Аушев А.В., генеральный директор ООО «Термолайн»
Синавчиан С.Н., канд. техн. наук, доцент
кафедры «Технологии приборостроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Журнал «Новости теплоснабжения» №4, 2017 г. Стр. 30 - 37.
Метод отраженных импульсов нашел применение не только в кабельных и оптических линиях, но и в тепловых сетях при поиске местоположения дефектов трубопроводов бесканальной прокладки. В статье представлены теоретические и практические данные, полученные при производстве, монтаже и эксплуатации трубопроводов в пенополиуретановой изоляции, оборудованных системой оперативно-дистанционного контроля, и выполнен их анализ.
Ключевые слова: импульсная рефлектометрия, система оперативно-дистанционного контроля (СОДК), намокание изоляции, трубопровод в ППУ-изоляции, дисптчеризация, бесканальная прокладка.
Система оперативно-дистанционного контроля (СОДК) трубопроводов в пенополиуретановой (ППУ) изоляции является неотъемлемой его частью. Она представляет собой два (как минимум) медных проводника, расположенных вдоль металлического трубопровода в толще теплоизоляции. Расположение проводников, их количество, коммутация внутри трубопровода и за его пределами, применение приборов контроля регламентируется ГОСТ Р 56380–2015 [1], а также [2, 3]. По способу организации в процессе монтажа и эксплуатации трубопроводов СОДК является двухуровневой.
На первом уровне осуществляется проверка соответствия проектных данных фактическим значениям сопротивления изоляции Rиз (между сигнальными проводниками и трубой) и сопротивления сигнальных проводников Rпр на участке трубопровода длиной до 6000 м, собранного из единичных отрезков теплосети (Единичный участок теплосети - участок трубопровода, ограниченный двумя или одной точкой контроля и не имеющий на протяжении между ними кабельных выводов. Длина единичного участка теплосети не может превышать 350 м.). Трубопровод аппаратно обеспечен стационарными средствами контроля, а именно детекторами состояния изоляции, данные которых с помощью средств удаленного мониторинга передаются на пульт диспетчера (рис. 1).
При отсутствии систем диспетчеризации возможно применение труда обходчиков, которые фиксируют показания стационарных или переносных детекторов и передают их в соответствующие службы/отделы для анализа и хранения. В процессе нормальной эксплуатации трубопровода (т. е. без аварийных ситуаций) не требуется привлекать профессионально подготовленных специалистов, кроме как при проведении квартальных обследований. В случае фиксации несоответствия проектных данных фактическим (что свидетельствует о возникновении аварийной ситуации) необходимо перейти на следующий уровень организации СОДК.
Рис. 1. Типовая схема диспетчеризации участка трубопровода с СОДК посредством GSM-связи с локальным диспетчерским пультом
На втором уровне работы выполняют хорошо подготовленные специалисты, обладающие опытом работ с оборудованием для поиска местоположения дефектов трубопровода. В первую очередь, специалист должен определить единичный отрезок теплосети, на котором произошло снижение сопротивления Rиз или увеличение Rпр. Для этого требуется проанализировать проектную и исполнительную документацию и, последовательно отключая отрезки трубопровода, выполнить замеры с помощью оборудования первого уровня (детектора и/или контрольно-монтажного тестера). После определения аварийного единичного отрезка теплосети приступают к поиску на нем местоположения дефекта. Для трубопроводов существует ряд методов определения местоположения дефекта: акустический, акустико-корреляционный, тепловизионный и т.д. Однако основным методом поиска местоположения дефекта на трубопроводах бесканальной прокладки является метод отраженных импульсов.
Метод отраженных импульсов (другое название — метод импульсной рефлектометрии) основан на зондировании двухпроводных линий короткими электрическими импульсами. Этот метод нашел широкое применение при поиске местоположения дефектов в линиях связи и электропередачи. К его достоинствам следует отнести высокую точность, возможность анализа различных линий длиной от десятков метров до нескольких десятков километров, возможность определения местоположения различных видов дефектов, таких как обрыв, замыкание, низкоомный дефект, дефектная пайка, намокание и т. д.
Первое применение (в середине 90-ых годов) в России на трубопроводах в ППУ-изоляции метод получил благодаря поставкам труб, оборудованных СОДК, из европейских стран. Смонтированные трубопроводы передавались эксплуатирующим организациям, укомплектованные импульсными рефлектометрами наравне с другими приборами контроля. Однако применение импортного оборудования долго не продлилось ввиду его высокой стоимости, привязки (как правило) к определенным участкам трубопровода, отсутствия технической поддержки.
