CC BY
25Д.А. Машагулова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК НЕФТЕПРОВОДОВ
В статье рассматриваются вопросы совершенствования систем обнаружения утечек нефтепроводов с применением метода акустико-эмиссионного контроля. Описаны особенности и преимущества применения оптоволоконных систем, также проанализированы существующие ограничения систем на основе оптоволокна и рассмотрено решение по восстановлению потока сигналов акустической эмиссии.
Ключевые слова: системы обнаружения утечек, акустическая эмиссия, оптоволоконные системы, мониторинг.
Мониторинг нефтепроводов — комплексная задача, так как объекты мониторинга имеют большую географическую протяженность и подвержены негативным воздействиям окружающей среды. Из-за большой географической протяженности нефтепровод может находиться в разных климатических условиях, что включает в себя различные воздействия на него. Благодаря контролю системы трубопроводов можно достичь непрерывный мониторинг контролируемых параметров в трубопроводе, а также своевременно обнаруживать утечки и повреждения нефтепровода, что позволяет увеличить эффективность транспортировки нефти и нефтепродуктов.
Система обнаружения утечек (СОУ) - это комплекс программно-технических средств, обеспечивающий непрерывный мониторинг герметичности трубопровода в режиме реального времени по заданным расчетно-аналитическим алгоритмам на всех режимах функционирования трубопровода, включая переходные процессы, режим остановленной перекачки, режимы с наличием участков с безнапорным течением [1].
Акустико-эмиссионный метод контроля предполагает установку преобразователей акустической эмиссии (АЭ) на предварительно зачищенные и подготовленные поверхности, обеспечивающие акустический контакт с поверхностью, затем настройку и калибровку аппаратуры и имитаторов сигналов АЭ, запись и обработку полученных сигналов с помощью специального программного обеспечения является сложным и дорогим в своем применении.
Перспективным направлением построения систем обнаружения утечек, является применение оптоволоконных распределенных систем для приема и передачи сигналов акустической эмиссии, который используется в качестве распределенного чувствительного элемента. Данный способ позволяет использовать оптоволоконный кабель как датчик вибраций и линию передачи информационного сигнала [2].
Оптоволоконные датчики обладают высокой чувствительностью, малой массой, позволяют измерять множество величин, таких как деформация, температура, давление, силы электрических и магнитных полей; звука и вибрации; а также позволяют уменьшить количество и вес применяемой аппаратуры для акустико-эмиссионного метода. Также волоконно-оптические системы невосприимчивы к электромагнитным помехам, следовательно, могут использоваться в условиях высоких электромагнитных шумов, так как кабель состоит из стекла и не проводят электричество, он может находиться в прямом контакте с высоковольтным электрооборудованием и силовыми линиям, не взрыво- и пожароопасен, и не восприимчив к агрессивным веществам, вызывающим коррозию. Также оптический кабель может передавать большой объем информации с высокой скоростью и точностью на значительное расстояние.
Для определения места утечки в трубопроводах очень удобно и эффективно использовать информацию о распределении температуры по оптическому волокну, расположенному на контролируемом объекте. Когда в нефтепроводе происходит утечка, температура почвы вокруг нее изменяется. Таким образом, отслеживая температуру среды в непосредственной близости от трубопровода, можно эффективно определять места утечек в нем [3].
Оптоволоконные датчики делятся на три вида: интерферометрические датчики, датчики на основе решеток и распределенные датчики. Применение оптоволоконных датчиков при мониторинге нефтепроводов позволяет реализовать точечный или распределенный мониторинг.
Акустический эмиссионный сигнал (АЭС) зарождается в непосредственной близости от оптического волокна, и воздействует на него, меняя модовое поле, распространяемое по волокну. АЭС почти без затухания доходит до распределенного чувствительного элемента (волоконно-оптического кабеля), так
© Машагулова Д.А., 2021.
