CC BY
44
УДК 621.3.082
ДАСЛЕДАВАННЕ ПРАХОДЖАННЯ С1ГНАЛА ПРАЗ СЦЕНКУ НАФТАПРАВОДА ДЛЯ С1СТЭМЫ К1РАВАННЯ УНУТРЫТРУБНЫМ ГЕРМЕТЫЗАТАРАМ
М. I. ВЯХ1РАУ, Ю. В. КРЫШНЕУ, А. А. НАУМУК, А. У. САХАРУК, А. В. МЕЛЬН1КАУ
Установа адукацы1 «Гомельск дзяржауны тэхтчны утверстэт Iмя П. В. Сухога», Рэспублта Беларусь
Уводзшы
З мэтай правядзення рамонтна-эксплуатацыйных работ на нафтаправодзе у цяперашш час выкарыстоуваюцца кiруемыя унутрытрубныя герметызатары [1]. Прынцып дзеяння герметызатара заключаецца у кiруемым перамяшчэннi яго герметызавальных абшэвак у кiрунку унутраных сценак нафтаправода за кошт энергл щску нафты аж да механiчнай фшсацьп усяго гермецiзатара. Пасля гэтага герметызатар утрымлiвае гiдрастатычны цiск слупа нафты на час правядзення рамонтных прац.
Для забеспячэння магчымасцi выяулення герметызатара, прыёму кантрольнай шфармацып i перадачы каманд кiравання, неабходна стварыць надзейны бесправадны канал сувязi з наземнымi кiруючымi прыладамi. Асаблiвасцi асяроддзя распаусюджвання сiгнала не дазваляюць выкарыстоуваць для гэтай мэты юнуючыя тыпавыя спосабы i апаратуру бесправадной сувязi.
Перадача агнала мае наступныя асаблiвасцi. Нафтаправод залягае на глыбiнi 1,5-4 м пад паверхняй зямлi. У адрозненне ад паветра, дзе, да прыкладу, радыёсiгнал распаусюджваецца практычна свабодна, у дадзеным выпадку на шляху агнала прысутнiчае шэраг дадатковых перашкод: нафта, якая з'яуляецца складаным арганiчным злучэннем; сценка нафтаправода (сталь таушчыней 10-12 мм); глеба - складанае злучэнне аргашчных i неаргашчных рэчывау, ад дынамiчна зменшвых фiзiка-хiмiчных уласщвасцяу яюх залежаць яе адносная дыэлектрычная i магнiтная пранiкальнасць. Асяроддзе распаусюджвання агнала з'яуляецца спецы^чным, i патрабуе зуам iншага падыходу да забеспячэння перадачы/прыёму сiгнала у параунаннi з выпадкам забеспячэння iнфармацыйнага канала у паветраным асяроддзi.
Адным з практычных спосабау перадачы сiгнала у дадзеных умовах з'яуляецца выкарыстанне магнiтнай сувязi, якая рэалiзуецца шляхам прымянення пары «шдуктар-магштапрымач» [1]. Для аргашзацып дуплекснага канала сувязi i у герметызатары, i у наземнай прыладзе неабходна усталяваць па адным iндуктары i магнiтапрымачу.
Мэтай даследавання з'яуляецца анал^ычнае i эксперыментальнае вызначэнне залежнасцi каэфщыента згасання сiгнала пры праходжаннi праз сценку нафтаправода ад частаты агнала i намагнiчанасцi сценкi.
Разл1к згасання Угнала пры праходжанн1 праз сценку нафтаправода
Для вызначэння патрабаванняу да характарыстык прыемаперадатчыкау, якiя ажыццяуляюць перадачу агнала у нафтаправод i назад, неабходна разлiчыць згасанне сiгнала.
На мал. 1 прадстаулена размяшчэнне ф1з1чных асяроддзяу, якiя пераадольвае сiгнал памiж унутрытрубнай i наземнай прыладамi.
Мал. 1. Асяроддзi праходжання агнала памiж унутрытрубнай i наземнай прыладаш: 1 - наземная прылада; 2 - прыемапередаючы модуль наземнай прылады; 3 - глеба; 4 - iзаляцыйнае пакрыццё; 5 - стальная сценка трубы; 6 - унутрытрубны герметызатар; 7 - прыемапередаючы модуль унутрытрубнай прылады
Асноунае згасанне пры праходжанш агнала ствараецца сценкай нафтаправода. Таму далей колькасна 1 эксперыментальна даследуем толью гэты складшк, прыняушы дапушчэнне, што структура «сталёвая труба - нафтаправод» размяшчаецца у паветранай прасторы (глеба 3 1 1заляцыйнае пакрыцце 4 адсутшчаюць). Уздзеянне нафтаправода на агнал будзем характарызаваць каэфщыентам экранавання Sn, яю вызначаецца як адноснасць напружанасщ магштнага поля крынщы у якой-небудзь кропцы прасторы пры наяунасщ экрана (сценю нафтаправода) да значэння поля у гэтай жа кропцы без экрана [2].
