Обоснование основных эколого-технологических параметров и управление источниками геофизических полей для анализа экологического состояния земель

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКАМИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМЕЛЬ

Специальности: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами (сельское хозяйство)

Шиканов Евгений Александрович

Москва-2010

Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» ( ФГОУ ВПО МГУП)

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Пряхин Вадим Николаевич

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» ( ФГОУ ВПО МГУП)

кандидат технических наук Жуйков Юрий Федорович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Манукьян Давид Ашикович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП)

кандидат технических наук Шавров Александр Александрович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГОУ ВПО РГАЗУ)

Ведущая организация: ЗАО «Производственное объединение Совинтервод»

Защита состоится 7 декабря 2010г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 1/201

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Автореферат диссертации размещен 23 октября 2010 года на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП по адресу: http://www.msuee.ru/html/19_1.html.

Автореферат разослан 23 октября 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сурикова Т. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Последнее десятилетие в России масштабы добычи полезных ископаемых нарастают в геометрической прогрессии. Это, прежде всего, относится к таким видам полезных ископаемых, как рудные, угольные, нефтяные и т.п., а их химический состав и фазовое состояние определяют степень и характер загрязнения территорий. Воздействие различных отраслей добывающей промышленности на компоненты экологической системы весьма многогранны и провоцируют широкий спектр негативных последствий.

Наиболее наглядно процессы деградации ландшафтов отмечаются как при разработке нефтяных месторождений, так и в процессе транспортировки и переработки.

В связи с этим увеличение добычи продуктивных углеводородов (ПУ) и, соответственно, расширение сети трубопроводного транспорта (ТТ) несет собой угрозу загрязнения различных компонентов природной среды (почв, поверхностных и подземных вод, атмосферы) в результате многочисленных аварий и утечек.

Наиболее наглядно катастрофические последствия связаны с аварией по разливу нефти в Мексиканском заливе. Не менее опасны утечки сырой нефти из нефтепроводов.

Существует настоятельная необходимость создания новых методологий, позволяющих осуществлять комплексное решение экологических и инженерно-мелиоративных задач, касающихся охраны и улучшения экологического состояния территорий.

Поэтому необходимо постоянно совершенствовать систему поиска и идентификации мест утечек, основанных на периодическом контроле объектов добычи и транспортировки продуктивных углеводородов, а так же состояния прилегающих к ним территорий с использованием метода хроматографического, радиолокационного, рентгеновского и акустического контроля.

Повышение их эффективности лежит на пути усовершенствования и комплексирования этих методов, соответствующей аппаратуры, а так же разработки принципов автоматизации процесса измерений.

Таким образом, решение задачи по созданию эффективных технических средств автоматизированного экологического состояния природной среды в зоне влияния ТТ (на базе источников радиационных и акустических полей) является весьма актуальной при решении проблемы контроля и охраны окружающей среды.

Цель исследований - создание технических средств обеспечения эффективного автоматизированного экологического мониторинга для охраны земель на основе комплексирования современных физических методов дистанционного контроля на разных информационных уровнях.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить влияние техногенных (ТГ) факторов на состояние зон СХП в РФ и современного состояния работ по экспрессному мониторингу загрязненности почвогрунтов на основании анализа литературных источников.

2. Разработать схемы эффективного автоматизированного экологического мониторинга для охраны земель на основе комплексирования современных рентгеновских, ультразвуковых, хроматографических, радиолокационных и лазерных методов дистанционного контроля.

3. Разработать аппаратурный комплекс для наземного хроматографического контроля утечек углеводородов с использованием ультразвуковой дегазации исследуемой среды.

4. Разработать аппаратурный комплекс для дефектоскопического контроля состояния элементов ТТ с использованием ультразвуковых и импульсных рентгеновских излучателей.

5. Разработать и обеспечить серийный выпуск импульсных генераторов рентгеновских квантов (ИГРК) на базе ускорительной трубки (УТ) с точечной излучающей мишенью.

6. Разработать методику дистанционного нейтронного контроля влажности почвогрунтов с использованием портативного нейтронного генератора (ПНГ) и автоматизированной системы мониторирования нейтронного потока.

Научная новизна исследований заключается в разработке новых средств автоматизации экспресс-контроля различных объектов окружающей среды с использованием ИГРК, защищенных патентами РФ и действующих макетов аппаратуры на базе ультразвуковых излучателей и ПНГ.

Впервые предложено использовать ядерную методику дистанционного контроля влажности почвы с использованием ПНГ.

Разработана усовершенствованная методика локализации дефектов в элементах трубопроводов, в которой осуществляется комплексирование акустического и рентгеновского методов по результатам натурных исследований на модели оболочки трубы.

Предложена и апробирована хроматографическая методика локализации зон повышенного содержания углеводородов в почве с использованием транспортабельного ультразвукового дегазатора, признанная изобретением. влажность радиофизический эмиссия хроматографический

Разработана оригинальная УТ для генерации рентгеновских квантов на тонкой цилиндрической мишени малого размера, защищенная патентом РФ на полезную модель.

