Способ обнаружения нарушений изоляционного покрытия подземного трубопровода
Изобретение относится к области диагностики и контроля состояния магистральных трубопроводов и заключается в изменении составляющих электромагнитного поля. В качестве источника электромагнитного поля используют поле катодной защиты трубопровода. При этом определяют глубину залегания оси трубопровода по магнитным поперечной, продольной и вертикальной составляющим электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода. Последовательно измеряют продольную электрическую составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты и поперечную составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты слева и справа оси трубопровода. Нормируют результаты измерений на глубину залегания трубопровода, сопротивление среды, окружающей трубопровод, силу тока в трубопроводе, фоновые составляющие электромагнитного поля. По повышенным значениям нормированных электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты определяют местоположение и размер нарушений изоляционного покрытия трубопровода. 2 ил.
Изобретение относится к области диагностики и контроля состояния магистральных трубопроводов, а именно к способам для наблюдения за целостностью изоляционного покрытия трубопроводов, расположенных под землей.
Известен способ обнаружения нарушений изоляционного покрытия, разработанный Д. Пирсоном в 40-х годах /1/.
Согласно способу Д. Пирсона через трубопровод пропускают переменный ток, источник переменного тока (генератор) соединяют с испытательным выводом системы катодной защиты (контрольно-измерительным пунктом) и заземляющим электродом. В случае наличия дефектов изоляционного покрытия на контролируемом участке между трубопроводом и заземляющим электродом возникает падение напряжения, которое измеряют вольтметром. Описанный способ используют в измерителях повреждения изоляции (ИПИ). По мере приближения к дефектному участку и соответственно возрастания падения напряжения в наушниках прибора возникает звуковой сигнал, максимум которого приходится на максимум падения напряжения и приблизительно совпадает с проекцией дефекта на земную поверхность. После прохождения зоны дефектного участка сигнал постепенно затухает. К недостаткам известного способа относятся:
- Затруднение в определении местоположения дефектного участка и оценке размера нарушения изоляционного покрытия вследствие невозможности точного определения глубины залегания трубопровода.
- Высокая трудоемкость и значительные материальные затраты, обусловленные необходимостью подключения генератора тока к трубопроводу и наличия контрольно-измерительных пунктов.
- При обработке результатов наблюдений не предусмотрен учет важных параметров: глубины залегания трубопровода, силы тока в трубопроводе, фоновых составляющих электромагнитного поля, влияющих на величину измеряемых способом величин.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является взятый нами в качестве прототипа релаксационный способ обнаружения нарушений изоляционного покрытия подземного трубопровода, основанный на использовании электромагнитного поля и известный как CIPS - Close Interval Pipe-to-Soil Potential /2/. Согласно способу CIPS производится анализ изменений потенциала «труба-земля» при включении и мгновенном отключении тока, выполняемых через определенные интервалы вдоль трубопровода с использованием гибкого провода, подключенного к контрольно-измерительной колонке (КИК) для обеспечения электрического соединения с трубой. Физическая основа CIPS - регистрация потенциала «труба-земля» с помощью медно-сульфатного электрода. Метод основан на регистрации потенциалов включения и выключения и градиентов потенциала с шагом 5 м между контрольно-измерительными пунктами. Предусмотрено циклическое переключение защитных установок (режимы: 12 с - «Включение», 3 с - «Выключение»). Ось трубопровода определяется трассоискателем при подключении к трубопроводу источника переменного тока. Падение напряжений в направлении перпендикулярном газопроводу определяют относительно выносного медно-сульфатного электрода, который устанавливался в 5 м в сторону от оси трубопровода. Поскольку для измерения потенциала труба-грунт необходимо подключение к трубопроводу, то это подключение переносится от одного контрольного пункта до другого с помощью кабельной катушки. По измеряемым потенциалам «труба-земля» и падению напряжения в грунте получают указания на большие повреждения в изоляционном покрытии и оценку их величины.
Недостатками указанного способа являются:
- Вследствие невозможности точного определения глубины залегания трубопровода данным способом требуется предварительное использование дополнительного устройства - трассоискателя.
