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 подземных магистральных трубопроводах. Техническим результатом изобретения является повышение оперативности и надежности определения места и характерного размера течи в подземном магистральном трубопроводе за счет размещения приемника на борту летательного аппарата. В трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем 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, частоту электромагнитных излучений изменяют по линейному закону, а приемник размещают на борту летательного аппарата, принимаемое электромагнитное излучение преобразуют по частоте в измерительном канале, удваивают фазу преобразованного по частоте электромагнитного излучения, измеряют ширину спектра преобразованного по частоте электромагнитного излучения и его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае неравенства преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножают с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделяют гармонические сигналы на частоте гетеродина, измеряют между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на место течи на трассе, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала. 5 ил.

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

Известны способы обнаружения места нарушения герметичности подземных трубопроводов (авт. св. СССР 380909, 411268, 642575, 934269, 1216550, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705799, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты США 4289019, 4570477; патент Великобритании 1349120; 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. св. СССР 1812386, F 15 D 5/02, 1990), который и выбран в качестве прототипа.

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

Однако на больших протяженностях подземных магистральных трубопроводов оперативное и надежное обнаружение места течи и ее характерного размера затруднено.

Технической задачей изобретения является повышение оперативности и надежности определения места и характерного размера течи в подземном магистральном трубопроводе за счет размещения приемника на борту летательного аппарата.

Поставленная задача решается тем, что согласно способа определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающегося в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи и по утечки из отверстия течи электромагнитного излучения путем 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, частоту электромагнитных излучений изменяют по линейному закону, а приемник размещают на борту летательного аппарата, принимаемое электромагнитное излучение преобразуют по частоте в измерительном канале, удваивают фазу преобразованного по частоте электромагнитного излучения, измеряют ширину спектра преобразованного по частоте электромагнитного излучения и его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае неравенства преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножают с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделяют гармонические сигналы на частоте гетеродина, измеряют между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на место течи на трассе, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала.

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=2a в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. На фиг.3 представлена структурная схема приемника 8. На фиг.4 изображено взаимное положение приемных антенн. На фиг.5 представлена геометрическая схема расположения приемных антенн на борту летательного аппарата.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит передатчик 1, излучатель 2, подземный трубопровод 3, стенку 4 трубопровода, отверстие 5 течи, грунт 6 и приемник 8.

Приемник 8 содержит один измерительный и четыре пеленгационных канала (фиг. 3). Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 7, усилителя 13 высокой частоты, смесителя 19, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, усилителя 20 промежуточной частоты, удвоителя 21 фазы, второго измерителя 23 ширины спектра соединен с выходом усилителя 20 промежуточной частоты, и ключа 25, второй вход которого соединен с выходом усилителя 20 промежуточной частоты.

К выходу ключа 25 подключен измеритель 26 частоты.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенной приемной антенны 9 (10, 11, 12), усилителя 27 (28, 29, 30), второй вход которого соединен с выходом ключа 25, узкополосного фильтра 31 (36, 37, 38) и блока 39 (40, 41, 42) регистрации. Вторые выходы фазовых детекторов 35 и 36 соединены с выходом гетеродина 18. Вторые входы фазовых детекторов 37 и 38 соединены с выходами узкополосных фильтров 31 и 33 соответственно.

Если в качестве летательного аппарата используется самолет, то приемные антенны 7, 9-11 располагаются на фюзеляже снизу, а приемная антенна 12 - на правом крыле (фиг.5, а).

Если в качестве летательного аппарата используется космической аппарат (объект), траектория которого близка к трассе подземного магистрального трубопровода, то используются специальные панели, аналогичные солнечным панелям, которые после вывода космического аппарата на орбиту раскрываются и располагаются по направлению к поверхности Земли (фиг.5, б).

Для определения места и характерного размера течи в магистральном подземном трубопроводе используют фазовый метод пеленгации, которому свойственно противоречие между точностью и однозначностью определения координат места течи на трассе, с целью устранения этого противоречия в каждой плоскости используют две шкалы отсчета: большую - точную, но неоднозначную и малую - грубую, но однозначную.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал e_C(t) = E_C•cos[2πf_C+πγt²+ϕ_C], 0≤t≤T_C, где Е_c, f_с, Т_c, ϕ_C - амплитуда, начальная частота, длительность и начальная фаза электромагнитного излучения; скорость изменения частоты гетеродина; Df - диапазон излучения гетеродина; Т_п - период повторения; Δfq - девиация частоты; подается на излучатель 2, помещенный в газовую или газо-конденсаторную среду внутри трубопровода 3. От излучателя электромагнитное поле распространяется вдоль трубопровода, отражаясь от стенок 4. В месте трубопровода, где находится отверстие течи 5, генерируется электромагнитный сигнал, который попадает в пределы трубопровода, и, пройдя толщину грунта, попадает на приемные антенны 7, 9 - 12 приемника 8 электромагнитного излучения.