Достоверность результатов подтверждается хорошей повторяемостью результатов выполненных исследований, положительным опытом их внедрения в производство, а также совпадением результатов теории и эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложен новый подход и инструментарий, позволяющие получать информацию, необходимую для принятия рациональных решений по управлению технологическим процессом предотвращения необратимой деградации почв в зонах добычи и транспортировки углеводородного сырья, территориально совмещенных с зонами СХП с использованием радиационных, акустических и хроматографических методов контроля. Разработка защищена 3 патентами РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- принципы комплексирования методик дистанционного контроля и профилактики возможного загрязнения почвогрунтов с использованием современной геофизической аппаратуры, включая рентгеновские и ультразвуковые излучатели;

- методика неразрушающего определения дефектов в элементах систем ТТ углеводородов, создающих угрозу загрязнения земель, прилегающих к зонам СХП, транспортируемыми и добываемыми продуктивными углеводородами;

- нейтронная методика дистанционной влагометрии почв с помощью ПНГ и принципы построения аппаратурного комплекса для ее реализации;

- методика локализации участков агроплощадей с аномально высоким содержанием углеводородов в почве путем ее дегазации ультразвуком;

- результаты разработки аппаратурного комплекса импульсного рентгеновского контроля на базе оригинальной малогабаритной УТ с внутренним анодом;

- методика локализации участков трубопроводов с дефектами методом акустической эмиссии.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных научно-практических конференциях по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Москва, 2003-2009гг.; Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь», г. Пенза, 2009г.; 5-й Международной научно-практической конференции «Краеведческие аспекты Географических исследований и образования», г. Пенза, 2009г.; Украинской конференции по моделированию и устойчивости систем, г. Киев, 1996г.; Международных конференциях по моделированию динамических систем и исследованию стабильности, г. Киев, 2003, 2005гг.; 8-м Международном симпозиуме по радиационной физике, г. Кейптаун, 2003г.; 6-м Международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, г. Москва, 2003г.; Научных сессиях МИФИ, г. Москва, 2003-2010гг.; Международной конференции по текущим проблемам ядерной физики и атомной энергии, г. Киев, 2008г.; Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, г. Обнинск, 2008г.

Реализация результатов исследования. Мелкосерийное производство приборов дефектоскопического контроля на базе ИГРК, разработанных по материалам диссертации, было освоено на Экспериментальном заводе импульсной техники (ЭЗИТ), методики их применения успешно внедряются на объектах ТТ нефти и газа, пересекающих зоны СХП: Пермь - Альметьевск, Суходольная - Родионовка, Балтийская трубопроводная система, Московская область, Краснодарский край, а также в организациях газнадзора РФ. Действующие макеты аппаратуры и соответствующие нейтронные и акустические методики контроля прошли экспериментальную проверку в МИФИ (г. Москва), ИЯИ АН Украины (г. Киев), Институте геофизических и радиационных технологий МАН ВШ (г. Москва), Словацком институте метрологии (г. Братислава).

Результаты исследований были использованы в учебном процессе при проведении занятий по курсам «Безопасность жизнедеятельности» в МГУП и «Физические установки» в МИФИ.

Личный вклад автора в получении результатов состоит в:

- создании комплексных методик неразрушающего контроля элементов систем ТТ продуктивных углеводородов, пересекающих зоны СХП с использованием радиационных и акустических полей;

- разработке принципов построения аппаратурных комплексов, реализующих указанные методики;

- исследовании и разработке ИГРК для дефектоскопии элементов конструкций трубопроводов;

- разработке нейтронной методики дистанционной влагометрии почв с помощью ПНГ и принципов построения аппаратурного комплекса, реализующего указанную методику.

- разработке методики определения участков агроплощадей с высоким содержанием углеводородов в почве путем ее дегазации ультразвуком.

Публикации.

По результатам диссертации имеется 37 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах с независимым рецензированием по списку ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Объем работы. Диссертация содержит 138 страниц основного текста, 43 рисунка, 13 таблиц и состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и библиографии, включающей 172 наименования отечественных и зарубежных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы и обоснованы основные задачи исследований.

В первой главе на основе опубликованных данных проанализированы причины деградации агроландшафтов под влиянием ТГ нагрузок и условия возникновения зон экологического неблагополучия (ЗЭН).

В настоящее время под контролем Ростехнадзора России находятся системы магистральных трубопроводов различного назначения общей протяженностью 227,4 тыс. км, в том числе газопроводы - 157 тыс. км, нефтепроводы - 47 тыс. км, нефтепродуктопроводы и конденсатопроводы - 22 тыс. км и т.п. Системы магистральных трубопроводов включают более 1100 насосных и компрессорных станций, 3506 газораспределительных станций, 581 резервуарный парк общей вместимостью 18 млн. м3 (по данным М.В. Лисанов, А.С. Печеркина, 2001 г.).

Магистральные трубопроводы пересекают все природно-климатические зоны России (35% территории), где проживают около 60% населения страны. Значительная часть трубопроводов в России проложены в районах с низкими температурами, в многолетней мерзлоте, в заболоченной местности на подтапливаемых территориях с агрессивными грунтовыми водами; по территориям, подверженным карсту, овражно-балочной эрозии и другим неблагоприятным экзогенным геологическим процессам.

Сеть магистральных трубопроводов протянулась по густонаселенным территориям Центрально-Европейской части России, а также по исключительно ценному в сельскохозяйственном отношении Югу России.

Она проходит вблизи населенных пунктов и промышленных предприятий, пересекает железные и автомобильные дороги, реки, озера и каналы.

