СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОРЫВА ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2003 года по МПК F17D5/06 

Изобретение относится к техническим системам предупреждения аварийных ситуаций на газо- и нефтепроводах и может быть использовано при создании системы непрерывного наблюдения за техническим состоянием подводных продуктопроводов.

Известен способ обнаружения порыва подводного трубопровода с использованием радиолокационных средств, включающий излучение электромагнитной энергии и прием отраженного от поверхности моря электромагнитных волн декаметрового и метрового диапазонов (см. В.М. Кутузов, А.Г. Попов, А.В. Безуглов, И.Р. Рябухов. Мониторинг акваторий на основе загоризонтных радиолокационных систем декаметрового диапазона //В журнале Госкомитета РФ по высшему образованию "Мониторинг", специальный выпуск, март 1996, с.18)
Недостатки этого способа заключаются в том,что наличие порывов подводных продуктопроводов определяется лишь по прошествию определенного времени, когда транспортируемый продукт появился на поверхности моря и координаты порыва определяется местонахождением выхода объекта транспортировки (нефти или газа) на поверхность, однако при наличии подводных и поверхностных течений координаты пятна на поверхности моря не совпадают с координатами порыва, а при порыве подводного газопровода пузыри газа из порыва могут и не достичь поверхности, рассеиваясь и растворяясь в морской среде.

Известен также способ обнаружения порыва подводного трубопровода, включающий использование гидроакустического зондирования и оценку результатов зондирования (см. Л.М. Антокольский, С.В. Пронин, М.Н. Шахов Разработка гидроакустического комплекса для обследования акваторий на основе гидролокатора бокового обзора //Акустический журнал, том 40, 2, 1994 г., с. 323). Способ основан на том, что излученная акустическая энергия взаимодействует с выходящими из порыва объектами транспортировки, что приводит к соответствующему изменению акустических сигналов, проходящих через этот участок акватории.

Недостатки данного способа обнаружения - невозможность постоянного контроля подводного продуктопровода по всей его длине, так как гидролокационная съемка дна в местах прокладки продуктопровода производится эпизодически, а наиболее оптимальной, с точки зрения экологической безопасности, может считаться такая система наблюдения, которая предполагает непрерывный контроль технического состояния подводного продуктопровода и в случае порыва позволяет оперативно обнаружить его координаты и устранить течь.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение выражается в обеспечении возможности обнаружения утечек на их начальной стадии.

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в том, что обеспечивается непрерывный контроль за техническим состоянием подводного продуктопровода, при этом координаты порыва однозначно определяются в режиме реального времени сразу же при возникновении аварии, а не тогда, когда объект транспортировки появится на поверхности моря, а чувствительность метода не зависит от уровня отражательной способности жидких или газообразных объектов транспортировки и времени жизни газовых пузырей, выходящих из поврежденного продуктопровода. Кроме того, обеспечивается возможность контроля протяженных (до нескольких сот километров) участков трубопровода при минимуме задействуемых сил и средств.

Для решения поставленной задачи предложен способ обнаружения порыва подводного трубопровода, включающий использование гидроакустического зондирования и оценку результатов зондирования, отличающийся тем, что, зондирование осуществляют вдоль трассы трубопровода с использованием излучателя и приемника, которые устанавливают на границах контролируемого участка трубопровода, при этом формируют не менее двух траекторий зондирующих лучей, например, путем излучения зондирующего сигнала из одной точки, в различных угловых диапазонах или из нескольких точек, различных по глубине и (или) расстоянию до приемника, при этом посредством вертикальной приемной антенной системы фиксируют глубину и угол прихода соответствующих зондирующих лучей, сравнивают последние данные с ранее полученными контрольными значениями глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе, после чего для зондирующего луча, наиболее отклонившегося от контрольных значений (предшествующего расчетного замера) строятся две теоретически рассчитанные траектории: от излучателя - траектория, по которой луч должен был бы распространяться и от приемной системы в сторону излучателя, луч, выпущенный с глубины и под углом, соответствующим последним полученным данным, точка пересечения которых соответствует положению зоны локального изменения гидрофизических характеристик среды, вследствие утечки материала из подводного трубопровода. Кроме того, в качестве контрольных значений глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе используют результаты, полученные экспериментальным и (или) расчетным методом, для аналогичных сезонных условий.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки "зондирование осуществляют вдоль трассы трубопровода с использованием излучателя и приемника, которые устанавливают на границах контролируемого участка трубопровода" обеспечивают возможность минимизации технических средств, потребных для решения поставленной задачи, возможность использования "стационарной" схемы работы.

Признаки "формируют не менее двух траекторий зондирующих лучей" обеспечивают независимость работоспособности предлагаемого способа от длины контролируемого участка.

Признаки "путем излучения зондирующего сигнала из одной точки, в различных угловых диапазонах или из нескольких точек, различных по глубине и (или) расстоянию до приемника" обеспечивают возможность различной реализации излучающего комплекса, в зависимости от конкретных условий работы.

