Способ и система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе

Использование: для непрерывного дистанционного контроля деформаций в трубопроводе. Сущность изобретения заключается в том, что способ и система предусматривают использование направляемых волн для дистанционного контроля напряжений в трубопроводе, а также в протяженных секциях, имеющих длину, равную сотням метров, с использованием относительно малого количества датчиков, установленных на наружной поверхности трубопровода. Технический результат: обеспечение возможности непрерывного контроля относительно длинных секций трубопровода при использовании ограниченного числа датчиков. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и системе для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе.

В частности, настоящее изобретение главным образом относится к работе с трубопроводами, предназначенными для транспортировки текучих сред (природный газ, сырая нефть, вода, нефтепродукты) под низким и высоким давлением, которыми нельзя управлять с использованием систем интеллектуального обследования трубопроводов (PIG), или в секциях трубопровода, которые подвергаются опасности воздействия оползней и/или землетрясений и в которых могут произойти катастрофические поломки, ведущие к прерыванию услуг по транспортировке.

Среди систем, используемых в настоящее время, годных к использованию или просто предложенных для измерения пространственных деформаций в находящемся под давлением трубопроводе, по существу можно выделить два явных типа:

- косвенные системы, которые следят за целостностью трубопровода посредством измерений перемещения относительно окружающей почвы, среди которой можно упомянуть инклинаторы, экстензометры с вибрирующими струнами, пьезометры и спутниковые системы, и

- прямые системы или, другими словами, применяемые непосредственно в трубопроводах, среди которых применяемые локально экстензометры и системы на основе оптических волокон.

Инклинаторы - это устройства, которые установлены в почве в непосредственной близости от трубопровода для выявления любых возможных перемещений земли. Инклинаторы обычно помещают в бетонных скважинах, которые, однако, могут быть разрушены возможными оползнями. Экстензометры с вибрирующими струнами - это системы, установленные в земле, для обнаружения значительных перемещений почвы, окружающей трубопровод. В зависимости от варианта выполнения, экстензометры с вибрирующими струнами могут быть определены как «четырехугольники».

Пьезометры - это системы, которые установлены в почве и которые оценивают давление окружающей воды и эффективность дренажа. Значительное накопление воды в земле, окружающей трубопровод, может фактически указать на возможное возникновение оползня. Наконец, спутниковая система для дистанционного контроля подземных трубопроводов описана, например, в документе WO 2010/099881 А1, поданной тем же заявителем.

Экстензометры, установленные локально, могут непосредственно измерять напряженность в трубопроводе. Обычно в каждой точке измерения устанавливают три экстензометра, разнесенные по угловой координате на 120 градусов и ориентированные так, чтобы измерять осевую деформацию трубопровода. Собранные данные предоставляют информацию, относящуюся к деформациям, имеющим место вокруг секции трубопровода, где установлены эти экстензометры.

Системы для измерения напряженности на основе оптоволокна, представляют собой системы, распределенные вдоль трубопроводов для контроля подземных секций, простирающихся на десятки километров. Типичный пример варианта выполнения настоящего изобретения для таких систем основан на явлении рассеяния света согласно эффекту Бриллюэна. Рассеяние - это внутреннее явление, связанное с распространением света в материалах на основе кремния, из которых состоит оптоволокно. Поэтому эффект Бриллюэна представляет собой известную реакцию на изменения внешней температуры или упругую деформацию в материале, из которого выполнен трубопровод.

Все системы контроля, описанные выше, являются пассивными системами, способными измерять перемещение земли, окружающей трубопровод или, как в случае локально установленных экстензометров, деформаций, вызванных оползнями. Системы, которые измеряют перемещения земли, окружающей трубопроводы, в потенциально сейсмичных областях или в местах возможного возникновения оползней, дают не прямую информацию о целостности трубопровода, а лишь качественные данные, коррелированные с перемещениями геологической области.

Что касается экстензометров, то это локально установленные зонды, которые не способны предоставить много информации о целостности длинных секций трубопровода. Наоборот, зонды системы согласно настоящему изобретению способны, если используются парами, обеспечить непрерывное исследование упругих деформаций в секции трубопровода длиной порядка десятков метров. Кроме того, как системы, основанные на оптоволокне, так и локально установленные экстензометры, подвержены возможным физическим повреждениям, вызванным оползнями или другими геологическими/сейсмическими смещениями.

Поэтому цель данного изобретения состоит в создании способа и системы для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе, которые устраняют недостатки, присущие известным техническим решениям, описанным выше, чрезвычайно простым, экономичным и функциональным способом.

Способ и система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе согласно данному изобретению могут использоваться для выявления деформаций, вызванных оползнями или землетрясениями, воздействующими на секции трубопровода длиной порядка десятков, если не сотен метров. В частности, при использовании предложенного способа можно обнаружить искривления и зоны разрушения трубопроводов. В дополнение к этому система, используемая для обнаружения обширных деформаций, способна обнаружить геометрические и упругие деформации локального типа, например явления продольного изгиба или местной коррозии.

