Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначенной для контроля герметичности газо-нефтесодержащего оборудования. Изобретение направлено на повышение точности определения трассы залегания магистрального трубопровода. Это обеспечивается за счет того, что способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающийся в обзоре трубопровода трассоискателем путем облета на маловысотном летательном аппарате, одновременном сканировании трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и совместной цифровой фильтрации сигналов локатора, тепловизионного и телевизионного датчиков, отличается тем, что в качестве трассоискателя используют дополнительные три локатора разных длин волн, приемопередающие антенны четырех локаторов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезированной апертуры, а о месте утечки жидкости или газа из трубопровода судят по локальному понижению температуры, зарегистрированному тепловизионным датчиком, и информации, полученной радиолокаторами и телевизионным датчиком, при этом о глубине залегания трубопровода судят по цвету его изображения на экране индикатора. 4 ил.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике, предназначенной для контроля герметичности газо-нефтесодержащего оборудования, и более конкретно к технике дистанционного определения места утечки жидкости или газа магистрального трубопровода, находящегося в траншее под грунтом.

Известны способы определения места утечки жидкости или газа из трубопроводов (авт. свид. СССР №№380909, 411268, 642575, 934269, 1216551, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты РФ №-№204783, 2135887, 2138037; патенты США №№4289019, 4570477, 5038614; патент Великобритании №1349129; патент Франции №2498325; патенты Японии №№59-38537, 60-24900, 63-22531; трубопроводный транспорт жидкости и газа, M., 1993 и другие.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является “Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте” (патент РФ №2040783, G 01 М 3/00, 1991), который и выбран в качестве прототипа.

Данный способ обеспечивает дистанционное определение мест утечек жидкости или газа из заглубленного магистрального трубопровода. Сущность способа заключается в следующем: трассу трубопровода облетают на маловысотном летательном аппарате, например вертолете. При этом производят обзор трассы трубопровода метровым локатором для определения места его залегания. Одновременно сканируют трубопровод съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками. Осуществляют совместную цифровую обработку сигналов датчиков.

Недостатком известного способа является низкая точность определения трассы залегания трубопровода. Это объясняется тем, что обзор трубопровода осуществляют облетом на маловысотном летательном аппарате с использованием локатора только одной метровой длины волны. Однако магистральный трубопровод может залегать в грунтах и почвах различной физической природы, для некоторых из которых радиоволны указанной длины имеют сравнительно большой коэффициент затухания (таблица 1). В этом случае магистральный трубопровод, проложенный на определенной глубине в траншее, просто не будет обнаружен.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения трасы залегания магистрального трубопровода путем использования для его локации четырех длин волн.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающегося в обзоре трубопровода трассоискателем путем облета на маловысотном летательном аппарате, одновременном сканировании трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и совместной цифровой фильтрации сигналов локатора, тепловизионного и телевизионного датчиков, в качестве трассоискателя используют дополнительные три локатора разных длин волн, приемопередающие антенны четырех локаторов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезирования апертуры, а о глубине залегания трубопровода судят по цвету его изображения на экране индикатора.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Расположение приемопередающих антенн локаторов на концах лопастей несущего винта вертолета показано на фиг.2. Характеристики проникновения радиоволн различных длин изображены на фиг.3. Значения угловой разрешающей способности при различных длинах волн представлены на фиг.4

Устройство содержит синхронизатор 1, передатчики 2.1-2.4, антенные переключатели 3.1-3.4, приемопередающие антенны 4.1-4.4, приемники 5.1-5.4, блоки 6.1-6.4 обработки, переключатель 7 сектора обзора, генератор 8 строб-импульса, четырехцветный индикатор 9, тепловизионный датчик 10, телевизионный датчик 11, блок 12 приема, цифровой обработки и регистрации. Каждый передатчик 2.i подключен к своему антенному переключателю 3.i, который соединен со своими приемопередающей антенной 4.1 и приемником 5.i (.i=1, 2, 3, 4). Приемники 5.1-5.4 подключены к блокам 6.1-6.4 обработки, выходы которых подключены к входам цветного индикатора 9. Ко всем четырем антенным переключателям 3.1-3.4 подведены сигналы от переключателя 7 сектора обзора. С генератора 8 строб-импульса подается стробирующий импульс на приемники 5.1-5.4.

