Ванчин Е.А., Куликовский К.Л.

Самарский государственный технический университет, Россия.

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

Исследование океанов и различных технологических объектов, расположенных под водой, является важной задачей. Все технические подводные объекты можно разделить на распределенные и сосредоточенные. К распределенным объектам относятся магистральные продуктопроводы (в частности нефтегазопроводы (НГП)), кабели связи и электрические кабели. К сосредоточенным объектам относят буровые платформы, затонувшие корабли и самолеты, к ним так же можно отнести отдельные археологические сооружения и т.д.

Настоящая работа посвящена, контролю состояния распределенных объектов трубопроводных магистральных НГП. Спецификой таких распределенных объектов является большие расстояния, на которых возникновение дефектов может быть равновероятно на протяжении всей длины нефтепровода. Определение зарождающегося дефекта с поверхности может быть затруднено из-за сложности с визуальным наблюдением, а так же за счет сноса продукта подводными течениями.

Для контроля состояния НГП целесообразно использовать подводные планирующие зонды (ПЗ), которые за счет использования сил воздействующих на ПЗ из-за изменения его плавучести и центра тяжести позволяют ему перемещаться на огромные расстоянии, потребляя минимальное количество энергии. Вниз движение осуществляется за счет силы притяжения, вверх за счет силы выталкивания [1]. Основным элементом ПЗ, является информационно измерительная и управляющая система (ИИУС), которая позволяет управлять изменением плавучести и центра тяжести.

Процесс контроля состояния НГП состоит из трех задач:

1. Нахождение нефтепровода и ориентация ПЗ вдоль его оси.

2. Осуществление движения вдоль магистрального НГП в коридоре, ширина которого определяется порогом чувствительности устройства обнаружения дефекта.

3. Обнаружение дефекта, с помощью магнитометра.

При выполнении инспекции нефтегазопровода (НГП) от магнитометра поступает информация о пересечении трубы. Идентификация объекта происходит по изменению напряженности электромагнитного поля. По величине напряженности поля осуществляется управление ПЗ и ориентация относительно НГП[4].

Обнаружение утечек нефти осуществляется с помощью анализа диэлектрической проницаемости воды. В процессе движения происходит забор жидкости для определения ее состава. В случае изменения электропроводности воды можно сделать вывод о содержании нефти. Предварительно делаются настройки диэлектрической проницаемости на свойства нефти, прокачиваемой через НГП.

Для поиска, определения и ориентации ПЗ в состав ИИУС входит электромагнитный искатель (ЭМИ). Он состоит из электрических дипольных излучателей (ДИ) и дифференциальных приемников электрического поля (ДП). На корпусе ПЗ размещается симметрично 2 ДИ в носовой части и 2 ДИ в хвостовой части. ДП расположены в центре корпуса ПЗ симметрично по 2 датчика на левом и правом борту (Рис.1). Обозначим дипольные излучатели в головной части как ДИ1и ДИ2, в хвостовой части ДИ3 и ДИ4. Дипольные приемники как пары ДП1-2 и пара ДП3-4

Принцип действия ЭМИ основан на возбуждении электромагнитного поля в толще воды и измерении реакции окружающей среды на это поле. Идентификация объекта инспекции производится по измеренным напряженностям электромагнитного поля U на разных приемных антеннах (находящихся под разными углами к продольной оси ПЗ) и сводится к определению: угла (между продольной осью ПЗ и направлением НГП) и показателя «близости» протяженного объекта к корпусу аппарата [2].

ПЗ осуществляет поиск на глубинах 200-300 метров. ИИУС должна иметь возможность регулировать чувствительность магнитометра, расположенного на борту ПЗ. В составе управляющей системы необходимо реализовать алгоритм коррекции с учетом положения движения ПЗ. При всплытии чувствительность ЭМИ повышается, а при погружении уменьшается. До момента обнаружения объекта, планирующий зонд идет на малых высотах и малых скоростях. После обнаружения НГП, увеличивается амплитуда для увеличения скорости движения. Задается диапазон перемещения ПЗ над объектом. Движение осуществляется в рамках коридора по высоте над НГП.