Сооружаются многониточные системы - до 9 параллельных трубопроводов в одном коридоре. Такая концентрация энергетических мощностей не встречается нигде в мире.

На территории России примерно 46% нефтепроводов эксплуатируются свыше 20 лет, причем 25% нефтепроводов и 34% продуктопроводов построены более 35 лет назад (М.В. Лисанов и др. 2001 г.).

Таким образом, магистральные трубопроводы России можно оценить как потенциально экологически опасные объекты, представляющие угрозу населению и окружающей среде; это определяется физико-химическими свойствами транспортируемых углеводородов и продуктов их переработки, а также сложившимися в настоящее время особенностями эксплуатации данного вида транспорта.

Транспортировка нефти оказывает серьезное воздействие на природную среду. Нефть, нефтепродукты загрязняют воздушную и водную среду, почву, подземные воды и представляют, таким образом, непосредственную опасность для здоровья населения, т.к. обладают резко выраженными канцерогенными и мутагенными свойствами.

Потенциальная экологическая опасность для окружающей среды особенно высока в нефтедобывающих регионах страны: в Западной Сибири, Республике Коми, Башкорстане, Татарстане и др. Опасность загрязнения окружающей среду нефтепродуктами проявляется также в местах пересечения ТТ и водных объектов (в настоящее время их в России более 6 тысяч). На этих территориях формируются линейные геохимические аномалии, происходит глубокая трансформация приповерхностной части литосферы (по данным Ю.И. Пиковского, А.Н. Генадиева и др., 2002г).

Серьёзный ущерб окружающей среде наносится разливами нефти и минерализованных сточных вод прежде всего вследствие прорывов ТТ, вызванных различными причинами.

По данным Минтопэнерго России общее число аварий на промысловых нефтепроводах только в 1995 году составило 25477, из них наибольшее число пришлось на компании «Татнефть» (5805) и «Роснефть» (4247).

Основным средством минимизации отрицательных явлений, связанных с загрязнением сельхозплощадей ПУ, является контроль состояния средств добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья с использованием современных методов интроскопии.

Фактор риска загрязнения зон СХП и водных бассейнов ПУ связан с возможностью близкого расположения к ним территорий добычи и транспортировки нефти и газа.

На рис.1 в качестве примера приводится кривая роста в массовом выражении количества продуктивных углеводородов, попадающих в окружающую среду в результате утечек из систем ТТ. Кривая построена на основе информации, полученной для нефтегазовых объектов Татарстана.

Рис. 1. Кривая роста утечек продуктивных углеводородов на примере нефтегазовых объектов Татарстана.

Как видно из графика, кривая имеет резкий восходящий тренд после 2000 года. Это связано с увеличением добычи и переработки нефти и газа, расширением сети ТТ и износом ее элементов.

Автором был проведен выборочный анализ причин возникновения аварийных ситуаций, основанный на данных ряда региональных экологических служб и Газнадзора. Оказалось, что 40% утечек связаны с ошибками, сделанными в процессе проектирования, прокладки и монтажа ТТ, 30% связаны с естественной коррозией металла, а остальные 30% с человеческим фактором.

В рассматриваемой главе диссертации проведена классификация различных веществ- загрязнителей формирующих вредные для природы ТГ потоки, связанные с непосредственным попаданием нефти и пластовых вод в почву и водную среду, а также возникающие при горении углеводородов.

Воздействие ТГ- потоков на природную среду весьма разнообразно и зависит, от свойств, как самого потока, так и от состояния объекта воздействия. Например, характер воздействия нефти на природную среду включает факторы экологичности технических объектов; индивидуальные свойства ТГ потоков и природно-экологический потенциал территории. На рис.2 представлены оценки основных факторов воздействия ТГ потоков, связанных с нефтедобывающем производством на природную среду.

Рис.2. Принципы комплексной оценки ТГ воздействий на природную среду

Для характеристики экологической опасности загрязнения природных сред нефтью необходимо разработать методы оценки «воздействия-последствия». Наиболее важными методами такого анализа являются: методы матричных оценок; методы комплексного прогнозного эколого-геохимического картографирования.

ТГ воздействие на природные комплексы часто приводят к достаточно глубокой трансформации не только почв, но и ландшафтов в целом; возможен переход одного генетического типа почв в другой; замена одного типа ландшафтных комплексов другими. Отдельные группы природных факторов и процессов могут способствовать или препятствовать разрушению природной среды в зоне техногенеза. Это означает, что каждая характеристика ландшафтов несет ту или иную прогнозную информацию не только о свойствах ландшафтов, но и их возможных ответных реакциях на ТГ процесс. Активность естественной деградации органических загрязнителей возрастает по мере увеличения суммы активных температур и изменения влажности. Соответственно меняется и устойчивость зональных ландшафтов относительно загрязнителей. Чем активнее разложение веществ в ландшафте, тем он устойчивее (метаболизм).

Во второй главе рассмотрены вопросы контроля экологического состояния объектов СХП, используются различные методики, основанные на достижениях современной физики. Особое значение придается радиофизическим методам исследования природной среды, т.к. с помощью радиофизической аппаратуры можно обследовать поверхность Земли с самолетов и спутников в любое время суток и в любых метеорологических условиях.

