Разработка и внедрение двухчастотной методики диагностирования свойства изоляции трубопроводов
Анализ электрометрических способов и систем обследований подземных трубопроводов, используемых для оценки состояния защиты подземных трубопроводов от коррозии приведен в табл. 1.
Таблица 1. Способы определения переходного сопротивления защитных покрытий подземных трубопроводов
№ п/п Физическая база способа Соответствующие особенности, примечания 1 Конкретный контакт
Влажный контакт; нужен доступ к трубе, шурфование. Выборочный контроль изоляции.
Устранением среды нарушаются условия залегания
2 Исходящий ток
Контактные измерения усредняют. Исходящие (натекающие) токи определяют контактными методами (интегральная оценка RП).
Может быть внедрение бесконтактных методов для интегральной оценки и детализации RП.
3 Затухание сигнала
Контактно меряют напряжения.
Целенаправлено использовать бесконтактные методы определения затухания сигнала повдоль трубопроводной полосы.
4 Входное сопротивление
Оценка RП трубопроводной полосы.
Целенаправлено бесконтактно определять ток.
5 Связь характеристик Расчет составляющих RП по проектным либо измеренным характеристикам объекта и среды
Недочетами контактных способов обследований железных трубопроводов являются:
- Трудозатратность обеспечения надежных контактов с трубопроводом и почвой, на переходах под реками, на заболоченных участках и в растительных зарослях на трассе;
- Ненадежность контактов электродов с грунтом при высочайшем сопротивлении поверхности земли (более 100 Ом/м), сухие земли, асфальт и т.п.
- Ограниченный радиус деяния (локальный нрав контроля);
- Зависимость сигнала от сопротивления грунта и глубины залегания трубы;
- Потребность подготовительного уточнения местопребывания трубопровода.
Посреди бесконтактных способов контроля состояния изоляции наибольшее признание получил градиентный способ. Суть этого способа состоит в том, что прибор контроля, реализующий этот способ, построен на базе 2-ух приемных горизонтальных магнитных антенн, расположенных горизонтально (рис.1).
От трубопровода 4 при помощи верхней 2 и нижней антенны 1 принимаются два различных сигнала. Величины этих сигналов пропорциональны напряженности магнитного поля H1 и H2 в точках размещения данных антенн.
Скрещение кривых, надлежащие этим сигналам, выделяет неширокую полосу сигнала, которая обеспечивает высшую избирательность. Соединения приемных антенн 1 и 2 в фазе и противофазе позволяет убрать помехи, возникающие в процессе измерения.
Рис. 1. Устройство контроля, базирующаяся на 2-ух приемных магнитных антеннах
В блок обработки 3 не попадают посторонние сигналы помехи, так как сигнал, оборотный по знаку по отношению ко входному, генерируется в одной из антенн. Блок обработки 3 не принимает сигналы, когда от источника помехи сигнал добивается устройства контроля и сигнал на верхней антенне 2 превосходит сигнал на нижней антенне 1. Блок обработки 3 принимает сигналы, если сигнал на антенне 1 превосходит сигнал на антенне 2.
Опыт профессионалов экспедиционной группы «Сальп» и НИИ АСБ, приобретенный ими при обследовании свойства изоляционных покрытий подводных переходов магистрального аммиакопровода Тольятти - Одесса, распределительных сетей Житомиргаза, Харьковгаза, Киевгаза, нефтегазовых сетей Ахтырского НГДУ, показал, что в процессе поиска изъянов изоляции трубопроводов появляются последующие трудности.
1. Коммуникации находятся в аква среде либо в почве с большой влажностью. В таких случаях на результаты измерений значительно оказывают влияние распределенные электронные характеристики. Наибольшее воздействие имеет электронная емкость меж железной трубой и средой, в какой находится трубопровод. Величина этой емкости находится в зависимости от поперечника трубопровода, толщины изоляционного покрытия и материала изоляции (в качестве материала может применяться битум, полимерная пленка и др.), который определяется его диэлектрической проницаемостью.
2. Способ, основанный на измерении разности потенциалов, совсем неприемлем в аква среде, в особенности при исследовании трубопроводов, находящихся на большой глубине, так как вода представляет собой сплошной проводник с пренебрежимо малым сопротивлением.
3. В процессе измерения разности потенциалов повдоль трубопроводов встречаются земли с различным составом, различной влажностью, могут случиться подводные переходы. Электронное сопротивление таких грунтов будет различным на различных участках трубопроводов. Так как электронное сопротивление в значимой степени оказывает влияние на угасание тока, в особенности на больших частотах, то для получения достоверных результатов нужно исключать изменение электронного сопротивления грунта повдоль трубопровода.
4. Неучитывание конфигурации распределенных характеристик повдоль трубопровода приводит к ухудшению точности измерений. В узнаваемых исследовательских работах рассматриваются полные электронные модели трубопровода с учетом емкостных и индуктивных составляющих распределенных характеристик, но определение всех нужных коэффициентов, зависящих от определенных электрофизических характеристик среды, в какой находится трубопровод, с соответствующей точностью и учет их конфигурации повдоль трубопровода представляет собой сложную практическую задачку при проведении измерений. Также известна облегченная модель, но она может употребляться только для сухих почв, в каких воздействие индуктивности земли существенно превосходит воздействие емкости изоляционного покрытия. Как понятно, из практических исследовательских работ во мокроватых почвах и аква средах, напротив, воздействие распределенной емкости существенно превосходит воздействие индуктивности земли.
