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. Техническим результатом изобретения является повышение надежности визуального обнаружения течи и достоверности визуального определения ее характерного размера. Вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой с помощью помещенного в него излучателя передачи, по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе, принимают электромагнитные излучения с помощью приемника, полоса пропускания которого равна диапазону частот излучения передатчика, при этом местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада, формируют зондирующий сигнал с линейной частотой модуляции в качестве электромагнитного излучения, перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, обнаруживают и селектируют ЛЧМ-сигнал в месте утечки, а затем принимаемый ЛЧМ-сигнал детектируют по частоте и амплитуде, формируют с помощью продетектированных сигналов горизонтальную развертку и частотную метку на экране осциллографического индикатора. 4 ил.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе.

Известны способы обнаружения места нарушения, герметичности трубопроводов (авт. свид. СССР 380909, 411268, 642575, 934269, 1216550, 1238566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты США 4289019, 4570477; патент Великобритании 14349120; 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" (авт. свид. СССР 1812386 F 15 D 5/02, 1990), который 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 места на трассе. Вдоль трубопровода ориентированно 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, указанный способ не обеспечивает надежного визуального обнаружения местоположения и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Это объясняется тем, что эфир в районе трассы подземного трубопровода насыщен радиоизлучениями различного происхождения.

Кроме того, данный способ не позволяет визуально оценить характерный размер течи в подземном трубопроводе.

Формирование зондирующего сигнала с линейной частотой модуляции (ЛЧМ) позволяет применять для обнаружения течи структурную селекцию. Последняя обеспечивает выделение ЛЧМ-сигнала среди других сигналов и помех, действующих в те же интервалы времени и на тех же частотах.

Технической задачей изобретения является повышение надежности визуального обнаружения течи и достоверности визуального определения ее характерного размера.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения места характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающегося в том, что вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой с помощью помещенного в него излучателя передачи, по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе, принимают электромагнитные излучения с помощью приемника, полоса пропускания которого равна диапазону частот излучения передатчика, при этом местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада, формируют зондирующий сигнал с линейной частотой модуляции в качестве электромагнитного излучения, перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, обнаруживают и селектируют ЛЧМ-сигнал в месте утечки, а затем принимаемый ЛЧМ-сигнал детектируют по частоте и амплитуде, формируют с помощью продетектированных сигналов горизонтальную развертку и частотную метку на экране осциллографического индикатора.

Разрез участка трубопровода со схематическим изображением реализации способа показан на фиг.1. График зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра D=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a представлен на фиг.2. Структурная схема приемника 8 представлена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого способа, изображены на фиг.4.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал, частота которого изменяется по пилообразному закону (фиг.4а), 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 6, попадает на приемную антенну 7 приемника 8 электромагнитного излучения.

Приемник 8 электромагнитного излучения содержит усилитель 9 высокой частоты, селектор 10 ЛЧМ-сигнала, состоящий в свою очередь из удвоителя 11 фазы, измерителей 12 и 13 ширины спектра, блока 14 сравнения, порогового блока 15 и ключа 16, амплитудный детектор 17, генератор 18 развертки, амплитудный ограничитель 19 и осциллографический индикатор 20.

Обнаружение и селекция ЛЧМ-сигнала, который покидает пределы трубопровода через отверстие течи, основано на сравнении ширины его амплитудного спектра на основной и удвоенных частотах.

ЛЧМ-сигнал на основной частоте имеет следующий вид (фиг.4а) u_C(t) = U_C•Cos(2πf_Ct+πγt²+ϕ_C), 0≤t≤T_n, где U_C, f_C, ϕ_C T_n - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения (длительность) сигнала; - скорость изменения частоты; Δf_∂ - девиация частоты.

При большой базе сигнала можно считать, что ширина Δf_C амплитудного спектра ЛЧМ-сигнала равна девиации его частоты (Δf_C = Δf_∂).

ЛЧМ-сигнал на удвоенной частоте (фазе) имеет следующий вид u₂(t) = U_C•Cos(4πf_Ct+2πγt²+2ϕ_C), 0≤t≤T_n. Так как длительность сигнала T_n на основной и удвоенных частотах является неизменной, то возрастание в два раза девиации частоты свидетельствует об увеличении в два раза ширины спектра Δf₂ ЛЧМ-сигнала на удвоенной частоте (Δf₂ = 2Δf_C).

Ширина спектра Δf_C ЛЧМ-сигнала и его второй гармоники Δf₂ измеряются соответственно с помощью измерителей 12 и 13 ширины спектра.