Физической основой измерения влажности почвогрунта с помощью радиофизической аппаратуры является зависимость измеряемых параметров от диэлектрических свойств покровов, которые в свою очередь непосредственно связаны с влажностью. Увеличение диэлектрической проницаемости, связанное с увеличением влажности почвогрунта, уменьшает интенсивность теплового радиоизлучения и увеличивает коэффициент радиолокационного рассеяния. Дистанционное зондирование может осуществляться с летательного аппарата. Схема и принцип работы аппаратурного комплекса такого определения влажности почвы радиолокационным (РЛ) методом представлен на рис. 3.

Постоянный текущий контроль экологического состояния объектов транспорта ПУ проводится параллельно на разных уровнях.

На первом уровне осуществляется съемка и анализ газовых полей при зондировании атмосферы излучением лазера, установленного на летательном аппарате. При этом получается информация об аномальных участках повышенной концентрации органических соединений в атмосфере. Уровень локализации утечки составляет сотни метров.

Более точно локализовать место утечки можно, проводя наземную или надводную газовую съемку. Для этого по трассе газо- и нефтепровода необходимо перемещать транспортное средство, с системой хроматографического анализа.

Более детальная локализация дефекта трубопровода (с точностью до 1м) осуществляется акустическими методами, основанными на свойствах распространения ультразвуковых волн в стальной оболочке трубы. На данный момент широко используются активные акустические методы, когда в оболочке трубы возбуждают бегущую волну. Она отражается от неоднородностей- дефектов и регистрируется пьезоэлектрическим микрофоном.

В последнее десятилетие появилось много работ по ультразвуковому излучению развивающихся трещин в твердом теле (акустической эмиссии) и исследованию возможностей его использования для анализа стресс-коррозионных повреждений различных металлоконструкций. Метод акустической эмиссии является пассивным, поскольку не требует использования специальных ультразвуковых излучателей. Простейшая схема его использования для обнаружения дефектов представлена на рис. 4.

Рис.4. Схема обнаружения дефектов в исследуемом объекте методом акустической эмиссии:

1- источники акустической эмиссии (дефекты), 2- упругие акустические волны напряжений, 3- пьезоэлектрический преобразователь, 4- анализатор ультразвуковых сигналов.

На последнем этапе поиска дефекта или коррозийного повреждения в трубе чаще всего используют традиционные методы рентгеновского просвечивания с использованием ИГРК на баз малогабаритных УТ. При этом важной задачей является повышение точности нахождения дефекта и контрастности изображения, которую можно решить на пути повышения мощности дозы излучения в области контролируемого объекта и минимизации размера излучающей мишени УТ. В общем случае процедуру контроля можно представить в виде следующей схемы (рис.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 5. Традиционная схема контроля дефектов: 1- источник излучения (ИГРК на базе УТ или ультразвуковой излучатель); 2- исследуемый объект; 3- первичный преобразователь информации (детектор или пьезоэлектрический преобразователь); 4- преобразователь "аналог-код"; 5- профессиональный компьютер; 6- буфер для передачи контрольной информации.

При контроле возможно обеспечение, как режима индикации дефекта, так и режима определения его координат, размеров и ориентации с использованием методов томографии.

Третья глава посвящена разработке методик диагностики состояния элементов ТТ, пересекающего зоны СХП.

Для обеспечения современных требований к средствам контроля элементов ТТ, необходимо повышать контрастность, чувствительность, экспрессность и радиационную безопасность измерений для соответствующих аппаратурно-методических комплексов.

На данном этапе наиболее эффективным с точки зрения автоматизации и повышения экспрессности измерений представляется использование преобразователей плотности потока рентгеновского излучения в электрический сигнал, перемещаемых вдоль контролируемого шва, вместо традиционных рентгеновских пленок. Возможно так же использование позиционно- чувствительных детекторов- сборок из таких преобразователей, распределенных по всему контролируемому шву (детекторных линеек). В настоящее время для этих целей широко используются матрицы преобразователей с зарядовой связью (ПЗС).

Возможная геометрическая схема подобного контроля с импульсным рентгеновским излучателем на базе УТ, защищенная патентом РФ на изобретение, представлена на рис.6.

Рис.6. Геометрия просвечивания сварного шва с размещением излучателя вне полости трубы (патент РФ №2318203):

1-мишень источника излучения;

2- стенка трубы в области сварного шва;

3- преобразователь плотности потока рентгеновского излучения в электрический сигнал;

4- пьезоэлектрический датчик;

5- ультразвуковой излучатель

Амплитуда электрического сигнала с детектора рентгеновского излучения (3) зависит от угла :

где

Для идентификации дефекта необходимо потребовать выполнение следующих условий: ; , определяющих влияние возможного дефекта на прохождение рентгеновского излучения через просвечиваемый объект.

В качестве источника рентгеновского излучения использовался специально разработанный для этих целей ИГРК на базе ускорительной трубки (УТ), защищенной патентом РФ на полезную модель. Схематический разрез этого изделия представлен на рис.7.

а)

б)

Рис. 7.Схематический разрез (a) и общий вид (б) УТ для генерации рентгеновских квантов (патент РФ №.71817): 1- гофрированный керамический изолятор; 2- анод; 3- катод.

Разработанная УТ обеспечивает необходимую дозу излучения, поглощаемую на объекте, расположенном на расстоянии R от ее мишени за один импульс срабатывания трубки:

где k(R)- коэффициент получаемый экспериментально, [r(t)/r_А]- геометрический фактор ускоряющей системы, U(t)- ускоряющее напряжение, t_у- время ускорения.

