Способ контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, с патроном подземных коммуникаций

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в системах катодной защиты трубопроводов. Технический результат - снижение трудоемкости. Для достижения данного результата осуществляют подачу на трубопровод при помощи генератора электрического сигнала и регистрацию изменения сигнала регистрирующим прибором. Для трубопровода, снабженного патроном, в качестве генератора используют генератор тока с частотой более 100 Гц. Один выход генератора подсоединяют к трубопроводу, а другой - к патрону. Датчик регистрирующего прибора перемещают вдоль трубопровода в зазоре между ним и патроном и измеряют изменение напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при обследовании коррозионного состояния и наличия повреждений подземных коммуникаций (газопроводов, нефтепроводов, водопроводов, продуктоводов), оценки качества их изоляции, а также определения наличия замыканий трубопроводов с наружными защитными патронами, нахождения месторасположения областей токов утечки катодной защиты.

Известны различные способы бесконтактных магнитометрических измерений токов на подземных трубопроводах, в которых измеряют напряженность магнитного поля магнитометром, устанавливаемым на поверхности земли над трубопроводом, которые перемещают над проверяемой поверхностью.

Так, известен способ магнитного контроля, в котором трубопровод намагничивают, а магнитные поля, возникающие над дефектами, обнаруживают датчиками, которые перемещают над проверяемой поверхностью (патент РФ №2118816, G 01 N 27/83, опубл. 1998 г.).

По сигналам с датчиков в этом способе строится векторная функция распределения напряженности магнитного поля по линии расположения датчиков. Определяется совокупность информативных параметров, которые сравнивают со значениями аналогичных параметров эталонных функций, характеризующих типовые дефекты. По результатам сравнения определяют наличие, параметры и типы дефектов.

Также известен способ бесконтактного обнаружения и измерения токов утечки на участке подземной коммуникации, в котором участок коммуникации запитывают с двух сторон модулированным электрическим током, обнаружение токов утечки ведут, определяя в начале и конце участка напряженности азимутальных составляющих магнитных полей, создаваемых этими токами, или индекс утечки (патент РФ №2150710, G 01 R 31/08, опубл. 2000 г.).

Так же, например известен способ строительства газопроводов, в котором при ремонте, и/или реконструкции, и/или восстановлении газопроводов выявление коррозирующих металлических участков производят с использованием трассоискателей, посредством которых осуществляют обнаружение электромагнитного поля, создаваемого вокруг обследуемого участка протекающим по нему током (патент РФ №2053432, F 16 L 58/00, опубл. 1966 г.).

В этом способе определение дефектных участков силовых элементов конструкций производят с использованием приемного приспособления трассоискателей, а определение дефектных участков остальных элементов конструкции производят путем подключения генератора к конструкциям. В конструкциях при помощи генератора возбуждают электромагнитные колебания и определяют силу магнитного поля по фиксируемой громкости звука в приемном приспособлении трассоискателя.

Ограничением всех известных способов, использующих измерение напряженности магнитного поля со стороны поверхности земли, является невозможность обнаружения дефектных областей трубопровода, расположенного внутри патрона (патрубка), окружающего наружную поверхность трубопровода, обычно устанавливаемого на участках пересечения магистрального трубопровода с шоссейными и другими дорогами, а также различными наземными и подземными коммуникациями, поскольку поверхность патрона является электромагнитным экраном.

Также невозможно выявит дефекты трубопровода, расположенного внутри экранирующего патрона, при наведении электромагнитного поля со стороны внутренней поверхности трубопровода и регистрации его снаружи (патент США №2601248, н.п.к. 175-183, опубл. 1948 г.).

Регистрация дефектов участка трубопровода, расположенного внутри патрона, при помощи измерения переменного магнитного поля в настоящее время была возможна только при проведении измерений со стороны внутренней стенки трубопровода, например, по известному способу контроля распределения тока в подземном трубопроводе (авторское свидетельство СССР №815643, G 01 R 19/00, опубл. 1981 г.).

В этом способе, основанном на многократном измерении напряженности магнитного поля тока в процессе продвижения вдоль трубопровода, напряженность магнитного поля измеряют вблизи внутренней стенки трубопровода, - в точках, разнесенных по равноудаленным от оси трубопровода окружностям поперечных сечений.