Пересечение планирующим зондом нефтепровода может осуществляться, как показано на рис.2

Приведем описание работы и расчеты для ИИУС ПЗ при любом расположении электродов и положении протяженного объекта НГП [3]. Требуется постоянство амплитуды тока по длине излучающих электродов. Это условие выполняется при соблюдении неравенства , где - длина волны электромагнитного поля в морской воде. - магнитная проницаемость и удельная электропроводность морской воды. При этом рабочая частота должна быть . Необходимо учитывать условие , где - расстояние от расчетной точки до излучающих электродов. На практике для создания электромагнитного поля реальные магнитометры должны удовлетворять условию . Для достижения этих параметров расчет электрического поля в точке (в толще воды или на поверхности НГП) производится как от суммарного воздействия нескольких дипольных излучателей. Аналогичным образом определяется обратное воздействие наведенного в НГП тока на ДП магнитометра. Т.е. исследуемый активный участок НГП делим на несколько небольших отрезков . Активный участок НГП находится на расстоянии от ПЗ, удовлетворяющим условию (на расстоянии от источника, равном происходит затухание сигнала). Так же с помощью этого параметра осуществляется контроль приближения ПЗ к НГП (минимально допустимое расстояние между ПЗ и НГП).

При небольшой длине отрезка напряженность электрического поля в месте его расположения можно считать приблизительно постоянной, а сам отрезок рассматривать как излучатель. На каждом отрезке НГП можно определить напряженность поля и вычислить наведенный ток. Суммарное воздействие ДИ1-2-3-4 на всем активном участке НГП определяет уровень изменения напряженности поля на ДП. Так же необходимо соблюдать условие , где - радиус НГП. Оптимально будет и , где - минимальное расстояние о ПЗ до НГП [3].

Для анализа поведения ИИУС при отслеживании НГП наиболее информативными являются зависимости сигналов от расстояния ПЗ до НГП , в горизонтальной плоскости. Целью конечных результатов расчетов является получение зависимости напряжения на ДП при заданных конструктивных параметрах ИИС, углах отклонения - и высоте (Рис.2).

- угол отклонения продольной оси ПЗ от направления НГП может изменяться от до , при параллельном курсе

- высота ПЗ над НГП измеряется в определенном допустимом диапазоне.

- горизонтальная проекция расстояния от ПЗ до НГП. Точка А.

- углы отклонения осей ДП от направления НГП.

- значение угла отклонения оси ДИ1-2 и ДИ3-4 в горизонтальной плоскости относительно вертикальной осевой плоскости ПЗ.

- значение угла отклонения оси ДП1-2 и ДП3-4 в горизонтальной плоскости относительно вертикальной осевой плоскости ПЗ.

Id – ток, излучаемый магнитометром

Ld = Le0 – расстояние между электродами ДИ одного борта.

Rs – радиус корпуса ПЗ

Ra – радиус НГП.

Zs – смещение электродов магнитометра по вертикали от осевой горизонтальной плоскости ПЗ

Zr – смещение электродов ДП по вертикали от осевой горизонтальной плоскости ПЗ

f – рабочая частота магнитометра.

Обозначим координатные оси, соответствующие ДП1-2 и ДП3-4 (Х0,Y0) (X1, Y1) (X2, Y2). Ось Z единая для всех координатных систем.

Определим следующие величины: r- расстояние от магнитометра до НГП

Половина длины активного участка НГП: , где

Координаты центра активного участка НГП (т.А): , где (для ДИ1-2), (для ДИ3-4)

Длину отрезков НГП, рассматриваемых как излучатели:

Половину числа отрезков НГП, рассматриваемых как излучатели:

Координаты отрезка НГП (т.Аm): ,, где - номер отрезка (начиная с А0).

, - горизонтальные координаты точки А0,

Вывод.

Для контроля состояния магистральных НГП необходимо использовать планирующий зонд с высокоэффективной ИИУС. Измерительная система позволяет обнаружить НГП, формирует команды управления с целью ориентации ПЗ вдоль оси нефтепровода. Для обнаружения НГП в ИИУС существует измерительный канал, который в своем составе имеет магнитометр. Магнитометр путем возбуждения электромагнитного поля в толще воды и измерении реакции окружающей среды на это поле идентифицирует объект. Приведенные в статье расчеты позволяют обеспечить ориентацию ПЗ вдоль оси НГП при любом угле пересечения траектории движения зонда с нефтегазопроводом.

Литература.

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

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

3. Кукарских А.К., Павин А.М. Оптимизация характеристик электромагнитного гидролокатора подводного робота на основе дифференциальной методики расчета приемных сигналов// Подводные исследования и робототехника. 2008. №2(6)

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