5. В простейшей модели рассмотрены только активные составляющие, а реактивные не учтены. Эта модель применима для определения повреждений трубопровода, находящегося в сухом грунте на низких частотах.
6. Не считая того, в работах подразумевается, что все измерения производятся на частотах 30-100Гц. По результатам практических исследовательских работ на таких частотах находятся значимые электрические помехи, связанные с воздействием промышленной частоты 50Гц. Приведенная ЕРС в антеннах приемника на порядок меньше, чем с внедрением частот 1-10кГц.
7. На результаты измерения бесконтактным способом в значимой степени оказывают влияние электрические помехи, которые трудно убрать аналоговыми фильтрами, которые входят в состав устройств, из-за относительно низкой избирательности электронных компонент в составе фильтра.
8. При продолжительном использовании сигнал-генератора в одной точке подключения вероятен разряд аккума генератора, изменение проводимости земли в месте подключения штыря заземления генератора, который оказывает влияние на исходный ток в трубопроводе в точке подключения генератора и заносит дополнительную погрешность.
9. Большая часть имеющихся способов и устройств бесконтактного контроля, которые их употребляют, создают измерения тока станций катодной защиты, который является во-1-х, не стабилизирован во времени, во-2-х, содержит значительную шумовую составляющую с широким диапазоном. Это заносит значительную погрешность в результаты измерений, которая в неких отдельных случаях может превосходить абсолютные значения измеряемых величин.
10. На результаты измерения существенно оказывает влияние точность определения местоположения оси трубопровода, в особенности при исследовании трубопроводов, находящихся на большой глубине.
Общим недочетом как контактных, так и бесконтактных способов является невозможность проведения контроля параллельных электрически соединенных трубопроводов, находящихся друг от друга на наименьшем зао двойную глубину залегания расстоянии. Имеющиеся способы контроля для собственной реализации требуют четкой привязки к оси 1-го из параллельных трубопроводов, при этом расстояние меж этими трубопроводами должно быть более двойной глубины их залегания.
Значимым фактором, ограничивающим применение имеющихся устройств контроля, является наличие электрических помех с промышленными частотами в зоне проведения контроля, которые наращивают зону неопределенности показаний устройств.
Как следует, любой из обрисованных способов имеет определенные недочеты, которые затрудняют их внедрение либо приводят к появлению дополнительных погрешностей в приобретенных результатах контроля.
Потому главной задачей работы является создание и исследование такового способа бесконтактного контроля состояния изоляционного покрытия подземных трубопроводов, который позволил бы проводить контроль в зоне деяния электрических помех с промышленными частотами, воплотил бы автоматизацию процесса обработки приобретенных результатов контроля. В качестве базисного способа целенаправлено избрать бесконтактный градиентный способ определения тока и глубины залегания трубопровода, который может употребляться как на подземных, так и на подводных трубопроводах.
Популярная аппаратура, в том числе и забугорная, использующая индуктивный способ измерения сигнала, не позволяет учесть все приведенные поправки, которые значительно оказывают влияние на качество результатов измерений. За базисную модель прибора целенаправлено избрать измерительный прибор, реализующий градиентный способ определения тока и глубины залегания трубопровода, построенный на базе 2-ух приемных горизонтальных магнитных антенн, размещенных горизонтально.
В базу разработанного способа поставлена ??задачка совершенствования способа определения свойства изоляционного покрытия трубопровода и устройства для его реализации методом того, что употребляют как минимум две гармоники сигнала генератора, при всем этом ток повдоль трубопровода вычисляют по каждой из гармоник, а в качестве анализа сигнала употребляется спектральный анализ. Генератор устройства для реализации способа выполнен с возможностью генерации электронных импульсов стабилизированного тока как минимум с 2-мя гармониками сразу, а приемник содержит минимум две параллельные катушки, расположенные на расстоянии друг от друга, и содержит вычислитель, который имеет возможность анализа диапазона принимаемого сигнала. Это позволяет вычислить степень воздействия распределенных характеристик трубопровода на результаты измерения без дополнительных измерений дополнительной аппаратурой и исключить их воздействие, найти изменение распределенных характеристик трубопровода и изменение состава грунта повдоль трубопровода, повысить точность определения глубины залегания, тока в трубопроводе, свойства изоляционного покрытия и оценить погрешность измерений.
Поставленная задачка достигается тем, что в способе определения свойства изоляционного покрытия трубопровода, заключающийся в генерации электронных импульсов, вызывающих излучение электрических колебаний в место, используя в качестве излучателя исследуемый трубопровод, и в следующем их преобразовании антенной приемника в электронный сигнал с следующим его анализом, новым будет то, что употребляют как минимум две гармоники сигнала генератора, при всем этом ток повдоль трубопровода вычисляют по каждой из гармоник, а анализ сигнала заключается в спектральном анализе. В устройстве для определения свойства изоляционного покрытия трубопровода, состоящем из генератора электронных колебаний и приемника электрических колебаний, новым будет то, что генератор выполнен с возможностью генерации электронных импульсов стабилизированного тока более чем с 2-мя гармониками сразу, а приемник содержит минимум две параллельные катушки, расположенные на расстоянии друг от друга, и содержит вычислитель, который имеет возможность анализа диапазона принимаемого сигнала.
