Способ контроля сплошности диэлектрической среды в трубопроводе

 

Изобретение относится к средствам контроля трубопроводов и может быть использовано для контроля сплошности среды в протяженном трубопроводе. Целью изобретения является повышение достоверности контроля за счет возбуждения СВЧ-волны в трубопроводе и фиксации изменения ее интенсивности. Частоту волны выбирают из условия резонансного взаимодействия с пустотами среды, а изменение ее интенсивности более чем на 30% принимают за квалификационный мороз.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно к контролю работоспособности и герметичности трубопроводов, предназначенных для транспортирования нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидких продуктов с диэлектрической проницаемостью, аналогичной нефтепродуктам в процессе перекачки и ее остановки в напорных и безнапорных трубопроводах.

Сплошность определяется при наличии не менее двух фаз состояния вещества, заполняющего трубопровод (контролируемый канал), например жидкость и газ. Для двухфазных систем сплошность определяется S = V₁(V₁ + V₂) где V₁, V₂ - соответствующие объемы жидкости и газа на единицу длины трубопровода.

При отсутствии жидкости, наличии пробки, включения S = 0, при отсутствии газовых включений S = 1.

Наличие различных сред или различных фаз среды, заполняющих контролируемый канал (трубопровод), определяет наличие границ их раздела. Компоненты среды, заполняющих трубопроводы и границы раздела сред, обладают различными свойствами, в том числе электромагнитными. В практике контроля сплошности сред в протяженных объектах, в частности в трубопроводах, встречаются самые различные с точки зрения электромагнитных свойств комбинации компонент сред и их фаз, образующих границы раздела сред.

Известны способы контроля сплошности среды, в основу которых положены способы обнаружения воздушно-газовых пробок в трубопроводах, в том числе вызванных аварийными повреждениями по факту выхода жидкости, по появлению акустических шумов, по изменению баланса перекачки и гидравлического уклона. Используются также бесконтактные СВЧ-измерители с антенными устройствами, резонансные измерители с вращающимся полем, объемные резонаторы и кабели, проложенные вдоль трубопровода [1, 2] .

Используют поперечно-однородные и поперечно-неоднородные длинные линии, как резонансные измерители, путем введения их в измеряемый объем среды и сравнения их характеристик в отсутствии и присутствии различных сред в сосудах.

Используется также СВЧ-техника, например объемные резонаторы. Контролируемая среда проходит внутри резонаторов и оказывает влияние на их резонансные свойства.

Известен способ определения мест скопления воздуха в трубопроводе по изменению входного сопротивления кабеля, положенного рядом с трубопроводом. Сопротивление кабеля изменяется в зависимости от просачивания контролируемой жидкости в месте разгерметизации трубопровода и подсоса воздуха (образование воздушной пробки), что фиксируется и осуществляется идентификация сигналов [2] .

Известен бесконтактный способ измерения сплошности среды, где в датчике измерительный участок трубопровода выполнен из диэлектрического материала, на поверхности которого определенным образом распределен отрезок поперечно-неоднородной длинной линии в виде полоскового проводника, используемого в качестве резонансного измерителя путем сравнения его характеристик в отсутствии и присутствии сред.

Однако для измерения необходимо создание в измеряемом объеме равномерного электрического поля.

Создание равномерного поля в области, ограниченной цилиндрической поверхностью трубопроводов, является проблемным, особенно для каналов с различными поперечными сечениями как в смысле распределения потенциала по цилиндрической поверхности, так и в смысле технической реализации, а в условиях сочетания сред и фаз пожароопасных и взрывоопасных связано с пожарами и авариями.

Для работы датчика получают равномерное электрическое поле с распределением потенциала по окружности по косинусоидальному закону с противоположными знаками относительно нулевого потенциала. Такое распределение потенциала получают путем использования закономерности распределения напряжения вдоль линии на ее резонансных частотах. Для этого отрезок двухпроводной длинной линии подключают к генератору высокой частоты (СВЧ) и нулевой средней точкой. При коротком замыкании отрезка на определенной частоте генератора, зависящей от расстояния до генератора, в линии устанавливается короткая волна. В точке КЗ устанавливается нулевой потенциал, а в проводниках напряжение распределяется по косинусоидальному закону.

Таким образом используется длинная линия на диэлектрической поверхности и равномерное электрическое поле.

Здесь важны частотные характеристики и добротность резонансных свойств длинных линий, расположенных на поверхности диэлектрического измерительного отрезка (вставки в трубопровод).

Выходные характеристики резонансного датчика зависят от резонансных частот колебаний отрезка длинных линий от величин измеряемых параметров. Компоненты среды обладают различными электромагнитными свойствами и имеют различные величины диэлектрической проницаемости и проводимости.

Добротность резонансных измерительных систем для сред, являющихся несовершенными диэлектриками (нефть и нефтепродукты) и проводниками при наличии потерь в отрезке длинной линии, очень низкая, что отражается на достоверности получаемой информации. Необходима сложная вторичная аппаратура, осуществляющая преобразование информации, а также для исключения закорачивания отрезков длинной линии возникает необходимость подключать удлинительный кабель или линию задержки.

