Дослідження процесу роботи геодезичного радіоелектронного обладнання для пошуку інженерних підземних комунікацій з поверхні землі на навчальному полігоні

Мета роботи: вивчити методи і технічні засоби для оці­ню­вання фактичного положення підземних комунікацій (тру­бопроводи, кабельні лінії). Набути практичних навичок для роботи з обладнанням для обстеження підземних комунікацій.

Обладнання і матеріали: трасопошуковий комплект ПКІ-1, ПКІ-2; трасопошуковий приймач ТМ-7Д; трасошукач SR-60; лазерний далекомір Leica Disto A5; вимірювальні ру­летки (5 м); маркерні кілки; відповідне обладнання навчально-наукового полігону.

Місце проведення роботи: робота проводиться в лабо­раторії кафедри технічної діагностики і моніторингу та на базі навчально-наукового полігону кафедри.

Тривалість: 4 год.

 

Основні теоретичні відомості

У практиці проведення обстеження об’єктів нафтогазо­вого комплексу, як вирішення інженерно-геодезичних зав­дань, досить часто доводиться вирішувати завдання пошуку різноманітних підземних комунікації з метою їх ремонту, за­міни чи реконструкції, визначення місць пошкоджень, нане­сення на плани і т.п. Типовими об’єктами таких обстежень є силові і сигнальні кабельні електричні лінії (які перебувають під напругою, так і з різних причин знеструмлені), трубо­про­води, різноманітна металічна арматура.

Також виникає необхідність визначення факту і місця пошкодження комунікацій, які розміщені під землею.

Наведені вище завдання виникають під час обстеження лінійної частини трубопровідної системи, компресорних і на­сосно-перекачувальних станцій.

Для обстеження підземних комунікацій широко вико­ристовується радіоелектронна трасопошукова апаратура. Да­не обладнання дозволяє вирішити ряд виробничих та техноло­гічних завдань:

- визначення фактичного розташування підземних кому­нікацій;

- визначення глибини залягання підземних комунікацій;

- пошук незаконно підключених «врізок» до підземних мереж.

В основі обстеження підземних комунікацій лежить принцип електромагнітної індукції. Магнітне поле, яке ство­рюється навколо електричного кабелю або трубопроводу, поширюється в просторі і може бути сприйняте антеною приймача електромагнітного випромінювання.

Напруженість магнітного поля тим вища, чим ближче антена до джерела випромінювання (кабель чи трубопровід). Слідкуючи за індикатором приймача, переміщуючи антену і міняючи її розміщення, можна визначити максимальний рі­вень сигналу і, відповідно розміщення, а також і напрямки пролягання комунікацій (рис. 5.1,а). Якщо антена розміщена безпосередньо над трасою (вісь кабелю чи трубопроводу), то сигнал максимальний (рис. 5.1,а). Змінюючи розміщення ан­тени (яка вже розміщена над комунікацією) стосовно до осі комунікації можна визначити напрям пролягання траси. Виз­начити розміщення підземної комунікації можна і по мініму­му сприйнятого сигналу переорієнтувавши антену (рис. 5.1,б).

Найбільш простим є випадок пошуку, коли розшукується підземний силовий кабель, який знаходиться під напругою з протікаючим по ньому значним змінним струмом (так званий активний кабель). Струм, який протікає в кабелі, створює змінне електромагнітне поле, яке поширюється в просторі навколо кабелю (в тому числі і над поверхнею землі). Таким чином, за допомогою чутливої приймальної апаратури (антени і приймача), які є на поверхні, можна визначити місцезнаход­ження і розміщення траси підземної інженерної комунікації. Сигнальний генератор під час цього не потріб­ний, так як власне магнітне поле шуканої кабельної лінії доз­воляє локалі­зувати його положення. Тому такий метод нази­вають пасив­ним. Такий режим найбільш просто реалізується. Для трубо­проводів режим пасивного пошуку реалізується тоді, коли комунікація пролягає в зоні дії потужних джерел електро­магнітного випромінювання промислової частоти – наприклад поряд з трубопроводом пролягає лінія електро­передач (рис. 5.2). Такий режим найпростіше реалізується, однак у випадку більшого числа подібних комунікацій, які прокладені по сусідству, процес виділення шуканого кабелю чи трубопро­воду може бути сильно ускладненим.

