NO830835L - Apparat for aa paavise feil i elektrisk isolerende belegg - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse anfår elektriske detektorer og nærmere bestemt detektorer for påvisning av feil i elektrisk isolerende materialer.

Stålrør som anvendes for å føre fluider, slik som naturgass, utsettes for korrosjon, særlig hvis de er nedgravet. Et tynt. elektrisk isolerende belegg påføres normalt på utsiden av stålrørene som et første forsvar mot korrosjon. Nedgravde stålrørledninger som anvendes for massetransport av naturgass, er vanligvis over hele sin lengdeutstrekning påført belegg av isolerende materialer slik som kulltjæreemalje, polyetylen eller epoksyharpikser for bare å nevne noen få. Det annet forsvar mot korrosjon er katodisk beskyttelse

(CP) av rørledningen. Hvis røret kan holdes på et passende negativt potensial kan korrosjon forhindres. Hvis imidlertid en rørledning har et avsnitt hvor det ytre belegg er skadet eller mangler, kreves en sterkere strøm fra CP-systemet for å opprettholde et passende beskyttende rørpotensial.

Ved et godt kontinuerlig belegg oppnås således økonomisk beskyttelse.mot korrosjon. Selv når strømbehovet i et CP-system ikke er stort, hvilket innebærer at belegget hovedsakelig er i god stand, kan rørpotensialet på et feil-sted være lokalt meget lavt, således at risikoen for korrosjon øker. Det vil således være en fordel å være istand til å nøyaktig lokalisere og fastlegge størrelsen av enhver

feil i belegg på en bestemt rørledning som en hjelp til å overvåke rørledningens tilstand og sikkerhet.

Det utstyr som vanligvis anvendes for å påvise sådanne beleggfeil er konstruert av J.M..Pearson og først beskrevet i tidskriftartikkelen "Electrical Examination of Coatings on Buried Pipeline", The Petroleum Engineer, 1941, midt-sidene 82-89. Denne fremgangsmåte har flere ulemper,

nemlig at det område som skal undersøkes må være elektrisk ledende, samt at det ikke er mulig å bestemme feilens om-

fang, uten oppgraving, og at den er meget tungvindt i drift.

For å gjøre sådanne undersøkelser både kvantitative og

lett å utføre er en ny,fremgangsmåte blitt utviklet.

Påvisning av en feil i belegget er basert på det forhold

at når en vekselstrøm flyter langs en nedgravet belagt rørledning vil den gradvis gå tapt gjennom belegget til jorden. Dette har sitt grunnlag..'i den endelige kapasitive impedans av belegget mellom røret og jorden. Den elektriske motstand over et feilfritt belegg er meget stor og vanlig-

vis flere størrelsesordner større enn den kapasitive impedans (for frekvenser større enn 1000 Hz). Når det foreligger en feil eller et åpent avsnitt vil motstanden til jord normalt være vesentlig lavere enn impedansen gjennom det feilfrie belegg. Vanligvis vil motstanden fra røret til bakken ved en feil blandt annet være avhengig av over-flateområdet av uttildekket metall.

Senere utviklingstendenser i signalstrømovervåkning omfatter et forslag som er beskrevet i publisert britisk patent-ansøkning nr. 2.070.783A,idet den foreslåtte anordning blandt annet omfatter tre omformere som er montert i parallell og innbyrdes avstand, samt således at omformeraksene forløper vinkelrett på den rørledning som skal undersøkes, og avstanden fra den tredje omformer til røret er større enn tilsvarende avstand for den annen omformer, som i sin tur er større enn den første omformers avstand til røret.

Hver av omformerne er innrettet for å reagere på den magnetiske fluks som frembringes av en- vekselstrøm som påtrykkes røret. Signalbehandlingen av de signaler som mottas av omformerne

kan gå ut på frembringe et første avledet signal som repre-senterer en forskjell mellom spenningene fra tredje og annen omformer, samt et annet avledet signal som represent-erer spenningsforskjellen mellom annen og første omformer.

Forandringene i magnetisk fluks langs rørledningen vi logi-

en anvisning om beleggets isolerende egenskaper.