Система согласно настоящему изобретению предусматривает установку чувствительных зондов как пассивного, так и активного типа на трубопроводах, для которых требуется долгосрочный контроль. Эта система способна обеспечить точность и повторяемость измерений, а также простоту и возможность установки распределенных датчиков дискретно вдоль трубопровода. Возможность выполнения дистанционного пассивного контроля обеспечивает невмешательство в работу линии, давая в высшей степени достоверные результаты с точки зрения надежности системы контроля.

Более конкретно цели и преимущества способа и системы для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе согласно настоящему изобретению включают следующее:

- возможность контроля относительно длинных секций трубопровода при использовании ограниченного числа датчиков;

- возможность обнаружения и контроля во времени не только локальных вариаций (в отношении малых деформаций), но также и больших вариаций в объеме трубопровода в терминах напряженностей в самом трубопроводе;

- возможность проведения непрерывного «интеллектуального» контроля трубопровода на основе непрерывного сравнения численной модели и экспериментальных измерений;

- посредством периодического сравнения данных измерений в заданный момент времени t0 и измеренных в последующий момент времени t0+n*At, возможность обновления численной модели трубопровода и, в то же самое время, динамического определения аварийных порогов;

- возможность обнаружения обширных деформаций вдоль подземного трубопровода и оценки напряженностей, генерированных в материале (сталь) указанного трубопровода вследствие смещения земли, пусть даже едва заметного на поверхности, но способного вызвать поломку;

- возможность контроля более протяженных секций трубопровода тем же количеством датчиков с использованием их как в эхо-импульсном режиме (отражение направляемой волны), так и в режиме "передачи-перехвата" [pitch-catch] (прохождение направляемой волны);

- одновременное использование большого разнообразия информации для оценки целостности трубопровода, среди которой обусловленные деформированной или подвергаемой давлению секцией: изменения в скорости переданной распространяемой волны с последующей вариацией времени прохождения ее через секцию трубопровода, имеющего заранее установленную длину, возможное отсутствие распространения или частичного распространения проходящей волны, изменение формы переданного импульса (вариация в ширине, и/или фазе, и/или длительности);

- вследствие непрерывного контроля, возможность отслеживания динамических изменений, выявленных в проходящей или отраженной волне, и их связи со смещением окружающей земли.

Согласно настоящему изобретению, эти цели достигаются посредством способа и системы для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе, как определено в независимых пунктах формулы изобретения.

Дополнительные признаки изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания.

Признаки и преимущества способа и системы для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе согласно настоящему изобретению станут очевидны из последующего иллюстративного и неограничивающего описания со ссылками на сопровождающие чертежи, где:

- на фиг. 1 схематично показан обычный заглубленный трубопровод, к которому подключена система контроля с использованием направляемых волн и с магнитострикционными датчиками согласно настоящему изобретению;

- на фиг. 2 показан график, демонстрирующий зависимость механическое напряжение - деформация в углеродистой стали, из которой обычно изготавливают трубопроводы;

- на фиг. 3А и 3В показано изменение механического напряжения в секции трубопровода, контролируемой двумя датчиками направляемой волны, при этом изменение распространяется на всю контролируемую секцию (фиг. 3А) по сравнению с изменением, локализованным в пределах такой контролируемой секции (фиг. 3В);

- на фиг. 4 показан пример варианта системы с использованием направляемых волн согласно настоящему изобретению для неразрушающего контроля деформаций вдоль находящегося под давлением трубопровода;

- на фиг. 5 показана внешняя деформация трубопровода, которая может быть обнаружена датчиками направляемых волн согласно настоящему изобретению;

на фиг. 6 показана последовательность операций, иллюстрирующая фазы способа непрерывного дистанционного контроля с использованием направляемых волн в находящихся под давлением трубопроводах согласно настоящему изобретению;

- на фиг. 7 показаны инструменты системы непрерывного дистанционного контроля с использованием направляемых волн согласно настоящему изобретению, в частности известное считывающее устройство "RECOMS" (Дистанционный управляемый магнитострикционный датчик);

- на фиг. 8 показаны результаты численного моделирования изменения напряженностей в трубопроводе и реакция системы с использованием направляемой крутильной волны для случая углеродистой стали в области упругой деформации (непрерывная кривая) и углеродистой стали в области упругопластической деформации (штриховая кривая) для всей секции трубопровода между двумя датчиками направляемых волн;

- на фиг.9 показаны результаты численного моделирования изменения напряжений в трубопроводе и реакция системы с использованием направляемой крутильной волны для случая углеродистой стали в области упругой деформации (непрерывная кривая) и углеродистой стали в области упругопластической деформации (штриховая кривая) для ограниченной секции трубопровода между двумя волноводными датчиками и

- на фиг. 10 показаны результаты упругой деформации в зависимости от внешнего давления в экспериментах с трубопроводом при непрерывном обнаружении направляемой волны в режиме "передачи-перехвата".