Предлагаемый способ определения места утечки жидкости или газа из магистрального напорного трубопровода осуществляется следующим образом.

На маловысотном летательном аппарате, например вертолете, размещаются четыре радиолокатора, тепловизионное и телевизионное устройства и блок цифровой фильтрации сигналов тепловизионного, телевизионного и радиолокационных устройств.

При облете трубопровода на маловысотном летательном аппарате производятся:

- обзор трубопровода четырьмя радиолокаторами с λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м для определения места залегания трубопровода (трассы трубопровода);

- синхронизированное по времени наблюдение пространства над трассой трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным устройствами;

- совместная цифровая фильтрация сигналов радиолокационного, тепловизионного и телевизионного устройств, которая позволяет определить профиль залегания трубопровода и выделить тепловые пятна на грунте по трассе трубопровода в месте утечки из трубопровода.

Основой предлагаемого способа является принцип совместной логической обработки сигналов, съюстированных и синхронно работающих информационных тепловизионного, телевизионного и радиолокационного каналов.

Радиолокационный канал обеспечивает точное определение места залегания трубопровода (трассы трубопровода).

Вырабатываемые в синхронизаторе 1 импульсы запускают четырьмя передатчиками 2.1-2.4 и управляют четырьмя блоками 6.1-6.4 обработки сигналов. Импульс синхронизатора 1 также управляет работой генератора 8 строб-импульсов, цветного индикатора 9, тепловизионного 10 и телевизионного 11 датчиков и блока 12 приема. Длительность и положение во времени строб-импульса определяют положение и протяженность наблюдаемого элемента земной поверхности по дальности. Этот импульс и подается на блоки обработки.

Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность.

Зондирующие импульсы с передатчиков 2.1-2.4 через антенные переключатели 3.1-3.4 поступают на свои антенны 4.1-4.4, каждая из которых расположена на конце лопасти несущего винта вертолета (фиг.2).

Каждая антенна, расположенная на конце вращающейся лопасти, подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 7 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде четырех щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который в свою очередь может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждые передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве.

С антенн 4.1-4.4 сигналы излучаются в направлении подстилающей поверхности. Отраженные от трубопровода 14 сигналы принимаются антеннами 4.1-4.4 и через антенные переключатели 3.1-3.4 подаются на приемники 5.1-5.4, а затем на блоки 6.1-6.4 обработки, в которых осуществляется обработка принятых сигналов по алгоритму синтезирования апертуры. В этих же блоках учитывается эффект изменения дальности от антенны до трубопровода, вызванный перемещением антенн по окружности в процессе синтезирования. В блоках 6.1-6.4 обработки обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка дальности, положение и протяженность которого определяется стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 7. С блоков 6.1-6.4 обработки сигналы поступают на индикатор 9 с цветным изображением, причем сигналы с каждого блока обработки соответствуют изображению в определенном цвете.

Применение четырех радиолокаторов с λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты трубопровода, расположенного под подстилающей поверхностью земли 13, с высокой угловой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения трубопровода под поверхностью земли.

Тепловизионный канал позволяет фиксировать прямой физический признак утечки газа из заглубленного газопровода в виде локального понижения температуры (отрицательного теплового контраста на поверхности покрытия газопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из газопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи, по имеющимся экспериментальным и расчетным данным, составляют до 8-10°С, что существенно превышает пороговые характеристики контрастной чувствительности тепловизионных приборов (0,5-1,0°С) и, соответственно, может быть выявлено измерениями. Однако эффективное выделение места течи по этому прямому физическому признаку затруднено вследствие наличия естественной неоднородности температурного поля.

В районе залегания трубопровода значения случайных температурных контрастов, вызванных рядом факторов: характер покрытия и структура почвы, время суток, года, метеоусловия, - могут быть соизмеримы или даже превышать значения идентифицируемых локальных температурных контрастов в районе течи. Соответственно, для повышения надежности селекции места течи предлагается использовать информацию дополнительных каналов: радиолокационного и телевизионного, позволяющих выделить косвенные признаки, сочетание которых с измерением прямого признака (отрицательного теплового контраста) существенно снижает вероятность ошибочной идентификации (ложной тревоги).

Так, радиолокационный канал, выделяя геометрическое расположение металлического трубопровода на местности по контрастам радиолокационных сигналов на четырех частотах, формирует тем самым косвенный логический признак возможного расположения места течи, а именно только в районе расположения трубопровода.