Для повышения информативности и надежности контроля элементов систем ТТ предлагается другая схема контроля, представленная на рис.8, в которой работают одновременно устройства с рентгеновским и акустическим источниками, реализующие традиционные методики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 8. Общая схема комплексного контроля дефектов:

1- ИГРК или ультразвуковой излучатель;

2- исследуемый объект;

3- детектор рентгеновских квантов или микрофон;

4- системы телеметрии;

5- компьютер;

6- блок передачи контрольной эталонной информации.

Информация о дефекте, получаемая по акустическому каналу содержится как во временных, так и в амплитудных характеристиках сигнала и может при использовании известных преобразователей типа аналог-код быть представлена в цифровом виде для последующей компьютерной обработки. Такое сочетание двух независимых методик позволяет исключить ошибки, связанные с ориентацией дефекта-трещины относительно волнового вектора акустической волны. При использовании цифровой системы обработки сигналов и использовании детекторных линеек буфер будет иметь дополнительную функцию обмена информацией, а компьютер может осуществлять по специальной программе корреляционный анализ сигналов с каждого устройства. В этом случае существенно повышается достоверность получаемой информации и чувствительность к обнаружению мелких дефектов, которые также могут приводить к аварийным ситуациям в процессе своего развития.

На практике, при реализации полевых, малогабаритных устройств по указанной схеме комплексирования рентгеновского и акустического методов, наиболее просто получить необходимую дополнительную информацию, используя «метод эха» на азимутальной акустической волне. Для этого параллельно рядом с рентгеновским излучателем на определенном угловом расстоянии располагается ультразвуковой излучатель, возбуждающий в оболочке трубы волну Лэмба, с волновым вектором, направленным вдоль азимутальной координаты. Частота акустической волны зависит от толщины стенки трубы и может достигать 10 МГц. Рядом с излучателем расположен пьезоэлектрический микрофон. В качестве приемника может быть использован и сам излучатель в силу обратимости пьезоэлектрического эффекта, что существенно упрощает систему контроля. Представление получаемой информации в цифровом виде позволяет автоматизировать процесс измерений, а также интерпретировать ее на компьютере.

Ультразвуковые методы контроля магистральных трубопроводов могут быть реализованы, как в активном, так и в пассивном режимах, поскольку дефект сам является источником звука (эффект акустической эмиссии). Он излучает волны дискретно отдельными волновыми пакетами. При этом информацию о дефекте могут нести cредняя частота генерации волновых пакетов, их частотный спектр, амплитуды и длительность во времени.

Частота генерации волновых пакетов составляет величину (0.1-1)Гц. Ее можно измерять с помощью пересчетных устройств, используемых в ядерной физике. При этом предварительная локализация дефекта будет осуществляться в процессе перемещения микрофона вдоль трубы или использовании нескольких неподвижных микрофонов. Автором был предложен и экспериментально обоснован один из вариантов реализации такой методики.

Получаемая методом акустической эмиссии предварительная информация о наличии и области локализации дефекта позволяет сократить время непрерывной работы ИГРК и за счет этого увеличить срок его службы, а так же условия радиационной безопасности дефектоскопического контроля.

Четвертая глава посвящена разработке методики использования акустического излучения при решении экологических задач в зонах СХП. В частности при реализации метода хроматографического контроля содержания ПУ в почве и воде путем ультразвуковой дегазации.

Для эффективной реализации таких акустических технологий необходимо понимание процессов взаимодействия акустических волн со средами, имеющими стохастические неоднородности, моделирующие реальные объекты акустического воздействия. В диссертации рассмотрен важный случай распространения монохроматической акустической волны в пористой среде со случайными распределениями пор по пространственным координатам и их характерным линейным размерам, моделирующим заданную среду.

Предложена модель процесса, использующая самосогласованное скалярное уравнение Гельмгольца для усредненной комплексной амплитуды рассматриваемой акустической волны и рассмотрены некоторые предельные случаи решения данного уравнения. Модель позволяет анализировать амплитудные, фазовые и диссипативные характеристики ультразвуковых волн в указанных пористых средах, как на уровне аналитических расчетов, так и с привлечением современной компьютерной техники.

Согласно предложенной модели, фактор воздействия на пористую среду является следствием диссипации вынужденных ультразвуковых колебаний пор и сильного нагрева вещества, заполняющего поры. Связь между плотностью потока энергии в области воздействия и на поверхности акустического излучателя определяется коэффициентом затухания акустической волны, для которого в работе были получены соответствующие приближенные формулы.

Были проведены расчеты для диапазона частот ультразвуковых колебаний близких к номинальной 20 кГц. Такая частота представляется оптимальной при использовании в качестве вибратора электромеханического резонансного излучателя (магнитостриктора).

Амплитуда акустической волны давления определяется следующим выражением:

р,

где р_и- давление на поверхности излучателя, r_и - характерный размер излучателя, - коэффициент затухания.

Расчет показал, что при временах воздействия на среду 1ч температура в порах может обеспечивать термодинамическое давление достаточное для разрушения глинистых образований, заполняющих капилляры флюидопроводящей среды при плотности потока энергии на излучающем элементе 10⁴ Вт/м².

