МАГНИТНАЯ АНТЕННА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Дементьев А.С. ¹, Проскуряков Р.М.², Паляницин П.С.³

¹ORCID: 0000-0001-7777-0087, аспирант; ²доктор технических наук, профессор; ³студент, Санкт-Петербургский горный университет

МАГНИТНАЯ АНТЕННА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Аннотация

В данной статье описан принцип действия диагностической системы технического состояния трубопровода на основе импульсного магнитного поля. Описывается работа магнитной антенны, модулирующей постоянное магнитное поле. Приведена структурная схема предлагаемой диагностической системы нефтепровода. Показан выходной сигнал, полученный с помощью магнитных датчиков, преобразованный из-за неисправностей стенок трубы: трещин, каверн, ржавчин, отверстий. Описан принцип работы схемы модуляции постоянного магнитного поля.

Ключевые слова: нефтепровод, система диагностики, магнитная антенна

Dementev A.S. ¹, Proskuryakov R.M.², Palyanicin P.S.³

¹ORCID: 0000-0001-7777-0087, Postgraduate student; ²PhD in Engineering, Professor; ³Student, Saint-Petersburg Mining University

MAGNETIC ANTENNA FOR DIAGNOSIS SYSTEM OF TECHNICAL STATE OF PIPELINE

Abstract

This article describes the principle of operation of the technical condition of the pipeline diagnostic system based on pulsed magnetic field. Describes the work of magnetic antenna, modulating a constant magnetic field. The block diagram of the proposed pipeline diagnostic system. Illustrates an output signal produced by the magnetic sensors, converted due to faults of the pipe wall: cracks, cavities, rust, holes. The principle of operation of modulation schemes of a constant magnetic field.

Keywords: pipeline, diagnostic system, magnetic antenna

Приступая к разработке системы диагностики нефтепровода необходимо твердо обосновать, какую среду мы собираемся использовать в качестве носителя информации о состоянии нефтепровода. Опыт разработчиков таких систем очень большой как у отечественных прибористов, так и у зарубежных. Но на сегодня не известно ни одной разработки, отвечающей основным требованиям трубопроводных систем: обладать достаточной чувствительностью, точностью, быстродействием, энергопотреблением, надежностью, способностью к полной автоматизации, способной охватывать достаточно сложную систему трубопроводов, функционировать без непосредственного доступа к потоку.

На сегодня возможно использовать 3 носителя информации:

1 – поле;

2 – волны;

3 – сигналы.

Волны и сигналы преимущественно используются сегодня, но они обладают неустранимыми недостатками – сильное затухание на незначительном участке нефтепровода. Если использовать мощные электромагнитные пучки от фазированных антенн или лазерные импульсные системы, то, очевидно, что невозможно обеспечить идеально прямолинейно направленный трубопровод как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. [1] Использование же нефтепровода как волновода для гидравлических, ультразвуковых и электромагнитных колебаний также не способно обеспечить контроль достаточно протяженных нефтепроводов в силу того же затухания. Использование для сбора информации движущихся внутри нефтепровода устройств хоть и устраивает прибористов, но не устраивает производственников ввиду их огромной трудоёмкости, требующей высокой квалификации в обслуживании. В данной работе предлагается использовать для построения системы постоянное магнитное поле, потому что оно распространяется на любой ферромагнитной системе сколь угодно далеко, включая все ответвления, повороты, подземные и подводные участки трубопровода.

Рис.1 - Структура диагностической системы нефтепровода

1. Трубопровод
2. Катушка индуктивности с постоянным напряжением
3. Катушка индуктивности с переменным прямоугольным напряжением
4. Пьезокерамический преобразователь магнитного поля в напряжение
5. Генератор прямоугольных импульсов, синхронный с генератором 3
6. Пороговый элемент с зависимой магнитудой
7. Преобразователь «напряжение – временной код»
8. Пороговый элемент с передатчиком по сотовой сети
9. Пульт диспетчера

Магнитное поле генерируется с помощью катушки с постоянным напряжением (2) и магнитной антенной (3), питаемой от силового триггера, который модулирует постоянное магнитное поле (рис.1) [2].  Здесь есть одна особенность: надо помнить, что магнитное и электрическое поле существуют вместе, синфазно и под углом π/2 друг к другу.

Индукционное (электрическое) поле нам не нужно, так как оно будет только искажать информацию. И к тому же быстро затухать, а постоянное модулированное магнитное поле, согласно закону полного тока   практически не имеет ограничений по дальности и не требует подпитки энергией на протяжении зоны контроля. Чтобы обеспечить нулевой баланс энергии постоянного магнитного поля, необходимо соблюдать особенности его подключений к нефтепроводу. Подключение с экранировкой магнитной системы от электрического поля позволяет «напитать» трубу магнитным полем.

На приёмном пункте (3) на трубу наклеена пьезоэлектрическая пленка в виде меандра или компланарного датчика (рис. 1), преобразующего магнитное поле в электрический сигнал, с помощью которого осуществляется кодирование и передача информации после соответствующей логической обработки.