Со ссылками на чертежи показаны способ и система с использованием направляемых волн для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе, обозначенном в целом позицией 10. Направляемые волны генерируются в виде упругих колебаний одним или более датчиков или зондов 12, установленных локально на внешней секции 10А контролируемого трубопровода 10. Распространение волны происходит с использованием стенок трубопровода 10 в качестве волновода.

Каждый датчик 12 может быть датчиком магнитострикционного или пьезоэлектрического типа и может работать в обоих режимах: генерировать направляемую волну (режим ТХ, передающий датчик), и регистрировать прохождение указанной направляемой волны (режим RX, приемный датчик). На фиг. 1, например, показана система с использованием направляемых волн, основанная на датчиках 12 магнитострикционного типа и использованная в трубопроводе 10 диаметром 48 дюймов (122 см), уложенном в земле и предназначенном для транспортировки природного газа.

Возможны два режима использования датчиков 12 направляемой волны:

- эхо-импульсный режим: единственный датчик 12 работает в режиме TX-RX: он испускает импульс и регистрирует его эхо;

- режим передачи-перехвата: предусмотрены два датчика 12А и 12В, установленные в различных точках трубопровода 10, при этом первый 12А из указанных датчиков действует как передатчик, а второй 12В из указанных датчиков действует как приемник.

Упругая волна, генерируемая в некоторой точке трубопровода 10, может распространяться на расстояние порядка десятков метров от этой точки генерации. Упругое распространение направляемых волн в трубопроводе 10 зависит от физических и геометрических параметров внешней трубопроводной системы. Каждая вариация этих параметров вызывает некоторые изменения в распространении самой направляемой волны, т.е. приводит к следующему:

- изменению амплитуды, формы и/или энергии распространяемого импульса;

- генерации отраженной волны и проходящей волны, которые, в свою очередь, распространяются от точки, в которой имело место изменение физических свойств (дефект или разрыв) в трубопроводе 10.

Среди изменений физических параметров трубопровода 10, предназначенного для транспортировки текучих сред, к которым применимы известные способы измерения с использованием направляемых волн, можно упомянуть следующие дефекты:

- локальные дефекты;

- локальная коррозия;

- локальное изменение свойств покрытия трубопровода 10.

Система контроля с использованием направляемых волн позволяет обнаружить и локализовать местные неоднородности вдоль трубопровода 10 посредством измерения амплитуд отраженных упругих волн и обработки времен распространения между точкой аномалии и точкой измерения. Поэтому назначение такой системы заключается в обнаружении и локализации любого возможного дефекта вдоль инспектируемого трубопровода 10, а также в идентификации и измерении каждого дефекта.

Обнаружение и локализация дефектов требуют выделения и распознавания сигнала, обусловленного дефектом, из сигналов, генерируемых шумом и соединениями, изгибами и ответвлениями, обычно имеющимися в трубопроводе 10. Идентификация и измерение параметров дефекта требуют реконструкции геометрии этого дефекта, поскольку соотношение между геометрией дефекта и измеренным сигналом дается функцией, которая в общем случае неизвестна из-за сложности задачи.

Используемые в настоящее время способы относятся к эвристическому типу. Среди них самым простым и наиболее широко используемым является калибровочный способ. На этапе разработки системы контроля собирают сигналы и обрабатывают ответные сигналы от известных дефектов с формированием калибровочных кривых при изменения геометрических параметров дефекта (длины, ширины, толщины), с которыми можно сравнивать ответные сигналы, получаемые системой.

Другие способы обращения, предложенные недавно, основаны на нейронных сетях. В процессе обучения нейронной сети используются сигналы, генерируемые известными дефектами. На фазе прогнозирования сигнал, генерируемый неизвестным дефектом, подается в нейронную сеть, на выходе которой дается оценка геометрии дефекта.

Неразрушающий способ с использованием направляемых волн и система для контроля состояния трубопровода 10 могут использоваться для обнаружения локальной коррозии и/или дефекта в самом трубопроводе 10.

Направляемые волны крутильного типа в общем случае используются на частотах в диапазоне от 4 кГц до 128 кГц, предпочтительно 8, 16 или 32 кГц. Способ и система согласно изобретению позволяют выявить явления механической деформации стали в трубопроводе 10 вследствие изменения внутреннего и/или внешнего давления в самом трубопроводе 10, например, вызванной переходом материала из упругого в пластичное состояние. Способ и система согласно изобретению позволяют дистанционно контролировать напряженности в трубопроводе 10, а также в протяженных секциях длиной в сотни метров с использованием относительно небольшого количества датчиков 12, установленных на наружной поверхности трубопровода 10.

На фиг. 2 показана зависимость между напряженностью σ и деформацией ε, типичная для углеродистых сталей и иллюстрирующая области упругой деформации, упругопластической и пластической деформации, критическую точку и предел прочности. Способ согласно настоящему изобретению основан на возможности обнаружения с помощью системы с использованием направляемых волн вариаций скорости направляемой волны, которая распространяется в представляющей интерес секции трубопровода 10, при этом вариация скорости распространения волны чувствительна к изменению упругих свойств материала.

