Система моніторингу стану трубопроводів по вимірюваннях коерцитивної сили

1. Система моніторингу стану трубопроводів по вимірюваннях коерцитивної сили, що включає магнітометричні датчики, систему електроживлення, зв'язку, збору, обробки і зберігання даних, яка відрізняється тим, що магнітометричні датчики виконані на основі датчиків Хола для вимірювання коерцитивної сили металу трубопроводів, а система електроживлення, зв'язку, збору і зберігання даних має локальні (місцеві) підсистеми, виконані з можливістю роботи дискретно або безперервно, і центральний пульт, оснащений комп'ютерною технікою для обробки і зберігання отриманих даних і видачі інформації для оперативного керування. U 2 (19) 1 3 руд орієнтовані в основному на вимірювання положення зовнішніх елементів, що деякою мірою перешкоджає автоматизації вимірювань. У книзі В.В. Клюева, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчука та ін. «Технические средства диагностирования» (Справочник. М. «Машиностроение» 1989, с. 587-614) розглянуті технічні засоби діагностування нафтогазопроводів. Ці засоби можуть бути використані як датчики системи техногенної безпеки нафтогазопроводів, які вирішують наступні задачі: - автоматизований контроль стану ізоляційного покриття; - автоматизований ультразвуковий контроль стану зварних швів; - контроль геометрії перерізу трубопроводів за допомогою пристрою - профілеміру; - дефектоскопія стану металу трубопроводу; - газоаналітичний контроль витікання в трубопроводах. Такі засоби також не можуть вирішити задачу контролю геометричного положення елементів конструкції трубопроводу, особливо повільної зміни їх координат. Найбільш близькою по технічній суті і досягуваному технічному результату і вибраною як прототип є «Автоматична система контролю техногенної безпеки магістральних нафтогазопроводів» (Патент України № 22408, МПК-2006 F17D5/00, G02B13/08, бюл. № 5, 2007 р.), що містить оптикоелектронні пристрої дистанційного зв'язку, датчики ультразвукові, гідравлічні, газоаналітичні, магнітометричні та інші, яка відрізняється тим, що містить комплекс оптико-електричних ланцюжків, розміщених на конструкціях нафтогазопроводу по всій його довжині і розділених на територіальні ділянки, які обмежені фундаментальними реперами (геодезичними знаками), при цьому на кожній ділянці встановлений блок керування, блок обробки інформації, блок запису і збереження інформації, блок дистанційного зв'язку з центральним постом контролю і керування нафтогазопроводу; всі оптико-електронні пристрої ланцюжків електрично зв'язані з вище зазначеними електронними блоками відповідно для кожної ділянки. Також система контролю техногенної безпеки магістральних нафтогазопроводів відрізняється тим, що блок керування кожної ділянки дистанційно зв'язаний з дільничною службою швидкого реагування. Недоліком прототипу є неможливість контролю напруженого і втомного стану трубопроводів, що призводить до зниження надійності експлуатації трубопровідних систем і підвищує рівень виникнення небезпечних техногенних катастроф. Задачею корисної моделі є розробка системи моніторингу стану трубопроводів по вимірюваннях коерцитивної сили з досягненням технічного результату - здійснення контролю напруженого і втомного стану трубопроводів, підвищення надійності експлуатації трубопровідних систем і зниження рівня виникнення небезпечних техногенних катастроф. Поставлена задача вирішується тим, що в «Системі моніторингу стану трубопроводів по вимірюваннях коерцитивної сили», що включає маг 63480 4 нітометричні датчики, систему електроживлення, зв'язку, збору, обробки і зберігання даних, магнітометричні датчики, виконані на основі датчиків Хола для вимірювання коерцитивної сили металу трубопроводів, а система електроживлення, зв'язку, збору і зберігання даних має локальні (місцеві) підсистеми, виконані з можливістю роботи дискретно або безперервно, і центральний пульт, оснащений комп'ютерною технікою для обробки і зберігання отриманих даних і видачі інформації для оперативного керування, крім того, система збору і зберігання даних виконана автоматичною і включає систему магнітометричних датчиків, встановлених на трубопроводах, лінії зв'язку датчиків з комутатором і коерцитиметром, встановленими в центральному пульті, при цьому магнітометричні датчики встановлені в зоні кільцевих зварних з'єднань трубопроводів, магнітометричні датчики мають місцеві накопичувачі