СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ О РАЗРЫВЕ ПРОДУКТОПРОВОДА Российский патент 2004 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к средствам предупреждения аварийных ситуаций на газо- и нефтепроводах и может быть использовано при создании системы непрерывного наблюдения за техническим состоянием подводных и (или) подземных продуктопроводов, т.е. продуктопроводов, недоступных для непосредственного контроля.

Известен способ предупреждения о разрыве продуктопровода, базирующийся на использовании 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 определяются лишь по прошествии 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 малой величине раскрытия трещины подводного продуктопровода пузыри газа или нефтепродуктов из порыва могут и не достичь поверхности, рассеиваясь и растворяясь в морской среде.

Известен также способ предупреждения о разрыве продуктопровода, включающий подачу зондирующего сигнала на трассе трубопровода 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, 1994, т.40, № 2, с.323). Способ базируется на использовании гидроакустических средств и 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, кроме того, достоверность результатов зондирования существенно зависит от параметров среды, окружающей трубопровод, т.е. зависит не только лишь от состояния продуктопровода. Кроме того, область использования известного решения ограничена подводными продуктопроводами, т.е. для их использования необходимо наличие среды достаточно однородной по составу, пригодной для акустического зондирования.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в обеспечении возможности постоянного контроля за исправностью продуктопровода и повышения оперативности предупреждения о разрыве подводного продуктопровода.

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в том, что обеспечивается непрерывный контроль за техническим состоянием продуктопровода, при этом чувствительность метода не зависит от состояния акватории. Кроме того, обеспечивается возможность контроля протяженных (до нескольких сот километров) участков трубопровода при минимуме задействуемых сил и средств.

Для решения поставленной задачи, способ предупреждения о разрыве продуктопровода, включающий подачу зондирующего сигнала на трассе трубопровода и оценку результатов зондирования, отличается тем, что в качестве зондирующего сигнала используют импульсный оптический сигнал, который посылают, как минимум, по одному стационарному измерительному каналу, изолированному от внешней среды, для образования которого с оболочкой продуктопровода скрепляют волоконный световод, при этом по длине каждого световода формируют с заданной периодичностью участки с повышенной отражательной способностью, причем о наличии и месте разрыва судят по изменению параметров отраженного оптического сигнала, получаемого от каждого из участков с повышенной отражательной способностью, кроме того, ввод зондирующего сигнала и прием отраженных сигналов осуществляют посредством регистрирующего оптического рефлектометра. Кроме того, участки с повышенной отражательной способностью выполняют в виде стыков между торцами отрезков волоконных световодов заданной длины, из которых формируют стационарный измерительный канал и (или) в виде петель, сформированных на волоконном световоде и (или) в виде дифракционных решеток, сформированных в сечении волоконного световода. Кроме того, при использовании нескольких стационарных измерительных каналов, по меньшей мере один из них укладывают в виде спирали, охватывающей контролируемый участок продуктопровода. Кроме того, волоконный световод скрепляют с оболочкой продуктопровода непрерывно, по всей длине контролируемого участка продуктопровода. Кроме того, световод скрепляют с оболочкой продуктопровода, на протяжении участков с повышенной отражательной способностью.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, “в качестве зондирующего сигнала используют импульсный оптический сигнал, который посылают... по.... стационарному измерительному каналу, изолированному от внешней среды, для образования которого с оболочкой продуктопровода скрепляют волоконный световод”, обеспечивают возможность минимизации технических средств, потребных для решения поставленной задачи, и возможность использования “стационарной” схемы работы. Кроме того, тем самым исключается зависимость измерительного сигнала от параметров состояния внешней среды.

Признак, указывающий, что стационарный измерительный канал должен быть не один, позволяет сделать идентифицирующий фактор (изменение параметров отраженного сигнала принимаемого на входе измерительного канала) однозначным при использовании нескольких линий световодов, позволяющих диагностировать ложное срабатывание одного из них при одновременном использовании этих линий.

Признаки, “по длине каждого световода формируют с заданной периодичностью участки с повышенной отражательной способностью”, обеспечивают возможность разбиения измерительного канала на ряд измерительных участков, что (вместе с нижеприведенным признаком) позволяет определить место разрушения оболочки продуктопровода.

Признаки, “о наличии и месте разрыва судят по изменению параметров отраженного оптического сигнала, получаемого от каждого из участков с повышенной отражательной способностью”, позволяют по изменению параметров принимаемого отраженного оптического сигнала определить участок, опасный по разрушению оболочки продуктопровода, практически до раскрытия в ней трещины разрыва (вместе с признаком, характеризующим оптический сигнал как импульсный). Кроме того, обеспечивается возможность упрощения работы, поскольку и передающий и приемные узлы размещены на одном и том же конце измерительного канала. Признаки, “ввод зондирующего сигнала и прием отраженных сигналов осуществляют посредством регистрирующего оптического рефлектометра”, упрощают реализацию способа и обеспечивают условия для мониторинга состояния продуктопровода и его отдельных участков в реальном режиме времени и позволяют “разделить” один длинный световод на отдельные измерительные участки и тем самым проводить из одной точки комплекс измерений по всем рабочим участкам.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют варианты выполнения участков с повышенной отражательной способностью.

Признаки третьего пункта формулы изобретения позволяют выявить продольный разрыв трубопровода.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения, задающие параметры скрепления волоконного световода с продуктопроводом, как “непрерывно, по всей длине контролируемого участка”, обеспечивают надежность выявления разрыва, т.е. позволяют зафиксировать разрыв при малой ширине трещины, поскольку тем самым исключается влияние растяжения световода, из-за его упругости, которое может достигать 5% от длины его растягиваемого участка. Кроме того, при таком закреплении обеспечивается полнота передачи вибрационных характеристик участков оболочки продуктопровода, участкам световодов, расположенных на них.

Признаки пятого пункта формулы изобретения, задающие параметры скрепления волоконного световода с продуктопроводом, как “на протяжении участков с повышенной отражательной способностью”, описывают возможный вариант скрепления световода с продуктопроводом, упрощающий эту операцию.

На чертеже показана схема реализации заявленного способа на примере подводного продуктопровода.

На чертеже показаны: 1 - прямолинейные стационарные измерительные каналы (волоконно-оптические световоды), 2 - спиралевидные стационарные измерительные каналы, 3 - оптические разъемы, 4 - регистрирующий оптический рефлектометр, 5 - блок обработки данных. Кроме того, на чертеже показаны участки волоконно-оптических световодов с повышенной отражательной способностью (отражающие участки) 6, продуктопровод 7, дно 8 акватории 9.

При реализации способа используют следующий комплект аппаратуры: волоконно-оптические световоды, один конец которых снабжен оптическими разъемами 3. Кроме того, в комплект аппаратуры включены регистрирующие оптические рефлектометры 4, блок обработки данных 5.

В качестве стационарных измерительных каналов использованы стандартные волоконные световоды, конструктивно одинаковые и предпочтительно сплошные. Оптические разъемы конструктивно аналогичны и представляют из себя стандартные соединители, обычно применяемые для соединения оптического волокна типоразмера, соответствующего использованному в конструкции измерительного канала.

Регистрирующий оптический рефлектометр 4 выполнен в стандартном едином корпусе и представляет собой излучатель с генератором оптических импульсов требуемой длительности, приемник отраженного оптического сигнала, порты ввода-вывода и может содержать индикаторный экран для отображения получаемой информации. На каждый стационарный измерительный канал устанавливают свой регистрирующий оптический рефлектометр 4 (как это имеет место в примере, иллюстрирующем заявку), либо используют такое известное устройство, как коммутатор оптических каналов (на чертежах не показан), обеспечивающий возможность работы одного рефлектометра с несколькими оптическими каналами.

Выход регистрирующего оптического рефлектометра 4 связан со входом блока обработки данных 5, в качестве сигнального узла 10 которого может быть использован простейший преобразователь известной конструкции, обеспечивающий либо управление оптическим и (или) акустическим индикатором, выведенным на пульт оператора насосной установкой продуктопровода (или его задвижками) - на чертежах названное оборудование не показано, или же один из выходов блока обработки данных 5 может быть непосредственно связан с блоками аварийного управления (на чертежах не показан) насосной установкой продуктопровода или его задвижками. Блок обработки данных 5 должен также содержать узел 11, обеспечивающий измерение мощности принимаемого рефлектометром отраженного оптического сигнала и время его приема для обеспечения возможности измерения промежутка времени между излучением оптического сигнала и временем его прихода в фотоприемник (на чертежах не показан). Блок обработки данных 5 подключен непосредственно к ЭВМ (на чертежах не показана), посредством колодки, подключаемой на входную колодку компьютера. Измерения промежутка времени между излучением оптического сигнала и временем прихода оптических сигналов, отраженных от всех отражающих участков 6 волоконно-оптических световодов (участков с повышенной отражательной способностью), операция запоминания полученных данных, их сравнение с ранее полученными и выработка соответствующего управляющего сигнала (на дублирование функций узла 10 и (или) выявление аварийного участка продуктопровода и т.п.) целесообразно проводить посредством компьютера на основе соответствующего программного обеспечения.

