СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДА И НЕСАНКЦИОНИРОВАННЫХ ВРЕЗОК В ТРУБОПРОВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F17D5/02 

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано для обнаружения местоположения дефектов магистральных и иных трубопроводов, а также несанкционированных (криминальных) врезок в трубопровод. В последнее время в связи со значительным износом магистральных и локальных трубопроводов, а также с участившимися случаями несанкционированных врезок в трубопроводы с сырой нефтью и нефтепродуктами возникла насущная потребность в технических средствах, позволяющих быстро, гибко и с минимальными затратами проводить предварительную диагностику состояния трубопровода и поиск врезок в трубопровод. Существующие на сегодняшний день образцы технических средств являются в основном внутритрубными дефектоскопами, запускаемыми внутрь трубопровода и сканирующими трубопровод по мере продвижения под действием искусственно создаваемого позади них давления.

Использование промышленно выпускаемых однокомпонентных магнитометров, таких как СКВИД или ЯМР, не всегда удобно и оправдано: они, как правило, достаточно инерционны, имеют неудобное расположение и форму датчика, узкий динамический диапазон, обладают избыточной точностью и большим временем обработки результатов, часто требуют неподвижности при проведении измерений, дороги и основаны на сложных в эксплуатации технологиях измерения магнитной индукции.

Перечисленные недостатки не позволяют автоматизировать процесс обследования трубопроводов.

Следовательно, возникает необходимость в создании компактного недорогого портативного, автоматизированного устройства, пригодного для практической реализации вышеуказанного способа, а именно в приборе, приспособленном для контроля вертикальной составляющей магнитной индукции, простом и технологичном в изготовлении, не нуждающемся в точной поверке, пригодном для переноски и использования одним человеком.

Известен способ обнаружения дефектов внутрипромысловых трубопроводов, заключающийся в следующем: измеряют значения модуля полного вектора магнитной индукции над трубопроводом в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,25-0,5 м, путем перемещения датчика вдоль линии трубопровода, строят график зависимости величины модуля вектора магнитной индукции от расстояния и находят средние значения магнитной индукции для выбранного участка, затем определяют величины среднеквадратичных отклонений и выделяют участки трубопровода, где величины значений модуля индукции магнитного поля равны или превышают удвоенное значение величины среднеквадратического отклонения, выделенные на графике участки трубопровода определяют на местности, раскапывают эти участки и осуществляют визуально-измерительный контроль с использованием контактных средств диагностики.

Средние значения величин магнитной индукции определяют для участка длиной не более 250 м [Патент РФ 2301941, МПК F17D 5/02].

Этот способ имеет ряд существенных недостатков:

- в этом способе используется СКВИД или ЯМР магнитометр - достаточно дорогой измерительный прибор, выполнение измерений с помощью которого требуют неподвижности сенсоров прибора, что приводит к необходимости останавливаться для каждого измерения, существенно снижая скорость обследования трубопровода; в ходе обследования приходится работать с большим количеством данных - до 4000 значений на километр трассы, причем результаты обследования становятся доступными только после математической обработки всего массива данных (или, по крайней мере, данных, собранных на протяжении 250 м),

- кроме того, при измерении полного модуля вектора магнитной индукции имеет решающее значение ориентация датчиков прибора в пространстве по азимуту, по вертикали и по смещению относительно оси трубы, и отклонение, особенно азимутальное, вносит сильные колебания показаний при измерении составляющих вектора магнитной индукции, что негативно сказывается на достоверности результатов обследования.

Известно устройство для обнаружения неразрешенного отбора продуктов транспортировки из трубопровода, которое представляет внутритрубный снаряд и содержит перемещающийся на роликах узел, несущий электронные блоки, датчик пройденного пути, множество емкостных электромеханических датчиков отверстий, расположенных на прилегающем к трубопроводу кольце и соединенных через схему логического ИЛИ со счетчиком импульсов, счетный вход которого подключен к датчику пройденного пути, выполненному с внутренним магнитом, обеспечивающим его скольжение по стенке трубопровода без скольжения [Патент РФ №2191322, МПК F16D 5/00].