Для пояснения способа согласно настоящему изобретению рассмотрим однородную и изотропную секцию 10А трубопровода 10 (фиг. 3А), выполненную из стали и характеризующуюся следующими физическими параметрами:

- Е0=модуль Юнга;

- ν=коэффициент Пуассона;

ρ=плотность

В секции рассматриваемого трубопровода 10А установлено два датчика 12А и 12В направляемой волны. Первый, или передающий, датчик 12А способен генерировать упругую волну крутильного типа Т(0,1), тогда как второй, или приемный, датчик 12В, способен обнаружить прохождение указанной волны. Эти два датчика 12А и 12В установлены на заранее заданном расстоянии D, равном длине секции трубопровода 10А и работают в режиме передачи-перехвата.

В обычных условиях давление внутри и снаружи трубопровода 10 таково, что сталь работает в пределах диапазона упругости. В этой ситуации скорость сто направляемой волны, генерируемой передающим датчиком 12А, и время t0, затраченное на прохождение вдоль секции D, соответственно равно:

где

Если внешнее давление на трубопровод увеличивается, но сталь находится в пределах области упругопластической деформации, скорость распространения волны ст, меняется вследствие изменения времени t прохождения секции трубопровода 10А, имеющей длину D. Другими словами, вариация механической напряженности трубопровода 10 приводит к изменению (задержке) Δt момента времени прихода в приемный датчик 12В импульса, генерированного передающим датчиком 12А:

где

Это изменение Δt можно измерить, оно не зависит от частоты переданной волны и будет тем больше, чем больше расстояние D между передающим 12А и приемным 12В датчиками, и тем больше, чем больше отношение стот отличается от 1. Поэтому способ согласно настоящему изобретению основан на корреляции между измерением изменения Δt и измерением изменения напряженности в трубопроводе 10.

Можно проиллюстрировать два конкретных случая. Первый включает гипотезу о том, что рабочая точка в области упругопластической деформации "относительно близка" к диапазону упругости, так что можно считать, что распространение направляемой волны в первом приближении подчиняется специфическим законам распространения в упругом диапазоне. В этом первом случае, если:

Е=Е0+АЕ

и

То это дает

Второй случай, напротив, включает гипотезу о том, что изменение давления на трубопровод 10 заставляет сталь работать в области пластической деформации, близкой к разрушению, то есть там, где материал больше не в состоянии распространять направляемую волну. Этот второй случай также можно обнаружить системой с использованием направляемых волн: для импульса, переданного передающим датчиком 12А, фактически не имеется импульса, принятого приемным датчиком 12В.

Наконец, способ согласно изобретению может также быть применен, когда изменение давления относится к частичной секции 10 В трубопровода между двумя датчиками направляемой волны: передающим 12А и приемным 12В, как показано на фиг. 3В. В этом случае волна, переданная передающим датчиком 12А, частично отражается, а частично проходит через зону нарушения непрерывности. Эти направляемые волны можно обнаружить с использованием предложенной системы в эхо-импульсном режиме и режиме передачи/перехвата.

Как показано на схемах на фиг. 4 и 5 и в последовательности операций на фиг. 6, способ непрерывного дистанционного контроля согласно настоящему изобретению состоит из следующих фаз:

1. Определение контрольных точек. На трубопроводе 10 устанавливают N автономных измерительных станций Sn 18, где n=1,…,N, при этом каждая станция снабжена датчиком 12 направляемой волны (магнитострикционным или пьезоэлектрическим), способным работать как в эхо-импульсном режиме, так и в режиме передачи/перехвата. Блок 14 дистанционного управления управляет датчиками 12 и запоминает измеренные данные для соответствующей последующей обработки. Датчики 12 установлены на заранее заданном расстоянии D, порядка 10 метров, так, чтобы направляемая волна, генерируемая некоторым датчиком 12, могла достичь соседних датчиков 12.

2. Начальное измерение и калибровка. Измерения выполняют на нескольких частотах fk, где k=1,…,K, на каждой секции трубопровода 10А, ограниченной парой датчиков 12А, 12В. Каждый из указанных датчиков 12А, 12В регистрирует как эхо, создаваемое возможными неоднородностями, присутствующими в рассматриваемой секции трубопровода 10А, так и сигнал, генерируемый соседними датчиками 12 и проходящий через рассматриваемую секцию трубопровода 10А. Измеренные данные хранятся в виде вектора

3. Установочный цикл для численной модели и моделирования. Генерацию и распространение направляемых волн моделируют в каждой секции трубопровода 10А с использованием модели конечных элементов (FEM), способной воспроизводить измерительную систему и измеренные сигналы. С этой целью необходимо знать как параметры трубопровода 10 (геометрию, материал, толщину и диаметр трубопровода и его покрытие), так и оценку экологических параметров либо стабильных, либо подверженных изменению во времени (глубина залегания, состав почвы, давление в земле). Результаты моделирования сохраняют в векторе моделированных данных и сравнивают с вектором результатов измерений. Процедуру повторяют, соответственно модифицируя экологические параметры, до тех пор, пока величина расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными не станет меньше заранее заданного порогового значения ε(n,fk), которое учитывает погрешности измерения и погрешности моделирования.