Однако основным ограничением этого способа является сложность его технической реализации, т.к. для измерения напряженности магнитного поля внутри трубопровода необходимо применять устройство, содержащее буксировочное устройство, центрирующее устройство, измерительное устройство с магниточувствительными датчиками, усилителями, регистрирующий прибор, генератор меток времени, лентопротяжный механизм. Лентопротяжный механизм надо синхронизировать со скоростью продвижения измерительного устройства при помощи сельсин-датчика, размещенного в приводе одного из колес центратора, и сельсин-приемника, на валу которого осуществлено крепление лентопротяжного механизма.

При наличии на участке от входа трубопровода до патрона только одного вдоль продольной оси трубопровода изгиба уже невозможно переместить измерительное устройство с магниточувствительными датчиками за изгиб к патрону, а при большом расстоянии от входа трубопровода до участка с патроном необходимо непроизводительно, в течение длительного времени перемещать при помощи буксировочного каната измерительное устройство к патрону, при этом постоянно отслеживать его местоположение внутри трубопровода и точно знать расположение патрона от входа трубопровода.

Наиболее близким для заявленного способа контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, является способ контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций, включающий подачу на трубопровод сигнала при помощи генератора и регистрацию изменения сигнала регистрирующим прибором (ЕР №0411689, С 23 F 13/00, опубл. 1991 г.).

Известный способ основан на пропускании через трубопровод тока I катодной защиты, измерении изменения потенциала ΔV*, наведенного в трубопроводе моделируемым током катодной защиты, а также определении сопротивления R - покрытия, исходя из соотношения R=ΔV*/I*.

В развитие этого способа по ранее поданной Европейской заявке также известен способ, в котором повреждение защитного покрытия фиксируют благодаря падению с последующим возрастанием величины параметра R₁ с выдачей сигнала при увеличении указанной величины, где R₁ - сопротивление, соответствующее падению напряжения между трубопроводом и землей (патент РФ №2120133, G 01 V 3/11, опубл. 1998 г.).

В известном способе в качестве генератора используют генератор с модулятором прямоугольных импульсов, которым модулируют ток I катодной защиты, получая модулируемый ток I*, например, с прямоугольной формой импульсов с глубиной до 10% и предпочтительно от 0,5 до 5%.

Генератор тока I является источником постоянного тока катодной защиты и подключается к трубопроводу обычным образом, отрицательный вывод генератора подсоединен к стенке трубопровода, а положительный - заземлен. Генератор тока I модулируется импульсным модулятором для получения на выходах генератора модулированного тока I*. Изменение потенциала ΔV* фиксируют вольтметром, одним выводом, подключаемый к изоляции трубопровода, а вторым - к металлической трубе трубопровода.

Этот способ позволяет за счет падения сопротивления R определять токи утечки катодной защиты, т.е. наличие замыканий металла трубопровода на участках трубопровода с окружающей его землей. В известном способе измерение R₁ не дает эффекта при различных вариантах выполнения изоляции или изменения ее сопротивления под воздействием коррозии или другого вида нарушения под воздействием окружающей среды, а устройство, реализующее известный способ, исключительно реагирует на контакт трубопровода с металлическими предметами, например, с мощным оборудованием, что является преимуществом способа в варианте его реализации при измерении R₁.

Ограничениями известного способа являются: трудоемкость, т.к. нужно специально модулировать импульсами источник катодной защиты; неосуществимость реализации способа для осуществления контакта регистрирующего прибора с изоляцией, расположенной внутри патрона; невозможность точного определения области контакта трубопровода с металлическими предметами, например патроном.

Решаемая изобретением задача - обеспечение возможности контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, с патроном подземных коммуникаций.

Технический результат, который получен при реализации способа, - уменьшение трудоемкости определения места контакта трубопровода с патроном, обеспечение определения месторасположения области контакта трубопровода с патроном, обеспечение возможности вскрытия трубопровода для его ремонта только с одной из сторон патрона.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном способе контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, включающем подачу на трубопровод сигнала при помощи генератора и регистрацию изменения сигнала регистрирующим прибором, согласно изобретению для трубопровода, снабженного патроном, расположенным снаружи трубопровода, в качестве генератора используют генератор тока с частотой более 100 Гц, при этом один выход генератора подсоединяют к трубопроводу, а другой его выход - к патрону, в качестве регистрирующего прибора используют прибор для измерения напряженности переменного магнитного поля, наведенного токами генератора, датчик прибора для измерения напряженности переменного магнитного поля перемещают вдоль трубопровода в зазоре между ним и патроном и измеряют изменение напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль продольной оси трубопровода, при выявлении контрольного участка вдоль продольной оси трубопровода, на котором на длине этого контрольного участка, соизмеримой порядку диаметра трубопровода, происходит более быстрое уменьшение напряженности переменного электромагнитного поля, чем на других отдельных участках, такой выявленный контрольный участок полагают дефектным, с местоположением на этом контрольном участке области и/или областей замыкания трубопровода с патроном.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:

- измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода производили при отключенной катодной защите;

- измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода производили при включенной катодной защите;

- прибора для измерения напряженности переменного магнитного поля с датчиком производил прием и детектирование сигнала, его усиление и отображение информации, соответствующей напряженности магнитного поля, в вольтах.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего способа поясняются лучшим вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры:

фиг.1 изображает схему для реализации заявленного способа, упрощенно;

фиг.2 - профили распределения магнитного поля вдоль продольной оси трубы трубопровода при расположении точек замыкания трубы с патроном: кривая I - на расстоянии 1,7 м; кривая II - на расстоянии 3,5 м; кривая III - на расстоянии 5,0 м; IV - на расстоянии 5,0 м, в двух точках;

фиг.3 - профиль распределения магнитного поля вдоль продольной оси трубы трубопровода при расположении двух точек замыкания трубы с патроном на расстоянии 1,7 м и 5,0 м;

фиг.4 - профиль распределения магнитного поля вдоль продольной оси трубы трубопровода при расположении трех точек замыкания трубы с патроном на расстоянии 1,7 м, 3,5 м и 5,0 м.

Способ контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, с патроном подземных коммуникаций (фиг.1) включает подачу на трубопровод 1 сигнала от генератора 2 и регистрацию изменения сигнала регистрирующим прибором 3.

Для трубопровода 1, снабженного патроном 4, расположенным снаружи трубопровода 1, в качестве генератора 2 используют генератор тока с частотой более 100 Гц. Один выход генератора 2 подсоединяют к трубопроводу 1, а другой его выход - к патрону 4. В качестве регистрирующего прибора 3 используют прибор для измерения напряженности переменного магнитного поля, наведенного токами генератора 2. Датчик 5 прибора для измерения напряженности переменного магнитного поля перемещают вдоль трубопровода 1 в зазоре между ним и патроном 4. Измеряют изменение напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль продольной оси трубопровода 1. При выявлении контрольного участка вдоль продольной оси трубопровода 1, на котором на длине этого контрольного участка, соизмеримой (равной) порядку диаметра трубопровода, происходит более быстрое уменьшение напряженности переменного электромагнитного поля, чем на других отдельных участках, такой выявленный контрольный участок полагают дефектным, с местоположением на этом контрольном участке области и/или областей замыкания трубопровода с патроном (фиг.2, 3). На фиг.1 также упрощенно показано изоляционное покрытие 6 трубы трубопровода 1.

Заявленный способ контроля наличия замыканий трубопровода 1 основан на том, что токи катодной защиты, протекающие по трубопроводу 1, создают вокруг него переменное магнитное поле с основной частотой 100 Гц. Измеряя это магнитное поле, можно определить величину токов катодной защиты. При наличии в какой-либо точке электрического контакта между трубой трубопровода 1 и окружающей ее патроном 4, некоторая часть тока катодной защиты в зависимости от сопротивления контакта замыкается на землю, вследствие чего величина тока за контактом может упасть, иногда практически до нуля. Если измерять профиль напряженности магнитного поля в зазоре трубопровод 1 - патрон 4, перемещая датчик 5 регистрирующего прибора 3 вдоль продольной оси трубы трубопровода 1, то при обнаружении на этом профиле (фиг.2, 3) контрольных участков быстрого, на длине порядка диаметра D трубопровода 1, изменения показаний, как показали экспериментальные исследования, можно с уверенностью сказать, что внутри этих контрольных участков по сравнению с остальными участками находятся области (места) замыкания трубопровода 1 с патроном 4.