 

а)

 

 

б)

Рисунок 5.1 – Визначення розміщення і напрямку траси

Для більш загального випадку пошуку кабелю без на­пру­ги чи трубопроводу (так звані пасивні траси), необхідна організація штучного збудження струму в комунікації. Вико­ристовуються три способи створення такого збудження. Їх відносять до активних, т.к. під час цього магнітне поле ство­рюється допоміжним генератором трасопошукового комплек­су. Частота змінного сигналу цього генератора зазвичай по­мітно відрізняється від мережевої частоти (тобто значно вища 50 Гц). Це робиться для підвищення завадочутливості роботи трасошукача.

 

 

Рисунок 5.2 – Пасивне наведення сигналу від лінії електропередач в стінках підземного трубопроводу

 

У перших двох підходах генератор підключається до доступного фрагменту шуканої траси (трубопроводу чи ка­белю) гальванічним чином, чи безконтактно – індуктивним способом (наприклад за допомогою струмових кліщів). Пер­ший спосіб реалізується прямим гальванічним з’єднанням шуканої комунікації з генератором змінного струму. Якщо є можливість забезпечити гальванічне з’єднання трубопроводу з виходом генератора, то використовується підключення ге­нератора до комунікації і заземлюваного електрода. Це ефек­тивний спосіб, проте він потребує наявності доступного і зачищеного фрагмента траси. Спосіб такого прямого підклю­чення для металічних трубопроводів зображений на рис. 5.3,а, підключення до неметалічних трубопроводів під час наявності в них провідної рідини зображено на рис. 5.3,б.

 

 

а)

 

 

б)

 

Рисунок 5.3 – Пряме підключення генератора до контрольованого трубопроводу

Можливі прямі підключення для контролю кабельної лінії, які зображені на рис. 5.4. Коли потрібно точно визначити трасу кабелю, відповідного до електричної підстанції, що має кон­тур заземлення і радіальні з'єднання його з устаткуванням під­станції, генератор підключають з боку споживача. У цьому випадку контур заземлення і радіальні з'єднання не внесуть ускладнень до знаходження траси. Під час визначення траси кабелю протяжністю понад 1,5-2 км, що експлуатуються де­кілька десятків років і що має пошкоджену ізоляцію на броні через тривалу експлуатацію, можливо доведеться підключати генератор двічі - спочатку з одного, а потім з іншого кінця кабелю.

 

 

Рисунок 5.4 – Пряме підключення для контролю кабельної лінії

 

Другий спосіб використання генератора – безконтактне (трансформаторне) підключення джерела збудження до ко­мунікації. Такий підхід застосовується тоді, коли немає змоги використати перший варіант. Він підходить і в тих випадках, коли здійснюється пошук ізольованих трубопроводів і кабе­лів, кабелів з напругою під час наявності розташованих поруч декіль­кох інших кабелів. Крім цього даний варіант забезпечує без­пеку підключення, але також потребує доступного фраг­менту траси. Безконтактний активний режим реалізується індуктив­ним способом за допомогою струмових кліщів рис. 5.5,а і легко надягається на доступний фрагмент об’єкту дослід­ження.

 

 

а) б)

 

Рисунок 5.5 – Індукційні способи підключення до контрольованої комунікації

 

Якщо перші два розглянутих підходи не можуть бути застосовані, наприклад, поблизу немає виходу на поверхню фрагментів комунікації, немає оглядового колодязя, теплової камери і т.п., то використовується третій спосіб – безконтакт­не наведення збуджуючого сигналу на недоступну трасу з по­верхні землі за допомогою індуктивної рамки, на яку поступає високочастотний сигнал генератора. Рамка генератора розмі­щується по можливості над трасою і за допомогою електро­магнітного поля наводить в металі траси змінний струм (рис. 5.5,б). Таким чином, траса в свою чергу стає випромінювачем і на достатній довжині може бути індетифікована з поверхні.

Порядок виконання роботи

1) Ознайомитись згідно з технічним описом з призначен­ням і структурою навчально-наукового полігону кафедри.