Признаки "посредством вертикальной приемной антенной системы фиксируют глубину и угол прихода соответствующих зондирующих лучей" обеспечивают возможность выявления возмущений, влияющих на распространение зондирующего сигнала, вместе с признаком "сравнивают последние данные с ранее полученными контрольными значениями глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе" позволяют, в случае несовпадения полученных последними данных с контрольными значениями глубин и углов прихода зондирующих акустических лучей на приемную антенную систему, соответствующими невозмущенной фоновой гидрологии, зафиксировать факт локального нарушения объектами транспортировки фоновых гидрофизических характеристик водной среды: плотности и поля скорости звука.

Признаки "для зондирующего луча, наиболее отклонившегося от контрольных значений, строятся две теоретически рассчитанные траектории: от излучателя - траектория, по которой луч должен был бы распространяться и от приемной системы в сторону излучателя, луч, выпущенный с глубины и под углом соответствующим последним полученным данным, точка пересечения которых соответствует положению зоны локального изменения гидрофизических характеристик среды, вследствие утечки материала из подводного трубопровода" позволяют определить координаты точек, в которых могли произойти вызванные наличием течи в трубопроводе локальные нарушения фоновых гидрофизических характеристик среды, отклонившие зондирующие лучи от траекторий, соответствующих невозмущенной фоновой гидрологии.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют приемы получения контрольных значений глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе.

В основе способа лежат следующие положения.

Наличие значительных объемов систематизированной океанографической информации, в том числе содержащейся в специализированных банках данных, результаты исследований и обобщения многолетних натурных гидроакустических наблюдений применительно к конкретным районам Мирового океана и окраинным морям РФ указывают на наличие районированной фоновой структуры гидрофизических параметров и поля скорости звука, носящей четко выраженный пространственно-временной характер. В географических границах одного района происходит плавное изменение фоновой структуры от одного сезона к другому.

Вдали от фронтальных зон локальное скачкообразное изменение фоновой структуры может иметь лишь техногенный характер. Объекты транспортировки при наличии течи в подводном трубопроводе локально разрушают фоновую структуру гидрофизических параметров плотности и поля скорости звука морской среды. Степень локального разрушения фоновой структуры вдоль подводного трубопровода в первую очередь зависит от геометрических размеров порыва.

Область с техногенным нарушением фоновых гидрофизических характеристик изменяет траекторию зондирующих лучей за счет локального изменения вертикального распределения скорости звука. Информационным признаком обнаружения нарушений фоновой гидрологии являются параметры изменения координат, глубины и углов прихода акустических лучей на приемную антенную систему по сравнению с результатами зондирования и предварительного расчета по апробированным методикам при невозмущенных фоновых гидрофизических характеристиках контролируемой акватории вдоль подводного трубопровода.

На фиг.1-4 показаны возможные схемы реализации способа, соответственно, при использовании стационарно установленных на разной глубине излучателей, при использовании стационарно установленного излучателя с регулируемым сектором излучения в вертикальной плоскости, при использовании установленного на судне-носителе одного излучателя, перемещаемого вдоль трассы трубопровода на одной глубине и с использованием установленного на судне-носителе одного излучателя, перемещаемого по глубине; на фиг.5 показана схема реализации способа при наличии течи из трубопровода, при использовании установленного на судне-носителе одного излучателя, перемещаемого вдоль трассы трубопровода.

На чертежах показаны трубопровод 1, излучатель 2, приемник 3, поверхность акватории 4, траектории зондирующих лучей 5, судно-носитель 6, якорь 7, емкость плавучести 8, кабель-трос 9, течь 10.

Приемоизлучающая система диагностирования контролируемого подводного трубопровода может быть реализована следующим образом. Приемник 3 (приемная антенная система) выполнен в виде стационарной заякоренной вертикальной антенной решетки, с использованием известных конструкционных элементов.

В зависимости от конкретных условий и принятой схемы работы в качестве излучателя 2 может быть использован стационарно размещенный излучатель с регулируемым сектором излучения в вертикальной плоскости (при формировании зондирующего сигнала из одной точки его излучением в различных угловых диапазонах). При формировании зондирующего сигнала из нескольких точек, различных по глубине и (или) расстоянию до приемника излучателя, может быть использован излучатель с регулируемым сектором излучения в вертикальной плоскости, опускаемый с корабля (в первом случае сигнал излучают из точек, различных по глубине, при стоянке корабля на якоре, во втором - сигнал излучают на одной глубине из точек, расположенных вдоль трассы трубопровода 1).