- Не предусмотрен учет сопротивления пород околотрубного пространства. Не учитывается, что грунт, как правило, сложная система пластов и участков с различными сопротивлениями.
- Не предусмотрен учет важных факторов, влияющих на результаты измерений: глубины залегания трубопровода, силы тока в трубопроводе, фоновых составляющих электромагнитного поля, что вносит существенные погрешности в результаты измерения.
- Высокая трудоемкость и значительные материальные затраты, обусловленные необходимостью сплошной рубки просек шириной несколько метров по всему профилю, подключением к контрольно-измерительным пунктам, использованием прерывателей тока (синтактов) для кратковременного отключения защитного тока с обязательной их установкой на все близко расположенные станции катодной защиты (СКЗ). Синтакты необходимо устанавливать на все очереди газопровода (их нужно не менее 12 штук при четырехниточной системе трубопроводов).
- Значительные погрешности измерений также обусловлены использованием синтактов.
- Не предусмотрено изменение разносов электродов в зависимости от условий измерений, что приводит к пропуску нарушений изоляционного покрытия трубопровода.
- Невозможность измерений в сложных условиях заземления.
Техническим результатом изобретения является повышение по сравнению с прототипом точности определения местонахождения и размеров нарушения изоляционного покрытия подземного трубопровода, сокращение времени определения с одновременным снижением затрат. Технический результат в известном способе обнаружения нарушений изоляционного покрытия подземного трубопровода, заключающемся в измерении составляющих электромагнитного поля, достигается тем, что определяют глубину залегания оси трубопровода по магнитным поперечной, продольной и вертикальной составляющим электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода, последовательно измеряют продольную электрическую составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты и поперечную составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты слева и справа оси трубопровода, нормируют результаты измерений на глубину залегания трубопровода, сопротивление среды, окружающей трубопровод, силу тока в трубопроводе, фоновые составляющие электромагнитного поля и по повышенным значениям нормированных электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты определяют местоположение и размер нарушений изоляционного покрытия трубопровода.
Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются следующие:
- определяют глубину залегания оси трубопровода по магнитным поперечной, продольной и вертикальной составляющим электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода;
- вдоль трубопровода последовательно измеряют продольную электрическую составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты и поперечную составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты слева и справа оси трубопровода;
- нормируют результаты измерений на глубину залегания трубопровода, сопротивление среды, окружающей трубопровод, силу тока в трубопроводе, фоновые составляющие электромагнитного поля;
- по повышенным значениям нормированных электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты определяют местоположение и размер нарушений изоляционного покрытия трубопровода.
Вышеприведенные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической литературы и в связи с этим являются "Новыми".
В тоже время существенные отличительные особенности являются неизвестными для среднего специалиста в данной области знаний, что соответствует критерию "Изобретательский уровень".
В связи с тем, что заявленный способ прошел трассовые испытания на участках газопровода "Ухта-Торжок" и "Грязовец - Санкт-Петербург" считаем, что способ соответствует критерию "Промышленная применимость".
На фиг.1. представлена схема, поясняющая предложенный способ обнаружения нарушений изоляционного покрытия подземного трубопровода, где показана ось газопровода 1, проложенного в грунте 2, в который заземляются приемные электроды М и N с разносом 5 метров.
Датчик 3 позволяет измерять электрические составляющие электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода с целью определения нарушений изоляции 4.
На фиг.2 представлены результаты измерений электрической поперечной Х (Ех справа и Ех слева) и продольной Y (Еу) составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода.
Способ осуществляют в следующей последовательности. Датчиком электромагнитного поля 3 (имеющим встроенный фильтр 50 Гц для избавления от промышленных помех) на частоте 100 Гц при использовании высокочувствительной антенной системы (не показано) измеряют горизонтальные и вертикальные магнитные составляющие электромагнитного поля тока катодной защиты.
По приведенным характеристикам определяют точное местоположение и глубину залегания оси трубопровода.
Измерение глубины залегания трубопровода производят по способу, приведенному в [3] на стр.127-129. Глубина залегания трубопровода h0 оценивается по формуле:
где U1, U2 - напряженность магнитного поля при измерениях с использованием 1 и 2 антенн соответственно, расположенных с разницей высот а, Uф - фоновая составляющая поля, определяемая с помощью вертикальной антенны, r - радиус трубопровода.