4. Определение аварийных порогов и расписания контроля. С использованием модели конечных элементов для системы трубопровод -внешнее средство, определенной на фазе 3, моделируют изменения экологических параметров и параметров трубопровода 10, существенных для целостности самого трубопровода 10. В частности возникновение и рост дефектов, создание и рост областей коррозии, формирование и рост областей осаждения, изменение сцепления покрытия трубы и изменение давления земли моделируют, рассматривая как малые, так и большие изменения, которые могут деформировать трубопровод 10 и вызвать его разрушение. Результаты моделирования позволяют количественно определить следующие параметры:

- изменение сигналов в зависимости от рассматриваемых изменений с последующим определением соответствующих аварийных порогов λ(n,fk);

- скорость изменения сигналов относительно рассматриваемых изменений и, следовательно, временное планирование последующего измерения (расписание контроля).

5. Проверка целостности измерительной системы и измерение параметров. После подтверждения целостности измерительной системы производят измерения во всех точках трубопровода 10, предусмотренные теми же процедурами, что и при начальных измерениях. Результаты измерения записывают в виде вектора результатов измерений.

6. Проверка измерений: повторяют цикл или генерируют аварийный сигнал. Результаты некоторого текущего измерения сравнивают с результатами предыдущего измерения Если расхождение не превышает ни одного из заранее заданных аварийных порогов λ(n,fk), цикл моделирования-измерения повторяют, обновляя численную модель системы трубопровод - средство на основе новых результатов измерений и определяя новые аварийные пороги λ(n,fk) и планируя последующее измерение. Когда величина расхождения превышает заранее заданный аварийный порог λ(n,fk), это указывает на наличие критического изменения в состоянии трубопровода 10, что, таким образом, требует дальнейших проверок и анализа.

Более конкретно, контроль деформаций трубопровода 10 из-за внутренних или внешних изменений давления производят с использованием - до возможной поломки указанного трубопровода 10 - частичной или полной потери упругости трубопроводом 10 непосредственно в той области, в которой имеют место изменения давления. В секции трубопровода 10А, в которой установлены передающий датчик 12А и приемный датчик 12В на заранее заданном расстоянии D, это условие выявляют с помощью одного или более из следующих изменений импульса, переданного передающим датчиком 12А и принятого приемным датчиком 12В:

- изменение времени прохождения импульса через секцию трубопровода 10А;

- изменение ширины импульса, которая непосредственно зависит от изменения напряжения в трубопроводе 10 без частотных модификаций;

- частичное распространение направляемой волны через секцию трубопровода 10А или отсутствие распространения направляемой волны через такую секцию трубопровода 10А.

С экспериментальной точки зрения численное моделирование и экспериментальные измерения выполняют в лаборатории, а также на газовых предприятиях, использующих системы направляемых волн. Был также разработан и изготовлен экспериментальный образец датчика 18 под названием "RECOMS" (Дистанционный управляемый магнитострикционный датчик), способный генерировать и обнаруживать направляемые волны, энергетически автономный и управляемый блоком 14 дистанционного управления через беспроводную сеть (фиг. 7). Проведенные эксперименты показали, что направляемые волны эффективны для контроля трубопроводов 10, предназначенных для транспортировки находящихся под давлением текучих сред, и способны выявить как временно-локальные изменения, как имеет место в системах контроля известного типа, так и протяженные изменения напряженности и/или деформации в трубопроводе 10, что является инновационным признаком настоящего изобретения.

Более конкретно, на фиг. 4 показана система контроля согласно настоящему изобретению, которая может использоваться для контроля "нефтяных и газовых" трубопроводов, которые невозможно контролировать с помощью систем интеллектуального обследования трубопроводов (PIG). Система содержит множество датчиков 12, например магнитострикционного типа, которые могут быть установлены вдоль трубопровода 10 и связаны друг с другом и с блоком 14 дистанционного управления через беспроводную сеть GSM или микроволнового типа.

В частности, система согласно настоящему изобретению состоит из блока 14 дистанционного управления, одного или более локальных управляющих устройств 18, связанных с указанным блоком 14 дистанционного управления через беспроводное соединение, и датчиков 12, имеющих прямой контакт с контролируемым трубопроводом 10, при этом каждый датчик 12 связан посредством проводного соединения по меньшей мере с одним локальным управляющим устройством 18. Система способна генерировать (в режиме передачи), и обнаруживать (в режиме приема), направляемые волны крутильного типа, принимать команды и передавать результаты измерения параметров волны в компьютер 16, непосредственно связанный с каждым локальным управляющим устройством 18, как иллюстрируется на фиг. 7, и/или с блоком 14 дистанционного управления для проведения контроля трубопровода 10, как показано на фиг. 4. Каждое локальное управляющее устройство 18 питается от аккумулятора, таким образом обеспечивая возможность использования цепи перезарядки, идущей из «системы сбора энергии», способной обеспечить энергоснабжение системы в течение длительных периодов использования в том числе в удаленных местоположениях. Система согласно изобретению сформирована для использования в окружающей среде АТЕХ (ATmosphères et EXplosibles=взрывоопасная атмосфера) согласно директиве 94/9/СЕ, то есть также в областях, где имеется опасность взрыва.

