Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния подводных трубопроводов 7
1.1.Обзор технического состояния подводных переходов 6
1.2. Обзор методов диагностики технического состояния подводных трубопроводов 11
1.2.1.Методы определения пространственного положения 11
1.2.2. Методы оценки напряженно - деформированного состояниями
1.2.3. Методы оценки состояния изоляционного покрытия 19
1.2.4. Методы оценки состояния металла 22
1.3. Выводы и постановка задачи исследования 31
2.Определение контролирующих параметров 33
2.1. Силы, действующие на подводный трубопровод в пойменной части 33
2.2. Силы, действующие на подводный трубопровод в русловой части 35
2.2.1. Расчет собственных колебаний подводного трубопровода 42
2.2.2. Оценка области резонансных колебаний подводного трубопровода 49
2.2.3. Оценка прочности провисающего трубопровода 55
2.2.4. Оценка состояния изоляционного покрытия .64
3. Обоснование технических решений 67
3.1. Общие технические требования к измерительному модулю 67
3.2. Требования к первичным преобразователям 68
3.3. Требования к вторичным преобразователям 82
3.4. Требования к конструктивным решениям 86
3.3. Метрологическое обеспечение технических характеристик 91
4. Мониторинг подводного трубопровода 95
4.1. Описание объекта экспериментальных работ 95
4.2. Результаты экспериментальных работ 103
Основные выводы 106
Список литературы 108
- Обзор методов диагностики технического состояния подводных трубопроводов
- Методы оценки состояния изоляционного покрытия
- Оценка области резонансных колебаний подводного трубопровода
- Метрологическое обеспечение технических характеристик
Введение к работе
Трубопроводный транспорт является одним из самых экономичных и надежных способов для доставки жидких и газообразных энергоносителей на значительные расстояния. Технические и эксплуатационные характеристики этих трубопроводов обеспечиваются за счет выбора труб с необходимыми физико-механическими свойствами металла, изоляционного покрытия и конструктивных решений. В процессе длительной эксплуатации внешние условия среды и технические характеристики трубопровода изменяются, в результате чего, заложенные при проектировании запасы прочности, надежности и безопасности могут быть исчерпаны, а трубопровод перейти в состояние, при котором возможно его разрушение.
В настоящее время значительная часть потенциально опасных промышленных объектов России, в том числе и трубопроводов (сухопутных и подводных), выработала гарантийные сроки эксплуатации, предусмотренные проектными решениями. Это относится не только к сухопутным трубопроводам, но и к подводным (морским, речным). Причем именно подводные трубопроводы работают в наиболее сложных и труднодоступных условиях. По некоторым экспертным оценкам, идет рост аварийных отказов на магистральных трубопроводах, и в отдельные годы достигает 80-100 случаев. Высокая аварийность данных трубопроводов, по мнению специалистов, была заложена уже на стадии проектирования, так как одним из основных требований было снижение стоимости проекта без необходимого обоснования надежности и безопасности сооружений.
В настоящее время вопросам обеспечения надежности и безопасности работы трубопроводных систем в нашей стране уделяется особое внимание. Опыт, накопленный за годы эксплуатации трубопроводного транспорта в нашей стране и за рубежом, позволяет определить участки трубопроводов, где наиболее высока вероятность возникновения аварийной ситуации. Такие участки принято называть потенциально опасными (ПОУ). Обеспечение
мониторинга технических параметров таких участков и оценка риска эксплуатации позволит существенно повысить надежность и безопасность всей трубопроводной системы.
Несмотря на большое количество работ, направленных на создание систем мониторинга и предотвращения разрушения трубопроводов, в том числе подводных, ввиду отсутствия научно обоснованной концепции создания таких систем, в нашей стране нет. Определенные успехи по созданию систем постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) для прогнозирования работоспособности трубопроводов, проложенных на подрабатываемых территориях, достигнуты в Германии фирмой EonRuhrgaz. Установленные на заранее определенных участках трубопровода датчики деформации позволяют в реальном масштабе времени контролировать продольные напряжения, возникающие в стенке трубопровода. Экономический эффект при этом достигается за счет применения на потенциально опасных участках, трубы с нормальной толщиной стенки при постоянном контроле напряженно деформированного состояния трубопровода.
