;
H₁₂₁ и H₁₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участка;
H₂₁₁ и H₂₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) первого тока в начале и в конце участка;
H₂₂₁ и H₂₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участка;
L - расстояние между ближней и дальней точками измерений на каждом из концов участка.

Предлагаемые способы проиллюстрированы на фиг. 1 - 2 и подтверждены конкретным примером.

На фиг. 1 представлена схема осуществления предлагаемого способа при одновременном измерении АСМП модулированных электрических токов в начале и в конце участка.

На фиг. 2 изображена форма напряженностей АСМП, создаваемых электрическими токами (при модуляции прерываниями) в начале (2a) и в конце (2б) участка коммуникации.

На фигурах обозначены: коммуникация 1; штанга 2 длиной L, на концах которой укреплены датчики 3, 4 штанга 5 длиной L, на концах которой укреплены датчики 6 и 7; кабели 8, соединяющие датчики 3, 4, 6, 7 со специальным переносным компьютером 9; h₁ и h₂ - расстояния от ближних к земле датчиков до оси коммуникации в начале и в конце участка;
H₁₁₁ и H₁₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) первого тока в начале и в конце участка;
H₁₂₁ и H₁₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в ближних к коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участка;
H₂₁₁ и H₂₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) первого тока и в начале и в конце участка;
H₂₂₁ и H₂₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля (в дальних от коммуникации точках) второго тока в начале и в конце участке;
L - расстояние между ближней и дальней точками измерений на каждом из концов участка.

Реализация предлагаемого способа подтверждается конкретным примером.

Измеряют токи утечки из подземного изолированного трубопровода, имеющего наружный диаметр 1020 мм, расположенного на глубине около 2 м. Постоянные токи создают устройствами катодной защиты, а модуляцию токов обеспечивают прерываниями токов. Штангу 2 с укрепленными на ней датчиками 3 и 4 устанавливают в начале участка, а штангу 5 с укрепленными на ней датчиками 6 и 7 на расстоянии 10 м таким образом, что штанги являются продолжениями радиусов токопровода в начале и в конце участка. Оси чувствительности датчиков 3 и 4 (датчики на штанге укреплены так, что их оси чувствительности параллельны между собой и перпендикулярны штанге 2) ориентируют поворотом штанги 2 так, что плоскость, проходящая через штангу и направления осей чувствительности датчиков, перпендикулярна оси трубопроводов (оси чувствительности датчиков сориентированы в азимуатальном направлении относительно оси трубопровода).

Аналогичным образом в конце участка ориентируют оси чувствительности датчиков 6 и 7. Расстояние между датчиками на каждой из штанг равно 1 м. Сигналы с датчиков усиливают и измеряют с помощью портативного компьютера, который, кроме того, рассчитывает по заданной программе глубину залегания трубопровода и токи утечки.

Вид получаемых с датчиков, а затем усиленных сигналов (импульсов напряжения, амплитуда каждого из которых пропорциональна напряженности АСМП одного из токов) показан на фиг. 2. Длительность импульсов определяется длительностью прерываний. Для обеспечения возможности измерений АСМП каждого из токов между прерываниями первого и второго токов вводят временной сдвиг. В нашем примере длительность прерываний каждого из токов составляет 1 с, время между прерываниями одного тока 5 с, а временной сдвиг между прерываниями первого и второго токов составляет 2 с. Измеренные значения АСМП равны:
H₁₁₁ = 0,200 А/м
H₁₁₂ = 0,192 А/м
H₁₂₁ = -0,133 А/м
H₁₂₂ = -0,140 А/м
H₂₁₁ = 0,134 А/м
H₂₁₂ = 0,130 А/м
В нашем примере отношение АСМП первого тока к АСМП второго в начале участка (H₁₁₁/H₁₂₁ = 1,50) не равно отношению в конце участка (H₁₁₂/H₁₂₂ = 1,37), что свидетельствует о наличии на участке токов утечки.

При втором способе обнаружение токов утечки осуществляется с помощью индекса утечки токов:

Как видно из формулы, он равен произведению коэффициентов утечки первого и второго модулированного токов:

,
где K₁ - коэффициент утечки первого тока, равный отношению величины тока, оставшегося после утечки I₁₂ к исходной величине тока I₁₁ или отношению напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, которые они создают (H₁₁₂/H₁₁₁), а K₂ - коэффициент утечки второго тока, равный отношению величины тока, оставшегося после утечки I₂₁ к исходной величине тока I₂₂ или отношению напряженностей азимуатальных составляющих магнитных полей, которые они создают (H₁₂₁/H₁₂₂). Коэффициенты утечки первого и второго токов равны:


Индекс утечки токов будет:
G = K₁ • K₂ = 0,912
То, что G меньше 1 свидетельствует о наличии токов утечки.

Измеренные значения напряженностей АСМП позволили с помощью компьютера подсчитать h₁ - расстояние от ближнего к земле датчика до оси коммуникации в начале участка, величины токов утечки от первого и второго токов, а также суммарный ток утечки:

I_u1 = I₁₁ - I₁₂ = 0,102 А
I_u2 = I₂₂ - I₂₁ = -0,092 А
I_u = |I_u1|+|I_u2| = 0,194A
При поисках токов утечки на легкодоступных участках трассы коммуникации целесообразно производить одновременное измерение АСМП токов в начале и в конце исследуемого участка.

Последовательное измерение АСМП токов в начале и в конце исследуемого участка коммуникации с помощью одной штанги с парой укрепленных на ней датчиков целесообразно производить на труднодоступных участках трассы, когда затруднена одновременная установка двух штанг с датчиками, подсоединенными к одному компьютеру. Наличие стабилизированных источников модулированных токов позволяет уменьшить ошибку при последовательных измерениях, связанную с временным рассогласованием измерений АСМП токов на концах участка.