Воздействие ультразвукового излучения на почву, содержащую углеводороды, может приводить к их десорбции и эмиссии в атмосферу. Процесс десорбции также можно объяснить как увеличением температуры в поровом пространстве, так и вынужденными механическими колебаниями отдельных частиц почвы, за счет чего активизируются диффузионные процессы, а также, может происходить переход углеводородного флюида в газообразное состояние, если углеводород жидкий.

Этот эффект был использован для экспрессного определения зон повышенного содержания углеводородов техногенного происхождения в почве путем подобной акустической дегазации.

Для расчета волны давления p ультразвукового излучения, которое осуществляет воздействие на почвенный покров через акустический волновод, можно использовать одномерное уравнение Гельмгольца:

,

где

коэффициент затухания, k- волновое число, , - первый и второй коэффициенты вязкости соответственно, - коэффициент теплопроводности, c_v, c_p- соответственно удельные теплоемкости воздуха, заполняющего волновод, - плотность, с- скорость звука. Если волновод заполнен жидкостью, то второй член в квадратной скобке следует положить равным нулю.

На рис. 9 представлена принципиальная схема предлагаемого транспортабельного аналитического прибора. При обнаружении факта утечки локализуется участок трубопровода с вероятным повреждением.

Рис. 10 иллюстрирует обнаружение аномалии газовыделения по показания хроматографа, перемещаемого вдоль трассы трубопровода вместе с дегазатором вблизи крановой площадки, играющей роль указанной аномалии.



Рис.9. Схема газоаналитического контроля почвы с использованием хроматографа и ультразвукового дегазатора (патент РФ №:2308640):

1- трубопровод;

2,3- грунт с почвенным покровом;

4- труба для забора газа;

5- консоль; 6- выхлопной патрубок;

7- элемент крепления;

8- звуковой генератор;

9- вибратор; 10- волноводы;

11 насос; 12- фильтр;

13- газовый хроматограф.

Рис.10. Результаты эксперимента на трассе магистрального газопровода.

На основе предложенной модели взаимодействия ультразвуковых волн со стохастической пористой средой были также сформулированы требования к ультразвуковым излучателям для решения задач повышения дебита водоносных и нефтяных скважин, которые успешно применяются на территориях с дефицитом водоснабжения и нефтяных месторождениях.

В пятой главе приводятся результаты исследования по нейтронной диагностике экологического состояния различных объектов, расположенных в сельской местности. В частности рассмотрена задача дистанционного контроля влажности почвы.

Поскольку в состав молекулы воды входят водород и кислород, то одним из признаков изменения ее содержания в почве могут служить изменения концентраций ядер этих элементов. Для их определения можно использовать метод, основанный на ядерной реакции радиационного захвата нейтрона Н(n,)D. Для определения концентрации ядер кислорода предложен метод, использующий нейтронную активацию на реакции ¹⁶О(n,p)¹⁶N, когда образуются жесткие г- кванты, изменение интенсивности которых можно описать следующим дифференциальным уравнением:

где T_1/2=7.35с- период полураспада ядра ¹⁶N, Q- средний поток нейтронов в полный телесный угол, n-объемная концентрация ядер ¹⁶О в исследуемой среде, V- коэффициент с размерностью м³, определяемый сечением реакции ¹⁶О(n,p)¹⁶N, средними значениями длины замедления нейтронов, коэффициентом поглощения г- квантов и геометрией облучения.

Измеряя на заданном элементарном участке почвенного покрова c номером i и площадью S_i среднюю наведенную активность А_i, можно получать информацию о содержании кислорода, а следовательно и воды в почве. При этом должно выполняться следующее приближенное соотношение:

А_iQn_iV,

где n_i- среднее значение объемной концентрации ядер ¹⁶О на участке S_i.

Приведенная формула позволяет идентифицировать дефицит или избыток кислорода, присущий исследуемым участкам. Такой подход позволяет использовать простую интегральную систему регистрации. При этом

,

где - калибровочный коэффициент, определяемый типом детектора, m- номер нейтронной вспышки, N_im- интегральный счет гамма-квантов для m- го временного подъинтервала, соответствующего прохождению прибором i-го участка. Нейтронная вспышка, соответствующая этому интервалу идентифицируется парой индексов (m, i). _im- поправки на импульсную нестабильность генерации нейтронов вакуумной УТ, значение которых может составлять величину 10-50%.

Порог реакции ¹⁶О(n,p)¹⁶N равен 10.2 МэВ, поэтому для ее обеспечения пригоден ПГН, использующий ядерную реакцию Т(d,n)⁴He. Идентификация жестких г- квантов (энергия Е=6.13 МэВ, 7.1 МэВ), излучаемых ядрами ¹⁶N, осуществляется путем энергетической отсечки более мягкого (ЕЕ₀=3МэВ) излучения. Для отработки методики был изготовлен лабораторный макет аппаратуры, использующий ПГН, излучающий поток >10⁸ н/с. На рис.11 представлена блок-схема указанного макета.



Рис.11. Блок-схема действующего макета нейтронно-активационного влагометра почвы:

1- компьютерный блок управления и обработки сигнала;

2- блок телеметрии;

3- система формирования сигнала;

4- блок питания;

6- сцинтилляционный детектор гамма- излучения

7- ПГН

Надежности определения влажности можно поднять, измеряя параллельно в другом временном диапазоне поток г- квантов радиационного захвата на водороде и сопоставляя эти данные с данными активационных замеров.