Основной причиной, сдерживающей создание и внедрение систем мониторинга на действующих трубопроводах, является сложная зависимость условий эксплуатации, физико-механических свойств материала трубопровода, действующих напряжений и ряда других факторов. В условиях работающего объекта выделить влияние одного фактора, например, действующих напряжений является очень сложной задачей.
В связи с этим, работы направленные на создание систем мониторинга и предотвращения разрушения на подводных переходах трубопроводов, являются актуальными.
Обзор методов диагностики технического состояния подводных трубопроводов
В зависимости от цели решаемой задачи, существующие методы диагностики технического состояния подводных переходов можно разделить на три основных группы: -определение пространственного положения трубопровода, выявление и количественная оценка участков размыва, оголения и провиса трубопроводов в русловой части; - оценка напряженно - деформированного состояния трубопровода на береговых и пойменных участках; -оценка состояния изоляционного покрытия подводных трубопроводов, определение степени защищенности трубопровода средствами электрохимической защиты; - определение состояния металла трубопровода. Методы определения пространственного положения русловой части подводного трубопровода в свою очередь, с учетом условий проведения работ, можно разделить на приборные при которых измерения проводятся дистанционно с борта судна, и донные, при которых аппаратура опускается на дно на штангах водолазами или непосредственно применяется ими. В отличие от приборного обследования донным видам обследований присущи все погрешности субъективных методов. Работы, проводимые при приборном методе определения пространственного положения, направлены на решение следующих основных задач: - промер глубины водной преграды; - определение планового положения нитки трубопровода; - определение высотных отметок верхней образующей трубопровода; - выявление мест недостаточного заглубления трубопровода в толщу донных отложений; - выявление зон оголений и провисов трубопровода. Для решения поставленных задач применяются следующие типы аппаратуры: - эхолот для промера глубины водной преграды в пределах границ подводного перехода со сгущением точек промера над осью трубопровода; - трассоискатель для определения оси трубопровода и оценки глубины его расположения. Применяются корабельные или подводные (водолазные) трассоискатели; - гидролокатор бокового, секторного или кругового обзора (ГЛБО, ГСО, ГКО) для выявления интервалов провиса и оголения (рис. 1.1); - подводные фото- и видео камеры для визуального контроля и съемки дна акватории в пределах подводного перехода. По результатам проведенного обследования проводится обработка и интерпретация полученных данных с целью определения положения трубопровода, выявления и локализации участков оголений и провисов, определение критических длин провисов.
Основными преимуществами применения приборного метода обследования по сравнению с водолазным (донным) методом, являются: - объективность полученных результатов, так - как на глубине более 5 метров в речной равнинной реке водолаз ничего не видит и может работать только на ощупь, а приборный метод обеспечивает достаточно полную информативность; оперативность получаемых данных (первичная информация отображается на мониторе непосредственно в момент проведения работ); отсутствие необходимости использования труда водолазов (значительное снижение затрат времени и средств, не требуется соблюдение жестких требований техники безопасности, предъявляемых к водолазным работам). К недостаткам следует отнести следующее: - невозможность выполнения работ в бурный паводок, когда русловые процессы наиболее активны, а их воздействие на трубопровод наиболее вероятно. Волнение воды свыше 0,5 балла вносит ощутимые погрешности, в результате чего обработка полученной информации требует обоснования правильности полученных данных; невозможность получения информации о динамической составляющей перемещений трубопровода, особенно в паводковый период; - ощутимая погрешность оценки напряженно-деформированного состояния трубопровода ввиду недостаточной точности определения координат его положения. Таким образом, существующие методы определения планово-пространственного положения подводного перехода не позволяют осуществлять полный мониторинг напряженно-деформированного состояния оголенных, провисающих участков, особенно его динамической составляющей. Пространственное положение пойменного участка подводного перехода может быть определено геодезическим методом, который может быть основным и, чаще всего незаменимым при определении координат положения, направления и величины его смещения. На основе этих данных возможно выполнение оценочных расчетов НДС и определение опасных сечений трубопровода. Геодинамические процессы (природного и/или антропогенного происхождения), накладываясь на технические и технологические факторы, вызывают сложный комплекс механизмов деформации трубопровода. В результате трубопровод, проложенный по проекту подземным, через некоторое время эксплуатации представляет собой случайную комбинацию участков подземной, наземной, надземной схем прокладки. Изменяется характер и интенсивность его нагружений, происходит перераспределение напряжений в отличие от расчетных, а в отдельных сечениях возможно достижение ими предельных значений и, как следствие, возникновению аварийной ситуации. Рис. 1.2. Указанные обстоятельства в полной мере могут быть отнесены к условиям, в которых проложены пойменные и приурезные участки подводных переходов трубопроводов. К примеру, средняя наработка на отказ газопровода Майкоп - Самурская - Сочи, пересекающего 10 водных преград, в результате воздействия паводковых и связанных с ними оползневых процессов, составляет не более пяти месяцев. Рис. 1.3.
