Гидроакустическая стационарная система контроля технического состояния глубоководного трубопровода

 

Изобретение относится к области диагностики технического состояния морских участков трубопроводов и может быть использовано для оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов, обнаружения и локализации утечек и оценки остаточного ресурса трубопровода. Существо изобретения заключается в том, что параллельно контролируемому участку трубопровода устанавливают гидроакустическую антенну, а на ней дополнительно - последовательность гидроакустических приемоизлучателей с заданным шагом. На трубопроводе устанавливают с тем же шагом последовательность гидроакустических приемоответчиков с датчиками глубины. Гидроакустическая антенна, формирующая веер диаграмм направленности, позволяет определить параметры вибраций трубопровода, а также координаты возможного места утечки продукта из трубопровода. Система приемоизлучателей - приемоответчиков позволяет определять горизонтальные координаты, а датчики глубины - вертикальные координаты. Техническим результатом изобретения является обеспечение проведения полного мониторинга технического состояния трубопровода и принятие решения об его дальнейшей эксплуатации. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области диагностики технического состояния морских участков трубопроводов и может быть использовано для оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов, обнаружения и локализации утечек и оценки остаточного ресурса трубопровода.

Отличительной особенностью глубоководных трубопроводов большой протяженностью, уложенных без заглубления в грунт, является то, что для них остается неизвестной или трудно доступной для контроля фактическая геометрия прокладки труб на дно. Вследствие неровностей дна, естественных ошибок в процессе прокладки (например, не полностью скомпенсированный дрейф судна-трубоукладчика) или других причин могут возникнуть большие дополнительные напряжения.

Геометрия дна, особенно на сильно пересеченных участках или крутых склонах, в процессе эксплуатации трубопровода может изменяться под действием течений, мутьевых и селевых потоков, а также различного рода подвижек сейсмического характера. Все это приводит к изменению длин пролетов и величин провисов, что, в свою очередь, обуславливает возможность появления пластических деформаций, смятия, потери устойчивости, появления и развития трещиноподобных дефектов, возникновения циклических смещений и колебаний повышенной амплитуды.

Отсутствие достоверных данных о положении трубопровода, его циклических изменениях (особенно на склонах), величин длин пролетов и провисов на них, а также уровней вибраций и сверхнизкочастотных колебаний трубопровода делает затруднительной корректную оценку ресурса трубопровода.

Кроме того, крайне важной является информация о появлении и местоположении утечек в трубопроводе.

В связи с этим для контроля и диагностики технического состояния морских участков трубопроводов, а также оценки ресурса его работы необходимо контролировать: абсолютные координаты пространственного положения трубопровода и их изменения в процессе эксплуатации; вибрации на различных участках трубопровода; наличие и характеристики сверхнизкочастотных колебаний трубопровода; наличие и местоположение утечек в трубопроводе.

Информация об абсолютных координатах трубопровода позволяет оценить величины провисов и изгибов трубопровода. Данные о провисах и изгибах трубопровода, контроль их изменения в процессе эксплуатации (в том числе циклических) в совокупности с характеристиками вибраций и сверхнизкочастотных колебаний трубопровода позволяет производить оценку напряженно-деформированного состояния металла трубопровода, оценивать его усталостную прочность, прогнозировать развитие трещиноподобных дефектов и, тем самым, оценивать остаточный ресурс работы трубопровода.

Известна гидроакустическая стационарная система аналогичного назначения, которая частично решает поставленную задачу с помощью гидроакустических радиобуев [1].

Недостатками известной системы являются ее невысокие точность и надежность, связанные с наличием морских шумов и низкого пространственного разрешения используемой гидроакустической аппаратуры. Также недостатком является неполный объем контролируемых параметров, необходимых для корректной оценки остаточного ресурса трубопровода.

За прототип принята гидроакустическая стационарная система контроля технического состояния глубоководного трубопровода, содержащая установленные на трубопроводе с заданным шагом акустические приемники и береговую обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру с блоками дистанционного питания [2].

Недостатком прототипа является необходимость ввода (и вывода) в трубопровод специального движущего источника звука. Это не позволяет осуществить мониторинг технического состояния глубоководного трубопровода непосредственно в процессе его работы (транспортировки продукции).

