Результат интеллектуальной деятельности: Способ диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопроводов

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для поиска дефектов изоляционного покрытия подземных трубопроводов в процессе их электрометрического обследования.

Подземные стальные трубопроводы даже с качественно выполненным покрытием подвергаются разрушающему воздействию коррозии, что приводит к появлению различных дефектов в защищенном покрытии, требующих своевременного обнаружения и ремонта.

Известен метод диагностики изоляционного покрытия трубопроводов, основанный на измерении с шагом 5~10 м поверхностных потенциалов труба - земля и их градиентов как при включенной, так и отключенной внешней поляризации (задаваемых установками катодной защиты) и последующей математической обработкой результатов измерений [Остапенко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии. Киев. Наукова думака. 1988. - 245 с.].

Недостатком данного метода является его трудоемкость, обусловленная значительным количеством измерений поверхностных потенциалов труба - земля, при обязательном условии малого шага (5~10 м) их проведения. Также надо отметить ограниченные возможности применения этого метода на участках трубопровода, подверженного влиянию блуждающих токов.

Более производительным является метод интегральной оценки состояния изоляционного покрытия трубопровода [Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. ВРД-39-1.10-026-2001]. Согласно этому методу, к трубопроводу подключают генератор сигналов в контрольно-измерительном пункте. После определения осевой линии трубопровода измеряют величину напряжения сигнала (контактным или бесконтактным датчиками) в i-той точке, значение которого корректируют с учетом глубины трубопровода в данной точке. Далее измерение величины напряжения сигнала повторяют в i+1 точке трубопровода. Разница двух значений напряжений дает величину затухания сигнала между двумя точками измерения. Недостатком данного метода является сложность последующего уточнения положения дефектов изоляционного покрытия трубопровода, осуществляемого путем повторения данной процедуры на последовательно уменьшаемых расстояниях между точками измерения.

Наиболее близким аналогом, взятым в качестве прототипа, является способ диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопровода - Метод Пирсона [Pearson Karl. On the criterion that a given system of deviation from the problem in the case of a correlated system of variables is such that it can be reasonably supposed to have arisen from random sampling. Philosophical Magazine Series, Series 5, Volume 50, Issue 302, 1900. P. 157-175.]. Он основан на измерении градиентов потенциалов (разности уровней сигналов) на поверхности земли между двумя перемещаемыми вдоль трубопровода стальными контактными электродами. Для этого два оператора двигаются вдоль трубопровода один за другим, причем каждый из них поддерживает, по крайней мере, один их своих металлических контактных электродов в постоянном контакте с землей. Кабели, подсоединенные к контактным электродам, определяют расстояние между операторами (примерно 8~10 м). При прохождении первого оператора над дефектом наблюдается повышение уровня сигнала. Как только первый оператор удаляется от дефекта, уровень сигнала уменьшается и затем снова увеличивается, как только второй оператор проходит над дефектом. Интервал между пиками уровня сигнала соответствует расстоянию между двумя операторами, и в его же пределах располагается дефект изоляционного покрытия трубопровода [Классическая реализация метода: Глазков В.И. Электрический метод нахождения сквозных повреждений в изоляционных покрытиях действующих магистральных трубопроводов // Защита металлов. - 1965. - №2. - С. 21]. Уточнение положения дефекта производят путем измерения градиентов потенциалов, с уменьшенным до 1 м интервалом между двумя операторами [Angel R. Kowalski The close interval potential survey (CIS/CIPS) method for detecting corrosion in underground pipelines. Underground Pipeline Corrosion. Woodhead Publishing. 2014. 227-246 P.].

Эффективность метода Пирсона определяется точностью измерения градиентов потенциалов на поверхности земли и обусловлена чувствительностью используемого трассопоискового дифференциального приемника [Ценев А.Н., Носов В.В., Назарова М.Н. Поиск повреждений изоляционных покрытий магистральных газопроводов без вскрытия в зоне постоянного действия блуждающих токов ./ Горный информационно-аналитический бюллетень - 2017. - №4 (5-2). - С. 430-438]. Порог чувствительности дифференциальных приемников при измерении градиентов потенциалов с контактных электродов с использованием амплитудного детектирования сигналов не может быть меньше 100~200 мВ, что обусловлено значительной нелинейностью начального участка вольт-амперной характеристики детектирующих диодов. Использование для амплитудного детектирования операционных усилителей позволяет уменьшить порог чувствительности, но только до предела 10~20 мВ [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М: Додэка-ХХI - 2015. - 528 с.].