Методы оценки состояния изоляционного покрытия
Принцип действия тензорезистора основан на зависимости сопротивления материала постоянному току от деформации под действием приложенного механического напряжения, Этот метод отличает точность и чувствительность, информативность, сопоставимость результатов измерений, обеспеченная стандартизацией первичных преобразователей. Опыт применения тензометрирования в нашей стране и за рубежом свидетельствует, что его применение дает хорошие результаты, при условии строгого соблюдения технологических особенностей, связанных с выбором измерительных схем и защищенностью тензорезисторов от внешних воздействий. Технические характеристики тензорезисторов лежат в широких пределах и отличаются следующими параметрами: - чувствительность (1-2.2); - среднеквадратичное отклонение чувствительности (0.013-0.018); - температурный коэффициент сопротивления (0.976-1.05); - ползучесть (постоянство характеристик во времени); - температурный диапазон работа, С (от -70 до +450); - интервал термокомпенсации, С (от -20 до +300); - диапазон измеряемых деформаций, мкм/м (от-0.3 до +0.3); и др. Типы тензорезисторов выбираются с учетом условий работы объекта и целей исследования. Основными критериями при этом являются предполагаемый диапазон деформаций и рабочих температур, длительность испытаний, стойкость к внешним воздействиям (влажность, температура). Основным недостатком тензометрического метода является проблема «нулевого» состояния. Другими словами, механические напряжения, существующие в конструкции до установки тензорезисторов, не могут быть учтены при проведении натурных измерений.
Методы оценки состояния изоляционного покрытия подводных переходов трубопроводов, как в пойменной, так и русловой части можно разделить на два основных вида: - контактные, основанные на измерении специальными электродами, контактирующими с грунтом или с водой, градиентов падения напряжения, возникающего либо в грунте (пойменная часть), либо в воде (русловая часть), при увеличении плотности тока катодной защиты в местах дефектов изоляционного покрытия трубопровода (метод Пирсона); - бесконтактные (индуктивные) основанные на оценке напряженности электромагнитного поля, создаваемого током в трубопроводе и отклонении его распределения вдоль оси от экспоненциального в местах с дефектом изоляционного покрытия. При этом, для оценки состояния изоляционного покрытия трубопровода в пойменной части используется как контактный метод Пирсона, так и бесконтактный (индуктивный) методы. В свою очередь, метод Пирсона подразделяется на «продольный», при котором измерение падения напряжения производится между электродами, располагаемыми вдоль оси трубопровода, и «поперечный» с соответствующим расположением электродов. Кроме этого в пойменной части доступен ряд методов, основанных на измерении разности потенциалов между трубопроводом и грунтом при различных режимах работы средств активной защиты, но для реализации указанных методов необходимо обеспечение электрического контакта с трубопроводом.
