комплексный способ обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них

Формула изобретения

1. Комплексный способ обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них, включающий физическое воздействие на объект, изменение его параметра до стабилизации и определение по меньшей мере двух точек на поверхности Земли, где величина параметра, характеризующая направление трассы, максимальна, отличающийся тем, что в объекте - видимом элементе полимерно-армированной трубы, генерируют звуковые колебания, вызывающие механические колебания металлический арматуры в магнитном поле Земли, приводящие к возникновению электромагнитного излучения, измеряют его электрическую Е и магнитную Н составляющие с помощью ортогонально- ориентированных электрической и магнитной антенны и одновременно температуру грунта, а также уровень шумов, издаваемых средой, транспортируемой по трубе, при этом трубопровод обнаруживают по максимуму корреляционной функции Е-Н, наблюдаемой над осью трубопровода, а по температуре грунта обнаруживают протечки.

2. Устройство для комплексного обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них, содержащее генератор для осуществления физического воздействия, а также измерительный прибор, отличающееся тем, что в качестве генератора установлен генератор звуковых колебаний с магнитострикционным возбудителем, имеющий автономное питание или питание от бортовой сети автомобиля, измерительный прибор состоит из корпуса с установленными на его передней панели индикатором характеристик электромагнитного излучения и цифровым индикатором температуры, внутри которого размещен приемник электромагнитного, теплового и звукового излучений с автономным батарейным питанием, усилителем и блоком сравнения, к приемнику с помощью разъемов подключены выносные: датчик температуры, геомикрофон, датчик акустических колебаний грунта со встроенными ортогонально-ориентированными электрической и магнитной антеннами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования с использованием электромагнитных средств и может применяться для определения местонахождения неметаллических трубопроводов, в частности полимерно-армированных труб, предназначенных для транспортировки газовых и жидких сред (нефть и нефтепродукты, вода, химрастворы, суспензии и т.д.), а также для установления мест повреждений трубопроводов.

В России использование полимерно-армированных труб началось в 90-х годах ХХ века в технологиях нефте- и газодобычи, а также в условиях жилищно-коммунального хозяйства. Отечественные изделия, состоящие из полимерной (полиэтиленовой) трубы, армированной внутри плетено-сварным металлическим каркасом (из стальной проволоки диаметром 3 мм), значительно отличаются от аналогов, в которых цельнометаллическая труба футерована с двух сторон полиэтиленом, т.е. в рабочих условиях представляет собой металлическую трубу с полимерной изоляцией. Современные технологии обнаружения трубопроводных трасс и повреждений на них разработаны для определения местонахождения металлических труб и малоэффективны для идентификации полимерных армированных труб.

Для получения информации об объектах, расположенных под землей (кабелей, труб) без проведения предварительных раскопок, используют способ локации, основанный на регистрации электромагнитного излучения кабелей, находящихся под напряжением, или фиксирования наведенного излучения от внешнего источника, например, двумя прямоугольными рамками, с определением местонахождения объекта расчетным путем.

[см., например, а.с. СССР №338875, МПК G01V 300, 1972].

Однако эти способ и устройство пригодны для поиска только металлических и электропроводящих коммуникаций.

Существуют акустические способы определения повреждений трубопроводов, в которых используются ультразвуковые или электроакустические устройства различных конструкций.

[см. например, з. РФ №97115409, МПК В01В 1/00, 1999; п. РФ №2145467, МПК Н04R 15/00, 2000 и др.].

Данные технические решения предназначены для предупреждения отложений в теплообменной аппаратуре и интенсификации технологических процессов, хотя и предпринимаются попытки локации водопроводов с помощью этих технических решений.

Кроме того, известны способы обнаружения подземных трубопроводов воздействием на них электрическим полем с регистрацией информационного сигнала. В качестве устройств применяют зонд, перемещаемый над трубопроводом, а в качестве информационного сигнала используют емкость конденсатора, образованного трубопроводом и зондом.

[см., например, а.с. СССР №1462217, МПК G01V 3/08, 1989; а.с. СССР №1552838, МПК G01V 3/11, 1996 и др.].