Приемные антенны 7, 9-12, поднятые над поверхностью Земли, под которой проложен магистральный подземный трубопровод, например с помощью летательного аппарата, и размещенные в виде несимметричного геометрического креста (фиг.4), принимают электромагнитные излучения: e₁(t) = E_C•cos[2π(f_C±Δf)t+πγt²+ϕ₁], e₂(t) = E_C•cos[2π(f_C±Δf)t+πγt²+ϕ₂],
e₃(t) = E_C•cos[2π(f_C±Δf)t+πγt²+ϕ₃],
e₄(t) = E_C•cos[2π(f_C±Δf)t+πγt²+ϕ₄],
e₅(t) = E_C•cos[2π(f_C±Δf)t+πγt²+ϕ₅], 0≤t≤T_C,
где ±Δf - нестабильность начальной частоты, обусловленная различными дестабилизирующими факторами.

Электромагнитное излучение e₁(t) с выхода приемной антенной 7 через усилитель 13 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18:
u_Г(t) = U_Г•cos(2πf_Гt+ϕ_Г),
где U_г, f_г, ϕ_Г - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителя 19 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:
u_пр(t) = U_пр•cos[2π(f_пр±Δf)t+πγt²+ϕ_пр1], 0≤t≤T_C,
где U_пр=1/2K₁•E_с•U_г,
K₁ - коэффициент передачи смесителя;
f_пp=f_c-f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр1 = ϕ₁-ϕ_Г.
Это напряжение поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется напряжение
u₁(t) = U_пр•[4π(f_пр±Δf)t+πγt²+2ϕ_пр1], 0≤t≤T_C,
При большой базе сигнала можно считать, что ширина спектра Δf_C ЛУМ - сигнала равна девиации его частоты (Δf_C = Δf_q).

Так как длительность ЛУМ - сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте остается неизменной, то возрастание в два раза скорости изменения частоты γ свидетельствует об увеличении в два раза девиации частоты, а следовательно, и ширины спектра (Δf₂ = 2Δf_q).

Ширина спектра Δf_C ЛУМ - сигнала измеряется с помощью измерителя 22 ширины спектра, а ширина спектра Δf₂ его второй гармоники измеряется с помощью измерителя 23 ширины спектра. Напряжения U₁ и U₂, пропорциональные ширине спектра Δf_C и Δf₂ соответственно, поступают на два входа блока 24 сравнения. Если напряжение, поступающее на два входа блока 24 сравнения, приблизительно равны, то напряжения на выходе блока сравнения отсутствуют. Так как U₁>U₂ (U₁=2U₂), то на выходе блока 24 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 25, открывая его. В исходном состоянии ключ 25 всегда закрыт. При этом напряжение u_пp(t) с выхода усилителя 20 промежуточной частоты через открытый ключ 25 поступает на вход измерителя 26 частоты и на вторые входы перемножителей 27-30.

Электромагнитные излучения е₂(t)-e₅(t) с выходов приемных антенн 9-12 через усилители 14-17 высокой частоты поступают на первые входы перемножителей 27-30. На выходах последних образуются следующие гармонические колебания:
u₂(t) = U₂•cos(2πf_Гt+ϕ_Г+Δϕ₁),
u₃(t) = U₂•cos(2πf_Гt+ϕ_Г-Δϕ₂),
u₄(t) = U₂•cos(2πf_Гt+ϕ_Г+Δϕ₃),
u₅(t) = U₂•cos(2πf_Гt+ϕ_Г-Δϕ₃), 0≤t≤Tc,
где U₂=1/2K₂U_прЕ_с;
К₂ - коэффициент передачи перемножителей;