Следует отметить, что путем внесений определенных изменений в систему регистрации вторичного излучения, описанный выше прибор может быть использован и для контроля содержания азота в почве. Что также очень важно для сельского хозяйства. При этом идентификация азота может осуществляться с помощью реакции ¹⁴N(n,2n)¹³N c образованием нестабильного радионуклида.

В приложении к диссертации рассмотрена возможность использования ПГН в скважинной модификации для контроля успешности действий по повышению дебита скважин экологически чистым ультразвуковым методом, который может заменить кислотные и гидродинамические методы воздействия, потенциально опасные для окружающей среды.

Экспериментальное опробование предлагаемой системы контроля повышения нефтеотдачи с помощью скважинных ПГН было успешно проведено на нефтяных объектах Татарии и Западной Сибири. При потоке нейтронов 10⁸ н/с в области воздействия наблюдалась корреляция между скоростью счета г- детектора в области воздействия и последующим увеличением дебита скважины, связанным с уменьшением глинистого содержания пор в зоне извлечения продуктивного флюида.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что наиболее глубоко процессы загрязнения и деградации ландшафтов происходят при разработке нефтяных и газовых месторождений, при транспортировке углеводородного сырья.

2. С целью постоянного контроля состояния объектов добычи и транспортировки углеводородного сырья разработан комплекс современных, рентгеновских, ультразвуковых, хроматографических, радиолокационных и лазерных методов, позволяющих осуществлять эффективный экологический мониторинг. В частности, разработан аппаратурный комплекс для дефектоскопического контроля состояния элементов ТТ с использованием ультразвуковых и импульсных рентгеновских излучателей; разработан аппаратурный комплекс для наземного хроматографического контроля утечек углеводородов с использованием ультразвуковой дегазации исследуемой среды. Разработана методика дистанционного контроля влажности почвенного покрова с использованием портативного нейтронного генератора (ПНГ) и автоматизированной системы контроля нейтронного потока.

3. Разработан и обеспечен серийный выпуск импульсивных генераторов рентгеновских квантов (ИГРК) на базе ускорительной трубки (УТ) с точечной излучающей мишенью.

4. Представленные в диссертации научно-методические и экспериментальные разработки автора подтверждены патентами РФ:

- «Способ диагностики состояния магистрального трубопровода» (патент РФ на изобретение №2318203 приоритет от 07.06.2006г);

- «Способ определения утечек углеводородных компонентов из подземного магистрального трубопровода» (патент РФ на изобретение №2308640, приоритет от 23.03.2006г);

- «Малогабаритная ускорительная трубка для генерации рентгеновских квантов» (патент РФ №71817 на полезную модель, приоритет от 03.10.2007г).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Издания, рекомендуемые ВАК РФ

1. Шиканов Е.А., Пряхин В.Н., Жуйков Ю.Ф., Темирсултанов Э.Э. Применение акустических технологий [текст] / Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М., 2008, №7. - С.48…49.

2. Шиканов Е.А., Атаманов В.В., Пряхин В.Н. Автоматизированный контроль состояния трубопроводов в производственной сельхоззоне [текст] / Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М., 2008, №6. - С. 41…42.

3. Шиканов Е.А., Мягков Б.А. Разработка и исследование импульсного генератора рентгеновского излучения [текст] / Атомная энергия, т. 106, в. 4, 2009. - С. 57…62.

4. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Пряхин В.Н. Использование нейтронных генераторов для контроля повышения нефтеотдачи скважин при ультразвуковом воздействии [текст] /Атомная энергия, т. 97, в. 3, 2004. - С. 222…224.

Материалы международных, межвузовских, научно-практических конференций и другие издания

5. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Пряхин В.Н., Ильинский А.В. К вопросу о бесконтактной оценке влажности почвы ядерными методами [текст] /Материалы Международной н.-п. конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования». - М.: «Норма», МАЭБП, 2008, в.6, т.2 . - С. 438…440.

6. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Ильинский А.В., Пряхин В.Н. Возможности экспрессного содержания углеводородов техногенного происхождения в почве и воде путем ультразвуковой дегазации [текст] /Материалы Международной н.-п. конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования». - М.: «Норма», МАЭБП, 2006, в.7. - С.162…165.

7. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Нестерович А.В., Пряхин В.Н. Вопросы комплексного применения узконаправленных потоков тормозного излучения и ультразвука в системе очистки воды, загрязненной биологическими и химическими отходами [текст] /Материалы Международной н.-п. конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования». - М.: «Норма», МАЭБП, 2006, в.7. - С.223…226.

8. Шиканов Е.А., Городнов А.В., Жуйков Ю.Ф., Михайлов Л.А. Нейтронный контроль повышения дебита нефтяных и газовых скважин в процессе ультразвукового воздействия на пласт. [текст] /Научная сессия МИФИ - 2004. // Сб. научных трудов. - М.: 2004, т.7. - С. 169…170.

9. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Ковалев Д.А. Особенности контроля трубопроводов с помощью управляемых ультразвукового и гамма-излучений [текст] /Научная сессия МИФИ - 2005. // Сб. научных трудов. - М., 2005, т.7. - С. 178…179.