Известно применение электродвижущей силы магнитного шума для определения местонахождения стальных трубопроводов [см. п. РФ №2111481, МПК G01N 27/72, 1998].

Основным недостатком описанных выше способов и устройств следует признать их непригодность для поиска и исследования неметаллических трубопроводов.

Известен также промышленно-освоенный отечественный аналог - Комплект течетрассопоисковый «Успех АТГ-209», включающий способ и оборудование для его реализации.

Способ-аналог основан на приеме электромагнитного сигнала промышленной частоты (пассивный метод поиска) или на приеме сигнала на частоте переменного тока, специально возбуждаемого в кабеле (активный метод поиска).

В комплект оборудования для реализации способа-аналога входят:

- генератор «АГ-102»;

- приемник «АП-005»;

- электромагнитный датчик ЭДМ-227;

- рамочная антенна ИЭМ-301;

- акустический датчик АД-200.

Могут быть использованы также генератор «АТЛЕТ-100» (переносной) и «АТЛЕТ-500» (стационарный).

Технические характеристики оборудования:

- температура окружающего воздуха - (-)20°С-(+)45°С;

- относительная влажность - до 90%;

- атмосферное давление - 86-106 кПа;

- точность определения трассы - 0,3 м;

- точность определения места утечки в трубопроводе - 0,3 м;

- рабочий диапазон частот генератора - 1024, 8926 Гц;

- чувствительность акустического датчика - 5 V/g;

- рабочие частоты приемника - 50, 100, 1024, 8924, ШП, ФНЧ, ПФ Гц;

- мощность излучения генератора - 5 (8) Вт.

Вес комплекта 8,5 кг, цена 48150 руб.

[Рекламный проспект комплекта течетрассопоискового «Успех АТГ-209», тел. (095) 981-19-23, адрес электронной почты: INF@GEOMONOPOLYA.RU].

Однако данное техническое решение предназначено для поиска только металлических объектов (силовые и сигнальные кабели, металлические трубопроводы) и малоэффективно для трассировки полимерно-армированных трубопроводов, т.к. эти изделия содержат незначительное количество металла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ обнаружения неметаллических трубопроводов (асбоцементных, бетонных или полиэтиленовых), включающий физическое воздействие на объект, изменение его параметра до стабилизации и определение по меньшей мере двух точек на поверхности Земли, где величина параметра, характеризующая направление трассы, максимальна. В качестве объекта используют столб слабопроводящей жидкости, физическое воздействие осуществляют путем пропускания электрического тока, генерирующего возникновение магнитного поля вокруг трубопровода, параметры которого измеряют.

Устройство для осуществления способа-прототипа содержит генератор для осуществления физического воздействия и изменения его параметра, а также измерительный прибор. В качестве генератора использован генератор переменного напряжения с электродами, а в качестве измерительного прибора - магнитометр, измеряющий переменные составляющие магнитного поля над трубопроводом.

Способ и устройство-прототип позволяют определять трассу и глубину залегания трубопровода с погрешностью 6%.

[см. п. РФ №2207594, МПК G01V 3/06, 2003].

Недостатки способа и устройства-прототипа следующие:

- низкая достоверность поиска, обусловленная трудностью доступа до слабопроводящей жидкости, находящейся в трубопроводе;

- ограниченная функциональность, т.е. возможность определения только двух параметров;

- непригодность для обследования пустых неметаллических трубопроводов без заполнения проводящей жидкостью;

- невозможность обнаружения трубопровода в городских условиях из-за наличия большого количества различных коммуникаций.

