Способ дистанционной диагностики магистральных трубопроводов Российский патент 2024 года по МПК F17D5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния сварных швов и изоляции трубопроводов.

Известны способы и устройства диагностики магистральных трубопроводов с помощью внутритрубных дефектоскопов регистрирующих искажение магнитного поля на сварных, либо используют электромагнитный и ультразвуковой методы контроля [RU №117186, опубл. 20.06.2012], [RU №161019, опубл. 10.04.2016].

Недостатками этих способов является низкая производительность их работы определяемой скоростью движения углеводородов внутри трубопровода, высокая стоимость и трудоемкость.

Известен магнитный дефектоскоп наружного контроля трубопроводов, содержащий магнитопоисковую систему и устройство беспроводной связи [RU № 75750, опубл. 20.08.2008].

Недостатком этого способа дефектоскопии является влияние дрейфа нуля, обусловленного флуктуациями постоянного поля Земли, работа по поверхности грунта, низкая скорость обследования.

В геофизике используется электроразведочный метод кажущегося сопротивления под названием дипольное электромагнитное профилирование, заключающийся в возбуждении георазреза током электромагнитного дипольного излучателя и измерении амплитуды сигналов приемным датчиком отраженного поля. Подобный метод работает на низких частотах (менее 100 кГц) и из-за низкой чувствительности не может быть использован для измерения с воздуха изменений проводимости сварных швов трубопровода [Дипольное электромагнитное профилирование [Текст]: Метод. руководство / М-во геологии СССР, Науч.-произв. об-ние "Геофизика"; [А.П. Савин, Г.С. Франтов, Г.П. Варгин и др.]; под ред. Г.С. Франтова. - Ленинград: Недра. Ленингр. отд-ние, 1978. - 136 с.].

Известен способ видеоимпульсной подповерхностной радиолокации, заключающийся в облучении поверхности земли импульсными сигналами электромагнитного поля и принимаемых, отраженных от земли радиосигналов, несущих информацию о строении георазреза [RU №2100825, G01S 13/95, опубл. 27.12.1997].

Этот способ реализуется путем размещения антенн радиолокатора вблизи поверхности грунта на колесных тележках, из-за низкой чувствительности неприменим для применения с беспилотного летательного аппарата.

Известен георадар для дистанционного поиска местоположения подземных магистральных коммуникаций и определения их поперечного сечения, размера и глубины залегания в грунте [RU №2256941, опубл. 20.07.2005], реализующий способ видеоимпульсной радиолокации с размещением на летательном аппарате.

Данный способ предназначен только для геопозиционирования трубопровода и не содержит элементов дистанционного контроля его дефектов.

Техническим результатом изобретения является повышение дальности и скорости обследования, снижение трудоемкости работ и получение дополнительных информационных параметров - повреждение изоляции и контроль линии положения трубопровода в пространстве.

Для решения задачи диагностики состояния трубопроводов предложен:

Способ дистанционной диагностики сварных швов и состояния изоляции магистральных трубопроводов, заключающийся в облучении земли высокочастотным электромагнитным полем с борта беспилотного летательного аппарата (БПЛА), запоминании параметров отраженного сигнала с одновременной записью координат положения дефектов по данным приемника космических навигационных систем и отметкой линии положения трубопровода по вариациям амплитуды радиосигнала, отличающийся тем, что длину волны излучения подбирают в зависимости от глубины залегания трубопровода, так что бы она превышала глубину скин-слоя электромагнитной волны в грунте, излучение ведут с помощью горизонтального вибратора параллельно оси трубопровода, а принимают на два ортогональных вибратора, один из которых параллелен излучающему, а второй ортогональный ему, излучающий и приемные вибраторы располагают на противоположных крыльях беспилотного летательного аппарата, а из принимаемых радиосигналов с помощью бортового микроконтроллера определяют их фазы и амплитуды, по изменению которых отмечают появление дефектов сварных швов и нарушение изоляции.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема реализации предложенного способа, где: 1 - поверхность земли; 2 - сварные швы; 3 - нарушенная изоляция; 4 - БПЛА; 5 - приемные вибраторы; 6 - передающий вибратор; 7, 8 - приемники; 9, 10 - амплитудные детекторы; 11 - фазовый детектор; 12 - микроконтроллер; 13 - навигационный приемник; 14 - дифференциальная схема; 15 - модуль управления БПЛА, 16 - модулятор; 17 - передатчик; 18 - трубопровод. На фиг. 2а изображена схема формирования отраженной электромагнитной волны радио локационной станции (РЛС), где показано: 18 - трубопровод; 3 - скин-слой электромагнитной волны (ЭМ) толщиной ; - сварные швы; НИ - нарушение изоляции; 19 - наведенный ток; ЭМ - поле передатчика; 21 - вытекающий ток через нарушенную изоляцию; 22 - E_X, E_Y' напряженность ЭМ поля. На фиг. 2б показана эквивалентная электрическая схема формирования тока в стенках трубы, наведенного электромагнитной волной РЛС, где: - наведенная в стенке трубы ЭДС; - наведенный в трубе ток; и соответственно электрическое сопротивление дефектного шва и скин-слоя электромагнитной волны в стенке трубы; - ёмкостное сопротивление изолирующей оболочки; НИ - нарушение изоляции; - сопротивление утечки изоляции.