Недостатком прототипа также является то, что оказывается невозможным осуществлять контроль координат трубопровода и уровней вибраций.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение указанных недостатков прототипа, т. е. получение возможности непрерывного или периодического проведения мониторинга технического состояния глубоководного трубопровода по всем указанным выше параметрам.

Данный технический результат достигают за счет того, что известная гидроакустическая стационарная система (ГАСС) технического состояния глубоководного трубопровода, содержащая установленные на трубопроводе с заданным шагом акустические приемники и береговую обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру с блоками дистанционного питания, дополнительно содержит последовательность приемоизлучателей, установленных параллельно трубопроводу с заданным шагом напротив последовательности акустических приемников, выполненных в виде гидроакустических приемоответчиков, снабженных последовательно соединенными амплитудными модуляторами, блоками управления, таймерами и автономными источниками питания, причем выход каждого датчика глубины через свой амплитудный модулятор подключен к управляющему входу приемоответчиков, а выходы каждого приемоизлучателя соединены с береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратурой, а также дополнительно включает в себя последовательно соединенные гидроакустические антенны, установленные параллельно трубопроводу на расстоянии R от него, задаваемом математическим соотношением R≥L²/λ, где L - длина каждой из гидроакустических антенн, λ - длина волны звука в воде на средней частоте рабочего диапазона частот, а выходы гидроакустических антенн подключены к береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.

Акустические приемники расположены в корпусах из ферромагнитного материала, закрепленных на трубопроводе с помощью постоянных магнитов.

Автономный источник питания может быть выполнен в виде литиевого источника тока.

Приемоизлучатели снабжены блоками динамического позиционирования, и они могут быть закреплены на гидроакустической антенне.

Многоканальная береговая обрабатывающая и регистрирующая аппаратура с блоками дистанционного питания может быть выполнена в виде двух береговых постов, расположенных на обоих концах контролируемого глубоководного трубопровода.

ГАСС может включать в себя дополнительно высокочастотные гидролокаторы, установленные напротив контролируемого участка глубоководного трубопровода.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема ГАСС.

Гидроакустическая стационарная система контроля технического состояния глубоководного трубопровода содержит последовательно соединенные гидроакустические антенны 1₁, 1₂... 1_N, формируемые с помощью антенн веер диаграмм направленности ₁, 2_2.. . 2_N, примыкает друг к другу, как показано на чертеже. (Техника формирования подобных диаграмм направленности известна, например, из [3]).

Гидроакустическая антенна 1 расположена на расстоянии R от трубопровода 3, удовлетворяющем условию формирования дальнего поля R≥L²/λ (данное условие на чертеже не выполнено).

При этом выходы всех гидроакустических антенн через подводный кабель 4 последовательно подключены к береговой аппаратуре 5, содержащей устройство ввода цифрового потока 6, информационно-вычислительный комплекс 7 и блок дистанционного питания 8.

ГАСС также включает в себя последовательность гидроакустических приемоизлучателей 9₁, 9₂. .. 9_N, установленных параллельно трубопроводу 3. Они могут быть установлены или на гидроакустической антенне 1 или с другой стороны трубопровода 3, как это показано на чертеже, например, на подводящем питание подводном кабеле 4. Имеется также последовательность акустических приемников 10, выполненных в виде гидроакустических приемоответчиков 11, снабженных датчиками глубины 12, выходы которых через амплитудный модулятор 13 подключены к управляющему входу приемоответчиков 11, а питание подается от автономного источника питания 14 через таймер (реле времени) 15, как показано в нижней части чертежа. Обнаружение сигналов приемоизлучателя, выдача команд на излучение приемоответчиком осуществляется блоком управления 16.

Приемники 10₁, 10₂... 10_N расположены в ферромагнитных корпусах, которые с помощью постоянных магнитов (на чертеже не показаны) прикреплены к трубопроводу 3. При этом датчики, излучающие и принимающие звуковые сигналы (на чертеже не показаны), каждого приемоответчика 11 установлены снаружи корпуса.

Выходы приемоизлучателей 9 подключены к береговой аппаратуре 5.