інформації, магнітометричні датчики мають рознімання для підключення обхідником уручну приладу опиту датчиків, магнітометричні датчики виконані з можливістю знімання інформації безперервно-автоматично або із заданим інтервалом часу - автоматично і/або вручну. Суттєвими ознаками, що співпадають з прототипом, є наступні ознаки даного технічного рішення: - магнітометричні датчики; - система електроживлення; - система зв'язку; - система збору даних; - система обробки і зберігання даних. Суттєвими ознаками, відмітними від прототипу, є наступні ознаки даної корисної моделі: - магнітометричні датчики виконані на основі датчиків Хола для вимірювання коерцитивної сили металу трубопроводів; - система електроживлення, зв'язку, збору і зберігання даних має локальні (місцеві) підсистеми; - локальні (місцеві) підсистеми виконані з можливістю роботи дискретно або безперервно; - система електроживлення, зв'язку, збору і зберігання даних має центральний пульт; - центральний пульт оснащений комп'ютерною технікою для обробки і зберігання отриманих даних і видачі інформації для оперативного керування. Приватними відмітними суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - система збору і зберігання даних виконана автоматичною і включає систему магнітометричних датчиків, встановлених на трубопроводах, лінії зв'язку датчиків з комутатором і коерцитиметром, встановленими в центральному пульті; - магнітометричні датчики встановлені в зоні кільцевих зварних з'єднань трубопроводів; - магнітометричні датчики мають місцеві накопичувачі інформації; - магнітометричні датчики мають рознімання для підключення обхідником уручну приладу опиту датчиків; - магнітометричні датчики виконані з можливістю знімання інформації безперервно 5 автоматично або із заданим інтервалом часу - автоматично і/або вручну. Новою в технічному рішенні, що заявляється, є можливість різного апаратного оформлення і функціонування системи моніторингу, залежно від змісту вирішуваної задачі, рівня необхідної надійності виявлення неприпустимого напруженого і втомного стану металу трубопроводу. При цьому в найзагальнішому уявленні система моніторингу може включати систему датчиків, систему їх електроживлення, систему збору і обробки даних і комп'ютер, що керує, при цьому така система моніторингу дозволяє отримати оцінки абсолютного значення еквівалентної напруги в металі (кільцях і подовжніх) і рівня необоротних втомних змін в металі, причому незалежно від моменту початку спостережень. Варіанти організації системи моніторингу за часом можуть бути дискретні і безперервні, при цьому знімання інформації про стан металу може виконуватися безперервно або із заданим інтервалом часу. Ця інформація може зберігатися в місцевому накопичувачі і зніматися уручну при обході і автоматично або по команді оператора, причому цю інформацію можна зберігати і аналізувати локально на ділянці стеження. І лише після збагнення небезпечних рівнів в стані металу ініціюється сигнал операторові, в т.ч. і по каналах супутникового зв'язку. У простому вигляді система моніторингу може бути виконана у вигляді системи датчиків, встановлених на трубопроводі, без електроживлення, але з періодичним опитом вручну обхідником через виведені на поверхню рознімання. Між суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, досягнення указаного технічного результату - здійснення контролю напруженого і втомного стану трубопроводів, підвищення надійності експлуатації трубопровідних систем і зниження рівня виникнення небезпечних техногенних катастроф - можливо тільки при здійсненні всіх ознак, вказаних у формулі корисної моделі. Наприклад, використання магнітометричних датчиків дозволяє повністю контролювати напружений і втомний стан металу трубопроводів, причому в найхарактерніших місцях трубопроводів - в зоні кільцевих зварних швів. При цьому будь-які динамічні навантаження на трубопровід - зрушення ґрунту, зовнішні поштовхи і удари - фіксуються магнітометричними датчиками по різкій зміні коерцитивної сили, а незаплановані статичні навантаження на трубопровід викликають втомний стан металу трубопроводу, що приводить до зміни величини коерцитивної сили металу трубопроводу, що фіксується датчиками. Все це дозволяє своєчасно виявляти небезпечні ділянки трубопроводів і вести профілактичні регламентні роботи, попереджаючи тим самим виникнення аварій і катастроф на трубопроводах. Можливість виконання системи