Кроме того, способ позволяет осуществлять контроль лишь в потоке при поперечном сечении канала трубопровода при прохождении жидкости через участок - измеритель, включенный в трубопровод, и не позволяет осуществить контроль сплошности среды протяженного канала, например вдоль всей линейной части контролируемого безнапорного трубопровода, в отсутствии перемещения среды (жидкости), а также находящегося под большим давлением.

Целью изобретения является сокращение времени обнаружения факта образования воздушных пробок во внутренней полости трубопровода, изменяющих режим его работы в сторону снижения производительности и повышения достоверности получаемой информации с возникновением пустот в линейной части последнего, путем регистрации изменения интенсивности поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся вдоль линейной части трубопровода.

Это достигается тем, что в начальном пункте трубопровода посредством генератора возбуждают поверхностную электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль линейной его части, а на конечном его пункте осуществляет его прием, фиксируя момент изменения интенсивности данной волны, вызванный нарушением сплошности диэлектрика, являющегося наполнителем и транспортируемого по трубопроводу.

Сущность данного изобретения заключается в том, что если в линейной части трубопровода, вдоль которой распространяется высокочастотная электромагнитная волна, происходит нарушение сплошности диэлектрика, транспортируемого по трубопроводу (среды), вызванное образованием воздушной пробки, то в месте контакта диэлектрика и воздуха, в связи с изменением диэлектрической проницаемости среды (на 10^-5-10^-9) происходит резкое перераспределение энергии электромагнитной волны, часть которой расходуется на образование стоячей волны, а часть изменяет направление своего движения, не позволяющее достичь ей приемного устройства, установленного на оконечном участке трубопровода, вследствие чего интенсивность сигнала, принимаемого на противоположном конце трубопровода резко падает, а в некоторых случаях прекращается.

Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что для его осуществления используется факт трансформации поверхностной электромагнитной волны в месте раздела сред, имеющих отличительную друг от друга диэлектрическую проницаемость.

Такое техническое решение задачи дистанционного определения факта появления воздушных пробок в трубопроводе (а следовательно, и мест разгерметизации, которые являются одной из причин образования пустот в трубопроводе) имеет ряд преимуществ перед существующими способами: значительно повышается надежность контроля и оперативность установления факта образования пустот в трубопроводе, так как объектом измерения является высокочастотная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль линейной части контролируемого трубопровода; возможность обнаружения пустот в напорных и безнапорных трубопроводах при их полном или частичном повреждении.

Определение факта образования пустот (воздушных пробок) в трубопроводе предлагаемым способом производится в следующей последовательности.

До ввода трубопровода в эксплуатацию на его начальном пункте устанавливают генератор для возбуждения в линии трубопровода поверхностной электромагнитной волны, а на конечном - прибор (измеритель радиоволн), регистрирующий интенсивность данной волны.

После ввода трубопровода в эксплуатацию определяют интенсивность эталонного сигнала и по характеру его изменения судят о наличии пустот, воздушных пробок или других включений на трассе трубопровода.

Способ реализован на реально действующем продуктопроводе в районе Североморска, протяженностью 38 км. В ходе испытаний было установлено, что резонансные частоты электромагнитной волны, распpостраняющейся вдоль трубопровода, имеющего диэлектрический наполнитель и не имеющего такового, различны по абсолютной величине. При образовании пустоты в трубопроводе, вызванной например, его разгерметизацией, наблюдается резкое изменение амплитуды сигнала (на 40% и более), фиксируемого на противоположном конце трубопровода измерительными приборами.

Таким образом, подтверждена работоспособность способа и его повышенная надежность по сравнению с существующими, так как он позволяет определять факт появления пустот в протяженном трубопроводе, воздушных пробок или других включений даже при сохранении герметичности последнего (т. е. без выхода продукта) как на напорном, так и безнапорном трубопроводах, заполненных диэлектриком. (56) 1. Патент Японии N 55-6856, кл. G 01 M 3/18, 17 5/06. 2. Wender N. C. Smetana I. Hydroqen density measurement usinq an Open-ended micronave cavity - IEE Transactions of Instrumenttation and Measurement, 1972, IM - 21, N 2.

3. Викторов В. А. , Лункин Б. В. , Совлуков А. С. Высокочастотный метод измерения величин. М. : Наука, 1978, с. 237-240.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ СПЛОШНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ, заключающийся в том, что в трубопроводе возбуждают СВЧ электромагнитную волну, фиксируют изменение ее интенсивности и по этому изменению судят о несплошности среды в трубопроводе, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля среды в протяженном трубопроводе, возбуждение электромагнитной волны и фиксацию изменения ее интенсивности производят в режиме поверхностной волны соответственно в начале и в конце трубопровода, частоту этой волны выбирают из условия резонансного взаимодействия с пустотами в указанной среде, а изменение интенсивности ее на 30% и более принимают за квалификационный порог допустимой несплошности среды.