10. Шиканов Е.А., Городнов А.В., Жуйков Ю.Ф., Пряхин В.Н. Контроль повышения нефтеотдачи скважин при ультразвуковом воздействии на призабойную зону с использованием нейтронных географических методов. [текст] /Материалы Международной н.-п. конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования». - М.: «Норма», МАЭБП, 2005, в.6, т.2 . - С. 441…443.

11. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Михайлов Л.А. Математическое моделирование распространения акустических волн в стохастической среде [текст] /Thesis of International Conference Reports “Dynamical System Modeling and Stability Investigation”. - Kyiv, 2003, p. 171.

12. Шиканов Е.А., Жуйков Ю.Ф., Михайлов Л.А. Вероятностная оценка эффективности нейтронного контроля повышения дебита скважин при ультразвуковом воздействии [текст] /Thesis of International Conference Reports “Dynamical System Modeling and Stability Investigation”. - Kyiv, 2005, p. 183.

13. Шиканов Е.А., Городнов А.В., Ильинский А.В., Жуйков Ю.Ф. Neutron Monitoring of Well Production Enhancement in the Process of Ultrasound Stimulation of the Fluid Extracthin Zone /Proc. 9-th Intern. Sympos. Radiation Physics (Cape Town), 2003, p. 172.

14. Шиканов Е.А., Ворончихин С.Ю., Жуйков Ю.Ф., Ильинский А.В. Использование ультразвукового дегазатора для индикаций утечек углеводородов [текст] /Научная сессия МИФИ - 2006. // Сб. научных трудов. - М. 2006, т.5. - С. 161…162.

15. Шиканов Е.А., Добровольский Е.А., Ильинский А.В., Михайлов Л.А. Автоматизированная система измерений нейтронных полей линейных ускорителей заряженных частиц [текст] /Научная сессия МИФИ - 2006. // Сб. научных трудов. - М., 2006, т.7. - С. 141…142.

16. Шиканов Е.А., Ворончихин С.Ю., Ковалев Д.А., Двухмерный алгоритм поиска дефектов методом акустической эмиссии и модельный эксперимент по его тестированию [текст] /Научная сессия МИФИ - 2007. // Сб. научных трудов. - М., 2007, т.5. - С. 120…121.

17. Шиканов Е.А., Ворончихин С.Ю. Выработка критериев оценки параметров дефектов сварных соединений по характеристикам сигналов акустической эмиссии [текст] /Научная сессия МИФИ - 2008. // Сб. научных трудов. - М., 2008, т.3. - С. 163…165.

18. Шиканов Е.А., Бурцева Д.В., Коломиец Н.Ф., Мягков Б.А. Research and development of x- ray quantum portable generator for flaw detection. The 2-nd Int. Conf. Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy. Proceeding of the Npae-2008, Kyiv, p. 703…706.

19. Шиканов Е.А., Злобин А.Д., Пряхин В.Н., Рыков С.В. Экологическая безопасность и оптимизация химико-технологических процессов в условиях промышленного производства [текст] /Сб. трудов XVII Международной н.-п. конференции «Экология и жизнь». - Пенза: ПДЗ, 2009. - С. 88…90.

20. Шиканов Е.А., Пряхин В.Н., Злобин А.Д., Рыков С.В. Экологическая безопасность и принципы оптимизации режима химико-технологического процесса, действующий макет прибора [текст] /Сб. трудов XVII Международной н.-п. конференции «Экология и жизнь». - Пенза: ПДЗ, 2009. - С. 100…102.

21. Шиканов Е.А., Ковалев В.В., Хоменко Н.Д., Рыков С.В. Проблема последствий мелиорации в Смоленской области [текст] /Сб. статей 5-ой Международной н.-п. конференции. - Пенза, 2009. - С. 43…45.

22. Шиканов Е.А., Пряхин В.Н., Атаманов В.В., Толстых Р.С. Определение взаимосвязи физико-химических свойств, строения химических веществ и их токсичности./ Вестник Международной общественной Академии экологической безопасности и природопользования. - М.: Изд-во МОАЭБП, 2009, в.7(14). - С. 40…49.

23. Шиканов Е.А., Злобин А.Д., Пряхин В.Н. Пути реализации химико-технологических процессов в условиях промышленного и сельскохозяйственного производства [текст] /Сб. статей 5-ой Международной н.-п. конференции. - Пенза, 2009. - С. 46…48.

24. Шиканов Е.А., Ильинский А.В., Лобачева Н.Г., Титкина Т.А. Способ определения утечек углеводородных компонентов из подземного магистрального трубопровода. Патент РФ на изобретение № 2308640, приоритет от 23.03.2006, Б.И. № 29 за 2007г.

25. Шиканов Е.А., Лобачева Н.Г., Титкина Т.А., Усенкова А.В. Способ диагностики состояния магистрального трубопровода. Патент РФ на изобретение № 2318203, приоритет от 07.06.2006, Б.И. № 6 за 2008г.

26. Шиканов Е.А. Малогабаритная ускорительная трубка для генерации рентгеновских квантов. Патент РФ № 71817 на полезную модель, приоритет от 03.10.2007, Б.И. № 9 за 2009г.

27. Шиканов Е.А., Ковалев В.В., Рыков С.В., Пряхин В.Н. Состояние и динамика изменений водных объектов Смоленской области [текст] /Водоочистка, водоподготовка и водоснабжение. - М.: 2010, в. 2(26). - С. 14…18.

Размещено на Allbest.ru