Задачей настоящего изобретения является создание простого, достоверного способа обнаружения не только трассы подземных неметаллических трубопроводов и их глубины, но и повреждений на них, реализуемого с помощью доступного и дешевого оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обнаружения неметаллических трубопроводов, включающем физическое воздействие на объект и определение по меньшей мере двух точек на поверхности Земли, где величина параметра, характеризующая направление трассы, максимальна, согласно изобретению для комплексного обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них в объекте - видимом элементе полимерно-армированной трубы, генерируют звуковые колебания, вызывающие механические колебания металлической арматуры в магнитном поле Земли, приводящие к возникновению электромагнитного излучения, измеряют его электрическую Е и магнитную Н составляющие с помощью ортогонально-ориентированных электрической и магнитной антенны и одновременно температуру грунта, а также уровень шумов, издаваемых средой, транспортируемой по трубе, при этом трубопровод обнаруживают по максимуму корреляционной функции Е-H, наблюдаемой над осью трубопровода, а по температуре грунта обнаруживают протечки.

В известном устройстве для обнаружения неметаллических трубопроводов, содержащем генератор для осуществления физического воздействия на объект, а также измерительный прибор, согласно изобретению для комплексного обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них в качестве генератора установлен генератор звуковых колебаний с магнитострикционным возбудителем, имеющий автономное питание или питание от бортовой сети автомобиля; измерительный прибор состоит из корпуса с установленными на его передней панели индикатором характеристик электромагнитного излучения и цифровым индикатором температуры, внутри которого размещен приемник электромагнитного, теплового и звукового излучений с автономным батарейным питанием, усилителем и блоком сравнения; к приемнику с помощью разъемов подключены выносные: датчик температуры, геомикрофон, датчик акустических колебаний грунта со встроенными ортогонально-ориентированными электрической и магнитной антеннами.

Предлагаемый способ позволяет обнаруживать трассу подземных неметаллических трубопроводов, места повреждений на них и глубину залегания за счет создания уникальных условий воздействия на объект (видимый элемент полимерно-армированной трубы), которые способствуют возникновению электромагнитного излучения на удвоенной частоте возбуждения и на более высоких гармониках. При этом используемый прибор (приемник) фиксирует три регистрируемых параметра в трубе: акустическую, электрическую, магнитную составляющие отклика.

Следовательно, при наличии помех при измерении любой из составляющих остается возможность измерения двух других или корреляционной функции между ними.

Кроме того, способ и устройство обеспечивают одновременное измерение температуры грунта в диапазоне от (-)10°С до (+)100°С для обнаружения протечек.

Заявляемые способ и устройство для его осуществления объединены единым изобретательским замыслом и представляют собой неразделимое целое.

Анализ известных технических решений свидетельствует о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Сущность настоящего изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Возможность осуществления заявляемого способа с помощью предлагаемого устройства, состоящего из доступных, промышленно выпускаемых материалов и комплектующих, свидетельствует о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость.

На чертеже схематично представлено заявляемое устройство для комплексного обнаружения неметаллических трубопроводов и повреждений на них.

Обозначения на фигуре:

1 - генератор звуковых колебаний;

2 - магнитострикционный возбудитель;

3 - корпус;

4 - приемник;

5 - индикатор характеристик электромагнитного излучения;

6 - цифровой индикатор температуры;

7 - усилитель;

8 - блок сравнения;

9 - разъемы;

10 - датчик температуры;

11 - датчик акустических колебаний;

12 - антенна;

13 - геомикрофон;

14 - полимерно-армированная труба;

15 - металлический каркас трубы;

16 - слой грунта.

Заявляемое устройство состоит из генератора звуковых колебаний 1 с регулируемой частотой от 5 до 30 кГц, соединенного с магнитострикционным возбудителем 2, а также измерительного прибора.

Генератор 1 (рабочий диапазон частоты от 5 до 30 кГц, включительно; диапазон УЗЧ до 30000 Гц, мощность излучения 12 Вт) имеет автономное питание или питание от бортовой сети автомобиля.