Навчально-науковий полігон призначений для відпра­цювання таких операцій:

- пошук траси стального підземного трубопроводу (ка­белю) з поверхні землі;

- визначення глибини залягання стального підземного трубопроводу (кабелю) з поверхні землі;

- визначення місць пошкодження ізоляційного покриття стального підземного трубопроводу (кабелю) з поверхні землі;

- проведення комплексу електрометричних вимірювань для демонстрації оцінки корозійного стану стального підзем­ного трубопроводу;

- демонстрація роботи станції катодного захисту;

- проведення магнітної і електричної зйомки для вияв­лення траси пролягання стального і поліетиленового трубо­проводу та силового кабелю;

- дистанційний пошук витоків з трубопроводів.

Площа полігону складає 63 м², на цій території розмі­щено дослідні ділянки, що імітують підземні стальний (діа­метр 56 мм) і поліетиленовий (діаметр 40 мм) трубопровід та кабельну лінію (4×6 мм²) з відповідними пошкодженнями захисної ізоляції та стінки труби, 6 контрольно-вимірюваль­них колонок і контури заземлення. Схема полігону зображена на рис. 5.6. Вигляд полігону з поверхні землі зображений на рис. 5.7.

2) Згідно з паспортом ознайомитись з призначенням, тех­ніч­ними характеристиками, принципом дії і умовами застосу­ван­ня трасопошукового комплекту ПКІ-1 і ПКІ-2.

Основні елемен­ти комплекту ПКІ-1 зображені на рис. 5.8, сигнал-генератор ПКІ-2 наведений на рис. 5.9. Під час прове­денні робіт з ПКІ-1, 2 потрібно дотримуватись вимог без­пеки, які викладені в паспорті!

 

 

1-металічний трубопровід; 2-котрольно-вимірювальна колонка (КВК); 3-пластиковий трубопровід; 4-з’єднувальна пластикова муфта; 5-пластиковий трійник; 6-пластикова заглушка (вихід пластикового трубопроводу на поверхню (ВТ); 7-імітація пластикової врізки; 8-кабельна лінія; 9-імітація прилеглого металічного трубопроводу;10-контрольний заземлювач;

11-анодне заземлення.

Рисунок 5.6 – Схема навчально-наукового полігону

Рисунок 5.7 – Вигляд навчально-наукового полігону з поверхні землі

 

1–приймач; 2–сигнал-генератор; 3–пошукова антена;

4–зарядний пристрій; 5–головні телефони

Рисунок 5.8 – Склад комплекту ПКІ-1

Рисунок 5.9 – Сигнал-генератор ПКІ-2

3) Пошук траси трубопроводу (визначення планового по­ложення). Згідно паспорту ПКІ-1,2 і технічного опису полі­гону здійснити підключення генератора до трубопроводу че­рез КВК-1 і анодного заземлення. Подати сигнал на трубо­провід. Підключення генератора до КВК-1 зображено на рис. 5.10.

За допомогою пошукової антени і приймача здійсню­ється пошук трубопроводу по максимальному і мінімальному сигналу (рис. 5.1,а і 5.1,б).

Згідно з методом «максимум» проводиться попередній «швидкий» пошук траси підземної комунікації а за допомогою методу «мінімум» розміщення комунікації уточнюють.

У першому випадку, давач пошукової антени розмі­щується горизонтально в площині перпендикулярній вісі тру­бопроводу. Під час перетину вісі трубопроводу буде спосте­рігатись максимальний сигнал. А під час переміщення в на­прямку, де сигнал зберігає своє максимальне значення виз­начається розміщення трубопроводу. Схема пошуку згідно з да­ним методом зображена на рис. 5.11,а.

 

Рисунок 5.10 – Підключення генератора ПКІ-2 до КВК-1

 

Під час виявлення трубопроводу по мінімальному сигна­лу давач антени розміщується вертикально і переміщується перпендикулярно до осі труби. Під час перетину вісі трубо­про­воду буде спостерігатись зменшення сигналу. При відклю­ченні давача антени в дві сторони траси рівень сигналу на вході приймача буде збільшуватись. Схема пошуку за мето­дом «мінімум» зображена на рис. 5.11,б.