На фиг. 8 и 9 показаны результаты моделирования, выполненного с использованием модели конечных элементов (FEM), относящейся к реакции системы с использованием направляемых волн на изменение напряженности в секции трубопровода 10А, контролируемой двумя датчиками 12А и 12В. Первый датчик 12А, работающий как в режиме ТХ, так и в режиме RX, передает импульсы крутильных направляемых волн с различными частотами и - в эхо-импульсном режиме - выявляет их возможное отражение вследствие наличия неоднородностей вдоль трубопровода 10. Второй датчик 12 В выявляет - в режиме перехвата - импульсы, переданные первым датчиком 12А. Эталонное состояние для трубопровода 10 - это состояние, в котором он функционирует в обыкновенных условиях, при этом рабочая точка стали находится в диапазоне упругости. Предполагается, что изменение состояния напряжения в секции трубопровода переводит рабочую точку в упруго-пластический диапазон (см. фиг. 2).

На фиг. 8 рассмотрен случай, когда изменение состояния напряжения относится к целой секции трубопровода 10А, находящейся между первым датчиком 12А и вторым датчиком 12В; полученные результаты показывают, что система с использованием направляемых волн способна обнаружить изменения состояния напряжения. В частности, можно заметить, что, как и ожидалось, первый датчик 12А не выявляет отраженного сигнала, тогда как второй датчик 12 В выявляет импульсы, переданные первым датчиком 12А, с задержкой относительно ожидаемого значения, а сама задержка зависит от изменения состояния напряжения трубопровода 10 и, в то же время, не зависит от частоты переданного импульса.

Те же выводы могут быть сделаны, когда (см. фиг. 9) изменение состояния напряжения имеет отношение только к секции трубопровода 10 В, находящейся между первым датчиком 12А и вторым датчиком 12В. Разница сигналов, принятых этими двумя датчиками 12А и 12В, состоит в том, что первый датчик 12А принимает отраженный сигнал из-за наличия неоднородности, тогда как второй датчик 12В принимает импульсы с меньшей задержкой относительно фиг. 8.

На фиг. 10 показаны результаты экспериментальных лабораторных испытаний, выполненных на типовой стальной трубе с диаметром 4 дюйма (10 см), толщиной 3,6 мм и длиной 2 м. В центральной секции, имеющей длину 20 см, труба подвергалась изменению внешнего давления (компрессия-декомпрессия). На концах трубы установлены два датчика 12А (режим ТХ) и 12В (режим RX) направляемых волн крутильного типа, периодически работающие в режиме перехвата. В частности, первый датчик 12А передает последовательность импульсов с постоянной частотой, равной 32 кГц, тогда как второй датчик 12В принимает каждый импульс, переданный первым датчиком 12А (импульс No1) и четыре повторения этого импульса вследствие его отражения от концов трубы (импульсы No2, No3, No4 и No5).

Эталонное состояние трубы, на которую непосредственно не действует никакое внешнее давление, характеризуется следующим: переданный импульс принят без ослабления. Это состояние на фиг.10 соответствует нормализованной ширине со значением 1. Экспериментальные испытания состоят в постепенном увеличении внешнего давления (сжатие) на трубу до достижения максимальной величины, после чего трубу возвращают в исходное состояние, постепенно уменьшая внешнее давление. Продолжительность испытания составляет приблизительно 30 минут, что соответствует 305 шагам деформации на фиг. 10. Максимальное давление, действующее на трубу, достигается при приложении радиальной силы 40 кН, и характеризуется тем, что рабочая точка стали остается в пределах диапазона упругости (см. фиг. 2). Результаты экспериментального испытания показывают, что система с использованием направляемых волн согласно настоящему изобретению эффективна для обнаружения и отслеживания во времени деформации трубы, обусловленной изменениями напряжения: ширина принятых импульсов уменьшалась с увеличением приложенного внешнего давления, пока не было достигнуто минимальное значение, соответствующее максимальной величине приложенного давления. При постепенном возвращении трубы в исходное состояние ширина принятых импульсов увеличивалась с возвратом к начальному значению.

Таким образом, видно, что способ и система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе согласно настоящему изобретению обеспечивают достижение поставленных целей.

Способ и система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в находящемся под давлением трубопроводе согласно настоящему изобретению может подвергаться многочисленным изменениям и модификациям, все из которых входят в рамки изобретения. Поэтому объем изобретения определяется формулой изобретения.