Данная концептуальная система обоснована ещё и её физической сущностью. Известно, что   - это энергия электрического тока, преобразуемая в тепло,  – энергия магнитного поля катушки,  - энергия конденсатора, то есть везде, где среда содержит энергетический поток магнитного поля, а его значение в квадрате – это всегда характеризует энергию. Поток в трубе – это энергетический поток. Поэтому разная его плотность, обусловленная наличием парафина, смольных или битумных включений, и составляющая для разных нефтей от 0.7 –1.2  даже при единой скорости потока делает его энергетику разной по времени. Поэтому и принимают, что плотность при постоянной скорости характеризует качество потока нефти. Это удобно, так как  те же корреляционные функции могут быть как показателями динамики случайных сигналов о потоке, так и показателями качества потока нефти.  Система технической диагностики и качество её работы зависят от гидродинамики энергетического (нефтяного) потока. [3]

Модулированное постоянное магнитное поля обтекает какие-либо технические погрешности трубопровода (сварка, трещины, ржавчина). На этих недостатках трубопровода естественное магнитное поле Земли индуцирует вихревые токи, которые взаимодействуют с постоянным магнитным полем, являющимся носителем измерительной информации системы диагностики трубопровода. Таким образом, постоянное магнитное поле, модулируемое генератором прямоугольных импульсов (рис. 2) модулируется ещё вихревыми токами, индуцируемыми в трубопроводе в местах, где имеются его технические отклонения.

Рис.2  Деформированная осциллограмма магнитного поля

На осциллограмме видно, что чем больше неисправностей в трубопроводе, тем больше деформируется осциллограмма магнитного поля, то есть изменяется его энергетическая характеристика. Логическая схема на приёмном пункте сравнивает эту осциллограмму с первоначальным её значением и на выходе приёмного блока получаем степень неисправности трубопровода в количественном выражении.

Рассмотрим теперь каким образом «напитать» трубопровод магнитным полем.

Излучатель (генератор антенны) состоит их двух различных антенн, синфазно возбуждаемых генератором прямоугольных импульсов, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном контролируемой дистанции. Вся трубопроводная сеть состоит из набора таких отрезков.

Генератор через коаксильный кабель подключен к витку рамки, подключенной в разрезное полое металлическое кольцо и погруженному на активное сопротивление  . При этом полное сопротивление рамки выбирается . Поле такой рамки создаётся током, циркулирующим по периметру наружной поверхности кругового экрана. Ток, протекаемый по внутренней стенке рамки, встречает у зажимов активное сопротивление  и индуктивное сопротивление между зажимами , где  - индуктивность экрана. К зажимам подключена цепочка , подключенная так, что . Эта цепочка вместе с параллельно соединенной с ней цепочкой  образует схему «вечного резонанса», входной импеданс которого не зависит от частоты и равен . При таком согласовании фидерной линии генератора на любой частоте открывается нагруженный на активное сопротивление, равное , измерительный прибор.

При конструировании излучателя следует выбирать сравнительно небольшие рамки (по сравнению с длиной волны). При этом можно пользоваться понятием сосредоточенной индуктивности рамки. Для вычисления предельно допустимого радиуса рамки   можно пользоваться формулой

,

где  - минимальная длина волны модулируемого сигнала.

В используемом на практике излучателе радиус рамки выбран R=20,4см, что обеспечивает его работу в диапазоне волн, вплоть до 8 м. Таким образом, трубопровод будет «насыщен» постоянным магнитным полем, а описанная система позволяет добавить к нему модулирующий сигнал, частота которого определяется генератором прямоугольных импульсов. Генератор импульсов должен быть согласован с нагрузкой излучающей антенны для сравнения входных и выходных данных.

Список литературы / References

1. Патент 2315230  РФ. Система  для  контроля  утечки  газа  из  магистрального  газопровода / С. В.Власов, И. И.Губанок, А. Н.Дудов и др. – Опубл. 20.01.2008. Бюл. № 2.
2. Проскуряков Р. М. Построение системы диагностики технического состояния нефтепровода на основе постоянного пульсирующего магнитного поля / Р. М. Проскуряков, А. С. Дементьев // Записки Горного института / Санкт-Петербургский горный университет. – СПб, 2016. – Т.218. – 208 с.
3. Смолдырев А. Е. Трубопроводный транспорт / А. Е. Смолдырев. – М. : Недра, 1970. – 272 с

Список литературы на английском языке / References in English

1. Patent 2315230    Sistema  dlya  kontrolya  utechki  gaza  iz  magistral'nogo gazoprovoda [A system for monitoring gas leakage from a main pipeline] / S. V. Vlasov, I. I. Gubanok, A. N. Dudov et al. – Publ. 20.01.2008. Bul. N 2 [in Russian]
2. Proskurjakov R. M., Dementev A. S. Postroenie sistemy diagnostiki tehnicheskogo sostojanija nefteprovoda na osnove postojannogo pul'sirujushhego magnitnogo polja [The building a system of diagnosing the technical condition of the pipeline on the basis of continuous pulsed magnetic field] / R. M. Proskurjakov, A. S. Dementev // Zapiski Gornogo institute [Notes of Mining Institute] / St. Petersburg Mining University. – St. Petersburg, 2016. – Vol.218. – 208 p. [in Russian]
3. Smoldyrev A. E. Truboprovodnyi transport [Pipeline transport] / A. E. Smoldyrev. – Moscow : Nedra, 1970. –272 p. [in Russian]