Ванчин Е.А.,  Куликовский К.Л.

Самарский государственный технический университет, Россия.

Информационно измерительная и управляющая система для поиска утечек в магистральных нефтегазопроводах и формирования траектории движения планирующего зонда.

В последнее десятилетие интенсивное развитие получила система магистральных нефтегазопроводов (МНГП), охватывающая огромные территории и объединяющая различные страны. Значительная часть МНГП располагается на морском дне на глубинах до 200 м. и имеет протяженность нескольких сотен километров.

В результате подводных землетрясений и оползней, скрытых технологических дефектов, повреждений поверхности МНГП при соприкосновении с затонувшими судами и конструкциями может возникнуть аварийная ситуация, вызывающая тяжелые экологические последствия. Поэтому создание комплекса технических средств, обеспечивающих экономически эффективный подводный периодический контроль над техническим состоянием МНГП, является важной и актуальной задачей. 
Существующие способы обнаружения дефектов на поверхности МНГП и координат места аварийного участка, являются дорогостоящим и мало эффективными. К ним относятся буксируемые надводным судном измерительные зонды, измерительные буи и батискафы, оснащённые соответствующими системами.

Для исследования и контроля состояния распределенных в пространстве МНГП целесообразно использование автономных планирующих зондов (ПЗ), осуществляющих перемещение за счёт изменения положения центра тяжести и изменения плавучести, что не требует больших энергетических затрат и позволяет ПЗ длительное время находиться под водой, двигаясь над МНГП и всплывая лишь для передачи данных. В этом случае ПЗ используется как носитель информационно измерительной и управляющей системы (ИИУС).

Для поиска МНПГ при погружении ПЗ и ориентации его над поверхностью МНГП таким образом, что бы ось нефтегазопровода совпала с направлением движения ПЗ, необходимо использование ИИУС, позволяющей определять угол пересечения траектории движения ПЗ с осью МНПГ и скорость движения последнего.

На основании полученных данных формируются управляющие воздействия, изменяющие направление движения ПЗ.

Поиск и контроль состояния нефтегазопровода состоит из трех этапов:

- обнаружение МНГП;

- ориентация планирующего зонда вдоль оси нефтепровода;

- движение ПЗ, с измерительной  и управляющей аппаратурой, вдоль оси трубопровода с проведением необходимых измерений [1].

Для ориентации планирующего зонда на глубине, при поиске МНГП необходимо определить положение аппарата по отношению к оси нефтепровода. Для этой цели ПЗ направляется таким образом, чтобы он пересекал ось НГП под каким-то углом. Определение этого угла является важной задачей. Измеренное значение угла позволяет сформировать управляющее воздействие, которое осуществит плавный разворот ПЗ и движение его в обратном направлении по более пологой траектории до следующего пересечения с МНГП. Затем определяется новое значение угла пересечения, осуществляется изменение управляющего воздействия, и зонд вновь возвращается в обратное направление. Каждый измеренный угол будет меньше предыдущего. В случае, когда угол находится в интервале  от 0 до 5 градусов, мы можем считать, что зонд расположен над траекторией и начинается следующий этап измерений [1]. Наиболее рациональный путь, приводящий к совмещению осей ПЗ и нефтепровода, является его апериодическое приближение к МНГП (рис.1).

Для обнаружения нефтепровода целесообразно использовать электромагнитный метод, основанный на возбуждении электромагнитной волны, которая отражается от металлических предметов под водой и попадает на приемник электромагнитных волн [2]. Этот метод в ИИУС реализуется  двумя идентичными каналами измерения угла. В состав измерительного канала входит (рис.2):

- Блок управления (БУ)

- Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний (ГК)

- Электромагнитный преобразователь (ЭП)

- Таймер

Электромагнитный преобразователь переменно осуществляет излучение, а затем прием отраженной электромагнитной волны. Преобразователь функционируют от управляющего воздействия БУ. Управляющий блок подключает сигнал от генератора, затем отключает и ждет появления сигнала из внешней среды. Затем снова отключает и включает.  Во время поступления сигнала на преобразователь, БУ включает таймер. В момент поступления сигнала на второй преобразователь таймер отключается.

При определении угла пересечения траектории движения ПЗ с МНГП используются два идентичных преобразователя ЭП1 и ЭП2,  расположенные симметрично друг другу на крыльях зонда в точках a-b. При этом ось a-b перпендикулярна оси ПЗ. Для определения скорости движения расположим аналогичный канал измерения в точке c (рис.3). Принцип действия заключается в том, что в момент пересечения ПЗ с МНГП, БУ периодически подключает ГК к электромагнитным преобразователям. Создаются электромагнитные импульсы, направленные к поверхности дна, и в момент поступления отражённого электромагнитного импульса на один из ЭП, БУ подключает таймер, отсчитывающий промежуток времени Δt до поступления отражённого импульса на другой ЭП (рис. 4). В случае движения ПЗ под прямым углом к НГП Δt1 = 0. После фиксирования времени Δt1 таймер продолжает отсчет до момента появления сигнала  третьем ЭП и фиксирует время Δt2.

a
 

β

 

c
 

ось2
 

ось ПЗ
 

b
 

d
 

Рис 4.Определение угла

 

Рис 3. Движение ПЗ

 

 

Обозначим на корпусе ПЗ точку e таким образом, что бы она была пересечением  оси преобразователей a-b  и оси ПЗ (рис. 5). Длину ce возможно найти как проекцию вектора cb на ось ПЗ. Из определения проекции вектора следуют, что вектор cb проецируется на ось ПЗ как разность проекций конца вектора и его начала. Т.е. .

Зная длину между c-e можно определить скорость движения ПЗ по формуле:

На рис.4 геометрически изображен момент пересечения НГП. Ось2 параллельна оси НГП.  Преобразователи на крыльях ПЗ образуют ось a-b. Если соединить точку а с осью НГП получим треугольник с вершинами a-b-d . Нам необходимо найти угол β. Он является смежным с углом α. Зная скорость движения зонда, составим выражение для нахождения угла β:  

,

где  известная величина из характеристик ПЗ. А .

В итоге формула для β:

При одинаковом значении угла β зависимость скорости движения V от времени Δt1 будет линейной (рис.6).

Решение задач инспекции требует управления подводным аппаратом таким образом, что бы траектория ПЗ была как можно ближе к протяженному объекту и лежала вдоль него. ПЗ должен подойти к НГП по траектории экспоненты в горизонтальной плоскости с использованием данных от ИИУС. Подобное движение обеспечивает надежное отслеживание объекта и минимизирует энергозатраты (рис.7). Движения планирующующего зонда в вертикальной плоскости совершается  галсами преимущественно перпендикулярно к оси трубопровода [3], поэтому уровень  сигналов на преобразователяхв точках a-b будет одновременно увеличиваться или уменьшаться. Аналогично изменение сигнала на преобразователе c.

Вывод:

Для исследования и контроля состояния распределенных в пространстве МНГП целесообразно использование автономного планирующего зонда с высокоэффективной ИИУС. Эта система позволяет не только контролировать состояние МНГП и находить места утечек и их координаты, но и ориентировать ПЗ вдоль оси МНГП путем контроля угла между осью нефтепровода и траекторией движения зонда.

 

 

 

 

 

 

Литература.

 

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

2.     Куликовский К.Л., Ванчин Е.А.  Определение положения планирующего зонда с помощью измерительной аппаратуры на базе магнитометров//Новости передовой науки. 2013 Том 55.

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

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