1. Способ непрерывного дистанционного контроля деформаций в трубопроводе (10), предназначенном для транспортировки находящейся под давлением текучей среды, включающий следующие шаги:

- установку на трубопроводе (10) множества датчиков (12), способных передавать и/или принимать направляемые волны, генерируемые в виде упругих колебаний, при этом пары датчиков (12А, 12В) установлены на соответствующих секциях трубопровода (10А) на заранее заданном расстоянии друг от друга;

- выполнение одного или более начальных калибровочных измерений в каждой секции трубопровода (10А), при этом каждое из указанных начальных калибровочных измерений выполняют с помощью генерации и распространения направляемых волн посредством по меньшей мере одного датчика (12), при этом соответствующие результаты измерений сохраняют в виде вектора результатов измерений ;

- моделирование генерации и распространения направляемых волн в каждой секции трубопровода (10А) с использованием численной модели, основанной на конкретных параметрах, типичных для этого трубопровода (10) и для окружающей среды, в которой установлен указанный трубопровод (10), при этом соответствующие моделируемые данные сохраняют в виде вектора моделируемых данных ;

- повторение шага моделирования до тех пор, пока величина расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными не станет ниже заранее заданного порогового значения (ε(n, ƒk));

- моделирование изменения указанных параметров с использованием указанной численной модели для получения значений указанных параметров, которые могут подвергнуть опасности целостность трубопровода (10);

- оценка расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными как функции изменения указанных параметров для определения соответствующих аварийных порогов (λ(n,ƒk));

- выполнение одного или более фактических измерений в каждой секции трубопровода (10А), при этом результаты измерений сохраняют в виде вектора результатов измерений ;

- повторение шагов выполнения одного или более фактических измерений до тех пор, пока значение расхождения между определенным текущим измерением и предыдущим измерением не превысит по меньшей мере одного из указанных аварийных порогов (λ(n,ƒk)), при этом прохождение по меньшей мере одного из указанных аварийных порогов (λ(n,ƒk)) указывает, что имеются критические изменения в состоянии трубопровода (10) и, таким образом, требуются дальнейшие проверки и анализ.

2. Способ по п. 1, в котором, если расхождение между некоторым текущим измерением и предыдущим измерением не превышает по меньшей мере одного из указанных аварийных порогов (λ(n,ƒk)), шаги моделирования и выполнения фактических измерений повторяют, обновляя численную модель согласно новым результатам измерений и определяя новые аварийные пороги (λ(n,ƒk)).

3. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий шаг оценки скорости изменения расхождения между результатами измерений и моделируемыми данными как функции изменения указанных параметров, что позволяет планировать во времени шаги измерения.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором указанные параметры, типичные для трубопровода (10), включают геометрию, материал, толщину и диаметр указанного трубопровода (10) и его покрытие.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором указанные параметры окружающей среды, в которой установлен трубопровод (10), включают глубину расположения указанного трубопровода (10), состав грунта и давление грунта.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором шаг моделирования изменения указанных параметров включает следующие подшаги моделирования:

- формирование и рост дефектов в трубопроводе (10),

- формирование и рост областей коррозии,

- формирование и рост областей осаждения,

- изменение сцепления трубы с покрытием и

- изменение давления, действующего со стороны грунта, включая как малые, так и большие изменения, способные деформировать указанный трубопровод (10) и вызвать его разрушение.

7. Способ по п. 1 или 2, в котором указанная математическая модель представляет собой метод конечных элементов (FEM).

8. Способ по п. 1 или 2, в котором указанное заранее заданное расстояние (D) составляет приблизительно 10 м, так чтобы направляемая волна, генерируемая определенным датчиком (12), могла достичь соседних датчиков (12).

9. Способ по п. 1 или 2, в котором указанные направляемые волны генерируют в виде упругих колебаний крутильного типа с частотами в пределах диапазона от 4 кГц до 128 кГц.

10. Способ по п. 1 или 2, в котором контроль деформаций в трубопроводе (10), обусловленных изменениями внутреннего или внешнего давления, выполняют путем исследования, перед возможной поломкой указанного трубопровода (10), частичной или полной потери упругости указанного трубопровода (10) в области, подвергаемой изменениям давления, при этом в импульсе, переданном первым датчиком (12А) и принятым вторым датчиком (12В) через соответствующую секцию трубопровода (10А), исследуют одно или более из следующих изменений:

- изменение времени прохождения импульса через секцию трубопровода (10А);

- изменение амплитуды импульса, непосредственно зависящей от изменения состояния напряжения трубопровода (10), без частотных изменений;

- частичное распространение направляемой волны через секцию трубопровода (10А) или отсутствие распространения направляемой волны через секцию трубопровода (10А).

11. Система для непрерывного дистанционного контроля деформаций в трубопроводе (10), предназначенном для транспортировки находящейся под давлением текучей среды, содержащая:

- множество датчиков (12), которые могут быть приведены в непосредственный контакт с указанным контролируемым трубопроводом (10), при этом указанные датчики (12) выполнены с возможностью передачи и/или приема направляемых волн, генерируемых в виде упругих колебаний;

- одно или более локальное управляющее устройство (18) для управления указанными датчиками (12);

- блок (14) дистанционного управления, функционально связанный с указанным одним или более локальным управляющим устройством (18), при этом указанный блок (14) дистанционного управления способен управлять датчиками (12) и хранить результаты измерений для последующей обработки.