Данному устройству присущи все недостатки типичного внутритрубного снаряда-диагноста: необходимо останавливать транспортировку продукта, запускать устройство внутрь через пусковую камеру, нагнетать давление, что занимает несколько дней.

Отдельной проблемой является определение точного местоположения обнаруженного дефекта или врезки, т.к. устройства измерения пройденного расстояния при всем многообразии конструкций часто отказывают или бывают неточны.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, включающий измерение магнитной индукции над трубопроводом с одновременным перемещением датчика вдоль трубопровода, выявление участка с дефектом. Раскапывание трубы с последующим визуальным осмотром и контактной диагностикой. При этом измеряют только вертикальную составляющую вектора магнитной индукции, измерения проводят непрерывно в процессе перемещения датчика, отслеживают сильные, более 10%, изменения модуля вертикальной составляющей вектора магнитной индукции над местом сильного изменения магнитной индукции производят повторный проход датчика [Патент РФ №2379579, МПК F17D 5/02].

Недостатком способа является то, что способ, использующий контроль только вертикальной составляющей магнитной индукции над трубопроводом, значительно подвержен влиянию глобальных магнитных полей, а также то, что известный способ предназначен для контроля мгновенных значений изменения магнитной индукции без возможности записи измеряемых значений модуля сигнала и его координат.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, используемое в способе для обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, содержащее корпус с электронным блоком, при этом электронный блок содержит антенну с вертикально расположенным феррозодовым датчиком на карданной подвеске, соединительный кабель, микроконтроллер, выходной буферный каскад, программируемый делитель, повторитель напряжения, входной усилитель, перемножитель частот, фильтр нижних частот, логарифмический усилитель, узкополосный фильтр, выпрямитель-интегратор, жидкокристаллический дисплей, при этом сигнальная обмотка соединена через входной усилитель с перемножителем частот, который соединен с фильтром нижних частот, подключенным через логарифмический усилитель к узкополосному фильтру, выход которого в свою очередь через выпрямитель-интегратор соединен с микроконтроллером [Патент РФ №2379579, МПК F17D 5/02].

Известное устройство имеет ряд недостатков:

- устройство не подвержено автоматизированию вследствие отсутствия в известном устройстве привязки к системе глобального позиционирования,

- использование феррозондового датчика для диагностики магнитного состояния магистральных трубопроводов вносит некорректность в результаты обследования, обусловленную узким динамическим диапазоном указанного устройства. Это объясняется тем, что рабочая характеристика феррозондового датчика настраивается на крутом, узком участке нелинейной характеристики магнитного сердечника датчика для обеспечения высокой чувствительности датчика. Кроме того, чувствительность прибора по этой же причине находится в функциональной зависимости от внешней магнитной индукции над обследуемым трубопроводом. Трубопровод в процессе обследования содержит более широкий спектр изменения магнитной индукции. Это приводит к тому, что в определенные моменты работы прибора характеристика настройки смещается под действием внешнего магнитного поля трубопровода и прибор теряет чувствительность и соответственно повышается уровень помех.

Опыт использования автором этого метода для обследования магистральных трубопроводов показал, что динамический диапазон магнитной индукции над магистральными трубопроводами может в несколько раз превышать рабочий диапазон феррозондового датчика. Феррозондовый датчик имеет большую чувствительность только после настройки на самом крутом нелинейном участке петли гистерезиса - в области насыщения используемого магнитного сердечника. Информационным сигналом при этом является вторая гармоника от частоты подмагничивания сердечника. При этом, чем круче нелинейный участок, тем выше чувствительность, но рабочий динамический диапазон датчика при этом сужается. Это приводит к тому, что в зонах упругих, упругопластических деформаций, критических дефектов и врезок в трубопровод магнитная индукция может в разы превышать рабочий динамический диапазон феррозондового датчика. В этих зонах датчик теряет чувствительность: «ослепляется» либо становится функционально зависимым от магнитного поля трубопровода.

- недостатком является также необходимость строго сохранять вертикальное положение антенны для обеспечения помехозащищенности от азимутальной составляющей магнитного поля над обследуемым трубопроводом. На практике при движении оператора не удается исключить колебательные движения антенны. Это в свою очередь вносит помехи от влияния азимутальной составляющей на полезный сигнал.

