способ обнаружения утечек газа из магистральных газопроводов бортовыми диагностическими системами и стенд для моделирования утечки газа

Формула изобретения

1. Способ обнаружения утечек газа из магистральных газопроводов бортовыми диагностическими системами, заключающийся в том, что измеряют ИК-излучения подстилающей поверхности над трубопроводом, формируют поле температурного контраста, визуализируют и делают выводы о наличии течи, отличающийся тем, что в процессе визуализации производят поочередное сравнение изображений полей температурного контраста обследуемой зоны с эталонными изображениями, полученными предварительно при моделировании разных утечек газа, производимых в различных климатических условиях, на различных подстилающих поверхностях, грунтах с различными плотностями, продуве через трубы с эталонными отверстиями сжатым нагретым воздухом при измерении расхода воздуха через эталонное отверстие, температуры грунта по высоте, после чего делают вывод о наличии течи.

2. Стенд моделирования утечки газа для формирования эталонных изображений, содержащий исследуемый отрезок трубопровода с заглушенными концами, определитель утечки газа, устройство для подачи газа, расходомер, датчики давления, запорный орган, отличающийся тем, что над местом моделируемой утечки установлен приемник ИК-излучения подстилающей поверхности на заданной высоте на подвижную платформу, а исследуемый отрезок трубопровода, размещенный под слоем грунта, выполнен с вырезами вдоль и по периметру окружности трубы, вставками с эталонными отверстиями, жестко установленными на вырезы трубы, при этом каждое эталонное отверстие подключено к устройству подачи газа, включающее газовые и воздушные баллоны, управляемый газовый редуктор, соединяющий газовые и воздушные баллоны эталонными отверстиями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области диагностической техники и предназначается для контроля состояния магистральных газотрубопроводов и может быть использовано для раннего обнаружения нарушений герметичности, утечек газопроводов бортовыми диагностическими системами за счет повышения достоверности обнаружения утечек в условиях ограниченной видимости путем физического моделирования реальных процессов.

Известен способ обнаружения течей в трубопроводе и устройство для этой цели [1]. Оба конца исследуемого отрезка трубопровода заглушаются, и создается определенное давление с помощью той же подаваемой рабочей жидкости. Отрезок исследуемого трубопровода перекрывается с обеих сторон двумя резервуарами. Первый резервуар соединен с насосом, за которым установлен расходомер, термометр, два датчика давления, автоматический запорный орган, предохранительный клапан. Течеискатель подсоединен к трубопроводу через два патрубка. Второй резервуар сообщается с трубопроводом также через запорный орган и через расходомер, на нем предусмотрен предохранительный клапан.

Однако в силу случайных дефектов трубы данный способ и устройство для обнаружения течей в трубопроводе не может быть использован для моделирования и идентификации результатов мониторинга реальным физическим условиям утечки из газопроводов.

Известны способ и устройство для аэроразведки контроля катодной защиты подземных трубопроводов [2]. Размещенное на борту летательного аппарата (ЛА) оборудование используют для контроля тока, протекающего по трубопроводу. ЛА, на борту которого установлен магнитометр, пролетает над подъемным трубопроводом. После детектирования магнитного поля, создаваемого протекающим по трубопроводу постоянным током; посторонние сигналы, не относящиеся к магнитному полю трубопровода, отфильтровывают и определяют линейное положение, занимаемое магнитометром по отношению к трубопроводу в процессе полета. Величину магнитного поля регистрируют в соответствии с линейным положением магнитометра по отношению к трубопроводу.

Однако установка магнитометрических систем на вертолет или самолет приводит к тому, что они вынуждены работать в условиях сильных электромагнитных полей, создаваемых конструкцией и работой устройств самолета или вертолета. Это вынуждает производить транспортировку измерительных модулей на тросовой подвеске длиной до 50 м, что создает дополнительные эксплуатационные трудности.

Известно авиационное устройство для обнаружения утечек газа из трубопроводов [3] , взятое за прототип, содержащее два лазера, блок контроля интенсивности излучения, блок формирования и ввода излучения, приемную оптическую и фотоприемную систему, усилитель - преобразователь, вычислитель с блоком буферной и долговременной памяти, блок формирования времени задержки, блок формирования поля температурного контраста земной поверхности вблизи трубы, блок визуализации, блок обработки поля температурного контраста, блок перестройки длины волны излучения, блок пространственного сканирования лазерным измерителем, блок формирования видимого излучения.

Однако способ обнаружения утечек с помощью данной системы затрудняет идентифицировать полученное изображение, как утечку газа, из-за отсутствия учета разнообразия физических реальных процессов, происходящих в месте у течки, влияния окружающих внешних условий.

Таким образом, система не обладает достаточной информативностью для раннего обнаружения нарушений герметичности трубопроводов, утечек газа из труб особенно в сложных климатических условиях.