Процес виявлення траси трубопроводу за методами «максимум» і «мінімум» проводиться на навчально-науково-му полігоні через кожні 1-2 м від КВК1 до КВК6. Місця виявлення вісі трубопроводу на поверхні маркуються за до­помогою кілків. Після маркування траси трубопроводу необ­хідно скласти план розміщення трубопроводу (в масштабі 1:200), який додається до звіту з роботи. Як базисні об’єкти вибираються стіни навчальних корпусів, для виконання «за­січок» відносно базисів використовується лазерний далекомір.

 

а)

 

б)

 

1–графік розподілення амплітуди сигналу;

2–пошукова антена; 3–трубопровід

 

Рисунок 5.11 – Схема розміщення пошукової антени під час пошуку траси трубопроводу за методом «максимум» і «мінімум»

4) Визначення глибини залягання трубопроводу (визна­чення висотного положення). У промаркованих точках на тра­сі трубопроводу визначити глибину його залягання із зане­сенням даних в план розміщення підземного трубопроводу.

Для визначення глибини залягання (Н) трубопроводу давач пошукової антени розміщується у відповідності з рис. 5.12. Переміщуючи антену в такому положенні в сторону, перпендикулярно до траси, визначається точка з нульовим (міні­мальним) сигналом. Відстань між двома положеннями антени рівна глибині залягання трубопроводу.

 

 

1–графік розподілення амплітуди сигналу;

2–пошукова антена; 3–трубопровід

 

Рисунок 5.12 – Визначення глибини залягання трубопроводу

 

5) Згідно з паспортом ознайомитись з призначенням, тех­ніч­ними характеристиками, принципом дії і умовами засто­сування трасопошукового приймача «Абрис» ТМ-7Д (рис. 5.13).

Рисунок 5.13 – Трасопошуковий приймач «Абрис» ТМ-7Д

 

6) Перевести генератор ПКІ-1,2 на робочу частоту трасо­шукача «Абрис» ТМ-7Д. Провести обстеження аналогічні до п.п.3 і 4. Трасошукач «Абрис» ТМ-7Д обладнаний електрон­ною системою обчислення глибини залягання підземної кому­нікації, яка базується на градієнтному методі, що вимагається тільки точний вихід оператора на вісь підземної комунікації.

Під час великого діапазону зміни глибини залягання тру­бопроводу визначити її дозволяє градієнтний метод, що ба­зується на визначенні співвідношення між компонентами поля, створеного струмом щонайменше у двох точках спосте­реження на прямій, що є продовженням радіуса труби. Для реалізації градієнтного методу безконтактного вимірювання використовують дві або більше горизонтальні магнітних анте­ни з ешелонним розміщенням рознесені у просторі.

На рис. 5.14 зображено схему вимірювання глибини за­лягання і струму в підземному трубопроводі 1 за допомогою градієнтного методу. Пристрій контролю розміщується точно над віссю трубопроводу 1 і встановлюється на поверхню зем­лі. Напруженість магнітного поля в точках розташування маг­нітних антен 2, 3 під час розміщення пристрою згідно з рис. 5.14 для струму I, що проходить в стінках трубопроводу визна­чаються за допомогою таких виразів:

 

(5.1)

 

(5.2)

 

де h, l, d – відстані, які вказані на рис. 5.14.

 

Рисунок 5.14 Визначення глибини залягання трубопроводу за допомогою градієнтного методу

 

Вихідна напруга кожної магнітної антени є пропорційна напруженості магнітного поля в точках розміщення антен і визначається такими залежностями:

 

(5.3)

 

(5.4)

 

де k₂ і k₃ - коефіцієнти передачі відповідно магнітних антен 2 і

Оскільки для виразів (5.3) і (5.4) спільним множником є I, то можна отримати рівність:

 

. (5.5)

 

З рівності (5.5) значення глибини залягання нафтогазо­проводу h запишеться у вигляді такої формули (при відо­мих значеннях l, d):

. (5.6)

 

У трасошукачі «Абрис» ТМ-7Д підсилений і відфіль­трований сигнал з магнітних антен перетворюється у цифрову форму для обчислення за допомогою мікрокоп’ютера глибини залягання згідно з (5.6).