Крынщай з'яуляецца цылшдрычная шпулька з воссю, рауналежнай вос сталевай трубы. У разл1ку труба 1 крынща л1чацца бясконцым1 1 вырашаецца цылшдрычная задача. Пры гэтым з прычыны малога электрычнага дыяметру шпулька замяняецца шткай сшфазнага магштнага току. Итка размяшчаецца на вос трубы 1 аналапчна шпульцы стварае унутры, у сценцы трубы 1 у вонкавай прасторы толью падоужны складшк магштнага поля 1 аз1мутальны складшк электрычнага поля.
Рашэнне раунанняу Максвелла для складшкау электрамагштнага поля у кожнай з абласцей шукаецца у выглядзе бясконцых шэрагау па цылшдрычных функцыях, у як1х для размешчанай на вос трубы крынщы застаюцца толью складнш з цылшдрычным1 функцыям1 нулявога парадку.
У вышку для каэфщыента экранавання сталёвага трубаправода атрымаем [2]:
=
1
1
^ (к м * )
1 +
г,
(кдгэ)Н.2)(кДгэ)
г,
]п (к Д Гэ) Н.2) (к Д Гэ) - ]'п (к Д Гэ) Н . (к Д Гэ)
' Д э
Д'э
'Д'э
г м
г0
1
Г.(кдГэ)Н.2 (кдГэ)
Зп (кдГэ )Н.2) (кдГэ ) - З'п (кдГэ )Н.;2) (кдГэ )
гЪ(км*)
(1)
дзе км = у//шдо - каэфщыент распаусюджвання у метале; кд = ш^Jдв - каэфщыент распаусюджвання у дыэлектрыку; ш = 2 л/ - вуглавая частата; f - лшейная частата;
7 М = д/гши / а - хвалевае супращуленне металу; 70 = / в - хвалевае супращуленне дыэлектрыка; Jn и Н^ - цылшдрычныя функцый першага (Беселя) i другога (Ханкеля) роду; X - таушчыня экрана; гЭ - радыус экрана. Тут i далей п неабходна прыняць роуным нулю.
Маючы на увазе, што хвалевае супращуленне дыэлектрыка 70 iстотна больш за
7 7
• " 0 М
хвалевае супращуленне металу 7М, гэта значыць —— >>——, другш членам сумы
7М 70
у дужках можна занядбаць. Фiзiчна гэта абгрунтоуваецца наступным чынам: першы член сумы у квадратных дужках адпавядае адлюстраванню энерги на мяжы дыэлектрык - экран (пры г = гЭ), а друп - адлюстраванню на мяжы экран -дыэлектрык (пры г = гЭ +X). Пры электрычным тоустым экране (згасанне кМХ > 1,5), што практычна зауседы мае месца, ролю другой мяжы можна не yлiчваць. Тады формула разлiку каэфiцыента экранавання прыме выгляд:
5 = _1__1_ (2)
' Л (к М '+ _J^ к Д ^ НП"( * Д Гэ)_л (4 М , )■
7 М J, (к Д Гэ) НП" (к Д Гэ) - Jn (к Д Гэ) Н,(2>( к Д Гэ)
Выкарыстоуваючы рэкурэнтныя суадносiны цылшдрычных функцый першага
' 2
i другога роду: Jn(x)Н;2) (х) (х)Н2)(х) = -—, атрымаем выраз для разлiку
гъх
каэфiцыента экранавання магштнага поля у наступным выглядзе:
5 = ^__1_ (3)
, гь (кг) 1 7 ' ^ '
(к М' )1 + 2 г ъ к д Гэ Jn (к д Гэ) Н,2)( к д Гэ) Ш (к м X)
2 7 М
Каэфщыент згасання сiгнала к з'яуляецца велiчыней, зваротнай каэфiцыенту экранавання i характарызуе тое, у якой ступенi агнал затрымлiваецца экранiруючым пластом. Адзначым, што у агульным выпадку каэфiцыент экранавання 5, з'яуляецца комплекснай велiчыней, таму пры вызначэнш каэфiцыента згасання агнала будзем разглядаць модуль каэфiцыента экранавання.
У сувязi з тым, што нафтаправоды з прычыны функцыянавання станцый катоднай абароны, як правiла, працуюць ва умовах намагнiчанасцi, пры аналiзе каэфiцыента згасання уяуляе цiкавасць яго залежнасць ад адноснай магштнай
И - 7
пранiкальнасцi сталi и'= —, дзе И 0 = 4 ъ • 10 Гн/м - магштная пранiкальнасць
И 0
вакууму. Залежнасць каэфщыента згасання ад и' пры розных частотах агнала, атрыманая лiкавымi метадамi (з улшам частотнай залежнасцi функцый Беселя i Ханкеля), прадстаулена на мал. 2.