Приемоизлучатели 9 могут быть снабжены блоками динамического позиционирования для уточнения их абсолютных координат XY, изменяющихся под действием различных гидрофизических факторов, например, течений (на чертеже не показаны).

Выполнение автономного источника 14 питания в виде литиевого источника тока позволяет работать ГАСС без замены источника автономного питания около 10 лет.

ГАСС также может включать в себя высокочастотные стационарные гидролокаторы 17, установленные напротив трубопровода 3.

Гидроакустические антенны 1₁, 1₂. .. 1_N представляют собой неэквидистантную цепочку гидрофонов количеством, например, 128 в каждой и длиной 500 м. Рабочий частотный диапазон такой антенны составляет (10-500) Гц. Конструктивно каждая антенна представляет собой многожильный подводный кабель, в который встроены гидрофоны с предварительными усилителями (на чертеже не показаны), передающими сигналы по жилам этого кабеля в групповое устройство (на чертеже не показано). В групповом устройстве с помощью фильтра нижних частот (на чертеже не показан) происходит выделение рабочего диапазона частот для каждого гидрофона. Затем сигналы подвергаются аналогово-цифровому преобразованию с разрядностью, как правило, 16 двоичных разрядов и поступают в блок формирования группового цифрового потока и ввода информации (на чертеже не показан) в магистральный подводный кабель 4.

Приемоответчик находится постоянно в отключенном состоянии и включается в режим ожидания приема блоком управления 16 по команде таймера 15. Такое включение производится исходя из необходимости экономии энергопотребления, требуемой скважности определения координат трубопровода, и ориентировочно составляет около 10 дней. В режиме, когда работает только таймер, энергопотребление составляет около 0,1 мВт, в режиме приема сигналов приемоответчик потребляет около 50 мВт и лишь в режиме излучения сигнала, длительностью 0,2 с и акустической мощностью 200 мВт - около 1 Вт.

Диапазон рабочих частот (10-30) кГц. Количество посылок излучения составляет около 20 с интервалом 1 с. Данные параметры определяются исходя из возможного диапазона сверхнизкочастотных колебаний трубопровода 3.

Вся выносная часть ГАСС (куда входят гидроакустическая антенна 1 и приемоизлучатели 9) питается и управляется с берегового поста по магистральному подводному кабелю 4. Этот подводный кабель 4 содержит несколько каналов связи и позволяет организовать двухстороннюю одновременную связь и (или) передачу информации.

Береговая аппаратура 5 содержит устройство ввода цифрового потока 6, информационно-вычислительный комплекс 7, представляющий локальную вычислительную сеть из промышленных компьютеров с сигнальными процессорами и устройствами отображения и связи с внешними устройствами (дежурные операторы трубопровода 3, охрана, руководство и т.п.) и устройство дистанционного питания.

В информационно-вычислительном комплексе проходит обработка гидроакустической информации от гидроакустических антенн и приемоизлучателей. Отсюда производится все управление ГАСС и ее составными частями, архивирование и документирование всех интересующих результатов обработки информации.

ГАСС работает следующим образом.

С помощью гидрофонов гидроакустических антенн 1 регистрируются звуковые волны, генерируемые участками трубопровода 3, поскольку трубопровод является источником излучения в воду звуковых волн. По подводному кабелю 4 принятые гидроакустические сигналы направляются на обработку и регистрацию в береговую аппаратуру 5. В береговой аппаратуре производится формирование веерных многолучевых диаграмм направленности 2. Полученные спектральные характеристики с выхода каждой диаграммы направленности всех антенн позволяют оценить характеристики вибраций на всем протяжении трубопровода.

В случае появления в трубопроводе 3 течи, на вход гидрофонов одной из гидроакустических антенн 1 поступает высокочастотный шум утечек. Причем после формирования веера характеристик направленности максимальные уровни высокочастотного шума будут приниматься характеристикой направленности, ориентированной на участок трубопровода с местом утечки.