Два приемных электрода М и N заземляют в поверхность грунта 2 с разносом 5 метров, образуя линию MN, которую располагают вдоль оси трубопровода. Электроды подключаются к датчику электромагнитного поля 3 (имеющему встроенный фильтр 50 Гц для избавления от промышленных помех). При таком положении приемных электродов М и N датчиком 3 измеряют продольную электрическую составляющую Еу электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода. Электрод N оставляют заземленным над осью трубопровода 1, а электрод М заземляют с правой стороны от оси трубопровода 1 (линия NM1), перпендикулярно к его оси. В таком положении датчиком 3 регистрируют значение поперечной электрической составляющей Ех справа электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода. Электрод N оставляют заземленным над осью трубопровода 1, а электрод М заземляют аналогично с левой стороны от оси трубопровода 1 (линия NM2), перпендикулярно к оси. В таком положении датчиком 3 регистрируют значение поперечной электрической составляющей Ех слева электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода. Нарушения изоляционного покрытия 4 трубопровода отмечаются повышенными значениями электрической составляющей электромагнитного поля. В зависимости от условий и детальности изучения нарушений изоляционного покрытия трубопровода шаг наблюдений уменьшают до 1 м, также до 1 метра сокращают разнос электродов (величина разноса электродов далее учитывается при обработке).
Уточнение местоположения нарушения изоляции 4 осуществляют путем проведения измерений электрической составляющей при расположении линии MN под различными углами к оси трубопровода 1. При этом по крайней мере один из электродов заземляют в районе осевой линии трубопровода 1.
Для повышения производительности измерений запись значений электрической составляющей электромагнитного поля в память измерителя производят с помощью кнопки дистанционного управления (на фиг.1 не показано). Измерения производят вдоль всего трубопровода с шагом 5 метров. Результаты измерений представляют в виде графиков электрических составляющих электромагнитного поля катодной защиты, карт изолиний электрической составляющей электромагнитного поля и перечня интервалов трассы, имеющих нарушения изоляционного покрытия 4. Результаты измерений нормируют на следующие факторы: глубину залегания трубопровода, сопротивление горных пород, слагающих околотрубное пространство, силу тока в трубопроводе, фоновые составляющие электромагнитного поля соседних трубопроводов (приводят к удельному электрическому сопротивлению 20 Ом·м, силе тока 1 А, глубине залегания 1,5 м).
По повышенным значениям нормированных электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты определяют местоположение и размер нарушений изоляционного покрытия трубопровода.
Значение фона определяется путем измерения электрических составляющих электромагнитного поля катодной защиты на участках трубопровода, где отсутствуют нарушения изоляции.
Обычная величина аномалии, принимаемая во внимание, в абсолютных единицах более 10 мВ/м·А (для приведенного тока 1 А, для приведенной глубины трубопровода 1.5 м, для сопротивления окружающей среды 20 Ом·м).
Величина нарушения оценивается показателем DF (%) повреждения защитного покрытия, который рассчитывается для отдельных интервалов трассы по формуле:
где ndf - количество точек наблюдений со значениями электрической составляющей электромагнитного поля, превышающего на графике "нормальную линию" в заданное число раз;
N - общее количество точек наблюдений на рассматриваемом интервале.
Помимо графиков электрической составляющей электромагнитного поля результаты представляются в виде таблиц и графиков DF, а также перечня участков трубопровода, рекомендуемых для визуального осмотра в шурфах.
Пример
Участок трассы газопровода "Ухта-Торжок" (диаметр 1020 мм) проложен в заболоченной местности. Необходимо определить состояние изоляционного покрытия газопровода.