Задачей изобретения является создание такого способа обнаружения утечек газа из магистральных газопроводов бортовыми диагностическими системами, который позволит оператору идентифицировать полученное изображение как утечку, по результатам сравнения изображений тепловых полей, полученных при мониторинге магистральных газопроводов с эталонными изображениями, полученными в результате физического моделирования реальных процессов в месте утечки. Кроме того, способ позволяет определить расположение трещин или отверстий на поверхности трубопровода, оценить зависимость контрастного пятна поля температурного контраста, снятого на поверхности настилающего покрытия, от формы повреждений, от параметров газа на входе в отверстие трубопровода, температур трубы, оценить эволюции поля температурного контраста от свойств грунта, настилающего покрова в условиях дождя, тумана, разного времени суток, времени года, т.о. способ должен обеспечить более высокую достоверность и информативность при определении утечек трубопровода.

В соответствии с изобретением поставленная задача достигается тем, что измеряют ИК-излучения подстилающей поверхности над трубопроводом, формируют поле температурного контраста и визуализируют. В процессе визуализации изображения полей температурного контраста (ПТК) обследуемой зоны трубопровода поочередно сравнивают с эталонными изображениями, полученными предварительно при моделировании разных утечек газа, производимых в различных климатических условиях, кроме того измерения производятся при различных подстилающих поверхностях, в различное время суток, при различных плотностях грунта, продуве через трубы с эталонными отверстиями различной геометрии сжатым нагретым воздухом при измерении давления рабочего тела, расхода воздуха через отверстие, температуры трубы, грунта по высоте. После чего делают вывод о наличии течи.

Более того, с помощью наземного устройства 4 моделируют изменения высоты приемника ИК-измерений, имитируют изменения координат ЛА и объектива ИК-измерителя 6 относительно трубопровода и определяют границы обнаружения утечки.

Устройство для обеспечения указанного способа содержит стенд моделирования утечек газа для формирования эталонных изображений ПТК, содержащий исследуемый отрезок трубопровода 19 с заглушенными концами, выполненный с возможностью входа в трубу, устройство для подачи газа, расходомер, определитель утечки газа, датчики давления, запорный орган. В соответствии с изобретением, отрезок трубопровода, размещенный под слоем грунта 17, выполнен с вырезами 20, размещенными вдоль и по периметру окружности трубы, вставками 12 с эталонными отверстиями 13, жестко установленных на вырезы 20 трубы 19. Каждое эталонное отверстие подключено к устройству подачи газа, включающее газовые и воздушные 22, 23 баллоны, управляемый газовый редуктор 21, соединяющий газовые и воздушные баллоны с эталонными отверстиями. Приемник ИК-излучений установлен над местом утечки на заданную высоту на подвижной платформе 9.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 показывает стенд моделирования утечек газа:

1 - вертолет

2 - бортовая диагностическая система обнаружения утечек газа

3 - магнитометрический зонд

4 - многоярусная конструкция с 3-х степенным ортогональным механизмом

5 - наземная диагностическая система

6 - тепловизор

7 - лазерный газоанализатор

8 - телевизионная система с видео контрольным устройством (ВКУ)

10, 9 - подвесные рамки (платформы) ортогонального механизма

11 - следящие привода

12 - вставки

13 - эталонные отверстия (дефекты трубы)

14 - системы управления экспериментом

15 - магнитометр

16 - привод магнитометра

17 - исследуемый грунт над отрезком трубы

18 - механизм перемещения платформы (многоярусной конструкции)

19 - трубопровод

20 - вырезы

21 - управляемый газовый редуктор

22 - баллонное хранилище высоконапорного газа (метана)

23 - баллонное хранилище высоконапорного газа (воздуха)

24 - компрессорная станция

На фиг. 2 изображена блок-схема установки управления экспериментом и измерений:

25 - система передачи данных с вертолета

26 - дисплей

27 - система контроля состояния рабочего тела

28 - система контроля состояния трубопровода и грунта

29 - система управления следящими проводами

30 - пульт управления экспериментом

31 - вычислитель диагностической системы

32 - датчики магнитометра

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Обнаружение утечек газа из магистральных газопроводов бортовыми диагностическими системами осуществляют следующим образом. На борту летательного аппарата при исследовании участка магистрального газопровода производят последовательное измерение ИК-излучений подстилающей поверхности. Формируют поле температурного контраста, регистрируют. В процессе его визуализации производят поочередное сравнение изображений полей температурного контраста обследуемой зоны газопровода с эталонными изображениями, предварительно полученными при моделировании разных утечек газа в тех же климатических условиях. После чего делают вывод о наличии течи.