Задачей предлагаемого изобретения является автоматизация процесса измерения вертикального градиента магнитной индукции над обследуемым трубопроводом, расширение динамического диапазона измеряемой магнитной индукции, повышение помехозащищенности и достоверности результатов обследования с одновременным документированием результатов обследования на твердотельный носитель.

При реализации изобретения достигается следующий технический результат:

- автоматизация процесса измерения;

- расширение динамического диапазона измеряемого градиента магнитной индукции;

- повышение помехозащищенности и достоверности результатов обследования;

- документирование результатов обследования на твердотельный носитель.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, включающем непрерывное измерение вертикальной составляющей магнитной индукции над трубопроводом и вдоль него и выявление участка трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой, особенность заключается в том, что определяют градиент модуля вертикального вектора магнитной индукции с получением магнитограммы и производят запись считываемой магнитограммы на твердотельную память, при этом наличие участка трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой определяют по плавному возрастанию или убыванию магнитограммы в зависимости от направленности магнитного поля, при этом запись магнитограммы на твердотельную память производят в соответствии с изменением координат, получаемых от встроенного модуля глобального позиционирования.

Индукционный метод имеет широкий динамический диапазон, т.к. перемагничивание магнитного сердечника в этом случае осуществляется по полной магнитной петле гистерезиса.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, содержащем корпус с электронным блоком и антенну, особенность заключается в том, что оно снабжено программно управляемым резистором, инструментальным усилителем, контроллером, модулем GPS-Глонасс, блоком индикации, блоком твердотельной памяти и схемой из двух индукционных датчиков, размещенных на одной оси, разнесенных в пространстве и включенных в дифференциально-мостовую схему с электронной балансировкой программно управляемым резистором, при этом антенна выполнена с возможностью передачи сигнала со своего выхода через инструментальный усилитель и двунаправленный интерфейс на вход контроллера, выполненного с возможностью получения сигнала с модуля GPS-Глонасс и передачи сигнала на блок индикации, блок твердотельной памяти и через двунаправленный интерфейс - на управляющий вход программно-управляемого резистора.

Использование дифференциальной мостовой схемы расширяет динамический диапазон воспринимаемого прибором градиента магнитной индукции и позволяет компенсировать влияние внешних факторов - температуру, влажность, давление, глобальные магнитные поля и др.

Локальные магнитные поля, вызванные дефектом трубопровода или врезкой в трубопровод и, соответственно, возникновением магнитных полей рассеяния, обусловленных эффектом «Виллари», имеют криволинейную форму. Криволинейная форма магнитных полей хорошо воспринимается предлагаемым датчиком, т.к. градиент сигнала в этой зоне меняется в широких пределах, а глобальные магнитные поля и проекция азимутальных составляющих глобальных полей на датчики компенсируются.

Повышается чувствительность датчика за счет балансировки адаптивной дифференциальной схемы в полевых условиях.

Программно управляемый резистор позволяет обеспечить практически мгновенную и точную балансировку дифференциально-мостовой схемы.

Способ обнаружения дефектов в трубопроводе и врезок в трубопровод осуществляется следующим образом.

Производят непрерывное измерение вертикальной составляющей магнитной индукции над обследуемым трубопроводом и вдоль него, выявляют участок трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой, затем определяют градиент модуля вертикального вектора магнитной индукции с получением магнитограммы и производят запись считываемой магнитограммы на твердотельную память. При этом наличие участка трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой определяют по плавному возрастанию или убыванию магнитограммы в зависимости от направленности магнитного поля, запись магнитограммы на твердотельную память производят в соответствии с изменением координат, получаемых от встроенного модуля глобального позиционирования.