Физической основой метода является возбуждение продольного тока I в стенке трубы на глубине скин-слоя электромагнитной волны, излучаемой широкополосным передающим вибратором 6. Наведенный ток через емкость образуемой стенкой трубы и изоляции замыкается на грунт. Амплитуда этого тока определяется электрическим сопротивлением двух соседних сварных швов - 2. При нарушении их прочности, это сопротивление существенно нарастает, амплитуда принимаемого сигнала на входе приемника падает и смещается фаза. По появлению этого минимума микроконтроллер - 12 регистрирует дефект, а результат запоминается в его памяти.

При нарушении изоляции, через место контакта трубы с окружающим грунтом возникает ток, электромагнитное поле которого наводит электродвижущую силу (ЭДС) в поперечном приемном вибраторе - 5, сигнал которого через приемник - 8 поступает на второй амплитудный детектор - 10 и фазовый детектор - 11. Результат цифровой обработки запоминается в микроконтроллере - 12. Точка положения БПЛА в пространстве регистрируется бортовым навигационным приемником - 13.

Линия положения трубопровода определяется производной по времени огибающей группы сигналов поступающих с приемника - 7.

Линейный ток в стенках трубы, наведенный передающей антенной - 5 распространяется в скин-слое электромагнитной волны , где

- рабочая частота РЛС, - электропроводность материала трубы, - магнитная проницаемость материала трубы.

Согласно фиг. 2б, наведенный в стенках трубы ток определяется как:

Где: - продольное электрическое сопротивление (ЭС) скин-слоя; - суммарное емкостное сопротивление изоляции; - суммарная емкость между стенками трубы и грунтом; - толщина изоляции трубы; - толщина слоя скин-слоя; - электропроводность железа; - диэлектрическая проницаемость изоляции, ; - магнитная проницаемость стенки трубы .

При величинах: ; ; ; . Глубина слоя скин-слоя в стенке трубы оценивается как , а продольное электросопротивление (ЭС) .

Если принять что, ЭС сварного шва не отличается от ЭС железа, принятого как , то при толщине шва , его ЭС составит . Емкостное сопротивление утечки тока на грунт через изоляцию трубы оценивается при общей емкости .

Из формулы (1) следует, что фазовый сдвиг наведенного в трубе тока определяется как:

Изменения соотношения , в результате деформации сварного шва, отразится как по амплитуде, так и фазе отраженной электромагнитной волны, а повреждение изоляции изменяет скачком параметр емкостного сопротивления .

Поскольку диаграмма направленности излучающей антенны имеет косинусоидальную форму и максимум амплитуды отраженного радиосигнала точно соответствует положению БПЛА над осью трубопровода, то любое отклонение влево или вправо приведет к ее уменьшению.

При этом появление дефекта на сварном шве с утечкой углеводородов, приведет к появлению вибрации электросопротивления шва с некоторой частотой регистрируемой, согласно (2), фазовым детектором - 11.

Наведенная в трубе ЭДС от излучения бортового передатчика РЛС, оценивается через уравнение радиолокации:

Где: - мощность излучения РЛС; - мощность сигнала РЛС падающего на отрезок трубы длинной; - эффективная поверхность рассеивания трубы;

- напряженность электромагнитного поля у поверхности трубы;

- волновое сопротивление грунта.