Научный руководитель: Кузяков Олег Николаевич - доктор технических наук, профессор, Тюменский индустриальный университет, Россия.
как хрупкий материал находится в непосредственной близости, на поверхности оптического волокна. Изменения модового поля регистрируются на выходном торце волокна (по изменению статической спекл -структуры) и после пространственного фильтра, преобразуются блоком приема оптического излучения в электрические сигналы, которые поступают в блок обработки. Блок обработки сравнивает принимаемый сигнал с эталонным сигналом, который соответствует невозмущенному состоянию сенсора, и детектирует опасные деформации контролируемого объекта. [4].
Использование оптоволокна в АЭ системах обнаружения утечек помогает во многом удешевить и облегчить мониторинг, а также обеспечивает мониторинг зон в труднодоступных местах за счет невоспри-имчимости к агрессивным средам, но существуют значительные ограничения систем виброакустического и температурного мониторинга, которые включены в систему обнаружения утечек с использованием оптоволокна:
- значительное влияние шума на оживленных участках, создаваемого шумом городских автомагистралей, железнодорожного транспорта, активностью животных и насекомых;
- низкая чувствительность из-за малого уровня акустического сигнала, а также потере сигналов (актов АЭ), вследствие того, что часть энергии, высвобождаемая при деформации или растрескивании, расходуется при передаче импульса;
- эффективность оптического волокна, чувствительного к перепаду температур, снижается при нахождении нефтепровода в непосредственной близости к водным преградам и при истечении нефти через отвод, расположении кранов для слива продукта вне зоны чувствительности оптоволоконного кабеля, прокладываемого рядом с трубопроводом;
- снижение чувствительности при стыках кабеля, а также в местах сварки трубопроводов;
- глушение и ложные сигналы, создаваемые другими источниками шумов при ремонтных и установочных работах на трубопроводах.
С учетом анализа преимуществ и ограничений следует, что СОУ на основе оптоволокна, требует усовершенствующих решений. Для устранения приведенных ограничений необходимо разработать более совершенные алгоритмы обработки сигналов АЭ для исключения потерь и фильтрации полезного сигнала АЭ и сторонних шумов, что заметно улучшит процесс работы системы.
В качестве усовершенствования акустико-эмиссионного метода на основе оптоволокна может быть рассмотрен метод восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии на его поверхности.
В частности, в работе [5], используя для расчета пуассоновскую модель актов акустической эмиссии и степенное амплитудное распределение, были получены соотношения для восстановления интенсивности актов (событий ) потока АЭ - Na по огибающей протетектированных вспышек (активности )
^ =
где Х^о - суммарная длительность импульсов АЭ (общее мертвое время) на входе регистрирующего такта за интервал измерения интенсивности T.
Этот метод реализуется аппаратурно и может быть использован на действующих акустико-эмисси-онных системах, а в комплексе с использованием оптоволокна может показывать значительное повышение эффективности.
Библиографический список
1. Слепухова, А. В. Интеллектуальная система обнаружения утечек / А. В. Слепухова // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (с международным участием): в 2-х томах, Тюмень, 20-22 декабря 2016 года. - Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2016. - С. 43-46.].
2. Патент на изобретение № 2650799 Российская Федерация, МПК G01B11/16 G01H9/00, 2018г.
3. Нзомоно, М.М. Системы обнаружения утечек из магистральных трубопроводов при неустановившемся режиме перекачки / М.М. Нзомоно. - Текст: непосредственный РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Москва УДК 622.691.4.
4. Патент на изобретение № 2712773 Российская Федерация, МПК G01N29/14, 2020г.
5. Буйло, С.И. Физико-механические и статистические аспекты повышения достоверности результатов аку-стико-эмиссионного контроля и диагностики.: монография / С.И. Буйло.- Ростов-на-Дону - Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2017г.- 184 с. ISBN 978-5-9275-2369-6. - Текст : непосредственный.
МАШАГУЛОВА ДИНА АРТУРОВНА - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.
