Ванчин Е.А., Куликовский К.Л.

Самарский государственный технический университет, Россия.

Определение положения планирующего зонда с помощью измерительной аппаратуры на базе магнитометров.

В настоящее время на дне океанов и морей введено в эксплуатацию большое количество магистральных нефтегазопроводов (НГП). Спецификой таких объектов является их большая протяженность. В процессе эксплуатации на любом участке НГП могут возникнуть утечки, которые будут загрязнять водную среду, что в итоге может привести к экологической катастрофе. Поэтому необходим постоянный контроль над состоянием нефтепровода по всей его протяженности, в результате которого должно оперативно определяться наличие мест утечки нефтепродукта и точная координата ее месторасположения.

Так как поиск утечки с поверхности по многим причинам затруднен (волнение, дорогостоящие системы поиска, снос судна на поверхности и т.д.), необходимо использовать устройство несущее соответствующую измерительную аппаратуру и перемещающееся над нефтегазопроводом по всей его длине[2]. Для этой цели целесообразно использовать автономные планирующие зонды (ПЗ), движение которых осуществляется за счет изменения его плавучести и положения центра тяжести. Что при минимальном потреблении энергии дает возможность ПЗ перемещаться на большие расстояния, периодически всплывая на поверхность для передачи информации и подзарядки аккумулятора.

Размещенная на таком ПЗ информационно измерительная система (ИИС), обнаружения НГП, позволяет ориентировать траекторию движения зонда в направлении оси нефтепровода. Указанная ИИС так же определяет угол пересечения траектории зонда с осью НГП, на основании которого формируется управляющее воздействие, изменяющее эту траекторию с целью расположения его оси вдоль оси нефтепровода. Так как отсутствуют рули на ПЗ, то он не может совершать разворот на месте вокруг своей оси. Поэтому он совершает колебательные движения в плоскости дна несколько раз в одну или другую сторону, пересекая НГП и уменьшая значение угла между ПЗ и НГП.

Для обнаружения НГП целесообразно использовать электромагнитный метод, основанный на возбуждении электромагнитного поля в воде и измерении реакции металлического трубопровода на это поле.

В статье рассматривается алгоритм определения положения ПЗ, с помощью магнитометрической ИИС, в состав которой входит несколько датчиков. Обнаружение НГП и ориентация ПЗ осуществляется на основе измерений вторичных электромагнитных полей. Магнитные поля создаются токами, наведенными магнитометром в нефтепроводе.

Для повышения эффективности ИИС, целесообразно датчики магнитометра вывести на концы крыльев ПЗ. (Рис 1). Имея ввиду, что каждый магнитометр создает луч диаметром порядка 30 см, то получается коридор измерений равный диаметру трубопровода плюс порог чувствительности магнитометра.

При движении ПЗ вдоль направления НГП и совершении колебаний вправо и влево, в случае затухания сигнала с одного из датчиков магнитометра, можно сделать вывод о выходе зонда из коридора измерений.

На корпусе ПЗ установлено четыре датчика: в голове, в хвосте и на крыльях, обозначим их соответственно a,b,c,d. С помощью датчиков магнитометра можно определить компоненты электрического или магнитного поля в точках a,b,c,d.

Обозначим систему координат, связанную с НГП как X, Y, Z . Систему координат связанную с ПЗ как X`, Y`, Z`. Оси Z и Z` совпадают (Рис.2).

Широкие возможности в выборе типа и ориентации излучающих антенн, а также типа и ориентации измерительных осей первичных преобразователей позволяют решать многочисленные задачи, возникающие при обнаружении, отслеживании и обследовании НГП электромагнитными методами. Возможно, определять по данным измерений, с какой стороны от трубопровода или кабеля находится ПЗ, а так же находить значение угла α, под которым ПЗ пересекает трассу трубопровода[4].

