Введение к работе
Актуальность работы
В России создана и продолжает развиваться крупнейшая в мире Единая система газоснабжения, в состав которой входят более 160 тыс. км магистральных газопроводов (МГ) и газопроводов-отводов (ГПО). Проблемы техногенной, экологической и антитеррористической безопасности при эксплуатации газотранспортной системы играют первостепенную роль. Они требуют постоянного совершенствования методов, создания средств и разработки современных технологий неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД). Большая протяженность и сложившаяся возрастная структура магистральных газопроводов (от 10-ти до 30-ти и более лет) являются факторами, объясняющими крупные аварии и катастрофы, которые приводят к гибели людей, наносят значительный ущерб экономике и экологический урон окружающей среде.
Несмотря на постоянное совершенствование технологии производства стальных труб и строительства трубопроводов и наличие технических средств НК и ТД, часть дефектов производственного характера остаётся необнаруженной. В процессе эксплуатации трубопровода по причине износа и старения труб и из-за нарушения защитной изоляции, влияния агрессивных сред и повреждений в процессе хозяйственной деятельности возникают дефекты эксплуатационного характера, приводящие к утечке газа.
Утечка газа из трубопровода является причиной серьезных аварий - разрывов трубопровода и взрывов высвободившегося газа, сопровождающихся повреждением сооружений, материальных ценностей, потерей огромных объёмов углеводородного сырья, негативным воздействием на окружающую среду и гибелью людей.
Для своевременного обнаружения дефектов трубопровода применяются различные физические методы внутритрубной диагностики с последующим уточнением их наличия и степени опасности методами контроля в шурфах. Для обнаружения утечек из трубопровода, их локализации и общей оценки состояния газопроводов используются методы наземной диагностики с использованием ряда дистанционных методов мониторинга, в том числе тепловизионное, радиолокационное и лазерное зондирование.
Многообразие конструкционных элементов объектов инфраструктуры газопроводов и сложность обнаружения разнородных дефектов приводит к необходимости применения комплекса методов и оборудования НК и ТД, среди которых наибольшее применение находят как контактные (акустические, электрометрические, капиллярные и др.), так и бесконтактные (магнитные, тепловые, оптические и др.) методы. Применяемые на время начала настоящих исследований методы НК и ТД линейной части газопроводов, в особенности газопроводов-отводов, в большинстве малопроизводительны, затратны и зависят от уровня квалификации персонала и «человеческого фактора» и малоинформативны в целом. Процесс ручной обработки результатов диагностирования также занимает значительное время, что нередко приводит к запозданию с принятием решений по предотвращению опасных происшествий. Отсутствие высокопроизводительных и надёжных средств и технологий диагностики трубопроводов в процессе их переизоляции сдерживает производительность комплексов по ремонту газопроводов.
В связи с этим разработка интеллектуальной технологии и средств комплексного диагностирования газопроводов является актуальной задачей.
В настоящей работе обобщены результаты исследований в области создания методов, средств и технологий НК и ТД, выполненные автором в ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» и ЗАО Научно-производственный центр «МОЛНИЯ» в период с 1999 по 2012 год.
Цель диссертационной работы
Целью работы является развитие интеллектуальной технологии, исследование и создание средств комплексного диагностирования линейной части газопроводов и его составляющих, обеспечивающих повышение производительности и достоверности диагностирования за счет снижения влияния человеческого фактора.
Задачи исследования
Для решения научно-технической задачи необходимо:
1. Развить концепцию интеллектуальной технологии комплексного диагностирования и разработать средства дистанционной диагностики в процессе эксплуатации магистрального газопровода на основе магнитометрического и видеотепловизионного методов и на базе информационных и телекоммуникационных технологий.
2. Обобщить результаты комплексного применения методов и средств диагностирования при ремонте и переизоляции газопроводов.
3. Оценить достоверность обнаружения дефектов сварных швов и металла газопроводов.
4. Разработать предложения для включения в нормативную документацию на технологию и методики технического комплексного диагностирования технического состояния ГРС, газопроводов-отводов и магистральных газопроводов в процессе капитального ремонта.
Методы решения поставленных задач
При проведении исследований применялись магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля стальных изделий, закономерности электродинамики и физики магнитных явлений, квалиметрии и расчетов на прочность магистральных трубопроводов.
Математическое моделирование проводилось на базе вычислительных средств общего применения с использованием математических пакетов MathCad и MathLab. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований обеспечивалось с использованием сертифицированных и поверенных образцов, мер, контрольно-измерительной аппаратуры.
