Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Технической задачей изобретения является повышение надежности пеленгации и идентификации утечки электромагнитного излучения из отверстия течи в подземном трубопроводе. В способе перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, периодически производят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определяют разностный сигнал двух последовательных измерений, интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения определяют место течи в подземном трубопроводе на трассе. 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе.

Известны способы обнаружения места нарушения герметичности трубопроводов (а. с. СССР 380909, 411268, 642575, 934269, 1216.550, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты США 4289019, 4570477; патент Великобритании 1.349.120; патент Франции 2498325; патенты Японии 59-38537, 60-24900, 63-22531; Трубопроводный транспорт жидкости и газа. М., 1993 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе (а. с. СССР 1812386, F 15 D 5/02, 1990), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно данному способу в трубопроводе создают электромагнитное излучение помещенным в нем излучателем передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе. Вдоль трубопровода ориентировано посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их приемником. Полоса пропускания приемника равна диапазону излучения передатчика. Местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада.

Вместе с тем надежные пеленгация и идентификация утечки электромагнитного излучения из отверстия течи в подземном трубопроводе затруднены из-за высокого уровня помех естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникации и т.п.) происхождения.

Технической задачей изобретения является повышение надежности пеленгации и идентификации утечки электромагнитного излучения из отверстия течи в подземном трубопроводе путем уменьшения помех.

Поставленная задача решается тем, что согласно способа определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающемся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе, при этом вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их с помощью приемника, полоса пропускания которого равна диапазону излучения передатчика, а место положение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада, перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, периодически производят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определяют разностный сигнал двух последовательных измерений, интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения определяют место течи в подземном трубопроводе на трассе.

На фиг.1 показан разрез участка подземного трубопровода со схематическим изображением реализации способа. На фиг.2 представлен график зависимости коэффициента пропускания t⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра D=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. На фиг.3 изображена структурная схема приемника 8.

Приемник содержит последовательно включенные усилитель 9 высокой частоты, измеритель 10 напряженности электромагнитного поля, линию задержки 11, блок 12 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя 10 напряженности электромагнитного поля, блок 13 интегрирования, блок 14 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 12 вычитания, блок 16 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 15 формирования эталонного напряжения, ключ 17, второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 высокой частоты, и блок 18 регистрации и анализа.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал подается на излучатель 2, помещенный в газовую или газоконденсаторную среду внутри трубопровода 3. От излучателя 2 электромагнитное поле распространяется вдоль трубопровода, отражаясь от стенок 4. В месте трубопровода, где находится отверстие течи 5 генерируется электромагнитный сигнал, который покидает пределы трубопровода и, пройдя толщину грунта, попадает на приемную антенну 7 приемника 8 электромагнитного излучения. Приемник 8 перемещают вдоль трассы подземного трубопровода.

Измерение интенсивности электромагнитного излучения осуществляют измерителем 10 напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор. В каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 11 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 12 вычитания. Операция интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал осуществляется в блоках 13 и 14 соответственно. В блоке 16 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 15. При превышении порогового значения сигнала в блоке 16 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 17, открывая его. В исходном состоянии ключ 17 всегда закрыт. При этом электромагнитное излучение, генерируемое отверстием течи 5 подземного трубопровода, через открытый ключ 17 поступает в блок 18 регистрации и анализа, где определяется характерный размер D отверстия течи 5.

Для определения характерного размера D отверстия течи 5 используется следующее соотношение между критической длиной волны излучения λ_кр и D: λ_кр = 1,25D, при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в канале, образованном отверстием 5 в стене трубы 4, к пропусканию, обусловленному возможностью распространения основной волны в волноводном канале отверстия 5.

Если трубопровод заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λ_кр частота излучения f_кр определяется из выражения: где С - скорость света в вакууме.

Таким образом, зная частоту излучения f_кр, при которой начинает резко возрастать сигнал на входе приемника, используемого для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия течи: На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента пропускания t⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра D=2а в экране толщиной экрана d/2a. Из графика следует, что оценка характерного размера отверстия D будет точной при d/2a>1. Именно в этой области наблюдается резкая зависимость коэффициента пропускания t⁽¹⁾ от величины Ka = 2πd/λ, т.е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие излучения сильно изменяется. При Кa= 2,5 в волноводном канале, образованном отверстием в стене трубы, может распространяться основная волна, поэтому наблюдается периодическая зависимость t⁽¹⁾ от d.

Эффективность способа заключается в облегчении поиска места течи трубопровода, расширении возможности определения характерного размера течи при снижении трудозатрат за счет исключения каких-либо земляных работ или остановки транспортирования газа или газоконденсата по трубопроводу. Способ позволяет определить наличие дефекта в трубопроводе как при наличии в нем нефтепродуктов, так и при их отсутствии.

Пример. Для расчета чувствительности приемно-передающей системы для реальных условий используем следующие параметры: Р= 3 Вт - мощность электромагнитного излучения, возбуждаемая в трубопроводе; D=2 R_тp=0,7 - диаметр трубы трубопровода; d=0,001 м - толщина стенки трубы;
2а=4 см - диаметр отверстия течи;
l=100 км=10⁵ м - удаленность течи от источника излучения;
h=2 м - глубина залегания трубопровода;
λ = 3πa=0,2 - длина волны излучения в трубопроводе.

Используя формулы, возможно рассчитать необходимые параметры приемника излучения в месте течи, в частности:
Ем= 0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;
Ем₁= 1,74•10^-3 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;
Ем₂=4,3•10^-5 В/м - амплитуда колебаний электрической компоненты электромагнитного поля вблизи поверхности грунта со стороны атмосферы;
П=2,5•10^-12 Вт/м² - плотность потока излучения в области приемной антенны вблизи от поверхности грунта и при сопротивлении измерения приемной антенны R₂≈600 м сигнал на входе приемника . Следовательно, для обнаружения течи в подземном трубопроводе необходим приемник С чувствительностью S≈10 мкВ.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить надежность пеленгации и идентификации утечки электромагнитного излучения из отверстия течи в подземном трубопроводе. Это достигается за счет исключения высокого уровня помех естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникации и т.п.) происхождения.

Формула изобретения

Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающийся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе, при этом вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их с помощью приемника, полоса пропускания которого равна диапазону излучения передатчика, а местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада, отличающийся тем, что перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, периодически производят в точке наблюдения на менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определяют разностный сигнал двух последовательных измерений, интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения определяют место течи в подземном трубопроводе на трассе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3