Конструктивные параметры приемника 3 и излучателя 2 определяются протяженностью контролируемого участка (полигона) и особенностями его гидрологии, которые определяют мощность излучателя.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

В зависимости от конкретных условий работы, предшествующие контрольной фазе, будут следующими. Если имеется возможность определения контрольных значений глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе при неработающем трубопроводе (когда нет перекачки продуктов и, соответственно, невозможно восприятие течи как естественного гидрологического фактора), то целесообразно провести эту работу экспериментально в реальных условиях. При этом вначале, по апробированным методикам расчета распространения звука в лучевом приближении, определяют глубины излучения, при которых зондирующие водные лучи с выбранной дискретностью перекрывают всю диагностируемую область в вертикальной плоскости над трассой трубопровода 1. Затем для этой плоскости сечения формируют экспериментальный банк данных: для излучателя 2 - координаты выхода зондирующих лучей X_j ^из, Z_j ^из, θизj

- соответственно, расстояние между излучателем и приемной системой, глубина погружения излучателя и угол места выхода отдельных лучей. Для приемника 3 - параметры соответствующих зондирующих лучей 4, глубина прихода Z_j ^пр и угол прихода в вертикальной плоскости сечения θпрj т.е. те данные, которые будут использоваться в качестве контрольных. Формируется матрица экспериментальных данных для излучающей и приемной сторон полигона.

При расчетном методе формируют расчетный банк вышеупомянутых данных расчетом по апробированным методикам расчета распространения звука в лучевом приближении.

Далее ведут контроль, для чего посредством излучателя 2 формируют зондирующий сигнал(по матрице данных излучателя) в выбранной последовательности и в диапазоне углов, при котором в диагностируемой среде формируются только водные зондирующие лучи 5, которые затем воспринимаются приемником 3, посредством которого регистрируют глубину и угол прихода отдельных лучевых траекторий, по которым распространяются зондирующие лучи 5.

Затем производится анализ угловых спектров принятого зондирующего сигнала путем сравнения контрольных и полученных данных. При этом выявляются лучи 5, траектории которых отклонились от контрольных за счет появления на зондируемой трасе области с нарушением фоновой гидрологии (течи 10). Путем решения обратной задачи экспериментально-теоретическими методами, в лучевом приближении, локализуются в пространстве и определяются координаты этой области (строятся две теоретически рассчитанные траектории: от излучателя - траектория, по которой луч должен был бы распространяться и от приемной системы в сторону излучателя, луч, выпущенный с глубины и под углом, соответствующим последним полученным данным, точка пересечения которых соответствует положению зоны локального изменения гидрофизических характеристик среды, которое трактуется как техногенное.

Для детального обследования выявленного аномального участка акватории вдоль трассы трубопровода используют гидролокатор бокового обзора либо проводят осмотр участка с использованием водолазов.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при создании системы непрерывного наблюдения за техническим состоянием подводных продуктопроводов. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаружения утечек на их начальной стадии. В способе обнаружения порыва подводного трубопровода, зондирование осуществляют вдоль трассы трубопровода с использованием излучателя и приемника, которые устанавливают на границах контролируемого участка трубопровода, при этом, формируют не менее двух траекторий зондирующих лучей, например, путем излучения зондирующего сигнала из одной точки, в различных угловых диапазонах или из нескольких точек, различных по глубине и (или) расстоянию до приемника, при этом посредством вертикальной приемной антенной системы фиксируют глубину и угол прихода соответствующих зондирующих лучей, сравнивают последние данные с ранее полученными контрольными значениями глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе, после чего для зондирующего луча, наиболее отклонившегося от контрольных значений, строятся две теоретически рассчитанные траектории: от излучателя - траектория, по которой луч должен был бы распространяться и от приемной системы в сторону излучателя, луч, выпущенный с глубины и под углом, соответствующим последним полученным данным, точка пересечения которых соответствует положению зоны локального изменения гидрофизических характеристик среды, вследствие утечки материала из подводного трубопровода. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ обнаружения порыва подводного трубопровода, включающий использование гидроакустического зондирования и оценку результатов зондирования, отличающийся тем, что зондирование осуществляют вдоль трассы трубопровода с использованием излучателя и приемника, которые устанавливают на границах контролируемого участка трубопровода, при этом формируют не менее двух траекторий зондирующих лучей, например, путем излучения зондирующего сигнала из одной точки в различных угловых диапазонах или из нескольких точек, различных по глубине и (или) расстоянию до приемника, при этом посредством вертикальной приемной антенной системы фиксируют глубину и угол прихода соответствующих зондирующих лучей, сравнивают эти данные с ранее полученными контрольными значениями глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе, после чего для зондирующего луча, наиболее отклонившегося от предшествующего замера (расчетного), строятся две теоретически рассчитанные траектории: от излучателя - траектория, по которой луч должен был бы распространяться и от приемной системы в сторону излучателя, луч, выпущенный с глубины и под углом, соответствующим последним полученным данным, точка пересечения которых соответствует положению зоны локального изменения гидрофизических характеристик среды, вследствие утечки материала из подводного трубопровода. 2. Способ обнаружения порыва подводного трубопровода по п. 1, отличающийся тем, что в качестве контрольных значений глубин и углов прихода зондирующих лучей на приемной антенной системе используют результаты, полученные экспериментальным и (или) расчетным методом для аналогичных сезонных условий.