моніторингу в різних варіантах - від простих до найскладніших 63480 6 дозволяє здійснювати гнучкий підхід до проектування необхідних і достатніх в конкретних умовах систем моніторингу з необхідним коефіцієнтом надійності, що значно знижує витрати на придбання, монтаж і обслуговування конкретної системи моніторингу трубопроводів. Проведений заявником аналіз рівня техніки, який включає пошук за патентними і науковотехнічними джерелами інформації, з виявленням джерел, що містять інформацію про аналоги технічного рішення, що заявляється, дозволяє встановити, що заявником не виявлені повні аналоги, які характеризуються всією сукупністю ознак, ідентичною всім суттєвим ознакам заявленого пристрою, вказаним у формулі корисної моделі. Тому можна стверджувати, що корисна модель, що заявляється, відповідає умові патентоспроможності за критерієм «новизна». Крім того, дана корисна модель промислово застосовна, тому що технічне рішення, що заявляється, дозволяє використовувати його в розробці, виготовленні, установці, наладці і обслуговуванні систем моніторингу трубопроводів. Можливість здійснення даної корисної моделі підтверджується нижче приведеним описом її практичної реалізації і ілюструється кресленнями. На фіг. 1 показано узагальнене представлення коерцитиметричного моніторингу втомного і напруженого стану трубопроводу на обвальній ділянці, на фіг. 2 показана схема установки коерцитиметричних датчиків системи моніторингу на кільцевому зварному з'єднанні обвальної ділянки траси, на фіг. 3 зображена модель розподілу показника коерцитиметричних датчиків по довжині контрольованої ділянки, на фіг. 4 приведена гістограма значень коерцитивної сили металу труби по розтягуваній обвалом стороні. Система моніторингу стану трубопроводів, що заявляється, 1 по вимірюваннях коерцитивної сили включає магнітометричні датчики 2, систему електроживлення 3, зв'язку 4, збору 5, обробки 6 і зберігання даних 7. Магнітометричні датчики 2 виконані на основі датчиків Хола для вимірювання коерцитивної сили металу трубопроводів 1. Магнітометричні датчики 2, переважно, встановлені в зоні кільцевих зварних з'єднань (умовно не показані) трубопроводів 1. Магнітометричні датчики 2 можуть бути виконані з місцевими накопичувачами інформації (умовно не показані). Магнітометричні датчики 2 можуть мати рознімання (умовно не показані) для підключення обхідником вручну приладу опиту датчиків. Магнітометричні датчики 2 можуть бути виконані в різних варіантах: - з можливістю знімання інформації безперервно - автоматично; - з можливістю знімання інформації із заданим інтервалом часу - автоматично і/або вручну. Система електроживлення 3, зв'язку 4, збору 5 і зберігання даних 7 може бути виконана у вигляді локальних (місцевих) підсистем (умовно не показані), виконаних з можливістю роботи дискретно або безперервно. 7 Центральний пульт 8 оснащений комп'ютерною технікою 9 для обробки і зберігання отриманих даних і видачі інформації для оперативного керування. Крім того, система збору 5 і зберігання 7 даних може бути виконана як автоматична система моніторингу і включати (див. фіг. 1): систему магнітометричних датчиків 2, встановлених на трубопроводах 1; лінії зв'язку 4 датчиків 2 з комутатором 10, коерцитиметром 11 і комп'ютером 9, встановленими в центральному пульті 8. Система моніторингу, що заявляється, має деякі особливості, що належать саме до зварних ділянок трубопроводів. Відомо, що кільцеві зварні з'єднання трубопроводу в деформаційному аспекті є вираженою штучною технологічною зоною неоднорідності металу і концентрації напруги. До того ж це стиковий зварний шов, який обвальні навантаження примушують працювати переважно на розтягування. Це найгірший варіант його навантаження. Тому оптимальним є оснащення кожного кільцевого шва моніторуваної ділянки чотирма коерцитиметричними датчиками 2 на взаємно перпендикулярних осях кільцевого перерізу (див. фіг.2), при цьому датчики 2 (Д1 і Д3) встановлені на вертикальній осі труби 1 (Д1 - по верхній утворюючій труби 1), а датчики 2 (Д2 і Д4) встановлені по горизонтальній осі перерізу, тобто по бічних утворюючих (якщо дивитися на переріз по напряму транспортування). Таких перерізів по трубі 1 контрольованої ділянки буде стільки, скільки кільцевих швів, умовно, це кількість з N стиків, з номерами «і» від 1 до N. Графік моделі розподілу значень коерцитивної сили по довжині контрольованої ділянки показаний на фіг. 3, по