Для пояснения указанного способа на фиг. 1 представлен фрагмент участка трубопровода 1, находящегося под слоем грунта 2, с условной врезкой 3. В стенках трубопровода под давлением перекачиваемого продукта возникают замкнутые магнитные поля, вызванные эффектом Виллари, или обратным магнитострикционным эффектом. Величина магнитной индукции, вызываемой эффектом Виллари, прямо пропорциональна относительному удлинению стенок трубопровода от действующего давления продукта в трубопроводе. Если поверхность трубопровода не содержит нарушений сплошности, магнитная индукция замыкается по периметру поперечного сечения и не выходит наружу. В местах нарушения сплошности трубопровода возникают магнитные поля рассеяния. Силовые магнитные линии указанных полей изображены на фиг. 1 пунктирными линиями. Если двигаться вдоль оси к месту врезки или дефекта, то полученный график изменения магнитного поля над пройденным участком (магнитограмма) с такого датчика будет соответствовать магнитограмме 4. Объясняется это тем, что глобальные магнитные поля, включающие в себя магнитное поле земли и магнитное поле трубопровода, являются прямолинейными, т.к. имеют большую протяженность. Магнитные поля рассеяния имеют криволинейную форму. При вхождении антенны в криволинейное магнитное поле рассеяния от дефекта или врезки градиент модуля сигнала и соответственно разбаланс дифференциально-мостовой схемы плавно возрастает или убывает в зависимости от направленности магнитного поля. Это связано с тем, что в катушку, направленную ближе к трубе, криволинейный сигнал поступает раньше, т.к. интенсивность силовых линий в нижней части датчика выше, а с увеличением расстояния происходит рассеяние полей и соответственно меньшее количество силовых линий магнитного поля. В точке, где кривизна магнитных полей максимальна, появляется максимум разбаланса моста. При дальнейшем движении антенны катушки попадают в продольную часть магнитного поля, уменьшая значение сигнала разбаланса моста. В момент, когда ось антенны находится непосредственно над источником полей рассеяния, разбаланс моста стремится к нулевому значению. Далее сигнал меняет полярность, т.к. силовые линии магнитного поля также меняют полярность и сигнал повторяется в обратной полярности.

Запись считываемой магнитограммы осуществляется в соответствии с изменением координат, получаемых от встроенного модуля глобального позиционирования, на твердотельную память в соответствии с изменением географических координат модуля GPS-Глонасс.

Запись считываемой магнитограммы в соответствии с изменением времени при равномерном перемещении датчика вдоль трубопровода на твердотельную память позволяет документировать получаемую информацию с привязкой ко времени, что, учитывая быстродействие датчиков, дает высокое разрешение сигнала.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства. Антенна 5 содержит дифференциально-мостовую схему из индукционных датчиков 6 и 7, размещенных на одной оси и разнесенных в пространстве и включенных в дифференциально-мостовую схему с электронной балансировкой, в одну диагональ которой подается переменное высокочастотное напряжение с генератора 8 через программно управляемый резистор 9 с электронной балансировкой. Выход антенны выполнен с возможностью передачи сигнала со своего выхода через инструментальный усилитель 10 и двунаправленный интерфейс 11 поступает на вход контроллера 13, выполненного с возможностью получения сигнала с модуля GPS-Глонасс и передаче сигнала на блок индикации 16. На другой вход контроллера 13 поступает сигнал с антенны 14 модуля GPS-Глонасс 15, осуществляющий привязку к географическим координатам, а с выхода контроллера 13 сигнал поступает одновременно на блок индикации 16 и блок твердотельной памяти 17, второй управляющий выход контроллера 13 через двунаправленный интерфейс 11 поступает на управляющий вход программно- управляемого резистора 9.

Дальнейшая работа прибора проходит в автоматическом режиме. При движении пользователя вдоль оси трубопровода происходит смена координат местоположения, что соответственно фиксируется модулем GPS-Глонасс 15 и каждой смене координат соответствует модуль сигнала градиента вектора магнитной индукции. Получаемая информация в табличной форме накапливается в блоке внешней памяти, а текущие данные в виде фрагмента участка воспроизводятся на экране блока индикации. Меню контроллера 13 содержит дополнительный режим локального сканирования с привязкой ко времени. В этом режиме используются временные метки, позволяющие при равномерной скорости обследования трубопровода накапливать данные модуля градиента магнитной индукции в зависимости от изменения времени. Режим локального сканирования позволяет получить более высокую степень детализации дефектов на один или два порядка. Режим глобального позиционирования и режим локального сканирования могут накладываться для улучшения детализации обследуемого объекта.