Научная новизна
1. Развита концепция интеллектуальной технологии комплексного диагностирования магистрального газопровода в процессе строительства, эксплуатации и ремонта на базе информационных и телекоммуникационных технологий, обеспечившая оптимальное сочетание методов и средств НК и ТД, автоматический сбор, регистрацию и обработку информации с применением спутниковых систем, снижающая негативное влияние человеческого фактора и обеспечивающая требуемый уровень безопасности.
2. Получены аналитические выражения для расчета комплексных показателей чувствительности и помехоустойчивости магнитометрической системы измерения параметров магнитного поля над подземным стальным трубопроводом с целью обнаружения аномальных зон концентрации механических напряжений.
3. Для обработки магнитометрических сигналов при дистанционной диагностике подземных стальных трубопроводов применены параметрические вейвлетные функции алгебраического типа, что позволило значительно снизить уровень случайного шума и существенно повысить надежность выявления аномальных зон напряженно-деформированного состояния металла подземных стальных трубопроводов.
4. Исследована и экспериментально подтверждена возможность дистанционного выявления видеотепловизионным методом утечек газа в диапазоне ИК-излучения с расходом газа 0,05 кг/с и более по охлаждению грунта над газопроводом и в оптическом диапазоне по изменению цвета растительности и грунта. Разработана и внедрена технология воздушного видеотепловизионного мониторинга с использованием летательных аппаратов малой авиации, вошедшая в «Методику надземного комплексного технического диагностирования отводов магистральных газопроводов».
5. Выполнена оценка достоверности обнаружения дефектов сварных соединений и металла газопроводов на основе вероятностных методов.
Защищаемые научные положения
1. Концепция интеллектуальной технологии комплексного диагностирования магистрального газопровода в процессе сооружения, эксплуатации и ремонта на базе информационных и телекоммуникационных технологий.
2. Способ расчета комплексных показателей чувствительности и помехоустойчивости магнитометрической системы измерения параметров магнитного поля над подземным стальным трубопроводом и обработки сигналов с целью обнаружения зон концентрации механических напряжений.
3. Метод дистанционного видеотепловизионного выявления утечек газа в диапазоне ИК-излучения по охлаждению грунта над газопроводом и в оптическом диапазоне по изменению цвета растительности и грунта.
4. Принцип построения, функциональные схемы и метрологическое обеспечение аппаратуры «М-1» для дистанционного электро- магнитометрического контроля газопроводов и приборного комплекса ВТК-1 на базе лёгких летательных аппаратов для обнаружения утечек газа.
Практическая значимость и реализация результатов работы
На основе предложенной концепции интеллектуальной технологии комплексного диагностирования газопроводной системы и по результатам исследования методов и принципов их комплексирования разработано оборудование:
- комплекс для дистанционной диагностики газопроводов «М-1»,
- приборный комплекс видеотепловизионного контроля ВТК-1,
- программное обеспечение.
Комплекс «М-1» сертифицирован и используется при обследовании газопроводов в условиях Сибири, Крайнего Севера, Юга России. Комплекс видеотепловизионного контроля ВТК-1 успешно испытан на газопроводах ООО «Газпромтрансгаз Казань», «Газпромтрансгаз Томск» и др.
Методики комплексного технического диагностирования газопроводов использованы при разработке ряда нормативных документов ОАО «Газпром».
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 16 Международная деловая встреча «Диагностика-2006» (ОАО «Газпром», 2006 г.), 3 Российская научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г.Екатеринбург, 2007 г.), 3 Международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ОАО «Газпром», 2007 г.), 6 Международная научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г.Москва, 2007 г.), 17 Международная деловая встреча «Диагностика 2007» (ОАО «Газпром», 2007 г.), 8 Международная научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2009 г.), Научно-практическая конференция «Мониторинг и управление рисками в промышленности. Проблемы диагностики и неразрушающего контроля» (НПС «Риском», 2009 г.), Межотраслевая конференция «Антикоррозионная защита 2010» (ОАО «Газпром», 2010 г.), 4 Международная научно-техническая конференция «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла» (г.Москва, 2007 г.), 6 Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г.Екатеринбург, 2010 г.), 10 Европейская конференция по неразрушающему контролю (г. Москва, 2010 г.), 19 Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011 г.).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 19 работ, получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы. Работа содержит 145 страниц машинописного текста, 4 таблицы и 68 рисунков.