одній з горизонтальних утворюючих труби 1, протилежній зсувним зусиллям обвалу, і свідчить про величину розтяжної напруги в трубі 1. Таким чином, цей графік ілюструє показники датчиків 2 (лінії Д1 і Д4) залежно від того, який з них опиниться на розтягуваній стороні труби 1. В даному випадку графік значень функціональної залежності Нс (Д4,і) (фіг. 3) покаже розподіл сукупності напруги і вже необоротних змін в металі по довжині контрольованої ділянки труби 1. Т В Рівні Нс і Нс відповідають еквівалентній напрузі в трубі 1, що відповідає межі міцності і межі текучості для марки металу труби 1 даного трубопроводу. При досягненні в якійсь точці контрольованої В траси Нстекущ.=Нс робота трубопроводу повинна бути припинена для проведення відповідних можливих попереджувальних компенсуючих робіт, щоб уникнути розриву труби 1 ґрунтовими навантаженнями. Тут Нснорм. - це величина коерцитивної сили металу на ділянці труби 1, не схильній дії обвалу. Крім того, такими можуть бути узяті показання з датчиків 2 (Д1 або Д3), як розташованих на нейтралі труби між зонами стиснення і розтягування. Варіант, показаний на фіг. 2 - це лінія датчиків 2 (Д4,і), яка є твірною труби 1, найбільш схильною до розтягувальних ґрунтових навантажень Fоползнев. Нумерація датчиків, що приймається, 2 в зага 63480 8 льному вигляді виглядає, як Д (к, і), де: к - номер (і положення датчика) в кільцевому перерізі труби 1, до Є (1,4). Індекс і - це номер контрольованого перерізу, і Є (1, N). Середнє арифметичне всіх показників датчиків 2 розтягуваних частин труби 1 трубопроводу, позначене, як Hc (Д4,і) є наочною чисельною характеристикою напруженого і втомного стану моніторуваної ділянки в цілому. Як указувалося, жодне із значень не повинне В порівнятися з граничною величиною Нс , коли починається руйнування металу. Гістограма, побудована по безлічі значень Нс (Д4,і) по довжині розтягуваною твірною моніторуваної ділянки труби 1 не показує, як на фіг. 2, де саме якнайгірший стан ділянки труби 1 трубопроводу. Але вона наочніше (фіг. 4) характеризує інтегральний напружений і втомний стан контрольованого відрізання. По гістограмі краще видно як міняється в кращий/гірший бік стан трубопроводу в цілому. По ступеню близькості найбільшого значення гістогВ рами до гранично допустимого значення Нс , по кількості таких небезпечно близьких точок абсолютно очевидно, причому чисельно, характеризується ступінь ризику стану даної ділянки труби 1. Таку гістограму, залежно від технічного варіанту реалізації системи моніторингу, можна отримувати з будь-яким інтервалом часу, починаючи від щохвилинного (при автоматизованому стеженні). Для розміщення датчиків 2 на поверхні труби 1 немає необхідності знімати захисну ізоляцію. Кліматично датчики 2 працездатні при будьякій природній температурі навколишнього середовища і вологості, рівно, як і решта всієї апаратури їх живлення, збору і обробки даних. Графік на фіг. 3 представлений в припущенні простої геології ґрунту обвальної ділянки. При складнішій картині характер графіка зміниться, але суть вищевикладеного залишиться попередньою. Хіба що може додатися те, що виштовхує компоненту дії на трубу 1, яку можна буде легко розпізнати за аналогічною коерцитиметричною інформацією з лінії датчиків 2 (Д1,і або Д3,і). Гістограма напруженого стану, яка систематично знімається, небезпечної ділянки труби 1 дозволяє оцінити швидкість наростання небезпечних тенденцій, що, у свою чергу, дає можливість ввести елементи прогнозування в припущенні лінійної або нелінійної моделі розвитку обвальних процесів в ґрунті. База даних на основі результатів тривалого моніторингу ділянки у поєднанні з метео- і геологічною інформацією, кінець кінцем, зможе конкретизувати цю модель і досить реалістично передбачати варіанти розвитку процесів в ґрунті і необхідність введення попереджувальних мір на трубопроводі. Таким чином, на підставі вищевикладеного, можна зробити висновок, що задача, поставлена в корисній моделі, - розробка системи моніторингу стану трубопроводів по вимірюваннях коерцитив 9 ної сили - виконана з досягненням технічного результату - здійснення контролю напруженого і втомного стану трубопроводів, підвищення надій 63480 10 ності експлуатації трубопровідних систем і зниження рівня виникнення небезпечних техногенних катастроф. 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 63480 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601