Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации функционируют магистральные нефте- и газотрубопроводы общей протяженностью около 600 тыс.км. Аварии трубопроводов обычно являются причинами больших экологических разрушений и экономических потерь. Например.через трубу диаметра 1,2 м в сутки протекает 105м3 нефти, которая стоит 11 млн.долларов США. Выход из строя такого трубопровода может принести огромные убытки. Эти аварии касаются не только трубопроводов, но и безопасности населения, проблем загрязнения природы, атмосферы и т.д. Для исключения аварий трубопроводов налажен их мониторинг, в частности созданы внутритрубные инспектирующие снаряды (ВИС), которые позволяют с помощью магнитных, ультразвуковых и других методов обнаруживать трещины, коррозию, утонение в стенках труб и другие дефекты. Соответственно ВИС подразделяются на снаряды коррозионного типа, а также снаряды-профшюметры. Устранение обнаруженных дефектов производится при отключении подачи нефти или газа путем замены неисправных труб новыми, исправными. Следовательно, требуется достаточно точное знание географических и геодезических координат дефектов, чтобы потери на ремонт трубопровода были минимальными: Следует отметить, что стоимость ремонта трубопровода гораздо меньше, чем стоимость потерь нефти или газа при аварии или за, счет прекращения подачи этих продуктов. Для решения задачи определения координат трассы трубопровода, аварийных участхов, а также дефектов, в том числе и стресс-коррозии, и создаются ВИС навигационно-топографического типа (НТ ВИС) - это либо коррозионный ВИС, либо ВИС-профилометр, дополненный малогабаритной инерциальной навигационной системой; чаще всего - это бесплатформенная инерциальная система ориентации и навигации (БИСОН). Она интегрирована с установленными на ВИС одометром, эхолокаторами и другими устройствами, а также с внешними маркерами, GPS, аэрокосмическими устройствами, предназначенными для привязки к местности элементов трассы трубопровода. Отличием рассматриваемого в данной работе НТ ВИС от. известных ВИС с интегрированными бесплатформенными инерциальными навигационными системами, описанными в зарубежных и отечественных работах, является то, что НТ ВИС выполняются с взаимно согласованными динамическими, и статическими характеристиками как элементов ВИС, так и БИСОН, что обеспечивает повышение точности НТ ВИС. Кроме того, в Процессе движения НТ ,ВИС по трубопроводу наряду с решением основной задачи с помощью БИСОН, производится идентификация некоторых динамических характеристик ВИС, по которым могут быть оценены эксплуатационные показатели, снаряда и приборов. Отметим, что для прогнозирования отказов по причине наличия стресс-коррозии в трубопроводе требуется определять величины смещения оси трубы на величины 10-15 см, что предопределяет требования к точности БИСОН.
Теоретические основы работы НТ ВИС изложены в трудах по первой и второй задачам динамики, в трудах по трубопроводному транспорту и БИСОН таких ученых как И.Ньютон, Л.Эйлер, ЖЛагранж, Д'Аламбер, Н.Е.Жуковский, Г.К.Суслов, А.И.Лурье, А.И.Ишлинский, В.Ф.Журавлев, Д.М.Климов,
Д.Р.Меркин, Н.В.Бутенин, Я.Н.Лунц, А.С.Галиуллин, М.В.Лурье, В.Г.Пешехонов, С.П.Дмитриев, Д.Н.Анучин, Г.Е.Емельянцев, А.М.Александров, Ю.Н.Челноков, К.П.Андрейченко, E.H.Knickmeyer, J.S.Schwarz, G.T.Schmidt и другие. Анализ трудов по исследуемой задаче свидетельствует об отсутствии решений, которые могли бы быть использованы при разработке НТ ВИС без существенных дополнительных исследований как в области теории, так и практических приложений.
Изложенное выше свидетельствует об актуальности проведенных в данной работе исследований.
Целью настоящей работы является построение физической и математической моделей НТ ВИС как основы для теоретического и экспериментального исследования динамических характеристик ВИС и БИСОН, решение первой и второй задач динамики для НТ ВИС и оценка их погрешностей, экспериментальная проверка основных положений теории и внедрение в производство технических решений, полученных на основе разработанной теории.
Научная новизна работы заключается в следующем:
построены физическая и математическая модели НТ ВИС в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений 72-го порядка для первой и второй задач динамики ВИС ив виде системы девяти нелинейных дифференциальных и трех разностных уравнений для решения второй задачи динамики НТ ВИС. Из полных уравнений ВИС получены линеаризованные уравнения малых движений;
определены на основе линеаризованных уравнений и результатов экспериментов динамические параметры ВИС: осевые моменты инерции, частоты собственных колебаний и показатели затухания, коэффициенты демпфирования и жёсткости опорных элементов;
решена экспериментально первая задача динамики ВИС, в результате чего идентифицирована математическая модель силы трения в зоне предварительного смещения; ";
- определены экспериментальным путем спектральные характеристики
ВИС при его движении на трассе «Екатериновка-Балашов», резонансные часто
ты собственных колебаний ВИС по всем координатам;
- выведены на основе уравнений прямой задачи НТ ВИС расчетные фор
мулы для определения ошибок БИСОН. При экспериментальных исследованиях
НТ ВИС на трассе «Екатериновка-Балашов» по ним были определены погрешно
сти гироскопов и акселерометров, а затем построена траектория движения НТ
~ВИС на трассе длиной 1 tO км и проверена точность ее построения по информа-ции GPS;
разработана и применена методика проведения экспериментальных исследований, основанная на использовании БИСОН в составе ВИС для решения прямой и обратной задач динамики; :
НТ ВИС на базе ВИС «ДСУ-1200» и БИСОН на основе волоконно-оптических гироскопов и акселерометров внедрен в производство. Параметры и характеристики снаряда ДСУ-1200 взаимно согласованы с динамическими параметрами БИСОН. ' .; і . ,-.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью -построения физической и математической моделей НТ ВИС, строгостью применяемых методов решения, совпадением данных расчетов, математического моделирования и экспериментов, совпадением результатов экспериментов, полученных различными способами.
Практическая ценность. Разработанный и изготовленный образец НТ ВИС на базе «ДСУ-1200» и БИСОН на основе гироскопов ВГ-910 и акселерометров ДЛУММ-3 прошел успешные испытания и внедрен в эксплуатацию.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на секции НТС «Диагностика оборудования и трубопроводов» РАО «Газпром» (1995-1997 гг.); на 7-th International Pipeline Pigging Conference 8 Exhibition (Houston, Texas, 1995); на 7"fl и 8"я (международных деловых встречах Динамика-97, -98 (1997 г., 1998 г.); на III турецко-германском симпозиуме по геодезии (Стамбул, 1999 г.), на научных семинарах кафедры «Приборостроение» СГТУ; на конференции АВН РФ (СВИКУ, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей и получен 1 патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