Повысить точность измерения градиентов потенциалов дифференциальным приемником на поверхности земли возможно при применении ключевого синхронного детектирования сигналов, что позволяет детектировать малые сигналы в микровольтовом диапазоне и одновременно повысить избирательность измерения градиентов потенциалов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности идентификации мест повреждения в изоляционном покрытии трубопровода.

Технический результат достигается тем, что измерение градиентов потенциалов вдоль трубопровода между двумя перемещаемыми с постоянным шагом металлическими контактными электродами, обеспечивающими контактное измерение потенциалов над осевой линией трубопровода, осуществляют при одновременном бесконтактном индукционном измерении уровней сигналов, и после ограничения их по амплитуде используют в качестве опорных для ключевого синхронного детектирования сигналов с контактных электродов, введение бесконтактного индукционного измерения сигналов позволяет одновременно проводить фазовую идентификацию дефектов изоляционного покрытия трубопроводов.

Предлагаемый способ диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопровода за счет дополнительного введения бесконтактного индукционного съема сигналов с горизонтальных индукционных антенн приемника обеспечивает повышение точности идентификации мест повреждения в изоляционном покрытии трубопроводов за счет ключевого синхронного детектирования сравниваемых сигналов с контактных электродов при измерении градиентов потенциалов, а также одновременно проводить дополнительную высокочувствительную фазовую идентификацию, используя фазовые параметры сигналов с индукционных антенн.

На фиг. представлена функциональная схема диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопроводов.

Функциональная схема диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопроводов состоит из трассопоискового приемника 1, соединенного с датчиком 2 первого оператора и с датчиком 3 второго оператора. Датчик 2 первого оператора состоит из контактного электрода 4, индукционных горизонтальной 5 и вертикальной 6 антенн. Датчик 3 второго оператора состоит из контактного электрода 7 и индукционной горизонтальной антенны 8.

Трассопоисковый приемник 1 содержит: первый дифференциальный усилитель 9, первый синхронный детектор 10, микроконтроллер 11, графический дисплей 12, первый усилитель-ограничитель 13, второй 14 и третий 15 синхронные детекторы, второй усилитель-ограничитель 16, второй дифференциальный усилитель 17, избирательный усилитель 18 и детектор 19.

Входы первого дифференциального усилителя 9 подключены к контактным электродам 4 и 7 датчиков 2 и 3 соответственно, а выход дифференциального усилителя 9 подсоединен к сигнальному входу первого синхронного детектора 10, выход которого подключен к первому аналоговому входу микроконтроллера 11, соединенного с графическим дисплеем 12. Опорный вход первого синхронного детектора 10 подключен к выходу первого усилителя-ограничителя 13, входы которого соединены с индукционной горизонтальной антенной 5 датчика 2 первого оператора. Указанные элементы составляют блок амплитудной идентификации трассопоискового приемника 1.

Входы второго дифференциального усилителя 17 соединены с выходами второго и третьего синхронных детекторов 14 и 15, а выход подключен ко второму аналоговому входу микроконтроллера 11. Сигнальные входы второго 14 и третьего 15 синхронных детекторов подключены к индукционным горизонтальным антеннам 8 и 5 датчиков 3 и 2 соответственно. Опорные входы синхронных детекторов 14 и 15 соединены с выходами первого 13 и второго 16 усилителей-ограничителей, к входам которых подключены индукционные горизонтальные антенны 5 и 8 датчиков 2 и 3 соответственно. Указанные элементы и их связи составляют блок фазовой идентификации трассопоискового приемника 1.

Вертикальная антенна 6 в датчике 2 первого оператора подключена к избирательному усилителю 18, выход которого подключен к входу детектора 19, а выход детектора 19 подключен к третьему аналоговому входу микроконтроллера 11. Указанные элементы и их связи обеспечивают поиск трассы и фиксацию положения операторов относительно осевой линии трубопровода.

Диагностику дефектов изоляционного покрытия трубопроводов осуществляют следующим образом.

Предварительно к исследуемому трубопроводу на контрольно-измерительном пункте 20 подключают трассопоисковый генератор 21 с установленными значениями по частоте и мощности сигнала. Далее оба оператора подсоединяют к датчикам 2 и 3 соответствующие кабели, длина которых определяет расстояние между операторами и в процессе движения вдоль трассы остается постоянной L=const. Первый оператор задает темп и несет трассопоисковый приемник 1. Для поиска трассы (трубопровода) и определения осевой линии трубопровода используют антенну 6, сигнал с которой через избирательный усилитель 18 и детектор 19 поступает на третий аналоговый вход микроконтроллера 11, который выводит на графическом дисплее 12 информацию оператору о его положении относительно осевой линии трубопровода, что позволяет производить все измерения непосредственно над осевой линией трубопровода.