Использование дифференциально-мостовой схемы расширяет динамический диапазон воспринимаемого прибором градиента магнитной индукции и позволяет компенсировать влияние внешних факторов - температуру, влажность, давление и др.

Симметричная работа катушек индукционных датчиков обеспечивает широкий динамический диапазон измерения градиента вектора магнитной индукции. Чувствительность обеспечивается выбором материала сердечника, технологичностью исполнения датчиков и базовым расстоянием между датчиками.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают прорывные возможности в области магнитометрии трубопроводов и позволяют распространить эти возможности в других отраслях народного хозяйства, таких как геофизика, геология, транспорт и оборонная промышленность. Проведенные исследования позволили получить магнитометрические датчики, имеющие большой запас чувствительности и быстродействия и позволяющие использовать их в автоматизированных навигационных системах. Предполагаемое изобретение, реализованное по предлагаемой функциональной схеме, позволило получить автоматизированное устройство бесконтактного обследования магистральных трубопроводов с поверхности грунта над трубопроводом. При этом конечным продуктом обследования является документ с географической привязкой к координатам каждой точки выдаваемой встроенной навигационной системой GPS-Глонасс.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют быстро, гибко и с минимальными затратами проводить предварительную диагностику состояния трубопровода и поиск врезок в трубопровод.

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта. Технический результат - повышение помехозащищенности и достоверности. Сущность способа обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод заключается в измерении вектора магнитной индукции над трубопроводом с одновременным перемещением датчика вдоль трубопровода. Выявляют участок с дефектом, причем измеряют только вертикальную составляющую вектора магнитной индукции, измерения проводят непрерывно в процессе перемещения датчика. При этом измеряют градиент вертикального вектора магнитной индукции и производят запись считываемой магнитограммы в соответствии с изменением координат, получаемых от встроенного модуля глобального позиционирования, на твердотельную память. Устройство содержит корпус с электронным блоком и антенной с датчиком. При этом введена схема из двух индукционных датчиков, размещенных на одной оси, разнесенных в пространстве и включенных в дифференциально-мостовую схему с электронной балансировкой программно управляемым резистором. Сигнал с выхода антенны через инструментальный усилитель и двунаправленный интерфейс поступает на вход контроллера, на другой вход которого поступает сигнал с антенны и модуля GPS-Глонасс. С выхода контроллера сигнал поступает одновременно на блок индикации и блок твердотельной памяти, второй управляющий выход контроллера через двунаправленный интерфейс поступает на управляющий вход программно управляемого резистора. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, включающий непрерывное измерение вертикальной составляющей магнитной индукции над трубопроводом и вдоль него и выявление участка трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой, отличающийся тем, что определяют градиент модуля вертикального вектора магнитной индукции с получением магнитограммы и производят запись считываемой магнитограммы на твердотельную память, при этом наличие участка трубопровода с дефектом или с несанкционированной врезкой определяют по плавному возрастанию или убыванию магнитограммы в зависимости от направленности магнитного поля, а запись магнитограммы на твердотельную память производят в соответствии с изменением координат, получаемых от встроенного модуля глобального позиционирования.

2. Устройство для обнаружения дефектов трубопровода и несанкционированных врезок в трубопровод, содержащее корпус с электронным блоком и антенну, отличающееся тем, что оно снабжено программно управляемым резистором, инструментальным усилителем, контроллером, модулем GPS-Глонасс, блоком индикации, блоком твердотельной памяти и схемой из двух индукционных датчиков, размещенных на одной оси, разнесенных в пространстве и включенных в дифференциально-мостовую схему с электронной балансировкой программно управляемым резистором, при этом антенна выполнена с возможностью передачи сигнала со своего выхода через инструментальный усилитель и двунаправленный интерфейс на вход контроллера, выполненного с возможностью получения сигнала с модуля GPS-Глонасс и передачи сигнала на блок индикации, блок твердотельной памяти и через двунаправленный интерфейс - на управляющий вход программно управляемого резистора.