В заданные моменты времени приемоизлучатели 9 направляют акустические сигналы на приемоответчики 11. В эти же моменты времени по сигналу таймера 15 блок управления 16 переводит приемоответчики 11 в режим приема сигналов и после приема сигнала и его обнаружения в блоке управления 16 последний посылает команду приемоизлучателю и тот излучает ответный сигнал. При этом в излученном сигнале амплитуда несет информацию о глубине данного участка трубопровода 3 (координата Z, перпендикулярная плоскости чертежа), поскольку выходной сигнал датчика глубины 12 предварительно модулирует излученный сигнал соответствующего приемоответчика 11. Изменение сигнала датчика глубины 12 во времени несет информацию о параметрах сверхнизкочастотных колебаний трубопровода в вертикальной плоскости (по глубине).

С другой стороны, относительная временная задержка принятых приемоизлучателями 9 сигналов, излученных приемоответчиками 11, несет информацию о координатах XY, ортогональных оси трубопровода 3. А изменение координат XY во времени несет информацию о параметрах сверхнизкочастотных колебаний в горизонтальной плоскости.

Принятые приемоизлучателями 9 сигналы по подводному кабелю 4 направляются в береговую аппаратуру 5. Далее определяются координаты трубопровода и, соответственно, уровни изгиба различных участков трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях. По изменяющимся во времени координатам трубопровода оценивают характеристики сверхнизкочастотных колебаний трубопровода. Полученная информация о параметрах вибраций, сверхнизкочастотных колебаний, относительных координат трубопровода и наличие в координатах мест утечек используется для оценки изменяющегося во времени напряженно-деформированного состояния металла трубопровода, определения места трещиноподобных дефектов, а также прогнозирования остаточного ресурса трубопровода.

Аналогично информацию о координатах трубопровода можно получать с помощью гидролокаторов 17.

Таким образом, ГАСС в отличие от прототипа позволяет проводить мониторинг технического состояния трубопровода непрерывно или периодически с заданной цикличностью по всему перечню контролируемых параметров, чем и достигается поставленный технический результат.

Источники информации 1. "Подводная технология", под ред. И.Б. Иконникова. Л., "Судостроение", 1981, с. 84.

2. Заявка Японии 2 - 46840, к 1. F 17 D 5/06, G 01 M 3/24, 1990 - прототип.

3. А.Л. Простаков "Электронный ключ к океану". Л., "Судостроение", 1986, с. 44-91.

Формула изобретения

1. Гидроакустическая стационарная система контроля технического состояния глубоководного трубопровода, содержащая установленные на трубопроводе с заданным шагом акустические приемники и береговую обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру с блоками дистанционного питания, отличающаяся тем, что дополнительно содержит последовательность приемоизлучателей, установленных параллельно трубопроводу с заданным шагом напротив последовательности акустических приемников, выполненных в виде гидроакустических приемоответчиков, снабженных последовательно соединенными амплитудными модуляторами, датчиками глубины, блоками управления, таймерами и автономными источниками питания, причем выход каждого датчика глубины через свой амплитудный модулятор подключен к управляющему входу соответствующего приемоответчика, а выходы каждого приемоизлучателя соединены с береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратурой, а также дополнительно включает в себя последовательно соединенные гидроакустические антенны, установленные параллельно трубопроводу на расстоянии R от него, задаваемом математическим соотношением R≥L²/λ, где L - длина каждой из гидроакустических антенн, λ - длина волны звука в воде на средней частоте рабочего диапазона частот, а выходы гидроакустических антенн подключены к береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.

2. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что акустические приемники расположены в корпусах, выполненных из ферромагнитного материала.

3. Гидроакустическая стационарная система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что корпуса из ферромагнитного материала закреплены на трубопроводе с помощью постоянных магнитов.

4. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что автономные источники питания выполнены в виде литиевых источников тока.

5. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что приемоизлучатели снабжены блоками динамического позиционирования.

6. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что приемоизлучатели закреплены на гидроакустической антенне.

7. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что многоканальная береговая обрабатывающая и регистрирующая аппаратура с блоками дистанционного питания выполнены в виде двух береговых постов, расположенных на обоих концах контролируемого глубоководного трубопровода.

8. Гидроакустическая стационарная система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по крайней мере один высокочастотный гидролокатор, установленный напротив контролируемого глубоководного трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1