Генератор импульсов стабилизированного тока как минимум с 2-мя гармониками сразу передает ток в трубопровод. Он построен таким макаром, что соотношение амплитуд гармоник выходного сигнала заблаговременно понятно и остается неизменным в течение всего времени эксплуатации, а ток по каждой из гармоник остается неизменным на протяжении 1-го измерения. Это позволяет на стороне приемника получить по последней мере две важные гармоники, амплитуды которых на порядок больше амплитуды шума и помех. Проходя повдоль трубопровода, разные гармоники сигнала генератора неодинаково угасают вследствие деяния распределенных характеристик трубопровода, окружающей земли и имеющихся повреждений изоляционного покрытия. Приемник содержит минимум две параллельные катушки, расположенные на неком заблаговременно известном расстоянии друг от друга. На каждую катушку, расположенную повдоль магнитных линий поля, создаваемого трубопроводом, наводится ЭДС, значение которой прямо пропорционально току в трубопроводе и назад пропорционально расстоянию от трубопровода. По последней мере по двум значениям ЭДС разных приемных катушек можно найти глубину залегания трубопровода и ток повдоль трубопровода. Выполняя спектральный анализ принимаемого сигнала по каждой из приемных катушек, рассчитываются значения глубины залегания трубопровода. Так как в приемные катушки также действуют электрические помехи, то значения глубины залегания на различных гармониках могут отличаться. Таким образом, абсолютная погрешность определения глубины может определяться как разница меж более удаленными значениями глубины на различных гармониках. По определенной средней глубине определяют ток в трубопроводе по каждой из важных гармоник сигнала, в итоге чего получают дискретную зависимость тока в трубопроводе от частоты гармоники. Чем большее количество важных гармоник сигнала (K), тем поточнее будет получена эта зависимость. Отношение приобретенной зависимости к предшествующим измерениям (декремент затухания тока) экстраполируют к нулевой либо близкой к ней частоте (менее 3 Гц) по теоретическому закону зависимости коэффициента затухания тока от частоты.
Это исключает воздействие распределенных характеристик трубопровода на затухание тока в трубопроводе, которое стопроцентно определяет удельное сопротивление изоляционного покрытия трубопроводом, что определяет его качество. По данному способу исчисляется совокупное воздействие состава земли и распределенных характеристик трубопровода на затухание тока меж 2-мя примыкающими измерениями. Так как измерения проводят с маленьким интервалом (до 200 м), то это позволяет с достаточной точностью учитывать изменение распределенных характеристик и состава земли повдоль трубопровода, при этом, при уменьшении интервала обследования, возрастает точность способа.
Исходя из требований к прибору, для обеспечения наибольшей помехоустойчивости и удобства использования аппаратуры, приемная часть аппаратуры базируется на процессоре, который делает цифровую обработку сигнала, собирает и копит данные об измеряемых параметрах, также имеет удачный пользовательский интерфейс.
Внедрение карманного компьютера в качестве спец вычислителя позволит:
- учесть поправки для получения достоверных результатов при определении свойства и изъянов изоляционных покрытий;
- использовать цифровую обработку сигнала;
- использовать адаптацию алгоритмов определения тока зависимо от среды, проводить автоматический подбор коэффициента усиления сигнала, производить учет поправок преломления магнитных силовых линий и поправок на затухание тока вследствие использования ненулевой частоты;
- очень упростить аппаратную часть прибора;
- облегчить совершенствования программного обеспечения;
- повысить отказоустойчивость и скорость получения результата;
- уменьшить цена аппаратуры в целом;
- упростить взаимодействие юзера с аппаратурой;
- получать все нужные характеристики в текстовом и графическом виде конкретно на объекте обследования;
- автоматом составлять отчеты о техническом состоянии трубопровода в реальном времени;
- проводить мониторинг технического состояния трубопроводных сетей;
- определять географические координаты точек измерений при помощи встроенного либо отдельного наружного модуля GPS.
Апробирована методика разработки портативной аппаратуры контроля свойства изоляционного покрытия трубопроводов, находящихся как под землей, так и под водой.
Апробирована методика определения свойства изоляционного покрытия и испытана работоспособность аппаратуры. Испытано, что даже в критериях электрических помех показания прибора соответствуют предъявляемым требованиям точности.
Подтверждено, что аппаратура работает как от сигналов генератора тока, входящего в набор аппаратуры, так и от сигналов станций катодной защиты трубопроводов.
Результаты экспериментальных исследовательских работ свидетельствуют о том, что разработанная аппаратура с высочайшей степенью точности определяет положение подземных трубопроводов, производит оценку свойства их изоляционных покрытий и определяет глубину залегания этих коммуникаций.