где α,β - угловые координаты (азимут и угол места) места течи на трассе,
которые выделяются узкополосными фильтрами 31-34 и поступают на первые входы фазовых детекторов 35-38 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 35 и 36 подается напряжение u_г(t) гетеродина 18. На вторые входы фазовых детекторов 37 и 38 подаются напряжение u₂(t) и u₄(t) с выходов узкополосных фильтров 31 и 33 соответственно. Знаки "+" и "-" перед фазовыми сдвигами соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 9 и 10, 11 и 12 относительно антенны 7. На выходах фазовых детекторов 35 - 38 образуются постоянные напряжения:
u_H1(α) = U_H1•cosΔϕ₁,

u_H3(α) = U_H3•cosΔϕ₃,
u_H4(α) = U_H4•cosΔϕ₆,
где U_H1=1/2K₃U₂U_г;U_H2=1/2K₃U₂ ²;
К₂ - коэффициент передачи фазовых детекторов;


которые фиксируются блоками регистрации 39-42.

Приемные антенны 9-12 различают таким образом, что измерительные базы образуют несимметричный геометрический крест, в пересечении которого помещают приемную антенну 7 измерительного канала (фиг.4), при этом меньшие базы d₁ и d₃ образуют грубые, но однозначные шкалы, а большие базы d₅ и d₆ - точные, но неоднозначные шкалы пеленгации:

Зная высоту полета летательного аппарата и измерив угловые координаты α и β, можно точно и однозначно определить координаты места течи на трассе.

Так, предполагается использовать фазовый метод пеленгации места течи в магистральных подземных трубопроводах с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного геометрического креста. Способ инвариантен к виду модуляции и нестабильности частоты электромагнитного излучения, проходящего через отверстие 5 течи в подземном трубопроводе, так как пеленгацию места течи осуществляют фазовым методом на стабильной частоте f_г гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Для определения характерного размера D отверстия течи 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, 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.

Следовательно, зная частоту излучения f_кр, при которой начинает резко возрастать сигнал на входе приемника, используемого для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия течи:

где f_кp - измеряется измерителем 26 частоты.

На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента пропускания t⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра D=2a в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. Из вида зависимости t⁽¹⁾=f(d/2а) 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 = 2πa/λ, т. е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие излучения сильно изменяется. При Ка=2,5 в волноводном канале, образованном отверстием в стенке трубы, может распространяться основная волна, поэтому наблюдается периодическая зависимость t⁽¹⁾ от d.

Пример: Для расчета чувствительности приемо-передающей системы для реальных условий используем следующие параметры:
Р - 3 Вт - мощность электромагнитного излучения, возбуждаемая в трубопроводе;
D=2R_тp=0,7 - диаметр трубы трубопровода;
d=0,01 м - толщина стенки трубы;
2а=4 см - диаметр отверстия течи;
1=100 км=10⁵ м - удаленность течи от источника излучения;
h=2 м - глубина залегания трубопровода;
λ = 3πa = 0,2 м - длина волны излучения в трубопроводе.

Используя формулы, возможно рассчитать необходимые параметры приемника излучения в месте течи, в частности:
Е_с= 0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;
Ec₁= 1,74•10^-3 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;
Ес₂= 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 приемных антенн.

Следовательно, для обнаружения течи необходим приемник с чувствительностью S≈5 мкВ.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение оперативности и надежности определения места и характерного размера в подземном магистральном трубопроводе. Это достигается размещением приемника на борту летательного аппарата и использованием измерительного и четырех пеленгационных каналах, приемные антенны которых расположены в виде несимметричного геометрического креста. С целью устранения противоречия между точностью и однозначностью определения угловых координат места течи, свойственного фазовому методу пеленгации, в каждой плоскости используют две шкалы отсчета: большую - точную, но неоднозначную и малую - грубую, но однозначную. Предлагаемый способ инвариантен к виду модуляции и нестабильности частоты электромагнитного излучения, так как пеленгацию места течи на трассе осуществляют на стабильной частоте гетеродина.

Использование электромагнитного излучения с линейной частотной модуляцией позволяет применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять ЛЧМ-сигнал среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же временные интервалы.

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

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 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 частоту электромагнитных излучений изменяют по линейному закону, а приемник размещают на борту летательного аппарата, принимаемое электромагнитное излучение преобразуют по частоте в измерительном канале, удваивают фазу преобразованного по частоте электромагнитного излучения, измеряют ширину спектра преобразованного по частоте электромагнитного излучения и его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае неравенства преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножают с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделяют гармонические сигналы на частоте гетеродина, измеряют между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на место течи на трассе, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5