Спосіб визначення опору грунту на трасі підземного трубопроводу

1 Спосіб визначення опору грунту на трасі підземного трубопроводу, за яким один контакт джерела струму підключають до заземлення, міряють напругу U між двома електродами, встановленими на поверхні грунту, питомий опір грунту обчислюють за результатами вимірів, який відрізняється тим, що другий контакт джерела струму підключають до труби, визначають проекцію осі труби на поверхню землі і глибину h залягання труби, встановлюють перший електрод над трубою, другий електрод відносять від траси і встановлюють на лінії, яка проходить через перший електрод перпендикулярно трасі, міряють величини струмів Ji і J2, що протікають по трубопроводу у двох точках, рознесених вздовж трубопроводу у протилежні від першого електрода боки, міряють відстань а між електродами та віддаль / між точ ками міряння струму, питомий опір грунту обчислюють за формулою U 2л де j=(Ji-J2)/l - лінійна густина витікаючого струму 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що додатково змінюють величину струму джерела, проводять другі виміри напруги і струмів, визначають різниці попередніх і других вимірів, приймають отримані різниці (зміщення) за результати вимірювань напруги і струмів, використовують їх для обчислення опору грунту 3 Спосіб за п 1, яким відрізняється тим, що другий електрод додатково переносять і встановлюють на протилежному боці траси на відстані а від першого електрода, міряють друге значення напруги, визначають середнє значення двох напруг, яке використовують для обчислення опору грунту 4 Спосіб за пп 1, 2, 3, який відрізняється тим, що як джерело струму використовують станцію катодного захисту підземного трубопроводу 5 Спосіб за пп 1-4, який відрізняється тим, що сили струмів у підземному трубопроводі міряють безконтактним методом CO Винахід відноситься до технічної фізики і призначений для визначення електропровідності ґрунту, в якому залягає трубопровід, що є одним з показників корозійної активності середовища, і може використовуватись при неруйнівному контролі корозійного стану підземних металевий споруд, струмопровідних комунікацій Відомий спосіб вимірювання опору ґрунту, що базується на класичному визначенні питомого електричного опору матеріалу за законом Ома і полягає у розміщенні проби фунту між плоскопаралельними електродами [1] Через пробу ґрунту пропускають електричний струм, за величиною струму, напругою між електродами, товщиною і площею проби визначають питомий опір ґрунту Недоліком відомого способу є його лабораторний характер, при взятті проби порушуються ЩІЛЬНІСТЬ, вологість і структура ґрунту, що спричинює зміни опору Крім цього опір фунту неоднако вий на різних глибинах, а відбір проб з різних глибин трудомісткий і мало придатний для багаточисельних замірів при обстеженні протяжних трас трубопроводів Найближчим до винаходу є спосіб чотирьох електродів [2], які розміщують на поверхні землі вздовж прямої лінії за схемою Шлюмберже Джерело струму підключають до крайніх електродів А і В, міряють силу струму Ідв, що протікає через ці електроди, та напругу UMN МІЖ середніми електродами М і N При однакових відстанях а між електродами питомий опір фунту визначають [2] за формулою (1) ГО 42313 Відстань між електродами тут характеризує глибину геоелектричного перерізу, що контролюється, практично и приймають співмірною ПОДВІЙНІЙ глибині залягання трубопроводу Недоліком цього способу (прототипу) є необхідність розміщення електродів на деякій відстані від підземного трубопроводу (щоб виключити вплив металевої труби на розподіл струму в ґрунті, що спотворює результат вимірювання опору за відомим способом) При цьому визначають так званий позірний опір (деяке середнє значення питомого опору шару ґрунту) збоку від трубопроводу Така характеристика може значно відрізнятись від опору фунту що безпосередньо оточує трубопровід, оскільки копання траншеї і засипка труби при спорудженні змінює структуру ґрунту Технічною задачею винаходу є створення процедури (ПОСЛІДОВНОСТІ ДІЙ) вимірювання опору ґрунту безпосередньо