Устройство для обеспечения способа содержит собственно летательный аппарат (ЛА) 1 с бортовой диагностической системой обнаружения утечек газа 2, магнитометрический зонд 3 и сам магнитометр 15, тепловизор 6, лазерный газоанализатор 7, телевизионную систему 8, соединенные через согласующие устройства с вычислителем диагностической системы, отрезок 19 - часть трубопровода, выполнен с вырезами 20, размещенными вдоль и по периметру окружности трубы, вставками 12 с эталонными отверстиями 13 выполнены в соответствии с теми трещинами, которые чаще встречаются при эксплуатации магистральных газопроводов, баллонные хранилища воздуха 22, 23 высоконапорного газа и управляемые газовые редукторы 21, высотная многоярусная конструкция 4 с подвижной платформой для размещения наземной диагностической аппаратуры и саму диагностическую аппаратуру (систему) 5 над организуемым местом утечки газа из отрезка трубы и расположенную на 3-х степенных ортогональных платформах 9, соединенных со следящими приводами 10, механизм перемещения многоярусной конструкции 18, исследуемый грунт 17 (модель) над исследуемым отрезком трубы, системами контроля и измерения состояния рабочего тела 27, трубопровода и грунта 28, пульт управления экспериментом 30, соединенный с дисплеем 26. Отрезок трубы 19 через управляемый газовый редуктор 21 соединен с баллонными хранилищами 22, 23 высоконапорного газа, через управляемый газовый редуктор 21 соединен с системой 14 управления экспериментом, которая соединена с наземным вычислителем диагностической системы 31, следящими приводами 10, системой контроля и измерения состояния рабочего тела 27, трубопровода и грунта 28, радиотехнически связана с системой передачи данных 25 с вертолета и бортовой системой 2 диагностики утечек из газопровода. Наземная диагностическая система 5 содержит магнитометр 15, тепловизор 6, лазерный газоанализатор 7, телевизионную систему 8, соединенные через согласующие устройства с вычислителем диагностической системы 31.

В процессе моделирования утечек газа прогревают исследуемый отрезок трубопровода 19 до заданной температуры. Измеряют расход газа, его температуру, давление рабочего тела, температуру по высоте грунта. Устанавливают над предполагаемым местом утечки измеритель ИК-излучений (тепловизионной системы) 6. Во время эксперимента производят контроль и измерение состояния рабочего тела системой 27, состояние трубопровода и грунта 28, через пульт управления экспериментом 30 температуру трубопровода 19 поддерживают близко к реальной, зависит она от места утечки на магистральном газопроводе.

Поочередно включают утечки воздуха через исследуемый слой 17 над трубой 19 из различных эталонных отверстий 13 путем продува через прогреваемую трубу 19 с эталонными отверстиями 13 сжатым нагретым воздухом, который поступает из баллонов 23 через управляемый газовый редуктор 21, связанный с пультом 14. Измеряют тепловой контраст на подстилающей поверхности грунта над трубой с высоты не менее 10-12 м ИК-измерителем 6 тепловизионной системы, связанной с вычислителем 31, регистрируют изображение в компьютере.

Производят регистрацию этой же тепловой картины с борта вертолета 1 с высоты 100-500 м аналогичной бортовой диагностической системы 2.

Сравнивают полученные поля температурного контраста между собой и определяют сходимости результатов измерений.

После чего делают вывод о возможности использования бортовой диагностической системы 2 для обнаружения утечки газа.

Затем в эталонные отверстия 13, в которые вначале был подан воздух, выпускают из баллонов 22 транспортируемый газ и фиксируют тепловое изображение поверхности при различных расходах газа, его температуре и различных атмосферных, климатических условиях. Данные тепловых изображений будут эталонными для идентификации утечек путем сравнения этих изображений тепловых полей с изображениями тепловых полей, полученных при мониторинге магистральных газопроводов. Тепловизором 6 проводят измерения ИК-излучений подстилающей поверхности в месте течи газа. Тепловизор установлен на подвесной раме 9 многоярусной подвижной конструкции с 3-х степенными ортогональными подвесными рамами, соединенными следящими приводами 10.

Определяют тепловой поток на основании проведенных замеров в эксперименте и производят градуировку шкалы полей температурного контраста.

Таким образом, получают эталонные изображения и производят сравнение изображений полей температурного контраста эталонных утечек с изображением обследуемой зоны вероятных мест утечек по наличию тепловых пятен, наличию или отсутствию поля, его взаимосвязи с конфигурацией отверстий, конфигурации изотерм поля.

Делают вывод о наличии утечки и уточняют место расположения трещины, например, вверху, внизу газопровода.

А также оценивают эволюции полей температурного контраста по цвету, контрасту изображений в зависимости от внешних условий - метеоусловий, времени суток, года, свойств грунта, что повышает информативность при сопоставлении изображений.