Модулирование токов прерывания позволяет с помощью простой и надежной аппаратуры обеспечить обнаружение и измерение токов утечки.

Для повышения оперативности измерений и уменьшения ошибок при измерениях, получаемых за счет влияния блуждающих токов в коммуникациях, возможно модулировать каждый из токов не прерываниями, а сигналом определенной частоты. Чаще всего это низкие частоты (единицы - десятки Гц), причем частоты обоих сигналов делают близкими, что обеспечивает одинаковое затухание сигналов при распространении в коммуникации. Сигналы с датчиков, пропорциональные азимуатальным составляющим магнитных полей (создаваемых каждым из токов), выделяют с помощью узкополосных фильтров, что обеспечивает повышение точности определения индекса утечки до долей процента.

Определение индекса утечки можно производить достаточно быстро (экспресс-контроль) и ограничиваться им до тех пор, пока индекс утечки равен 1, что означает отсутствие токов утечки. Как только он становится меньше 1, производят расчет токов утечки.

По сравнению с известным предлагаемые способы позволяют более оперативно и точно выявлять малые токи утечки (по отношению АСМП токов или по величине индекса утечки), а также в случае их обнаружения точно определить их величины. Причем в отличие от прототипа на отношение АСМП токов и величину индекса утечки не влияет ни расстояние от трубы, ни точность выставления датчиков по азимуту. Способы обладают высокой производительностью, не трудоемки и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

Изобретение может быть использовано при бесконтактных электромагнитных обследованиях коррозионного состояния металлических подземных коммуникаций (газопроводов, нефтепроводов, водопроводов, продуктопроводов) и оценки качества их изоляции. Участок коммуникации запитывают с каждой из двух сторон модулированным электрическим током. Обнаружение токов утечки ведут, определяя в начале и в конце участка отношение напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых этими токами, или индекс утечки. В двух точках в начале и в двух точках в конце обследуемого участка, находящихся на одинаковом расстоянии вдоль прямых, являющихся продолжениями радиусов коммуникации, измеряют напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых этими токами, и рассчитывают величины токов утечки от каждого модулированного тока и суммарный ток утечки. Технический результат заключается в повышении оперативности обнаружения и точности определения токов утечки. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ бесконтактного обнаружения и измерения токов утечки на участке подземной коммуникации, согласно которому измеряют в двух точках в начале и двух точках в конце обследуемого участка напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых электрическими токами, протекающими по коммуникации вдоль ее оси, причем точки в начале и в конце участка расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль прямых, являющихся продолжениями радиусов коммуникации, и рассчитывают величину тока утечки, отличающийся тем, что данный участок коммуникации запитывают с каждой из двух сторон модулированным током, определяют в начале и конце участка отношение напряженности азимуатальной составляющей магнитного поля, создаваемого одним модулированным током, к напряженности азимуатальной составляющей магнитного поля, создаваемого другим модулированным током, и при наличии разницы в величинах отношений, определяют величины токов утечки, а также суммарный ток утечки по формулам:


I_и = |I_и1|+|I_и2|,
где I_и1 - ток утечки от первого модулированного тока;
I_и2 - ток утечки от второго модулированного тока;
I_и - суммарный ток утечки;
H₁₁₁ и H₁₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в ближних к коммуникации точках первого тока в начале и в конце участка;
H₁₂₁ и H₁₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в ближних к коммуникации точках второго тока в начале и в конце участка;
H₂₁₁ и H₂₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в дальних от коммуникации точках первого тока в начале и в конце участка;
H₂₂₁ и H₂₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в дальних от коммуникации точках второго тока в начале и в конце участка;
L - расстояние между ближней и дальней точками измерений на каждом из концов участка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поочередно в начале и в конце участка измеряют напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых модулированными токами. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что токи модулируют прерываниями. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что токи модулируют сигналом с определенной частотой. 5. Способ бесконтактного обнаружения и измерения токов утечки на участке подземной коммуникации, согласно которому измеряют в двух точках в начале и двух точках в конце обследуемого участка напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых электрическими токами, протекающими по коммуникации вдоль ее оси, причем точки в начале и в конце участка расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль прямых, являющихся продолжениями радиусов коммуникации, и рассчитывают величину тока утечки, отличающийся тем, что данный участок коммуникации запитывают с каждой из двух сторон модулированным током, определяют индекс утечки по формуле:

и при индексе утечки меньше 1, определяют величины токов утечки, а также суммарный ток утечки по формулам


I_и = |I_и1|+|I_и2|,
где I_и1 - ток утечки от первого модулированного тока;
I_и2 - ток утечки от второго модулированного тока;
I_и - суммарный ток утечки;
H₁₁₁ и H₁₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в ближних к коммуникации точках первого тока в начале и в конце участка;
H₁₂₁ и H₁₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в ближних к коммуникации точках второго тока в начале и в конце участка;
H₂₁₁ и H₂₁₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в дальних от коммуникации точках первого тока в начале и в конце участка;
H₂₂₁ и H₂₂₂ - напряженности азимуатальных составляющих магнитного поля в дальних от коммуникации точках второго тока в начале и в конце участка;
L - расстояние между ближней и дальней точками измерений на каждом из концов участка. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что поочередно в начале и в конце участка измеряют напряженности азимуатальных составляющих магнитных полей, создаваемых модулированными токами. 7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что токи модулируют прерываниями. 8. Способ по п.5, или 6, или 7, отличающийся тем, что токи модулируют сигналом с определенной частотой.