Определим ЭДС в НГП при прохождении над ним ПЗ, с магнитометром. Скорость перемещения ПЗ будем считать малой, окружающая среда однородная. Движение ПЗ осуществляется на высоте h и под углом α к оси НГП. Трубопровод рассматриваем как замкнутый контур. В соответствии с законом Фарадея при изменении магнитного потока сквозь замкнутый контур возникает ЭДС индукции и как следствие – электрический ток. ЭДС индукции можно найти с помощью теоремы взаимности. ЭДС создаваемая в линейном проводнике переменным магнитным диполем с магнитным моментом М, находящимся в точке (x,y,z), будет иметь вид:

(1)

Выражения для компонент поля имеют вид:

, (2)

Где - постоянная распространения электрического поля в воде; - удельная электрическая проводимость воды, - модифицированные функции Бесселя. При малых значениях волнового расстояния , формула (2) принимает вид

(3)

При наличии в электромагнитной системе 4-х датчиков возможно, однозначно определять с какой стороны от трубопровода находится ПЗ. Для этого в общем случае необходим анализ со всех 4 измерительных преобразователей, размещенных в точках a,b,c и d (рис. 1). Однозначно определить нахождение ПЗ относительно трубопровода можно с помощью измерения модуля напряженности переменного электрического поля, созданного переменным электрическим током, протекающим вдоль трубопровода. Аналогично нахождение ПЗ возможно определить по модулю индукции магнитного поля. Исходя из рис.2 можно составить табл.1 для определения положения ПЗ. Из данных таблицы видно, что положение планирующего зонда определяется просто и однозначно[4].

Таблица 1.

Номер квадранта	1	2	3	4
Соотношение сигналов в точках

Оценим убывание тока, наведенного в НГП с помощью магнитометра. Трубопровод находится в морской воде с , диаметр трубопровода , диметр изоляции, удельная электрическая проводимость металла , относительная магнитная проницаемость металла , удельная электрическая проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость изоляции . Для реализации методов частота источников тока должна быть не более 1000 Гц. Если источником ЭДС является электрический диполь с моментом и частотой 1000 Гц, расположенный параллельно трубопроводу на расстоянии 2 м, то определяем ЭДС по формуле:

(4)

Величина начального тока:

(5)

Волновое сопротивление:

(6)

ЭДС равна 1,2 В, начальный ток 100 мА.

В случае минимального расстояния между источником ЭДС и НГП величина электрического момента значительна. Пусть возбуждение тока осуществляется диполем с моментом , расположенным на расстоянии 0,6 м от оси НГП. В данной ситуации ЭДС равна 2 В, начальный ток 170 мА. Таким образом, с помощью формулы (4) возможно определять зависимость величины наведенного тока от расстояния между НГП и ПЗ.

Рассмотрим задачу определения угла между направлением движения ПЗ и осевой линией трубопровода в режиме отслеживания. На ПЗ установлен магнитометр с дипольным моментом = 100 мА*м и частотой 5000Гц. ПЗ перемещается со скоростью = 0,5 м/с на высоте = 3м и под углом к оси трубопровода. Расстояние между точками a-b и c-d составляет 100 см. ЭДС можно вычислить по формуле (1). Волновое сопротивление НГП Ом. Для определения угла необходимо знать данные напряженности электрического поля или индукции магнитного поля в точках a, b, c и d c 4 датчиков.

Для определения угла необходимо знать напряженность электрического поля или индукцию магнитного поля в точках a,b,c,d. Затем мы можем вычислить модуль угла по формулам:

(7)

(8)

После обнаружения НГП ПЗ начинает двигаться вдоль его оси. ИИС измеряет вертикальную и продольную составляющую магнитного поля. Во время прохождения над НГП фиксируются два момента времени и. Момент времени соответствует условию , а момент времени - условию . Зная скорость движение ПЗ, можно найти расстояние до НГП .

Выводы.

Таким образом, приведенные исследования показали, что используя предложенную систему поиска нефтегазопровода, можно определить угол пересечения траектории ПЗ с осью НГП и ввести соответствующую коррекцию. Коррекция позволяет уменьшать угол пересечения между траекторией движения зонда и осью нефтепровода, при каждом пересечении, за счет изменения параметров алгоритма, на основании которого осуществляется перемещение планирующего зонда в водной среде.

Литература.

1. Куликовский К.Л., Ванчин Е.А. Информационно измерительная и управляющая система планирующего зонда для поиска утечек в магистральных нефтегазопроводах.//Наука и технологии: шаг в будущее. 2013год.

2. Куликовский К.Л., Ванчин Е.А. Способы построения информационно измерительных систем для подводных планирующих зондов// Современный научный вестник. 2012 №14.

3. Киселев Л. Код глубины // Владивосток Дальнаука 2011

4. Ивлиев Е. А. Обнаружение , отслеживание и обследование подводных трубопроводов и кабелей электромагнитными методами// Подводные исследования и робототехника. 2009. №2(8)

5. Агеев М.Д. Автоматические подводные аппараты // Ленинград «Судостроение» 1981