I henhold til foreliggende oppfinnelse foreslås imidlertid et nytt undersøkelsessystem som går ut på at en vekselstrøm-generator avgir en signalstrøm til rørledningen, mens en bærbar mottager induktivt overvåker den signalstrøm som flyter i rørledningen. Etterhvert som en operatør bærer mottageren langs rørledningen blir den lokale verdi av signalstrømmen regnet ut nesten umiddelbart. Den automatiske signalbehandling i mottageren går ut på avgjøre om det foreligger eller ikke foreligger en feil i rørbelegget og avgir et varselsignal til operatøren i samsvar med dette. Feilbestemmelsen utføres ved å fastlegge den lokale verdi

av strømgradienten langs røret og å sammenligne denne med en terskelverdi. Den påviste lokale strømgradientverdi gjør det også mulig å anslå feilens omfang. Da rørstrømmen måles induktivt, kan dette målesystem også anvendes, i det tilfellet røret er nedgravet under et isolerende medium, f.eks. tjæreasfalt, betong og lignende. Alt signalopptag og signalbehandling utføres dynamisk, således at mottageren kan anvendes enten stasjonært eller i bevegelse. Hovedmodus for drift av mottageren vil være i bevegelse med operatøren som spaserer langs rørledningen, mens mottageren utfører sine målinger under bevegelsen. Et føringssystem som gjør det mulig for operatøren å følge rørledningen kan også anordnes.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det frembragt et apparat for påvisning av feil i elektrisk isolerende belegg, idet apparatet omfatter utstyr for å frembringe et veksel-strømsignal og overføre dette signal til en belagt leder, samt utstyr for å påvise og måle det magnetiske vekselfelt som frembringes av nevnte vekselstrømsignal, for derved å anslå signalets strømstyrke. Apparatets særtrekk i:'hen-

henhold til oppfinnelsen består herunder i at påvisnings-

og måleutstyret omfatter et par ensartede omformere anordnet parallelt og i innbyrdes avstand i et plan vinkelrett på lederaksen, samt tilordnede innretninger for å motta, sammenligne og behandle signaler som avgis fra hver av omformerne under påvirkning fra den frembragte magnetiske fluks, for på dette grunnlag å anslå strømstyrken av nevnte signal.

De omformere som anvendes i foreliggende apparatJii henhold til oppfinnelsen kan være spoler som reagerer på magnetisk fluks og således kan anvendes for bestemmelse av lokal strøm på et hvilket som helst sted langs vedkommende leder på den måte som vil bli forklart i det følgende.

Hvis et vekselstrømsignal flyter langs en nedgravet rør-ledning vil den frembring et tilhørende magnetisk vekselfelt, som vanligvis er konsentrisk medl røret. Den magnetiske feltstyrke H i en radial avstand r fra midten av røraksen er gitt ved ligningen: hvori I er den strøm som flyter langs røret. Hvis to målinger av magnetfeltets styrke, nemlig H^og H^, utføres i forskjellige radiale avstander r^og r^, kan således den strøm som flyter langs rørledningen beregnes ut i fra følgende formel:

hvori a = r_ - r^. Det bør bemerkes at så lenge verdien a er kjent vil strømberegningen være uavhengig av rørets nedgravningsdybde. Ved å indusere -en elektromotorisk kraft i to radialt adskilte følerspoler kan således den

strøm som flyter i rørledningen beregnes, da den induserte elektromotoriske kraft er proposjonal med feltstyrken H.

Hvis rørstrømmen måles på to forskjellige steder langs røraksen, og som resultat gir henholdsvis strømverdien 1^og I med en innbyrdes avstand d, kan strømgradienten lg beregnes ved anvendelse av følgende formel:

Eire følerspoler er således påkrevet for å kunne måle strømgradienten dynamisk.

Ved anvendelse av to radialt adskilte følerspoler 1 kan rørledningens nedgravningsdybde r beregnes ut i fra følgende formel

hvori r er avstanden fra den nederste spole til røraksen.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk hvorledes signalstrømmen frembringes og utnyttes,

fig. 2 viser skjematisk mottagerspolenes plassering for bestemmelse av strømgradienten,

fig. 3 og 4 er blokkskjemaer for en signalstrømgenerator og behandlingsutstyret for det induserte signal, og

fig. 5 viser skjematisk plasseringen av spolene for lokalisering av lederen og føringssystemet for å kunne følge den ned- . gravede leder.