Вместо импортных импульсных рефлектометров в теплосетях на протяжении уже 17 лет применяют отечественные переносные рефлектометры, предназначенные для работы с кабельными линиями или являющиеся универсальными. Технические характеристики отечественных приборов не уступают импортным. Применение их на втором уровне СОДК является вполне эффективным, но процесс определения местоположения связан с большим количеством особенностей и тонкостей, поскольку ни один из отечественных приборов не адаптирован для применения в СОДК трубопроводов в ППУ-изоляции.
Этот факт, а также ряд существенных особенностей производства и монтажа трубопровода в ППУ-изоляции привели к появлению мифа о трудностях работы с импульсными рефлектометрами на тепловых сетях. Обладая более чем 15-летней практикой общения с представителями производственных, монтажных и эксплуатирующих организаций, многолетним опытом аналитических, лабораторных и натурных работ в области разработки и производства оборудования для СОДК, постараемся осветить основные вопросы, ставшие причиной возникновения этого мифа.
1. Импульсные рефлектометры предназначены для определения места изменения (неоднородности) волнового сопротивления (импеданса) зондируемой линии. Значение волнового сопротивления для линий «сигнальный проводник – металлический трубопровод» и «проводник – проводник» кабеля NYM 3×1,5 можно приближенно описать теми же выражениями, что и для радиочастотного симметричного ленточного кабеля КАТВ, широко применяемого в 60-е годы прошлого века:
или 
где Z – волновое сопротивление линии; D – расстояние между центрами проводников; d –диаметр проводников; ε – диэлектрическая проницаемость материала между проводниками (εвозд = 1 – для воздуха, εППУ = 2,8…3,0 – для сухого ППУ, εПВХ = 3,1…3,3 – для кабеля NYM 3×1,5 с учетом характера расположения изолированных жил в кабеле).
Расчетное значение волнового сопротивления для кабеля NYM 3×1,5 (D = 2,4 мм, d = 1,39 мм, εПВХ = 3,2) Zпр. теор = 85 Ом, для сигнальной линии трубной части СОДК (D = 20 мм, d = 1,39 мм, εППУ = 2,9) Zтр. теор = 237 Ом.
Измерения значений волновых сопротивлений прямых участков трубопровода и кабеля NYM дали следующие значения: Zпр.изм = 80 Ом, Zтр.изм = 220 Ом с погрешностью ±15 %, т. е. приведенную формулу выше можно считать подтвержденной для линии «сигнальный проводник – металлическая труба» и «проводник – проводник» кабеля NYM 3×1,5. Эти два значения очень важны при выборе значения согласующего сопротивления на выходе рефлектометра.
2. В процессе изготовления трубопровода и его монтажа возможны вариации значений расстояния между сигнальным проводником D и металлической трубой, а также диэлектрической проницаемости теплоизоляции ε.
При изменении значения D c 20 до 2 мм теоретически получаем изменение значения волнового сопротивления линии «сигнальный проводник – трубопровод» до 74 Ом. Волновое сопротивление изменяется и в фасонных изделиях (отводы, тройники, неподвижные опоры и т. д.). Это связано с большими технологическими трудностями при обеспечении фиксированного расстояния 20 мм между сигнальным проводником и металлической трубой. Поэтому в нормативной документации допускается применение фторопластовой изоляции сигнальных проводников без фиксации расстояния 20 мм, но только в фасонных изделиях. Расчетное значение волнового сопротивления таких элементов может достигать 55 Ом и ниже.
Сильное влияние на наличие неоднородностей в исследуемой линии оказывает также значение диэлектрической проницаемости ε. Это значение теплоизоляции определяется большим числом факторов, а именно: однородностью пенополиуретана по длине трубопровода, качеством обработки металлической трубы и сигнального проводника, наличием отслоений и воздушных каверн в толще изоляции, температурой среды и т. д. Но основным фактором является намокание теплоизоляционного слоя при аварийной ситуации, что снижает значение ε с 2,8…3,0 до 55…81, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению значения волнового сопротивления до 45 Ом и ниже.
Подобные значения неравномерности волнового сопротивления на рефлектограмме отображаются схоже. Это означает, что снижение волнового сопротивления вследствие намокания изоляции и вследствие нарушения технологии монтажа (уменьшение расстояния между сигнальным проводником и металлической трубой) оператором будут интерпретироваться неоднозначно, а это может привести к ошибочному определению места дефекта со всеми вытекающими последствиями [4].