Измерительный прибор состоит из корпуса 3 с установленными на передней панели индикаторами 5 и 6. Внутри корпуса размещен приемник электромагнитного, теплового и звукового излучений 4 (рабочие частоты 5000, 7500, 15000, 30000, ШП, ФНЧ, ПФ Гц) с автономным батарейным питанием. В корпусе также установлены усилитель 7 и блок сравнения 8. Приемник 4 представляет собой совокупность измерительных средств: селективного вольтметра, измеряющего и регистрирующего характеристики электромагнитного излучения, а также ультразвукового, звукового и температурного измерителей, снабженных программным обеспечением. К приемнику 4 с помощью разъемов 9 подключены датчик температуры 10, геомикрофон 13, датчик акустических колебаний 11 со встроенными ортогонально-ориентированными электромагнитными антеннами 12 (для электрической составляющей - штыревая антенна, для магнитной составляющей - рамка площадью 15 см², диапазон частот 0,01-3000 кГц). Все сигналы, поступающие в приемник 4, автоматически обрабатываются посредством усилителя 7 и блока сравнечия 8 с помощью заданных программ и выводятся на индикаторы 5 и 6 в виде конкретных значений измеряемых величин или их функций и графиков.

Вес устройства - 3,5-5,0 кг; цена - 36000 руб.

Заявляемое устройство изготовлено в условиях приборостроительного предприятия г.Екатеринбурга и прошло многократные (более 10) испытания на полимерно-армированном трубопроводе (ПАТ-95) с известной трассой, заполненном и не заполненном транспортируемой жидкостью. Устройство испытывали в режиме поиска трассы, режиме определения повреждений трубы (обнаружение протечек) и комплексном режиме - поиск трассы и протечек.

ПРИМЕР. Комплексное обнаружение трассы подземного полимерно-армированного трубопровода и повреждений (протечек) на нем.

Исследования проводили на трубопроводе ПАТ-95, заполненном нефтью.

Для этого к объекту - видимому элементу полимерно-армированной трубы 14 (видимые элементы трубы по техническим требованиям расположены через каждые 500 м трассы) присоединяли генератор звуковых колебаний 1 с магнитострикционным возбудителем 2. Включали генератор 1 (мощность 20 Вт) и возбуждали звуковые колебания в трубе 14 с резонансной частотой 10 кГц, которые вызывали механические колебания металлического каркаса 15 в магнитном поле Земли, приводящие к возникновению электромагнитного излучения вдоль трассы, которое фиксировали датчиком 11, антеннами 12, а измерения проводили селективным вольтметром VRA-2 (не показан) в диапазоне частот 0,01-3000 кГц для электрической составляющей (Е) и магнитной составляющей (Н). При этом на расстоянии 100 м от генератора 1 зафиксировали:

- для Е 0,01-3,00 мГц, 50-100 мкВ.

- для Н 0,01-30,00 мГц, 3-10 мВ/м

с максимумом на частоте пятой гармоники сигнала возбуждения

Датчик 11 перемещали, приближаясь к трассе трубопровода 14 и удаляясь от нее путем контакта с землей.

Максимум корреляционной функции Е-Н наблюдался над осью трубопровода 14 при ортогональной ориентировке электрической и магнитной антенн 12, что отображалось на индикаторе 5.

Одновременно геомикрофон 13 определял в воздушной среде характерные шумы, издаваемые транспортируемой нефтью, которые регистрировал датчик 11 как звуковые колебания, возбужденные в трубе 14.

Датчик 10 измерял температуру грунта 16 (для более точной локализации течи) и отображал ее на цифровом индикаторе температуры 6.

По максимальному сигналу на индикаторе 5 определили координаты двух точек на оси трассы, которые совпали с истинной трассировкой.

Кроме того, определили глубину залегания трубопровода 14 путем регистрации изменения уровня сигнала при перемещении антенны 12 над трубой 14 до уменьшения уровня сигнала вдвое. Погрешность 2%.

Как видно из приведенного призера, использование заявляемого изобретения по сравнению с промышленно-освоенным отечественным обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:

- простоту и высокую достоверность осуществления поиска трассы подземных неметаллических трубопроводов и определения глубины их залегания;

- расширение функциональных возможностей (одновременное обнаружение повреждений на трубопроводах);

- использование доступного и дешевого оборудования;

- снижение веса (в 1,5-2,5 раза) и цены (более чем в 1,5 раза) устройства;

- легкость и безопасность обслуживания;

- отсутствие необходимости профессиональной переподготовки кадров.