De to mest kritiske faktorer ved konstruksjon av signal-generatoren er (a) at signalstrømmens frekvens ikke må forandres med tiden eller temperaturforandringer, og (b)

at utgangsstrømmens amplityde må være stabil. Et blokkskjema for et sådan generator er vist i fig. 3. En fir-kahtbølge fra en krystallstyrt klokke er båndfiltrert for å gi en sinus-bølge ved den valgte frekvensi(mindre enn lKHz). Signalet forsterkes så ved å anvende likestrømkoblede kretser. Den spenning som opptrer på utgangsklemmene ampli-tydereguleres ved å anvende tilbakekoblingsteknikk, og kan innstilles av operatøren opp til en maksimalverdi på 50V. Generatoren kraftforsynes fra et 12V bilbatteri og regu-lerte kraftforsyninger av omkoblertype er anvendt for kretsene. Utgangsstrømmen anvises på en måler og er avhengig av gene-ratorens utgangsspenning og impedansen i rørledningen og retur-kretsen gjennom jord (vanligvis 50-150 ohms).

Mottageren kan hensiktsmessig beskrives i to deler, nemlig

en første del som utgjøres av signalbehandlingssystemet og en annen del. som utgjøres av føringssystemet. Fig. 4 viser et blokkskjema av mottagerens signalbehandlingsdel. De vekselstrømsignaler som induseres i de fire spoler forsterkes hver for seg og båndfiltreres før de multiplekses. Det felles multiplekssignal er gjenstand for automatisk for-sterkning før likeretting og demultipleksing. De signaler som oppnås etter demultipleksing bibeholdes så som stabile sppnninger over kondensatorer. Spenningene over hver av de fire kondensatorer er således proposjonale med amplitydene av inngangssignalene. Disse fire signaler er så gjenstand for multipleksing på nytt og multipleksignalet avgis til inngangen for en 12 bit A/D-omformer. En mikroprosessor mottar de fire frembragte digitalsignaler og lagrer dem

i hukommelse. Det iboende PROM-program er istand til å utføre et hvilket som helst av flere forskjellige bereg-ninger (som er tidligere angitt) og avgi en resulterende

verdi til en anvisningsinnretning av flytende krystall-type, samt å sende en feilvarsling til operatøren. Mikroprosessoren anvendes også for å styre de analoge kretser. Den klokkestyrer multiplekserne ved korrekt tidspunkt og gir analogsignalene den rette forsterknings-grad (AGC) til å oppnå størst mulig nøyaktighet. Det iboende program tillater også selvkontroll, kontroll av signalnivåer, overvåkning av batteritilstanden etc. Hvis en eller annen apparatfeil skulle opptre, anvises en spesiell kode på LCD.

Når en følerspole med vertikal akse forflyttes fra den ene til den annen side av en strømførende rørledning, vil fasen av den iduserte elektromotor i ske kraft forandres med Tf - radianer. Hvis således to spoler (a) og (b) som angitt i fig. 5, og beveges vinkelrett på røraksen vil deres ut-gangssignaler forandre fase i visse posisjoner. Hvis fasen av en horisontalt anordnet spole (hvis fase ikke forandres med plasseringen vinkelrett på røret) benyttes som referanse, kan det oppstilles en sannhetstabéll for forskjellige posisjoner på følgende måte:

lEri fasesammenligningskrets gjør det mulig å frembringe en digital sannhetstabéll. Ut i fra denne sannhetstabéll sender en utgangskrets relevante signaler til operatørens hodetelefoner.

Det antas at avstanden mellom føringspolene og røraksen er y, og at føringspolenes vinkel med vertikalretningen er 9- !(fig. 5) . Hvis x er spolenes horisontalavstand fra røraksen, vil innenfor det område som er angitt ved -ytanO-■cx <: ytan 9- -fasen være den sarrme for alle spoler. Dette område betegnes som det stille bånd og intet utgangssignal avgis til operatøren. Bredden av dette stille bånd er avhengig av avstanden y som vil variere med forskjellige rørdybdér. Den avstand som operatøren kan avvike fra rør-aksen uten at strømberegningen går ut over den påkrevede nøyaktighet er imidlertid også avhengig av rørdybden.

Når x <^ -ytan©- eller x!S-ytan©- iav>gis et spesielt utgangssignal til operatøren for å informere ham om hans posisjon. For å opprettholde den påkrevede nøyaktighet av beregningene bør operatøren holde seg innenfor det stille bånd.

Målesystemet virker på følgende måte. En signalgenerator avgir en vekselstrøm til rørledningen, slik som vist i fig. 1. Denne strømmen vender tilbake gjennom jorden og passende jordspett. Både signalstrømmens frekvens og amplityde holdes konstans i den foreliggende utførelse.

Når strømmen flyter gjennom rørledningen vil det foreligge et konsentrisk magnetisk felt (ligning 1) omkrig røret.