Способ иллюстрируется на примере подводного продуктопровода. Формируют стационарные измерительные каналы 1 и 2, для чего на оболочке продуктопровода 7 закрепляют (например, приклеивают) заданное число волоконных световодов. При формировании участков с повышенной отражательной способностью 6 в виде петель используют длинные сплошные волоконные световоды, сматывая их с бобин (на чертежах не показаны) и наклеивая на оболочку продуктопровода, по мере его наращивания, периодически (на заданном расстоянии друг от друга) выкладывая П-образные петли (на этих участках световод также скрепляют с оболочкой продуктопровода). При формировании участков с повышенной отражательной способностью 6 в виде стыков между торцами отрезков волоконных световодов заданной длины, из названных отрезков световодов формируют стационарный измерительный канал, для чего сваривают отрезки торцами друг с другом, после чего длинный световод приклеивают к оболочке продуктопровода, по мере его наращивания. При формировании участков с повышенной отражательной способностью 6 в виде дифракционных решеток, предварительно длинный световод пропускают через установку, которая посредством мощного оптического импульса формирует в световоде участок с заданной характеристикой пропускания оптического сигнала. Последующие операции аналогичны вышеописанным.

Эти работы проводят до нанесения на продуктопровод штатного защитного покрытия и размещения сформированной плети продуктопровода 7 на дне 8 акватории 9. При этом технология строительства продуктопровода не отличается от общепринятой.

Выводы волоконных световодов, выступающие за пределы контролируемого участка, со стороны, на которой предполагается размещение аппаратного комплекса, снабжают оптическими разъемами 3, посредством которых стационарные измерительные каналы подключают к регистрирующему оптическому рефлектометру 4, выходы которого связывают со входом (или входами) блока обработки данных 5 и ЭВМ.

Включают в работу регистрирующие оптические рефлектометры 4, при этом оптические сигналы, пройдя по соответствующим волоконным световодам, последовательно проходят через все участки с повышенной отражательной способностью 6, частично отражаясь от каждого из них. То есть при прохождении зондирующего сигнала по стационарному измерительному каналу возникают отраженные оптические сигналы, число которых равно числу “отражающих” участков 6. При этом использование в качестве зондирующего сигнала импульсного оптического сигнала, с учетом применения регистрирующих рефлектометров (как средства ввода излучения и вывода измерительного сигнала) позволяет “разделить” один длинный световод на отдельные измерительные участки (разделенные участками с повышенной отражательной способностью 6) и тем самым обеспечить возможность однозначного выявления участков световода с эксцессивной динамикой изменения отраженного оптического сигнала.

Параметры каждого отраженного оптического сигнала несут в себе информацию об “условиях работы” участка световода, расположенного между соседними “отражающими” участками 6, в частности они зависят от амплитудно-частотной характеристики вибрации участка оболочки “работающего” продуктопровода, несущего данный участок световода. Амплитудно-частотная характеристика участка оболочки продуктопровода зависит от режима работы (расхода через продуктопровод) и состояния его оболочки. Таким образом, возникновение уже зародышей трещин приводит к изменению упругости оболочки продуктопровода и, следовательно, амплитудно-частотной характеристики соответствующего участка продуктопровода и связанного с ним стационарного измерительного канала. Отслеживая динамику изменения амплитудно-частотной характеристики отраженных оптических сигналов на отдельных участках волоконных световодов, составляющих стационарные измерительные каналы в сравнении друг с другом, выявляют участки, на которых происходят опасные изменения механических характеристик оболочки продуктопровода.

Длительность импульсного оптического сигнала определяют из выражения: τ<Lp/v (здесь τ - длительность оптических импульсов; Lp - наименьшая длина рабочего участка волоконного световода, расположенного между соседними “отражающими” участками 6; v - скорость света в волоконном световоде), т.к. такая длительность оптических импульсов обеспечивает осуществимость предлагаемого способа, поскольку при их длительности, большей задаваемой, зондирующий сигнал будет отражаться не от каждого “отражающего” участка 6, а потому будет невозможна однозначная “привязка” местоположения “возмущений” отраженного оптического сигнала к отдельному рабочему участку световода.