на трасі підземного трубопроводу шляхом вибору джерела сигналу, точок спостереження, методу міряння струму та розрахункової формули (алгоритму), з метою оцінки корозійної активності середовища, що оточує трубопровід Для вирішення поставленої задачі підключають один контакт джерела струму до заземлення, встановлюють на поверхні ґрунту два електроди, міряють напругу між електродами, питомий опір ґрунту обчислюють за результатами вимірів, додатково другий контакт джерела струму підключають до труби, визначають проекцію осі труби на поверхню землі, визначають глибину h залягання осі труби, встановлюють перший електрод над трубою, другий електрод встановлюють на лінії, яка проходить через перший електрод перпендикулярно трасі, міряють відстань а між електродами, міряють величини струмів Ji і J 2 , що протікають по трубопроводу у двох точках, рознесених на віддаль І вздовж трубопроводу, обчислюють питомий опір ґрунту за формулою и 2л (2) де j=(Ji-J2)/l -лінійна густина витікаючого струму Додатково, з метою виключення похибок спричинених завадонесучими сторонніми джерелами і блукаючими струмами, змінюють величину струму джерела, проводять другі виміри напруги U' і струмів J-і1 та J 2 ' у тих же точках, визначають різниці двох (ВІДПОВІДНО попередніх і других) вимірів ди=ІГ-ІІ, AJi=Ji'-Ji, AJ2'-J2, приймають отримані різницеві значення за результати вимірювань напруги і струмів та використовують їх для обчислення опору ґрунту AU Л/ 2л2 И) (3) Додатково, з метою зменшення можливого впливу неоднорідностей середовища та інших підземних споруд, переносять і встановлюють другий електрод на протилежному боці траси на відстані а2=а від першого електрода (симетрично відносно проекції осі труби на поверхню землі), міряють друге значення напруги ІІ2, визначають середнє значення двох (попереднього і другого вимірів) напруг Uc=(U2+U)/2, яке використовують для обчислення опору ґрунту за формулою (2) З метою спрощення процедури збудження зондуючого сигналу, в якості джерела струму використовують станцію катодного захисту (СКЗ) підземного трубопроводу Для зменшення трудоємності і підвищення оперативності обстежень, струми підземного трубопроводу міряють безконтактним методом Суттєвими ознаками даного способу є підключення джерела тестуючого струму до трубопроводу, розміщення електрода над трубою, визначення лінійної густини струму, що витікає з трубопроводу в ґрунт на ДІЛЯНЦІ контролю, формула (алгоритм) для обчислення питомого опору ґрунту, а також зміна величини тестуючого струму з повторними міряннями струмів і напруги, встановлення другого електрода з різних боків траси і визначення середньої напруги, використання СКЗ як джерела тестуючого струму і безконтактні міряння струмів трубопроводу для визначення опору ґрунту Названі суттєві ознаки даного способу і їх сукупність не ВІДОМІ ні в аналогів ні у прототипа, отже відповідають критеріям "новизна" і "суттєві ВІДМІННОСТІ" Пропонована нова формула для визначення питомого опору ґрунту отримана на основі результатів аналізу розподілу електричного поля струму, що витікає з трубопроводу в ґрунт (або натікає з ґрунту в трубопровід) [3] Визначення витікаючого струму на ДІЛЯНЦІ трубопроводу за різницею струмів, що протікають по трубопроводу на кінцях ділянки, відоме в техніці корозійних обстежень (див [2]) Для міряння струму в трубопроводі (без розриву кола) ВІДОМІ контактні методи падіння напруги і компенсації [2], які потребують підключення до труби не менше ніж у двох точках, що у принципі, можливо але трудоємно і практично не прийнятне для вирішення поставленої задачі з причин відсутності достатньої КІЛЬКОСТІ контактів вздовж траси Безконтактні вимірювачі струмів [4] створені і використовуються, зокрема, для контролю ізоляції, проте безконтактні міряння струмів трубопроводу для знаходження витікаючого струму з метою визначення опору ґрунту не ВІДОМІ, отже відповідають критеріям "новизна" і "суттєві ВІДМІННОСТІ" Процедура зміни тестуючого сигналу і використання для подальших обчислень різницевих значень (приростів, зміщень) ВІДОМІ у вимірювальній техніці, проте ці ознаки не входили у процедури аналогів і прототипу для визначення опору ґрунту, що дає підставу вважати ВІДПОВІДНІСТЬ критерію "суттєві ВІДМІННОСТІ" заявленого способу від аналогів і прототипу Пропонований спосіб пояснюють схеми, показані на фіг 1 і 2 На фіг 1 показано розміщення точок спостереження на трасі (вид зверху) і схема підключення джерела струму до трубопроводу На фіг 2 - схема вимірювання напруги на поверхні ґрунту над трубопроводом На фігурах представлені підземний трубопровід Т, джерело струму С підключене до заземлен 42313 ня А і труби В (фіг 1), точки D і Е міряння струмів Ji і J2, віддаль DE=I, точки М і N (та N2) розміщення електродів для міряння напруги U (фіг 2), відстань між електродами а, глибина залягання осі труби h Фізичною ОСНОВОЮ способу є пропорційність між напругою і струмом, яка за законом Ома визначає опір провідника Струм, Js, що витікає в грунт з ділянки трубопроводу довжиною І, створює на поверхні землі між точками М і N електричну напругу, яка описується [3] формулою и = І7& (4) Лінійну густину витікаючого струму (на одиницю довжини трубопроводу) визначають за різницею струмів, що протікають по трубопроводу на початку і КІНЦІ ділянки DE J =j s fl=(j 1 -J 2 )/| (5) За виразами (4) і (5) отримуємо формулу (2) для визначення питомого опору ґрунту Вважається, що на ДІЛЯНЦІ DE лінійна густина струму j постійна і оточуючий грунт однорідний вздовж траси Практично матимемо деякі середні значення вимірюваних величин і непрямим (опосередкованим) методом за формулою (2) отримуємо середнє значення питомого опору ґрунту який оточує трубопровід Для застосування даного способу потрібно, щоб неоднорідність поля заземлення А джерела струму не проявлялись у зоні контролю DNE, для цього А має бути достатньо віддалене від зони контролю A B » M N (або BD»MNJ що практично забезпечується при використанні СКЗ Як джерело сигналу за даним способом можна використовувати постійний або змінний з низькою частотою (не більшою 1000 Гц, щоб уникнути скінефекту) струми Підземні трубопроводи обладнані установками катодного зухисту від корозії (УКЗ), струми яких можуть бути використані при вимірюванні опору ґрунту за даним способом Зокрема, станції катодного захисту (СКЗ) з анодним заземленням А подають на трубопровід випрямлений від електромережі (пульсуючий) струм, в якому є постійна і ЗМІННІ складові При відсутності СКЗ застосовують генератор струму Безконтактні міряння струму (БМС) здійснюють апаратурою типу БІТ-КВ, яка дає можливість з поверхні землі визначати величину змінного струму, що протікає по трубопроводу (по створеному струмом магнітному полю [4]), одночасно визначають місце і глибину h залягання осі трубопроводу Додатково використовується вольтметр для міряння напруги Приклад конкретного виконання Підключають джерело зондуючого струму С до трубопроводу і заземлення А (фіг 1), віднесеного від трубопроводу на відстань АВ, практично використовують СКЗ Для пошуку трубопроводу і вимірювань використовують другу гармоніку 100 Гц випрямленого пульсуючого струму СКЗ Відстань АВ має бути достатньою щоб виключити вплив за землення А на розподіл поля у зоні контролю (DNE, фіг 1) При розносі електродів MN50 м За джерело сигналу в якості генератора струму вибираємо СКЗ (на магістральних трубопроводах, як правило АВ>400 м, отже ця умова виконується) Міряють струми Ji та J2, що протікають по трубопроводу в точках D та Е (фіг 1) у зоні дії СКЗ, підключеної до труби і заземлення Міряють віддаль I=DE, використовуючи рулетку чи сажень Визначають проекцію осі трубопроводу на поверхню землі і глибину h залягання осі труби (використовуючи БІТ-К, або трасошукач з глибиноміром) у точці М, розміщеній між точками D і Е міряння струмів Встановлюють перший електрод над віссю труби у точці М Другий електрод відносять перпендикулярно трубопроводу і встановлюють у точці N на відстані a=MN, яку міряють рулеткою 3 аналізу розподілу поля на поверхні землі [3] видно, що доцільно вибирати рознос електродів не меншим ніж глибина залягання трубопроводу, h