З пункту гледжання выбару аптымальнай частоты канала сувязi неабходна прааналiзаваць частотную залежнасць каэфiцыента згасання. На мал. 3 паказана залежнасць каэфщыента згасання ад частаты агнала пры рознай магштнай прашкальнасць сталi (гэта значыць пры рознай ступеш намагшчанасщ).
Пры любых значэннях и' згасанне агнала узрастае з павелiчэннем частоты, прычым тым хутчэй, чым больш намагшчанасць сталi (велiчыня и'). Макамальны узровень перадаванага сiгнала будзе назiрацца у вобласцi нiзкiх частот. Аднак варта
адзначыць, што пабудова канала сувяз1 у вобласцi вельм1 шзюх частот праблематычна па прычыне нерэальна вялшх патрэбных габарытау шдуктара 1 магштапрымача, а таксама у сувяз1 з крытычным павел1чэннем часу перадачы камандных кодау у герметизатор, якi рухаецца з сярэдняй хуткасцю бл1зу 5 км/г. Аптымальным рашэннем з'яуляецца праца у дыяпазоне частот 20-25 Гц.
к
А *
50 Гц *
/= •
\
\ = 22 Гц
>
— **
- " = 10 Гц
\
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
150 170 190 210 230 250 270 290
-
Мал. 2. Залежнасць каэфщыента згасання ад магштнай прашкальнасщ матэрыяла сталi пры розных частотах
к 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 00 / Гц
Мал. 3. Залежнасць каэфщыента згасання ад частаты агнала пры розных магштных прашкальнасцях сталi
Эксперыментальнае вызначэнне магн1тнай прашкальнасщ стал1
Для вызначэння магштнай прашкальнасщ стал1, якая ужываецца у вырабе нафтаправода, была праведзена серыя эксперыментау. З матэрыяла сценю трубы нафтаправода был1 выразаны стрыжш таращальнай формы, на як1х затым был1 размешчаны першасная 1 другасная абмотю трансфарматара (мал. 4). Далей, паводле стандартных методык [3] быу праведзены шэраг вопытау па вызначэнш характарыстык намагшчвання (гэта значыць залежнасщ магштнай прашкальнасщ ад напружанасщ магштнага поля) таращальных стрыжняу з канструкцыйнай стал1, у ходзе як1х ускосна был1 атрыманы разл1ковыя значэнш магштнай прашкальнасщ.
Магштную прашкальнасць можна выл1чыць паводле формулы
в
- = -ВН • (4)
-0 Н
Магштная шдукцыя вызначаецца як:
B=
U SNra '
(5)
дзе N - колькасць в^коу; S = ab - плошча сячэння стрыжня; U - напрyжанне дрyгаснай абмотю; ю = 2 n • 22 (частата агнала, якая падчас эксперымента была прынята 22 Гц).
Мал. 4. Схема эксперымента для вызначэння характарыстык намагшчвання
Напрyжанасць магнiтнага поля y доугай шпульцы, згодна з тэарэмай аб цыркуляцьп, вызначаецца як:
H = IN
H = Т'
(6)
дзе I - ток у першаснай абмотцы; /с = n(D + d) - даужыня ферамагнiтнага стрыжня.
2
Таблща 1
Вышкч вымярэнняу мaгнiтнaй прaнiкaльнacцi кaнcтрукцыйнaй cтaлi
Змчэнне току у першacнaй aбмотцы торa I, мА Змчэнне нaпружaння у другacнaй aбмотцы торa U, мВ Змчэнне мaгнiтнaй прaнiкaльнacцi ц'
18 5 127,1
42 12 130,8
96 31 147,8
142 59 190,2
192 81 193,1
238 141 271,2
269 166 282,5
300 170 289,9
347 226 298,1
416 277 304,8
618 416 308,1
Такiм чынам, па вынiках вопытау устаноулена, што значэннi магнiтнай прашкальнасщ и' для узору канструкцыйнай сталi на частаце 22 Гц знаходзяцца y дыяпазоне ад 127,1 да 308,1.
Эксперыментальнае вызначэнне згасання агнала пры праходжанш праз сценку нафтаправода
Для вызначэння згасання сiгнала быу праведзены эксперымент з выкарыстаннем участку нафтаправода, у ходзе якога былi разгледжаны два выпадю вымярэння сiгнала: 1) перадатчык знаходзiцца па-за трубным кантэйнерам (мал. 5, а); 2) перадатчык змешчаны у трубны кантэйнер (мал. 5, б).
Каэфщыент згасання агнала у дадзеным выпадку вызначаецца наступным чынам:
k =
и 2
(7)
дзе Ц - напружанне на магштапрымачы без экрана; Ц - напружанне на магшта-прымачы з экранам.