Таким образом, при постоянстве параметров отраженных оптических сигналов во времени на выходе блока обработки данных 5 отсутствует управляющий сигнал.

При разрыве продуктопровода 9 одновременно разрушаются стационарные измерительные каналы 1 и (или) 2 (обрываются волоконные световоды на участке, пересекающем образовавшуюся трещину, - на чертежах не показана), оптический сигнал не доходит до конца измерительного канала и отражается от поверхности разрыва световода, поэтому уменьшается величина промежутка времени между излучением оптического сигнала и временем его прихода в фотоприемник 6. В результате на выходе блока обработки данных 7 появляется соответствующий управляющий сигнал (т.е. либо срабатывает индикатор на пульте оператора, либо срабатывает блок аварийного управления насосной установкой продуктопровода или его задвижками, прекращая подачу продукта).

Кроме того, измеряют величину промежутка времени между излучением оптического сигнала и временем его прихода в фотоприемник и, зная скорость распространения света в световоде, определяют расстояние до места разрыва.

При продольном разрыве прямолинейные стационарные измерительные каналы 1, ориентированные вдоль продольной оси продуктопровода, могут вовсе не пострадать. Для фиксации таких разрушений используют спиралевидные стационарные измерительные каналы 2, которые разрушаются продольными трещинами.

Для детального обследования выявленного участка акватории в зоне предполагаемого разрыва продуктопровода используют гидролокатор бокового обзора либо проводят осмотр участка с использованием водолазов. В процессе ремонта продуктопровода на заменяемые его участки также наклеивают волоконные световоды, торцы которых соединяют сваркой с торцами исправных участков волоконных световодов, ранее зафиксированных на оболочке продуктопровода.

Изобретение может быть использовано для непрерывного наблюдения за техническим состоянием подводных и подземных продуктопроводов. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности постоянного контроля за исправностью продуктопровода и повышения оперативности предупреждения о разрыве подводного продуктопровода. В способе предупреждения о разрыве продуктопровода, включающем подачу зондирующего сигнала на трассе трубопровода и оценку результатов зондирования, в качестве зондирующего сигнала используют импульсный оптический сигнал, который посылают, как минимум, по одному стационарному измерительному каналу, изолированному от внешней среды, для образования которого с оболочкой продуктопровода скрепляют волоконный световод, при этом по длине каждого световода формируют с заданной периодичностью участки с повышенной отражательной способностью, причем о наличии и месте разрыва судят по изменению параметров отраженного оптического сигнала, получаемого от каждого из участков с повышенной отражательной способностью, кроме того, ввод зондирующего сигнала и прием отраженных сигналов осуществляют посредством регистрирующего оптического рефлектометра. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ предупреждения о разрыве продуктопровода, включающий подачу зондирующего сигнала на трассе трубопровода и оценку результатов зондирования, отличающийся тем, что в качестве зондирующего сигнала используют импульсный оптический сигнал, который посылают, как минимум, по одному стационарному измерительному каналу, изолированному от внешней среды, для образования которого с оболочкой продуктопровода скрепляют волоконный световод, при этом по длине каждого световода формируют с заданной периодичностью участки с повышенной отражательной способностью, причем о наличии и месте разрыва судят по изменению параметров отраженного оптического сигнала, получаемого от каждого из участков с повышенной отражательной способностью, кроме того, ввод зондирующего сигнала и прием отраженных сигналов осуществляют посредством регистрирующего оптического рефлектометра.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что участки с повышенной отражательной способностью выполняют в виде стыков между торцами отрезков волоконных световодов заданной длины, из которых формируют стационарный измерительный канал.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что участки с повышенной отражательной способностью выполняют в виде петель, сформированных на волоконном световоде.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что участки с повышенной отражательной способностью выполняют в виде дифракционных решеток, сформированных в сечении волоконного световода.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании нескольких стационарных измерительных каналов, по меньшей мере, один из них укладывают в виде спирали, охватывающей контролируемый участок продуктопровода.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что волоконный световод скрепляют с оболочкой продуктопровода непрерывно по всей длине контролируемого участка продуктопровода.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что волоконный световод скрепляют с оболочкой продуктопровода на протяжении участков с повышенной отражательной способностью.