Телевизионный канал, выделяя поле контрастов, первопричиной которых является наличие внешнего источника подсветки (солнца), также позволяет формировать косвенные логические признаки наличия течи, т.е. внутреннего, не связанного с внешней подсветкой, источника отрицательного теплового контраста, за счет совместной оценки размеров фактуры знака контрастных образований телевизионного и тепловизионного кадров с учетом условий подсветки (освещенность, метеоусловия и др.).

Таким образом, совместный логический анализ (фильтрация) сигналов многоканальной системы, измеряющей прямой признак (тепловой контраст) и косвенные признаки (контрасты отраженного излучения внешних источников подсветки видимого и радиодиапазонов) позволяет существенно повысить эффективность обнаружения течи по сравнению с одноканальным способом, например тепловизионного или спектрального анализа поглощения газовых продуктов на местности.

Использование четырех радиолокаторов с λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м в предлагаемом способе вызвано необходимостью, с одной стороны, обеспечения возможности получения доступных для измерения отраженных сигналов от трубопровода, заглубленного в траншее на 1,5-2,0 м, с другой, локализации расположения трубопровода по результатам измерений с ошибками, определяемого в таблице 2 (фиг.4), для большей достоверности и точности выделения косвенного признака.

Анализ возможностей использования предлагаемого способа на существующих вертолетах типа МИ-6, МИ-8, МИ-24, МИ-26 с длиной лопасти 1-20 м, числом оборотов винта 200 об/мин, позволяет получить следующие значения угловой разрешающей способности на разных глубинах, соответствующих длинам рабочих волн, значения которой при эффективной длине синтезированной апертуры 20 м приведены в таблице 2 (фиг.4).

Для сравнения в таблице 3 (фиг.4) приведены значения угловой разрешающей способности при различных длинах волн, которые можно обеспечить без синтезирования при ширине лопасти d=600 мм (α=λ/d).

Совместное рассмотрение таблиц 2 и 3 (фиг.4) позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый радиолокационный канал позволяет повысить угловую разрешающую способность при тех же длинах волн приблизительно в 100 раз.

Оценка показала, что использование более коротковолнового радиоизлучения не обеспечивает локации трубопровода при требуемых заглублениях (1,5-2 м). С другой стороны, локация более длинноволновым диапазоном (десятки метров и более), обеспечивая прохождение сигнала на требуемую глубину залегания трубопровода, имеет неудовлетворительные показатели по точности пеленгации сигналов (в пределах десятков градусов).

Также неудовлетворительным является для предлагаемого способа оперативного контроля течи посредством, например, облета вертолетом и использования известного метода локализации металлических трубопроводов по искажениям геомагнитного поля (магнитометрический метод). При допустимых из условий безопасности высоких высотах полета не менее 50-100 м, наличие значительной помеховой металлической массы в зоне измерения (корпус вертолета) выделение искажений геомагнитного поля, вызванных наличием массы трубопровода, аппаратурно затруднено. При этом точность пеленгации магнитометрическим методом не превосходит 20-30°, что существенно снижает ценность измеряемого косвенного признака.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает повышение точности определения трассы залегания магистрального трубопровода. Это достигается использованием радиолокационного канала, состоящего из четырех радиолокаторов с λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м, приемопередающие антенны которых размещены на концах лопастей несущего винта вертолета.

Кроме того, предлагаемый радиолокационный канал с синтезированной апертурой и антеннами, расположенными на концах вращающихся лопастей несущего винта и работающих на разных частотах, позволяет с большей достоверностью и точностью выделять косвенный признак, необходимый для обнаружения местоположения утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте.

Формула изобретения

Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающийся в обзоре трубопровода трассоискателем путем облета на маловысотном летательном аппарате, одновременном сканировании трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и совместной цифровой фильтрации сигналов локатора, тепловизионного и телевизионного датчиков, отличающийся тем, что в качестве трассоискателя используют дополнительные три локатора разных длин волн, приемопередающие антенны четырех локаторов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезированной апертуры, а о месте утечки жидкости или газа из трубопровода судят по локальному понижению температуры, зарегистрированному тепловизионным датчиком, и информации, полученной радиолокаторами и телевизионным датчиком, при этом о глубине залегания трубопровода судят по цвету его изображения на экране индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4