а)
-Ж2 >
б)
Мал. 5. Схема эксперыментау: а - унутрытрубная прылада не змешчана у трубны кантэйнер; б - унутрытрубная прылада змешчана у кантэйнер: Г - генератар анусащальнага агнала частатой 22 Гц; УМ - узмацняльшк магутнасцц ПУ - папярэдш узмацняльшк; Асц - асцылограф; W1 и W2- шдуктар 1 магнггапрымач адпаведна; I - адлегласць пам1ж шдуктарам 1 магнггапрымачом
Таблща 2
Эксперыментальнае вызначэнне каэфщыента згасання сiгнала
Нумар вопыту Амплпуда выхаднога с1гнала у вопыце з трубой, мВ Амплпуда выхаднога Угнала у вопыце без трубы, мВ Каэфщыент згасання
1 24 820 34,16
2 5,9 198 33,56
3 37,5 1240 33
4 15 416 27,8
5 44,8 1680 37,5
6 12,4 356 28,7
7 18,8 456 24,25
8 40 416 20,8
Па вышках эксперымента сярэдняе значэнне каэфщыента згасання агнала складае: k = 29,97. Разлш ^ як велiчынi, зваротнай каэфiцыенту экранавання Sn у адпаведнасщ з формулай (3), дае значэнш каэфiцыента згасання сiгнала у дыяпазоне ад 10,33 да 50,18. Таюм чынам, эксперыментальныя даныя не выходзяць за межы разлшовых значэнняу.
Высновы
1. Прааналiзавана частотная залежнасць каэфщыента згасання k сiгнала, яю перадаецца з нафтаправода на наземную юравальную прыладу. Установлена, што умовы перадачы сiгнала пагаршаюцца з ростам частаты, а аптымальны з пункту гледжання перадачы агнала частотны дыяпазон абмежаваны значэннямi 0-60 Гц.
2. Прааналiзавана залежнасць каэфiцыента згасання k ад адноснай магнiтнай пранiкальнасцi д' матэрыяла сценкi нафтаправода (канструкцыйная сталь). Умовы перадачы агнала пагаршаюцца з ростам д ', гэта значыць намагнiчанасцi сталi.
3. Выкананы эксперыментальныя даследаваннi узорау канструкцыйнай стал^ якая ужываецца для вырабу нафтаправода: значэнш магнiтнай пранiкальнасцi ляжаць у межах ад 127,1 да 308,1.
4. Выкананы эксперыментальныя даследаванш згасання агнала пры праходжаннi праз сценку нафтаправода: сярэдняе значэнне каэфщыента згасання k складае 29,97 на частаце 22 Гц.
Лггаратура
1. Разработка средств поиска, управления и контроля состояния внутритрубного тампона-герметизатора : справаздача аб НДР / Гомел. дзярж. тэхн. ун-т iмя П. В. Сухога. - Гомель, 2010. - 93 с. - № ДР 20101085.
2. Гроднев, И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот / И. И. Гроднев. - М. : Связь, 1972. - 112 с.
3. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения относительной магнитной проницаемости и удельных магнитных потерь мостом переменного тока : ГОСТ 12119.6-98. - Введ. 1999-07-01. - Минск : Изд-во стандартов, 2000. - 9 с.
4. Оптимизация методов и средств внутритрубной диагностики с целью улучшения метрологических характеристик контрольно-измерительного диагностического снаряда : справаздача аб НДР / Гомел. дзярж. тэхн. ун-т iмя П. В. Сухога. -Гомель, 2014. - 122 с. - № ДР 20113948.
5. Праектаванне бесправаднога канала сувязi для юравання клапанам юруемага унутрытрубнага герметызатара / Ю. В. Крышнеу [i шш.] / Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2012. - № 1. - С. 29-33.
6. Система поиска, управления и контроля состояния внутритрубного герметизатора / Ю. В. Крышнев [и др.] // The civil protection '2011 : доклади 1 част Sixth scientific conference with international participation and exposition. - София : Акад. на МВР, 2011. - С. 50-55.
7. The monitoring and control system of the intrapipe sealer / Y. Kryshneu [et al.] // ITELMS '2010 : materials of 5th International Conference Intelligent Technologies in Logistics and Mechatronics Systems, Panevezys, Lithuania, 2010. - С. 31-36.
8. Преимущества использования управляемого герметизатора для магистральных нефтепроводов / А. М. Бордовский [и др.] // Надежность и безопасность трубопроводного транспорта : материалы VII Междунар. науч.-техн. конф., Новополоцк, 22-25 нояб. 2011 г. / Полоц. гос. ун-т ; под общ. ред. проф. В. К. Липского. -Новополоцк, 2011. - С. 192-194.
Получено 14.10.2014 г