ЭДС, наведенная сигналом РЛС на стенки трубы:

- коэффициент поглощения электромагнитной волны в окружающем грунте; - длина электромагнитной волны; - скорость электромагнитной волны в грунте; - проводимость грунта; - магнитная проницаемость грунта; - соответственно высота полета БПЛА и глубина положения трубы.

На входе приемника РЛС мощность отраженного от трубы радиосигнала:

При задании отношения сигнал/шум , рабочей частоте , длины волны , полосе пропускания приемника и эффективной площади антенны приемника ,

требуемая мощность излучения передатчика составит:

Здесь: - коэффициент направленности действия полуволнового вибратора передающей антенны; - мощность шума на входе приемника; - постоянная Больцмана; C - температура шумов.

Для численных величин , , , , , , , , из (6) получим . При длительности видеоимпульса и периоде повторения , амплитуда сигнала выбранной частоты соответствует сотой гармоники частоты повторения, так что необходимая мощность радиоимпульса передатчика составит . Это означает, что передатчик такой мощности будет несложно разместить на БПЛА.

Диагностические параметры содержатся в радиосигнале поступающим на вход приемника РЛС с мощностью:

Где - напряженность электромагнитного поля (НЭП) в районе приемника РЛС, которая может быть определена через напряженность магнитного поля наведенного в трубе тока:

Где - волновое сопротивление воздуха, - НЭП у поверхности трубопровода. Если за счет дефекта сварного шва, его электрическое сопротивление становится много больше величин и , то амплитуда отраженного от трубы сигнала и его фазовый сдвиг будут нести информацию о качестве шва.

При нарушении изоляции, через место повреждения возникнут токи утечки, ортогональные оси трубы. Это будет отмечено появлением на поперечном вибраторе приемной антенны параметра соответствующего сигнала, амплитуда и фаза которого даст информацию о повреждении изоляции.

Преимущества заявленного способа перед внутритрубной дефектоскопией являются:

1. Высокая дальность и скорость обследования.

2. Низкая трудоемкость и стоимость работ.

3. Получение дополнительных информационных параметров - повреждение изоляции и контроль линии положения трубопровода в пространстве.

Ожидаемые характеристики системы дефектоскопии:

1. БПЛА самолетного типа с грузоподъемностью около 3 кг.

2. Скорость движения 10-20 км/час.

3. Высота полета 10-20 м.

4. Время полета 2-5 часов.

5. Рабочая частота РЛС 300 МГц;

6. Мощность передатчика в импульсе ≤1 Вт.

7. Излучающая антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки, состоящей из полуволновых широкополосных вибраторов, а приемная из двух ортогональных полуволновых вибраторов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния сварных швов и изоляции трубопроводов. Физическая основа способа при контроле сварных швов заключается в дистанционном наблюдении с борта беспилотного летательного аппарата продольного электрического сопротивления скин-слоя электромагнитной волны в стенке трубопровода при облучении радиоволнами. Изменение электросопротивления сварных швов отмечается в приемнике бортового радиолокатора скачком амплитуды и фазы радиосигнала с выхода антенны в виде полуволнового вибратора, ориентированного параллельно оси трубопровода. Нарушение изоляции отмечается амплитудой и фазой радиосигнала, принятого с полуволнового вибратора, перпендикулярного оси трубопровода. Положение оси трубопровода в грунте отмечается производной по времени огибающей радиосигнала, получаемого с приемного вибратора, параллельного оси трубопровода. 2 ил.

Способ дистанционной диагностики магистральных трубопроводов, заключающийся в облучении земли высокочастотным электромагнитным полем с борта беспилотного летательного аппарата, запоминании параметров отраженного сигнала с одновременной записью координат положения дефектов по данным приемника космических навигационных систем и отметкой линии положения трубопровода по вариациям амплитуды радиосигнала, отличающийся тем, что длину волны излучения подбирают в зависимости от глубины залегания трубопровода, так чтобы она превышала глубину скин-слоя электромагнитной волны в грунте, излучение ведут с помощью горизонтального вибратора параллельно оси трубопровода, а принимают на два ортогональных вибратора, один из которых параллелен излучающему, а второй ортогонален ему, излучающий и приемные вибраторы располагают на противоположных крыльях беспилотного летательного аппарата, а из принимаемых отраженных зондирующих радиосигналов с помощью бортового микроконтроллера определяют их фазы и амплитуды, по изменению которых отмечают появление дефектов сварных швов и нарушение изоляции.