Самым эффективным способом определения местоположения новых неоднородностей является эталонная рефлектограмма. Это рефлектограмма, зафиксированная в момент времени, когда исследуемый единичный отрезок трубопровода находился в рабочем состоянии, значения Rиз и Rпр соответствовали проектным, т. е. дефекты отсутствовали. Обновление эталонной рефлектограммы отрезков теплосети является нормой в течение первых лет эксплуатации. Это позволяет отследить изменения ее формы, связанные с различными тепловыми режимами, что при нарушении технологии производства и монтажа трубопровода может служить причиной сезонной миграции влаги в толще изоляции, изменения конфигурации сигнальных проводников, снижения качества их соединения и т. д. Большинство отечественных рефлектометров позволяют проводить анализ рефлектограмм непосредственно на объекте при сравнении эталонной рефлектограммы из памяти прибора с текущей. Также возможно выполнение функции «вычитания» рефлектограмм, что позволяет выявить участки новых неоднородностей.
3. Важным действием оператора является определение расстояния до места изменения волнового сопротивления. Точность определения расстояния в первую очередь зависит от правильного выбора коэффициента укорочения (КУ), который показывает, во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости его распространения в воздухе. КУ является нормируемым только для радиочастотных кабелей, а для кабеля NYM и проводников СОДК на единичных отрезках трубопровода определяется индивидуально. В инструкции к каждому рефлектометру описаны методики экспериментального определения значения КУ при известной длине исследуемой линии. Фиксируют такое значение КУ, при котором конфигурация и длина отображаемой рефлектограммы соответствуют фактическим значениям зондируемой линии. Отметим, что экспериментально полученное значение КУ для участка трубопровода (между сигнальным проводником и металлической трубой) в нормальном состоянии составляет 1,18, а для кабеля NYM 3×1,5 значение КУ равно 1,9. Оба значения приведены с допуском ±10 %, связанным с особенностями изготовления различных производителей и проведения измерений при различных внешних температурных условиях.
В большинстве случаев оператор исследует линию, состоящую из трех участков единичного отрезка теплосети: кабеля, к которому подключается рефлектометр, непосредственно трубопровода и кабеля на дальнем конце исследуемой линии, т. е. оператор экспериментально определяет значение общего для всех трех участков линии КУ. Его значение может находиться в диапазоне 1,18…1,90. Чем больше длина трубопровода относительно длины кабеля в исследуемой линии, тем ближе значение КУ к 1,18. И наоборот, при коротких участках трубопровода (10…12 м) и длине соединительных кабелей 10…20 м значение КУ для всей линии может достигать значений 1,5…1,7.
Таким образом, значение КУ зависит не только от характеристик трубопровода, его температуры и т. д., но и от соотношения его длины и длин соединительного кабеля NYM, входящего в исследуемую линию, т. е. КУ для каждого единичного отрезка трубопровода является индивидуальным, а значение его должно фиксироваться вместе с рефлектограммой единичного отрезка теплосети.
4. Особо хотелось бы отметить важность качественного формирования кабельных выводов на концевых и промежуточных элементах трубопровода. Эти элементы, изготавливаемые в условиях завода, зачастую являются причиной больших помех при проведении исследованием рефлектометром, несмотря на высокие значения Rиз. Это связано со следующими причинами:
а) При формировании соединения проводника желто-зеленого цвета «Труба» непосредственно с металлической трубой необходимо использовать О-образные клеммы, пайку проводника при соединении ее с клеммой и качественную затяжку гаек на болте, приваренном к металлической трубе (рис. 2). При нарушении этого требования со временем в результате термических воздействий контакт проводника «Труба» СОДК с металлической трубой теряется, что приводит к невозможности применения данного элемента для контроля состояния изоляции трубопровода ни на первом, ни на втором уровне.
Рис. 2. Соединение проводника «Труба» и металлического трубопровода:
2 — болт, приваренный к трубопроводу 1; 3, 4 – гайка;
5 – жила с О-образным наконечником
б) При переходе из соединительного кабеля в толщу теплоизоляции трубы зондирующий импульс рефлектометра отражается на границе волнового сопротивления 80/220 Ом, уменьшая возможность локализации дефектов трубопровода. Этот эффект многократно усиливается, если производителями фасонных изделий закладывается избыточное число проводников в месте перехода. Такое препятствие для распространения импульса является причиной необходимости увеличения его длительности и/или амплитуды, что приводит к возникновению слепой зоны в месте кабельного ввода и после него на протяжении 5…15 м (рис. 3).
Идентификация даже конца линии на отметке 28…29 м на нижней рефлектограмме не так явно выражена, как на верхней, ввиду наличия избыточных проводников (1 м) в переходе волнового сопротивления 80/220 Ом на отметке 10 м. Выходом из этой ситуации является просмотр указанной зоны с другой стороны исследуемой линии (рис. 4). Формы рефлектограмм до перехода волнового сопротивления 220/80 Ом на отметке 18…19 м идентичны. Конец линии 28…29 м на верхней рефлектограмме более заметен. Однако таких проблем можно избежать, если на заводе перед заливкой фасонного элемента ППУ вытягивать излишки проводников, добиваясь тем самым полного соответствия проектной документации (рис. 5).