Однако определение областей замыкания трубопровода 1 с патроном 4 по "скачку" тока катодной защиты, что по существу осуществляется в ближайшем аналоге путем косвенного измерения сопротивления через модулированный ток I* и изменение потенциала ΔV*, не всегда является оправданным и не позволяет определить местоположение областей утечки тока катодной защиты под патроном 4. Возможны ситуации, когда ток катодной защиты либо вообще отсутствует, либо токи с двух станций катодной защиты с разных концов трубы трубопровода 1 в области патрона 4 равны. Тогда резкое уменьшение или увеличение ("скачок") поля на его профиле будет отсутствовать, и в этом случае для определения областей замыканий следует использовать собственный генератор 2. Для того чтобы производить более точное измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода 1 при включенной катодной защите, целесообразно в качестве генератора 2 использовать генератор тока с частотой более 100 Гц (т.е. больше основной частоты магнитного поля для токов катодной защиты).

За счет выявления контрольных участка(ов) вдоль продольной оси трубопровода 1, на котором на длине этого контрольного участка, соизмеримой порядку диаметра D трубопровода, происходит более быстрое уменьшение напряженности переменного магнитного поля (фиг.2, 3) удается уменьшить трудоемкость определения места контакта трубопровода 1 с патроном 4 и обеспечить достаточно точное определение месторасположения области контакта трубопровода 1 с патроном 4.

Кроме того, измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода 1 можно производить при отключенной катодной защите, что невозможно осуществить в ближайшем аналоге.

Для удобства проведения измерений регистрирующий прибор 3 - прибор для измерения напряженности переменного магнитного поля с датчиком 5 производит прием и детектирование электромагнитного сигнала, его усиление и отображение информации, соответствующей напряженности магнитного поля, в вольтах. Такой прибор может быть выполнен по различным функциональным схемам, хорошо известным специалистам из существующего уровня техники, поэтому сама блок-схема регистрирующего прибора 3 не является предметом настоящего изобретения.

За счет возможности введения датчика 5 регистрирующего прибора 3 в зазор между трубопроводом 1 и патроном 4 только с какого-либо одного торца патрубка 4, а также пространственного расположения генератора 1 и регистрирующего прибора 3 тоже со стороны упомянутого торца, для ремонта изоляционного покрытия 6 трубопровода 1 возможно вскрывать и удалять верхний земляной пласт только со стороны одного из торцов патрона 4, а не с двух его сторон, что дополнительно уменьшает трудозатраты при осуществлении ремонта.

Пример конкретного осуществления заявленного способа.

Испытания проводились на макете реального перехода (фиг.1), представляющего собой две трубы, вложенные одна в другую, диаметром 1200 мм - труба трубопровода 1, диаметром 1400 мм - труба патрона 4, длиной 30 м и 22 м, соответственно. Обе трубы имели стандартные изоляционные покрытия 6 (на фиг.1 - изоляционное покрытие для патрона 4 не показано), и трубы были выполнены в сборе со стандартной реечной обвязкой. Регистрирующий прибор 3 представлял собой опытный образец прибора для измерения напряженности магнитного поля, в состав которого входит датчик 5 переменного магнитного поля. В качестве генератора 2 использовался генератор тока частотой 125 Гц. Выходы генератора 2 подключались к обеим трубам трубопровода 1 и патрона 4 сбоку у торца внешней трубы, ток генератора 2 составлял 0,5 А. Датчик 5 вдвигался сверху в зазор между трубами трубопровода 1 и патрона 4 на глубину до 6 м.

Замыкание имитировалось специально врезаемыми в трубы трубопровода 1 и патрона 4 болтами в различных комбинациях между ними: в точках внизу труб на расстояниях 1,7 м, 3,5 м и 5,0 м от торца патрона 4, а также горизонтально сбоку на расстоянии 5 м от торца патрона 4. Сопротивление в точках контактов не превышало 0,05 Ом, сопротивление между незамкнутыми трубами трубопровода 1 и патрубка 4 составляло не менее 50 кОм. Результаты испытаний сведены в таблицу.

По графикам на фиг.2 можно определить точки, расположенные вдоль продольной оси трубы от торца патрона 4, в которых поле спадает примерно на 50%. Это точки в области 2 м, 3, 4 м, 5,1 м и 5,3 м, соответственно для одиночных точек замыкания 1,7 м, 3,5 м, 5 м (снизу труб) и для двух точек замыкания 5 м (снизу и сбоку труб). Таким образом, для серии опытов погрешность определения места замыкания не превышает 0,3 м. Причем, видно, что в случае бокового расположения точки замыкания общий профиль магнитного поля изменяется более резко в сравнении с нижним ее расположением.