Список методов, применяемых для оценки состояния изоляционного покрытия подводного перехода в русловой части, по сравнению с пойменной, резко сокращается. Это связано с невозможностью обеспечения электрического контакта с трубопроводом с одной стороны, и спецификой проведения измерений в подвижной среде при которой существуют определенные затруднения в обеспечении нахождения измерительных электродов над осью трубопровода. Последний момент особенно важен для «контактного продольного» метода Пирсона и «бесконтактного» индуктивного метода. Определенный опыт применения «бесконтактного» метода накоплен на оборудовании типа C-scan и RD при применении его в зимний период с поверхности водной преграды, покрытой льдом. Однако аппаратная погрешность определения величины расстояния до трубопровода, необходимая для расчета величины тока, протекающего в нем по напряженности электромагнитного поля, измеренного прибором, настолько ощутима, что сужает диапазон применения метода малыми глубинами. Рис. 1.4. Набольшее распространение получил «контактный поперечный» метод Пирсона, как наиболее технологичный и информативный. Измерения разности потенциалов в воде между электродами, расположенными на специальной косе, производятся в заданные интервалы времени в процессе движения судна поперек оси прохождения трубопровода с одновременной регистрацией координаты произведенного измерения. Результаты обследования, проведенного этим методом, представлены на рис. 1.5.
Оценка области резонансных колебаний подводного трубопровода
В соответствие с общими исходными техническими требованиями к системе мониторинга технического состояния подводного перехода, изложенными в предыдущей главе, необходимо обеспечить измерение следующих контролирующих параметров: - статической деформации металла стенки трубопровода в диапазоне не менее ± 300000 о.е.д., что перекрывает диапазон относительной деформации, возникающей при механической нагрузке в диапазоне от 0 до 600 МПа; контроль частоты динамической составляющей деформации в диапазоне от 0 до 50 Гц, возникающей при вибрации оголенного участка трубопровода под воздействием потока воды; - измерение температуры стенки трубопровода в диапазоне от -10 до +45 град. С, что перекрывает рабочий диапазон температур работающего трубопровода; - измерение значений защитного потенциала катодной защиты в диапазоне от 0 до - 5В, что перекрывает величину потенциалов нормируемых критерием защищенности (от -0,85 до -3,5В); - измерение силы тока катодной защиты протекающего в трубопроводе в диапазоне от 0 до 25А. Исходя из основной задачи мониторинга, способы измерения указанных параметров должны, прежде всего, позволять производить их преобразование в физические величины, пригодные для передачи на значительное расстояние с последующей компьютеризированной обработкой и накоплением. Вторым важным требованием к способам измерений является их технологичность и стойкость к воздействиям внешних факторов действующего трубопровода. Еще одним немаловажным требованием является временная стабильность технических характеристик отдельных элементов контроля и функций преобразования. Затребования к первичным преобразователям. Перечисленные в предыдущей главе параметры являются физическими величинами, процесс измерение которых описывается определенными фундаментальными принципами.
В общем случае необходимо рассматривать систему физическая величина - чувствительный элемент. Функциональную зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента физической величиной и выдаваемым им сигналом называют его статической характеристикой. Чувствительный элемент, характеристика которого представляет собой прямую линию, называют линейным чувствительным элементом. Для такого элемента математическая зависимость между входной величиной Е и выходной величиной А описывается уравнением А= AQ + КЕ. Для большинства чувствительных элементов AQ = 0, т. е. выходной сигнал А пропорционален входному сигналу Е, и уравнение имеет вид А = К Е. Постоянный множитель К называют коэффициентом передачи, чувствительностью или крутизной характеристики чувствительного элемента. Если характеристика отличается от линейной, то чувствительный элемент называют нелинейным. Такой элемент обладает в разных точках диапазона измерения разной чувствительностью (или крутизной характеристики S). Ожидаемая зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента величиной и величиной, выдаваемой им на выходе, называется номинальной характеристикой. Истинная характеристика, определяемая в процессе измерений, в большей или меньшей степени отличается от номинальной. Это расхождение является систематической погрешностью измерения. Абсолютные погрешности находят по разности истинной и номинальной характеристик чувствительного элемента. Абсолютная погрешность чувствительных элементов, обладающих линейной номинальной характеристикой, называется погрешностью нелинейности (отклонением от линейности). Часто наблюдаются необратимые изменения свойств чувствительного элемента, также обусловливающие возникновение погрешностей измерения. Такие изменения могут быть вызваны, например, старением, структурными изменениями, термической или механической перегрузкой, а также химическими превращениями. Это следует учитывать при выборе вида чувствительного элемента, особенно высокочувствительного. Эти изменения необходимо учитывать в процессе измерения или хотя бы оценивать их влияние. При расхождении ветвей характеристики, полученных при возрастании и убывании измеряемой величины, имеет место гистерезис чувствительного элемента. Медленное изменение выходного сигнала при постоянном значении поступающей на вход чувствительного элемента измеряемой физической величины называется дрейфом. Дрейф может быть вызван внешними помехами, например, изменением температуры или старением чувствительного элемента. Погрешности, вызываемые влиянием различных физических величин, должны быть исключены либо конструктивным путем (например, исключением поперечных усилий в силоизмерительных устройствах), либо компенсацией действия влияющих физических величин (в чувствительных элементах, выходной сигнал которых зависит не только от измеряемой величины, но и от других влияющих величин). Например, на тензорезисторный измеритель деформации, чувствительный к колебаниям температуры, влияет также влажность окружающей среды.