В процессе движения над осевой линией трубопровода дефект в изоляции трубопровода обнаруживают по увеличению уровней сигналов на первом и втором аналоговых входах микроконтроллера 11 с блоков амплитудной и фазовой идентификации трассопоискового приемника 1.

Амплитудную идентификацию дефекта в изоляции трубопровода осуществляют путем сравнения дифференциальным приемников 9 уровней выходных сигналов с контактных электродов 4 и 7 датчиков 2 и 3 соответственно первого и второго операторов, с последующим ключевым детектированием его выходного напряжения синхронным детектором 10, опорным сигналом для которого после ограничения по уровню усилителем-ограничителем 13 является сигнал с горизонтальной индукционной антенны 5 датчика 2 первого оператора трассопоискового приемника 1. При амплитудной идентификации разностный выходной сигнал синхронного детектора 10 определяют из формулы (1), и при наличии дефекта наблюдают увеличение его уровня:

где U_a1, U_a2 - амплитудные значения сигналов u_к1(t)=U_a1cosωt, u_к2(t)=U_a2cosωt с контактных электродов 4 и 7; K_ДУ1, K_СД1 - коэффициенты усиления первого дифференциального усилителя 9 и первого синхронного детектора 10 соответственно; ω - частота сигнала генератора 21.

Фазовую идентификацию дефекта в изоляции трубопровода осуществляют путем сравнения дифференциальным усилителем 17 выходных сигналов с синхронных детекторов 15 и 14, опорными сигналами для которых являются сигналы с горизонтальных индукционных антенн 5 и 8, ограниченных по уровню усилителями-ограничителями 13 и 16 соответственно. При этом входными сигналами синхронных детекторов 15 и 14 являются выходные сигналы горизонтальных антенн 5 и 8 с датчиков 2 и 3 первого и второго операторов соответственно.

При наличии дефекта в изоляции трубопровода сигналы с горизонтальных индукционных антенн 5 и 8 в момент времени t_i определяют соответственно из выражений (2) и (3):

где Δϕ_i и ΔU_i скачок фазы и амплитуды в горизонтальной индукционной антенне 5, вызванный дефектом изоляционного покрытия трубопровода в i точке измерения; U_i и ϕ_i - фаза, и амплитуда сигнала в горизонтальной индукционной антенне датчиков; ϕ_i=ωt_i.

Выходные напряжения в момент времени t_i второго 14 и третьего 15 синхронных детекторов определяют из выражений (4) и (5):

где K_СД2, K_СД3 - коэффициенты передачи второго 14 и третьего 15 синхронных детекторов соответственно.

Следовательно, выходной разностный сигнал дифференциального усилителя 17 при K_СД2≅K_СД3≅K_СД3 будет равен

где K_ДУ2 - коэффициент передачи дифференциального усилителя 17.

Микроконтроллер 11 преобразует аналоговые сигналы с первого синхронного детектора 10 и второго дифференциального усилителя 17 в цифровой сигнал с последующим выводом на графический дисплей 12. При этом на графическом дисплее 12 отражается информация, характеризующая как амплитудную (сигналы с контактных электродов 4 и 7), так и фазовую (сигналы с бесконтактных индукционных горизонтальных антенн 5 и 8) идентификацию состояния изоляционного покрытия.

Из рассмотрения предложенной реализации способа диагностики дефектов изоляционного покрытия трубопроводов следует:

- дополнение контактного способа измерения сигналов бесконтактным позволило при измерении градиентов потенциалов осуществить синхронное детектирование сравниваемых сигналов, используя в качестве опорного сигнал с горизонтальной индукционной антенны перового оператора трассопоискового приемника;

- предложенное техническое решение идентификации дефектов позволяет одновременно с амплитудной проводить дополнительно высокочувствительную фазовую идентификацию, что, в целом, значительно повышает точность идентификации мест повреждения в изоляционном покрытии трубопроводов;

- с учетом того, что чувствительность синхронных детекторов находится в микровольтовом диапазоне, предлагаемый метод измерения потенциалов позволяет идентифицировать самые незначительные дефекты в изоляционном покрытии трубопроводов.

Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.