Напряжения U₁ и U₂, пропорциональные Δf_c и δf₂, поступают на два выхода блока 14 сравнения. Так как U₂>U₁ (U₂=2U₁), то на выходе блока 14 сравнения формируется напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 15. Пороговое напряжение U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. Если на входе блока 14 сравнения поступают одинаковые по амплитуде напряжения, то на его выходе напряжение отсутствует. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 15 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 16, открывая его. В исходном состоянии ключ 16 всегда закрыт.

Таким образом осуществляется обнаружение и селекция ЛЧМ-сигнала среди других сигналов и помех.

При этом принимаемый ЛЧМ-сигнал с выхода усилителя 9 через открытый ключ 16 одновременно поступает на входы амплитудного 17 и частотного 18 детекторов.

Напряжение на выходе частотного детектора 18 (фиг.4д) пропорционально изменению частоты принимаемого ЛЧМ-сигнала, подается на горизонтальные электроды осциллографического индикатора и формирует его горизонтальную развертку. Причем длина горизонтальной развертки пропорциональна диапазону измерения частоты принимаемого ЛЧМ-сигнала (девиации частоты Δf_∂).

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 выходе усилителя 9 высокой частоты, используемого для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия течи

На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра D=2a в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. Из вида зависимости f⁽¹⁾ =f(d/2a) следует, что оценка характерного размера отверстия D, будет точной при d/2a>1. Именно в этой области наблюдается резкая зависимость коэффициента пропускания f⁽¹⁾ от величины K_a = 2πd/λ, т. е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие излучения сильно изменяется. При К_a=2,5 в волноводном канале, образованном отверстием в стенке трубы, может распространятся основная волна - поэтому наблюдается периодическая зависимость f⁽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=2R_mp=0,7 - диаметр трубы трубопровода;
d=0,01 м - толщина стенки трубы;
2а=4 см - диаметр отверстия течи;
l=100 км =10⁵ - удаленность течи от источника излучения;
h=2 м - глубина залегания трубопровода;
λ = 3πa = 0,2м - длина волны излучения в трубопроводе.

Используя формулы, возможно рассчитать необходимые параметры приемника излучения в месте течи, в частности
Е_M= 0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;
Е_M1= 1,74•10^-3 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;
Е_M2= 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 при сопротивлении измерения приемной антенны R_г ≈ 60 Ом сигнал на выходе приемника
Следовательно, для обнаружения течи необходим приемник с чувствительностью S≈10 мкВ.

Местоположение и характерный размер отверстия течи определяется по появлению резкого возрастания амплитуды ЛЧМ-сигнала, который покидает пределы трубопровода (фиг.4б). Этот ЛЧМ-сигнал детектируется по амплитуде в амплитудном детекторе 17 фиг.4в) и ограничивается по амплитуде снизу с помощью амплитудного ограничителя 19 (фиг.4г). Причем порог ограничения U_огр выбирается равным амплитуде U_С ЛЧМ-сигнала (U_огр=U_C). При этом на выходе амплитудного ограничителя 19 образуются короткие остроконечные видеоимпульсы (фиг.4г), которые поступают на вертикальные электроды осциллографического индикатора 20, в результате чего на экране осциллографического индикатора 20 образуется импульс (частотная метка), положение которого на частотной (горизонтальной) развертке определяет критическую частоту f_Кр, а следовательно, и характерный размер отверстия течи. Горизонтальная развертка осциллографического индикатора 20 может быть программирована в единицах характерного размера отверстия течи.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими аналогичными техническими решениями обеспечивает повышение надежности визуального обнаружения места течи в подземном трубопроводе и достоверности визуального определения ее характерного размера. При этом в процессе перемещения приемника по трассе подземного трубопровода местоположение течи в нем определяется визуально по появлению горизонтальной развертки на экране осциллографического индикатора, а характерный размер отверстия течи также визуально оценивается по положению частотной метки на горизонтальной развертке осциллографического индикатора.

Формула изобретения

Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающийся в том, что вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой с помощью помещенного в него излучателя передачи, по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе, принимают электромагнитные излучения с помощью приемника, полоса пропускания которого равна диапазону частот излучения передатчика, при этом местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада, отличающийся тем, что формируют зондирующий сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в качестве электромагнитного излучения, перемещают приемник вдоль трассы подземного трубопровода, обнаруживают и селектируют ЛЧМ-сигнал в месте утечки, а затем принимаемый ЛЧМ-сигнал детектируют по частоте и амплитуде, формируют с помощью продетектированных сигналов горизонтальную развертку и частотную метку на экране осциллографического индикатора, по появлению горизонтальной развертки осциллографического индикатора визуально определяют место течи, а характерный размер отверстия течи также визуально определяют по положению частотной метки на горизонтальной развертке осциллографического индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4