Метрологическое обеспечение технических характеристик
Программа предназначена для определения напряженно -деформированного состояния тонкостенных оболочечных конструкций, состоящих из набора произвольных оболочек вращения, соединенных непосредственно или с помощью шпангоутов. Результаты расчета осевых напряжений на внутренней (-Siq S) и наружной (Siq S) поверхностях патрубка, значения кольцевых напряжений на внутренней (-Siq Q) и наружной (Siq Q) поверхностях представлены на рисунке 3.12. Как видно из рисунка, длина зоны краевого эффекта для защемленного торца составляет 300 мм. В зоне установки датчиков расчетные значения продольных напряжений на внутренней и наружной поверхностях различаются между собой не более чем на 0.33 кг/мм", (2% от расчетного значения), а по сравнению с безмоментным участком не более чем на 0.16 кг/мм2 1%). Следует учесть, что фактическое влияние стекловолоконной намотки должно быть ниже расчетных значений, так как в расчетной схеме не учтено демпфирующее действие слоя резины между патрубком и герметизирующим карманом.
На основании расчета можно сделать следующие выводы: - выбранная длина измерительного патрубка обеспечивает отсутствие заметного влияния граничных условий типа изгиба или перерезывающих усилий на его торцах на показания датчиков деформаций, вызываемых эксплуатационными нагрузками; - кольцевая стекловолоконная намотка не оказывает существенного влияния на точность измерения деформаций, возникающих в измерительном патрубке в процессе его нагружения в составе трубопровода. С целью уменьшения основной погрешности измерений механических напряжений при помощи измерительного патрубка, как измерительного элемента проводится его калибровка и построение калибровочных графиков. С этой целью измерительный патрубок подвергается двукратному нагружению внутренним давлением. Во время первого цикла нагружения давлением до 1.25 Рраб устраняются разбалансы тензометрических мостов, вызванных деформацией металлических подложек тензорезисторов при их креплении точечной сваркой и нормируются коэффициенты преобразования отдельных мостов тензорезисторов, связанных с наличием первоначальной элептичности патрубка. Этот участок калибровочной характеристики 0 — 97 - 0 кГ/см представлен на рисунке 3.13. Во время второго цикла нагружения до Рраб производится непосредственно построение калибровочных характеристик измерительного патрубка с контролем показаний по образцовому манометру. преобразователей сравниваются со значениями механических напряжений, получаемых расчетным путем по величине внутреннего давления. 95 Девяти ниточный подводный переход трубопроводов через реку Кама является одним из наиболее аварийных потенциально опасных участков (ПОУ) Ужгородского коридора. По газопроводам осуществляется транспорт природного газа Уренгойского и Ямбургского месторождений. В части эксплуатации к нему выдвигаются особые требования, поскольку ремонтно-восстановительные работы здесь затруднены и требуют значительных материальных затрат.
Похожие диссертации на Теоретическое и практическое обоснование мониторинга подводных трубопроводов