7) Після проведення обстеження за допомогою трасошу­кача «Абрис» ТМ-7Д згідно п.п. 3 і 4 необхідно провести по­рівняння результатів з отриманими за допомогою трасопошу­кового комплексу ПКІ-1.

8) Згідно з паспортом ознайомитись з призначенням, тех­ніч­ними характеристиками, принципом дії і умовами зас­тосу­вання трасошукача для виявлення трубопроводів кабелів та зондів SR-60 (рис. 5.15).

9) Перевести трасошукач «SR-60» на одну із робочих частот генератора ПКІ-1,2 (985 Гц або 1458 Гц). Провести обстеження аналогічні до п.п. 3 і 4.

Трасошукач «SR-60» є діагностичним пристроєм, який проводить вимірювання електромагнітних полів, які випро­мінюються підземними об’єктами. Пристрій призначений для допомоги в пошуку таких об’єктів шляхом визначення харак­теристик ліній електромагнітного поля та відображення їх на екрані.

Рисунок 5.15 – Трасошукач SR-60

 

Основну роль в пошуку траси трубопроводу та глибини його залягання відіграють нижній і верхній всенаправлені антенні вузли (рис. 5.16). За допомогою нижнього антенного вузла також відбувається вимірювання інтенсивності отриму­ваного сигналу від досліджуваного трубопроводу. Для пра­вильного позиціонування пристрою відносно траси трубо­про­воду служать направляючі антени, розміщені над нижнім антенним вузлом. Відображення необхідного повороту прис­трою відносно вісі підземного трубопроводу відбувається на дисплеї трасошукача за допомогою стрілок з вказанням на­прямку повороту.

Трасошукач «SR-60» може працювати в трьох різних режимах. Режими роботи пристрою такі:

а) режим активного виявлення траси використовується тоді, коли сигнал вибраної частоти можна створити в довгому провіднику за допомогою лінійного передавача для визна­чення місць пролягання труб, магістралей чи кабелів, які є провідниками електричного струму;

б) режим пасивного виявлення траси використовується для виявлення трас електричних ланцюгів, по яких протікає електричний струм частотою 60 Гц (США), 50 Гц (Європа) чи передаються радіочастотні сигнали;

в) режим зондування використовується для виявлення місць розміщення зондів в неелектропровідних трубопро­во­дах, кабелях чи в тунелях або в тих трасах, визначення місця розташування яких іншим способом є неможливим.

 

Рисунок 5.16 – Загальний вигляд конструкції трасошукача SR-60

 

Варто звернути увагу на те, що режими активного та пасивного виявлення траси є ідентичними за винятком частот, які використовуються.

 

На рис. 5.17 зображено вигляд загальних елементів дис­плею, а на рис. 5.18 – вигляд елементів дисплею в режимі виявлення траси магістралі.

 

Рисунок 5.17 – Загальні елементи дисплею

Рисунок 5.18 – Елементи дисплею (режим активного виявлення траси магістралі)

 

На рис. 5.19 зображено вигляд клавішного пульта трасо­шукача SR-60.

 

Рисунок 5.19 – Вигляд клавішного пульта

 

10) Після проведення обстеження за допомогою трасо­шукача «SR-60» згідно п.п. 3 і 4 необхідно провести порів­няння результатів з отриманими за допомогою трасопошу­кового комплексу ПКІ-1, а також з результатами, отриманими за допомогою трасошукача «Абрис» ТМ-7Д.

11) Як додаткові об’єкти нанести на план розміщення підземного трубопроводу КВК1 і огорожу полігону.

12) Виходячи з отриманих результатів сформулювати висновки до лабораторної роботи, щодо методів і засобів значення траси пролягання і глибини залягання підземного трубопроводу на навчально-науковому полігоні.

 

Запитання до самоконтролю

5.1) Які задачі вирішують при обстеженні підземних комунікацій?

5.2) Які методи використовують для визначення траси пролягання підземної комунікації?

5.3) Як використовують способи підключення пошуко­вого генератора до контрольованої комунікації?

5.4) Що таке метод «мінімум» і метод «максимум»?

5.5) Яким чином проводять визначення глибини заля­гання підземного трубопроводу?