12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что каждый датчик (12) связан кабелем по меньшей мере с одним локальным управляющим устройством (18).

13. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что датчики (12) связаны друг с другом и с блоком (14) дистанционного управления через беспроводную сеть.

14. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что датчики (12) выбраны из группы, содержащей:

- магнитострикционные датчики и

- пьезоэлектрические датчики.

15. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что каждый из указанных датчиков (12) работает в эхо-импульсном режиме и способен как генерировать направляемую волну в режиме передачи, так и регистрировать в режиме приема прохождение указанной направляемой волны.

16. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что каждый из указанных датчиков (12) работает в режиме передачи-перехвата, при этом имеются два датчика (12А, 12В), установленные в различных точках трубопровода (10), и первый (12А) из указанных датчиков работает как передатчик, а второй (12В) из указанных датчиков работает как приемник.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении испытаний адгезионной прочности изоляционного покрытия обмоток электродвигателей локомотивов.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении механических испытаний изоляции обмоток электродвигателей локомотивов. Сущность: осуществляют приложение силового воздействия к исследуемому образцу изоляционного покрытия.

Использование: для неразрушающего контроля поврежденности металлов. Сущность изобретения заключается в том, что определяют временные задержки распространения упругой волны, при этом определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя заданную математическую формулу.
Устройство относится к метрологии, в частности к средствам для дистанционного контроля высоковольтного оборудования. Устройство контроля высоковольтного оборудования под напряжением, включающее приемник сигналов от частичных разрядов, оптический визир, блок лазерной наводки, жидкокристаллический индикатор, блок автоматической регулировки чувствительности сигналов от частичных разрядов, блок обработки сигналов.

Использование: для ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля изделий, в частности железнодорожных рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что в зоне досягаемости диаграммы направленности вертикального зондирующего электроакустического преобразователя (ЭАП), направленного через головку, шейку к подошве рельса, устанавливают дополнительные приемные ЭАП.
Изобретение относится к технологии изготовления стволов артиллерийских орудий. Способ поверхностной закалки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия заключается в том, что на контрольный участок внутренней поверхности ствола воздействуют импульсами лазерного излучателя для нагрева и перевода поверхностного слоя металла в мартенсит с последующим контролем качества закалки.

Использование: для комплексного автоматизированного неразрушающего контроля качества многослойных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает два ультразвуковых преобразователя теневого контроля, ультразвуковой дефектоскоп теневого контроля, пороговое устройство ультразвукового дефектоскопа теневого контроля, датчик позиционирования, электронный блок датчика позиционирования, регистрирующее устройство, преобразователь акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, акустический дефектоскоп для осуществления метода свободных колебаний, пороговое устройство акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, электронный ключ, блок задержки.

Использование: для неразрушающего контроля качества изделий. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют поверхность контролируемого объекта датчиками физических полей, измеряют величины сигналов с каждой точки поверхности контролируемого объекта, разбивают диапазон величин сигналов по их значениям на I интервалов, регистрируют измеренные сигналы по принадлежности к соответствующим интервалам, определяют количество измеренных сигналов в каждом интервале, рассчитывают разность количества измеренных сигналов в последующем и предыдущем интервалах по всему диапазону значений величин измеренных сигналов, в качестве порогового значения величины сигнала излучения физического поля выбирают значение из интервала, для которого разность количества измеренных сигналов в данном и предыдущем интервалах меньше нуля, а разность количества измеренных сигналов в данном и последующем интервалах больше нуля.

Область применения: - неразрушающий контроль состояния сляба. Технический результат – повышение точности контроля.

Использование: для неразрушающего контроля твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что размещают в заданной зоне сканирования ультразвуковой преобразователь и проводят операции контроля, включающие зондирование импульсами ультразвуковой частоты, регистрацию принятых сигналов посредством дефектоскопа с обеспечением их визуализации в виде амплитудно-временной развертки, выделение на ней соответствующей заданной зоне сканирования временной зоны, апертуру которой выбирают из условия невхождения в нее зондирующего импульса, задание критерия полезности сигнала и анализ зарегистрированных в этой временной зоне принятых сигналов, включающий определение их амплитуд через заданный промежуток времени, перемещают ультразвуковой преобразователь в зоне сканирования и повторяют операции контроля.

Использование: для непрерывного дистанционного контроля деформаций в трубопроводе. Сущность изобретения заключается в том, что способ и система предусматривают использование направляемых волн для дистанционного контроля напряжений в трубопроводе, а также в протяженных секциях, имеющих длину, равную сотням метров, с использованием относительно малого количества датчиков, установленных на наружной поверхности трубопровода. Технический результат: обеспечение возможности непрерывного контроля относительно длинных секций трубопровода при использовании ограниченного числа датчиков. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

Наверх