En mottager som har fire innbyrdes adskilte spesielle

spoler (fig. 2) bæres langs rørledningens akse av en opera-tør. Denne mottager-utnytter avgitt elektromotorisk kraft fra forskjellige kombinasjoner av spoler for automatisk å beregne lokalverdier av rørstrømmen, rørstrømmens gradient og rørets nedgravningsdybde. Operatøren kan velge hvilken av disse verdier som til en hver tid anvises på et anvisningspanel. Mottageren kan utføre sine målinger selv når.:rørledningen er nedgravet under tjæreasfalt eller betong. En feil kan gi seg til kjenne ved en lokal reduk-sjon i rørstrømmen eller en lokal høy verdi av strøm-gradienten. Når anvisning av strømgradienten velges av operatøren, avgis et feilvarsel til operatøren når den

beregnede strømgradient er større enn én forut bestemt terskelverdi. Den verdi av strømgradienten som anvises på anvisningspanelet gir en antydning om feilens omfang. Når man støter på utstrakte feilområder '(større enn flere meter) kan en diskret strømkartlegging (strømmålinger med små avstandsmellomrom langs feilens utstrekning) iblandtA«e*fi. mer hensiktsmessig. Denne kartlegging vil gjøre det mulig å tegne opp en kurve som angir rørstrømmen som fuksjon av avstanden langs røret over feilområdet, og denne kurve vil da angi området for høyeste strømtap,. samt også den totale strøm som tapes i feilområdet. Alternativt kan en kartlegging av strømgradienten utføres for å kunne tegne opp en kurve som angit strømgradienten som funksjon av avstanden. I dette tilfelle vil området under kurven angi den totale strøm som går tapt fra røret i feilområdet. De målinger som er angitt ovenfor kan bare ut-føres med tilstrekkelig nøyaktighet hvis mottageren holdes på eller nær røraksen. For å gjøre dette mulig inngår et føringssystem i mottageren. Operatøren mottar da i sine høretelefoner signaler som angir om han befinner seg til venstre eller til høyre om røret. Venstresignaler er forskjellig fra høyresignalet, således at operatøren alltid vil vite til hvilken side han skal bevege seg for å korrigere sin posisjon. Når mottageren befinner seg direkte over rør-ledningen eller tilstrekkelig nær denne til å oppnå nøyaktig måling, avgis intet signal til høretelefonene.

Claims (7)

1. Apparat:".f or å påvise feil i elektrisk isolerende belegg, idet apparatet omfatter utstyr for å frembringe vekselstrømsignal og overføre signalét-,til? en belagt deler, samt utstyr for å påvise å måle de magnetiske vekselfelt som frembringes av nevnte vekselstrømsignal, for derved å anslå signalets strømstyrke, karakterisert ved at påvisnings- og måleutstyret omfatter et par énsartede omformere anordnet parallelt og i innbyrdes avstand i et plan vinkelrett på lederaksen samt tilordnede innretninger for å motta, sammenligne og behandle signalet som avgis fra hver av omformerne under påvirkning fra den frembragte magnetiske fluks, for på dette grunnlag å anslå strømstyrken av nevnte signal.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte omformere utgjøres av spoler.

3. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte påvisnings-og måleutstyr omfatter et ytterligere omformerpar hvis akser ligger i et plan vinkelrett på røraksen samt forskjøvet i lengderetningen fra planet for det første par, mens tilordnede innretninger er anordnet for å sammenligne de signaler som induseres i hvert.omformerpar for på dette grunnlag å anslå signalstrømmens gradient inne i lederen.

4. Apparat som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at nevnte signalveksel-strøm har en frekvens som er forskjelling fra' frekvensen av hvilken som helst elektrisk strøm som ellers strømmer langs lederen.

5. Apparat for å lokalisere fjerntliggende elektriske ledere og som omfatter utstyr for å frembringe et veksel-strømsignal og overføre dette signal til én leder, samt utstyr for å påvise og måle det magnetiske vekselfelt som frembringes av nevnte vekselstrømsignal, karakterisert ved at nevnte påvisningsutstyr omfatter en første omformer hvis akse er hovedsakelig horisontal, annen og tredje omformere hvis akser er skråstilt både i forhold til horisontalretningen og vertikalretningen, samt tilordnet signalbehandlingsutstyr for å motta og sammenligne signaler som induseres i hver omformer som følge av den magnetiske feltfluks.

6. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte omformere er spoler.

7. Apparat for lokalisering og påvisning av isolasjons--feil på elektriske ledere, og som omfatter påvisningsutstyr som angitt i krav 1-4, i kombinasjon med lokaliserings-utstyr som angitt i krav 5 eller 6..