Глубина залегания оси трубопровода 1, определенная при совместном измерении горизонтальных X, У и вертикальной Z магнитных составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты, на протяжении всего участка исследований не изменялась и составила 0,8 м. Сила тока в трубопроводе 10 А. Сопротивление заболоченной среды околотрубного пространства составляет 50 Ом·м. По представленной на фиг.1 схеме последовательно измерены электрические поперечные Ех справа и Ех слева и продольная Еу составляющие электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода. Результаты измерений в каждой точке нормированы (поделены) на силу тока в трубопроводе 10 А, глубину залегания трубопровода 0,8 метра, сопротивление среды околотрубного пространства 50 Ом·м, разнос электродов 5 метров, что повышает точность определения нарушений изоляционного покрытия 4 и обеспечивает сопоставимость результатов измерений электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода на различных участках.
В результате на исследуемом участке трассы газопровода по повышенным значениям электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода выделен аномальный интервал шириной 110 метров (на фиг.2 показан серым цветом). Превышение нормального поля (значение поля в случае отсутствия нарушения изоляции 4) по составляющей Еу достигает 180 отн.ед. (относительных единиц), Ех справа - 75 отн.ед., Ех слева - 6.1 отн.ед. При отсутствии нарушений значения Ех справа совпадают со значениями Ех слева и не превышают уровня 5 отн.ед.
Сделан вывод: на обследуемом участке газопровода обнаружено полное отсутствие изоляционного покрытия на верхней образующей и повреждение изоляционного покрытия с правой стороны газопровода. Нарушение изоляции имеет протяженность 110 метров.
Положительный результат, обусловленный реализацией указанного способа:
- для определения нарушений изоляции трубопровода используется поле тока катодной защиты и не требуется подключение генератора поля к трубопроводу;
- предусмотрено определение точного местоположения оси трубопровода, что повышает точность определения расположения нарушений изоляции на образующей трубопровода;
- результаты измерений нормируются с учетом следующих параметров: глубины залегания трубопровода, сопротивления горных пород, слагающих околотрубное пространство, силы тока в трубопроводе, фоновых составляющих электромагнитного поля соседних трубопроводов и линий электропередачи, что существенно повышает точность исследований состояния изоляционного покрытия трубопровода;
- для измерений требуется 2 оператора (а не 4). Не требуется установление синтактов (прерывателей тока);
- предусмотрена возможность изменения разноса измерительных электродов в зависимости от условий и детальности изучения нарушений изоляционного покрытия трубопровода. При обработке результаты измерений нормируют на разнос электродов;
- предусмотрена возможность определения нарушений изоляционного покрытия трубопровода в сложных условиях заземления (асфальтовые и бетонные покрытия, железнодорожные переходы, переходы через водные преграды, осыпи обломков горных пород, мерзлый грунт, снежно-ледовый покров, сухие пески) при использовании вместо электродов незаземляемых емкостных устройств.
Заявленный способ прошел трассовые испытания в течение пяти лет при диагностировании технического состояния четырех очередей газопровода "Ухта-Торжок " и одной очереди "Грязовец - Санкт-Петербург ".
Источники информации
1. Глазков В.И. Электрический метод нахождения сквозных повреждений в изоляционных покрытиях действующих магистральных трубопроводов // «Защита металлов», 1965. - №2. - С.21 (Аналог).
2. Линдз Дж.М. Новый метод обнаружения коррозии трубопроводов. ч.1. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1993. - №7 - С.64-66. (Прототип).
3. Крапивский Е.И., Демченко Н.П. «Геофизические методы диагностики технического состояния подземных трубопроводов» с.127-129.
Способ обнаружения нарушений изоляционного покрытия подземного трубопровода, заключающийся в измерении вдоль трубопровода составляющих электромагнитного поля, отличающийся тем, что определяют глубину залегания оси трубопровода по магнитным поперечной, продольной и вертикальной составляющим электромагнитного поля тока катодной защиты трубопровода, последовательно измеряют продольную электрическую составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты и поперечную составляющую электромагнитного поля тока катодной защиты слева и справа от оси трубопровода, нормируют результаты измерений на глубину залегания трубопровода, сопротивление среды, окружающей трубопровод, силу тока в трубопроводе, фоновые составляющие электромагнитного поля и по повышенным значениям нормированных электрических составляющих электромагнитного поля тока катодной защиты определяют местоположение и размер нарушений изоляционного покрытия трубопровода.