Кроме того, с помощью наземного устройства 4 имитируют изменения координат ЛА и объектива тепловизора относительно трубопровода. При этом телевизионная система 8 фиксирует угол отклонения, а по изображениям тепловых полей определяют границы (порог чувствительности) ИК-измерителя.

Координаты измеряют по осям, совпадающим с направлением кадровой и строчной разверток телевизионной системы 8. Если изображение трубы на экране телевизионного приемника дисплея 26 оказалось смещенным на величину Х по горизонтальной оси и на величину Y - по вертикальной, то при фокусном расстоянии объектива f смещение изображения на расстояние Х будет означать, что объект сместится в горизонтальной плоскости относительно продольной оси передающей камеры на угол , который находится их условия tg=x/f. Аналогично смещение изображения на величину Y в вертикальной плоскости при малом отклонении ЛА на угол , для которого tg=y/f. Перед объективом расположены светофильтр, диафрагма, визирная сетка с перекрестием, механизм изменения f.

ВКУ приемной ТС-8 размещается непосредственно перед оператором на пульте управления экспериментом 30. Он наблюдает на ВКУ изображение объекта - трубы относительно ЛА и визирной сетки. Изображением желаемой траектории полета является перекрестие. Совместное использование тепловизора с ИК-измерением и дистанционного лазерного газоанализатора высокой чувствительности позволит расширить возможность обнаружения течи газа и топлива уже при минимальных расходах в начальной стадии разгерметизации трубы. Использование магнитометра, измеряющего магнитную индукцию, позволит определить разрушение трубы на этапе ее коррозии, вызывающей разрушение катодной защиты трубы.

Лазерный газоанализатор 7 содержит два лазера, блок контроля интенсивности излучения, блок формирования и ввода излучения, приемную оптическую и фотоприемную систему, вычислитель с блоком буферной и долговременной памяти. Магнитометр 15 измеряет модуль полного вектора магнитной индукции или его составляющих. Магнитометр состоит из индукционных датчиков 32, пассивного соленоидного типа, каждый из которых через усилитель и цифровой фильтр для фильтрации помех включены на АЦП преобразователь.

Тепловизор 6 позволяет получить видимое изображение трубы - по ее тепловому (ИК) излучению, собственному или рассеянному. Тепловизор используется для определения формы и местоположения слабонагретых и замаскированных объектов - труб в дневное и ночное время.

Особенность наблюдения в дальней ИК-области спектра состоит в отсутствии неизлучающего фона, т.к. все окружающие тела имеют собственное тепловое излучение, сравнимое по плотности испускаемых ими фотонов с солнечным светом на =0,5 мкм. Тепловизор воспроизводит на экране дисплея не абсолютные значения энергетической яркости нагретого тела, а лишь изменение яркости относительно среднего уровня. Это позволяет достичь высокого контраста в изображении при весьма малых различиях в температуре (до 0,01-0,001^oC) между объектом и фоном. В тепловизоре используют высокочувствительный приемник ИК-излучения, преобразующий его в электрический сигнал, который усиливается, обрабатывается и воспроизводится на экране 26. Это охлаждаемый фотоэлектрический приемник на основе матриц, построенных на пироэлектрических приемниках.

Диагностирование выполняется с помощью установленных на ЛА магнитометра катодной защиты трубопровода, тепловизионной, газоанализирующей и телевизионной систем.

Таким образом, заявленный способ обнаружения утечек газа из магистральных газопроводов бортовыми диагностическими системами позволяет:

- моделировать утечки при различных дефектах трубы (трещины, отверстия, коррозия металла и др.);

- варьировать состав грунтов, подстилающей поверхности (песок, болотистая почва, снег, кустарники);

- изучать влияние цвета и контраста подстилающей поверхности при различных погодных условиях, днем и ночью;

- изменять состав наполнения трубопровода.

Использованная литература

1. Способ обнаружения течей в трубопроводе и устройство для этой цели. Патент Франции 2270514, Кл. F - 17 D 5/02 - прототип, 1976 г. G - 01 M 3/28.

2. "Способ и устройство для аэроразведки катодной защиты подземных трубопроводов". ЕПВ (ЕР) 0052053, 82.05.19, кл. МПК G 01 V 3/16.

3. Жученко И.А., Филиппов П.Г. и др. "Авиационное устройство для обнаружения утечек из трубопроводов". Патент РФ 2091759, 07.07.95.

4. Филиппов П. Г. и др. "Способ обнаружения утечек природного газа из трубопроводов". Патент РФ 2017138, 27.12.90 - прототип.

5. Кендалл М., Стюарт "Статистические выводы и связи". М. Наука, 1973.

6. Рустамов Н.Т. и др. "Пакет прикладных программ, строящий систему информационных признаков для распознавания. Алгоритмы". Выпуск 66, АН Узбекской ССР, Ташкент.