в) Качество соединения проводников сигнальной линии в фасонных изделиях не всегда соответствует технологическим требованиям. Связано это в первую очередь со скрытностью работ, их трудоемкостью и невозможностью полного контроля готовой продукции. Отсутствие качественной пайки соединений, слабый обжим соединительных гильз, применение активных флюсов, применение ПВХ-изоляции, а не фторопласта и т. д. станут причинами потери электрического контакта и/или замыкания сигнального проводника на металлическую трубу. Этот процесс многократно ускоряется при термических нагрузках и может длиться от нескольких месяцев до нескольких лет.
Рис. 3. Рефлектограммы линии с переходом 80/220 Ом (отметка 10 м) с натянутыми проводниками (верхний) и с избыточным числом проводников (нижний)
Рис. 4. Рефлектограммы исследуемой с другой стороны линии с переходом 220/80 Ом (отметка 18…19 м) с натянутыми проводниками (верхний)
и с избыточным числом проводников (нижний)
Рис. 5. Пример верного исполнения концевого элемента:
1 – основной сигнальный проводник; 2 – транзитный сигнальный проводник;
3 – проводник «Труба»
5. Качество процесса записи эталонной рефлектограммы определяет возможность указания точного местоположения дефекта при его возникновении через год, 10 или 25 лет. Для каждого единичного отрезка теплосети необходимо записать как минимум четыре рефлектограммы (для каждого из проводников по две – с обеих сторон). Проводники на обоих концах должны быть разомкнуты. Коммутация с входами рефлектометров осуществляется следующим образом: сигнальная линия напрямую подключается ко входу прибора (без использования щупов, переходников, зажимов и т. д.), проводник от трубопровода – непосредственно на экран входа рефлектометра. Последовательность работы следующая:
а) Выставить значения согласующего сопротивления: при подключении через соединительный кабель NYM – 80 Ом, при соединении непосредственно к сигнальным проводникам трубопровода – 220 Ом.
б) Выставить минимально-возможные значения длительности импульса (8…10 нс) и минимальное усиление (0…8 дБ). Указать диапазон измерений больше, чем фактическая длина исследуемой линии на 30 %.
в) Определить на рефлектограмме разомкнутый конец исследуемой линии. Для его идентификации попросить помощника замкнуть несколько раз линию на дальнем конце. При необходимости увеличить значение длительности импульса и усиление.
г) Определить расстояние до конца линии на рефлектограмме, затем, изменяя значение КУ, сделать его соответствующим длине исследуемой линии.
д) Убедиться, что значение КУ находится в диапазоне 1,18…1,90.
е) Определить характерные точки трубопровода на рефлектограмме (фасонные элементы).
ж) Осуществить запись рефлектограммы. Зафиксировать значение КУ и информацию об исследуемой линии.
При поиске дефекта на трубопроводе необходимо помнить, что на рефлектограмме неоднородность волнового сопротивления означает не местоположение дефекта (нарушение целостности металлической или полиэтиленовой трубы-оболочки), а границу зоны намокания. Необходимо определить обе границы зоны намокания при зондировании единичного отрезка трубопровода с двух сторон. Вскрывать трубопровод необходимо в местах стыковых соединений, находящихся в зоне намокания, до тех пор, пока не будет определено местоположение на трубопроводе дефекта, ставшего причиной аварийной ситуации.
Заключение. Применение метода импульсной рефлектометрии для определения местоположения дефекта на трубопроводах в ППУ-изоляции, оборудованных СОДК, на данный момент является самым информационно насыщенным и точным (с учетом его в большинстве случаев бесканальной прокладки). Кроме того, данный метод служит основным способом контроля качества производства и монтажа трубопровода и является мощным инструментом организаций тепловых сетей при приемке трасс в эксплуатацию. Материал, изложенный в данной статье, направлен на улучшение профессиональной подготовки специалистов, связанных с современным и эффективным способом передачи тепла – при использовании трубопроводов в ППУ-изоляции, оборудованных СОДК.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 56380–2015. Сети водоснабжения из предизолированных труб. Дистанционный контроль качества.
2. ГОСТ 30732–2006. Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия.
3. ООО «Термолайн». Альбом технических решений по проектированию систем оперативно-дистанционного контроля трубопроводов в пенополиуретановой изоляции. М., 2014.
4. Аушев А.В., Синавчиан С.Н. Оперативно-дистанционный контроль трубопроводов в ППУ-изоляции // Энергосбережение. 2015. № 5. С. 52–56.
Интернет-источники
5. Материалы сайта www.система-одк.рф