Профиль магнитного поля (фиг.3) от торца патрона 4 можно условно разбить на три части - участок падения от 1,4 м до 2,8 м, участок приблизительно постоянного изменения поля от 2,9 м до 4,5 м и еще один участок падения от 4,5 м до 6 м. То есть для двух точек замыкания трубы трубопровода 1 с патроном 4 на расстоянии 1,7 м и 5,0 м следует, что ток замыкания делится примерно поровну между двумя контактами (1,7 м и 5,0 м). Средние точки контрольных участков падения поля соответствуют 2,1 м и 5,3 м, что отличается от действительного положения точек замыкания на 0,4 м и 03 м, соответственно.

Для специально выбранного расположения трех точек одновременного замыкания трубы трубопровода 1 с патроном 4 на расстояниях 1,7 м, 3,5 м и 5,0 м, лежащих на одной прямой, профиль поля (фиг.4) плавно спадает на протяжении всей области измерений без возможности выявления контрольных участков (на практике очень редко встречающийся случай). Определить точное место замыканий и их количество не представляется возможным. Однако по характерным перегибам на графике в области 1 м и 5,5 м можно однозначно определить, что контакты замыкания расположены в области от 1 м до 5,5 м.

На основании измерений (таблица) и графиков (фиг.2-4) можно сделать следующие выводы.

1. Заявленный способ пригоден для определения мест одиночных замыканий трубопровод 1 - патрон 4 в областях вдоль продольной оси труб с погрешностью не более 0,25 D=0,3 м, где D - наружный диаметр внутренней трубы трубопровода 1.

2. Заявленный способ позволяет определить места нескольких замыканий трубопровод 1 - патрон 4 в областях вдоль продольной оси труб с погрешностью не более 0,33 D=0,4 м при расстоянии между контактами замыкания 2,75 D=3,3 м.

Поскольку для практического проведения эксплуатационных и ремонтных работ коммуникации достаточно иметь погрешность не более 0,5 D, то заявленный способ полностью удовлетворяет цели обнаружения областей замыкания для качественного проведения указанных работ.

3. Для большого количества замыканий при расстоянии между ними менее 1,5 D определить точное место замыканий и их количество заявленным способом не представляется возможным, но вполне допустимо без привлечения дополнительных методов обработки данных выявить общий участок их локализации.

Таким образом, заявленный способ наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, промышленно применим при обследовании коррозионного состояния и наличия повреждений трубопроводов 1, а также определения наличия замыканий трубопроводов с наружными защитными патронами, нахождения месторасположения областей токов утечки катодной защиты.

1. Способ контроля наличия замыканий трубопровода, оборудованного катодной защитой, включающий подачу на трубопровод сигнала при помощи генератора и регистрацию изменения сигнала регистрирующим прибором, отличающийся тем, что для трубопровода, снабженного патроном, расположенным снаружи трубопровода, в качестве генератора используют генератор тока с частотой более 100 Гц, при этом один выход генератора подсоединяют к трубопроводу, а другой - к патрону, в качестве регистрирующего прибора используют прибор для измерения напряженности переменного магнитного поля, наведенного токами генератора, датчик прибора для измерения напряженности переменного магнитного поля перемещают вдоль трубопровода в зазоре между ним и патроном и измеряют изменение напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль продольной оси трубопровода, при выявлении контрольного участка вдоль продольной оси трубопровода, на котором на длине этого контрольного участка, соизмеримой порядку диаметра трубопровода, происходит более быстрое уменьшение напряженности переменного магнитного поля, чем на других отдельных участках, такой выявленный контрольный участок полагают дефектным, с местоположением на этом контрольном участке области и/или областей замыкания трубопровода с патроном.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода производят при отключенной катодной защите.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение изменения напряженности переменного магнитного поля на отдельных участках вдоль оси трубопровода производят при включенной катодной защите.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прибор для измерения напряженности переменного магнитного поля с датчиком производит прием и детектирование сигнала, его усиление и отображение информации, соответствующей напряженности магнитного поля, в вольтах.