Датчик повреждения трубопровода на потоке

При появлении сквозного повреждения трубопровода воз­никает волна отрицательного давления, распространяющаяся в обе стороны от места утечки и воспринимаемая датчиками повреждения контролируемого участка трубопроводной сис­темы.

Принцип действия существующих датчиков повреждения трубопроводов основан на улавливании волны возмущения (рез­кого спада давления), образованной в результате сквозного повреждения трубопровода. В качестве датчиков в настоящее время используют датчики давления с электрическим выходом, устанавливаемые по трассе трубопровода. Сигналы поступают на контролируемые пункты системы телемеханики трубопрово­да, передаются на диспетчерский пункт и обрабатываются кон­троллером или ЭВМ с помощью установленной программы определения места повреждения или несанкционированной врезки. В связи с тем, что датчики давления установлены с верхними пределами измерения не ниже 3/2 от рабочего давле­ния в трубопроводе, то есть, например, при рабочем давлении 6 МПа верхний предел датчика давления, с учетом номиналь­ного ряда давлений, принятых для приборов измерения дав­ления, должен быть не менее 10 МПа. Амплитуда же отрицательных импульсов давления при незначительных поврежде­ниях составляет несколько десятых долей МПа, что сводит на нет результативность методов определения места повреждения. Амплитуда возмущающего воздействия в виде отрицательного импульса давления, воспринимаемая датчиком давления, зависит от степени повреждения и расстояния между местом повреждения и местом установки датчика давления, а также от других менее значимых факторов. При незначительном повреждении и значительном расстоянии между датчиками амплитуда сигнала, поступающего на датчик, ослабевает и составляет незначительную часть от верхнего предела измерения датчика.

Существуют также датчики повреждения трубопроводов в виде пьезоэлементов, устанавливаемых на наружной стенке кон­тролируемого трубопровода. Принцип действия указанных дат­чиков основан на улавливании колебаний определенного диапа­зона частот, возникающих при порыве и передаваемых по стенке трубопровода. Экспериментально установлены два диапазона частот, в которых амплитуда сигнала наибольшая. Это нижний диапазон 20 Гц и верхний 18 кГц. Учитывая, что аку­стический сигнал, передаваемый по стенке трубопровода, имеет значительное затухание из-за высокой поглощающей способно­сти изоляции и окружающего грунта, то сигнал верхнего диапа­зона частот затухает значительно сильнее. Но использование верхнего диапазона частот привлекательнее тем, что этот диа­пазон лишь частично лежит в области частот, возникающих при изменении режимов перекачки, но требует большего коли­чества устанавливаемых датчиков на одном и том же отрезке трубопровода. Незначительное относительное изменение давле­ния, измеряемое датчиками давления с электрическим выходом, значительное затухание сигнала из-за большой поглощающей способности изоляции и грунта, окружающего трубопровод, тре­буют довольно частой установки датчиков на контролируемом участке трубопровода для достижения достаточной чувствитель­ности методов, что, в конечном счете, ведет к удорожанию процесса обнаружения повреждения. Разными авторами приво­дятся совершенно разные достаточные расстояния между датчи­ками повреждения трубопроводов, которые разнятся в 2-5 раз.

Дифференцировать повреждение трубопровода и изменение режима перекачки можно со значительно большей вероятностью, если контролировать совпадение наличия сигналов в обоих диа­пазонах частот.

Существуют также переносные датчики повреждения трубо­проводов, которые здесь не рассматриваются из-за отсутствия оперативности получения информации, сезонной и погодной ограниченности применения и служащие лишь для уточнения на местности места порыва трубопровода.

Разработан датчик повреждения трубопровода, устанавлива­емый непосредственно на потоке.

Конструктивно чувствительный элемент содержит мембрану с закрепленным на ней пьезоэлементом, мембрана размещена в глухом патрубке за запорным органом, присоединяемым к кон­тролируемому трубопроводу, и образует две полости, сообщаю­щиеся между собой регулируемым дросселем.

В контролируемый трубопровод 1 (рисунок ниже) вваривается па­трубок 2, к которому крепится запорный узел 3 с глухим патрубком 4 в виде сферической или цилиндрической заглушки. Между запорным узлом 3 и глухим патрубком 4 располагают мембрану 5 с закрепленным пьезоэлементом 6 таким образом, что мембрана делит пространство между запорным органом и глухим патрубком на две полости 7 и 8, которые сообщаются между собой регулируемым дросселем 9 в виде кольцевого зазо­ра, образованного мембраной 5 и боковой поверхностью конуса 10. Наличие дросселя выравнивает давление в полостях 7 и 8 при отсутствии сигнала возмущения, предотвращает пластиче­скую деформацию мембраны при больших амплитудах сигнала и позволяет регулировать при помощи конуса 10 чувствительность датчика в зависимости от координаты его установки и состояния трубопровода.

Конструктивная схема датчика повреждения трубопровода, устанавливаемого на потоке

В момент порыва трубопровода возникает волна возмущения, которая, распространяясь в обе стороны по трубопроводу, дос­тигает датчика и прогибает мембрану 5. Закрепленный на мем­бране пьезоэлемент 6, деформируясь, образует на своих поверх­ностях импульс напряжения, который поступает на микро­контроллер контролируемого пункта.

Трехуровневая SCADA-система определения места негерметичности участка трубопровода динамическим методом

Изменяя положение конуса 10 относительно мембраны 5, можно регулировать площадь кольцевого сечения дросселя и, тем самым, чувствительность датчика, а упорами конуса предот­вращать повреждение мембраны при значительных амплитудах ее прогиба.

Наличие зазора дросселя позволяет не реагировать на низко­частотные медленно изменяющиеся возмущения, характерные для такой инерционной гидравлической системы, какой является трубопровод, и возникающие при различных изменениях режи­ма перекачки. Тем самым, датчик повреждения способен улав­ливать резко изменяющиеся сигналы и в то же время имеющие незначительную амплитуду, так как по принципу действия он относится к дифференциальным датчикам давления, то есть при отсутствии сигнала давление в полостях 7 и 8 одинаково, а при поступлении сигнала, из-за наличия кольцевого зазора, давление в полостях не успевает выровняться и происходит значительное отклонение мембраны от первоначального положения (состояния покоя), в результате чего пьезоэлемент также вырабатывает до­статочно большой сигнал по амплитуде.

Установка датчика .повреждения трубопровода непосред­ственно на трубопровод (на потоке) значительно повышает чув­ствительность системы диагностики состояния подземного со­оружения с использованием трехуровневой SCADA-системы (рисунок выше), а вводимый повсеместно в последнее время монито­ринг технологического режима трубопроводной системы в ре­жиме реального времени позволит совместно с предлагаемыми датчиками дифференцировать повреждение трубопровода от пуска - останова или изменения режима работы перекачиваю­щих агрегатов.