Содержание к диссертации
Введение
1. Пульповод как объект исследования 4
1.1 Характеристика трубопроводного транспорта на горных предприятиях как объекта исследований 4
1.2 Основные причины возникновения аварийных ситуаций на трубопроводных системах 8
1.3 Анализ и оценка инструментальных методов обнаружения утечек на пульповодах 11
1.4 Цель и задачи 25
2. Аналитическое исследование процесса транспортирования жидкой среды по трубопроводу 29
2.1 Теоретические основы процесса транспортирования среды по трубопроводу 29
2.2 Исследования влияния концентрации твердого вещества в пульпе (соотношение т/ж) на упругие свойства транспортируемой среды 32
2.3 Оценка волны давления как носителя информативного параметра системы контроля трубопровода 41
2.4 Параметры прямого гидравлического удара в пульповоде 42
2.5 Исследование распространения ударных волн в трубопроводе 45
2.6 Математическая модель гидроударов в пульповоде как источников и носителей информации в диагностической системе состояния пульповодов 48
2.7 Исследование качества разработанной имитационной математической модели...63
2.8 Разработка и исследование алгоритмов идентификации газосодержащей структуры потока и изменения содержания свободного газа 75
3. Принципиальные основы построения системы контроля неисправностей (нахождения «утечек» и их местоположение на трубопроводе) 109
3.1 Оценка волны давления как носителя информативного параметра системы контроля трубопровода 110
3.2 Определение прямого гидравлического удара в пульповоде 111
3.3 Измерительная система, основанная на определении соотношений между спектральным составом импульса давления и величиной линейной координатой утечки на линейном трубопроводе 114
3.4 Принципиальные возможности метода диагностического сканирования трубопроводной системы с целью определения ее повреждений... 115
3.4 Общие принципы выделения информативных параметров о состоянии трубопроводной системы для случая тестового единичного импульса 119
4. Экспериментальная часть. Описание экспериментальной установки 123
Список использованной литературы 134
Приложение 143
- Основные причины возникновения аварийных ситуаций на трубопроводных системах
- Исследования влияния концентрации твердого вещества в пульпе (соотношение т/ж) на упругие свойства транспортируемой среды
- Измерительная система, основанная на определении соотношений между спектральным составом импульса давления и величиной линейной координатой утечки на линейном трубопроводе
- Принципиальные возможности метода диагностического сканирования трубопроводной системы с целью определения ее повреждений...
Введение к работе
Трубопроводные системы как энергетические транспортные магистрали (нефти продуктов, газа) или гидротранспорт минерального сырья в горно-химической отрасли представляют собой разветвленную территориально распределенную сеть. Поддерживать трубопроводную систему в исправном состоянии - важнейшая задача отрасли, ибо утечки газа, нефти, пульпы, горно-химического сырья — это всегда экологическое бедствие, сопряженное с огромными экономическими затратами, связанными как с потерей минерального или энергетического сырья, так и с затратами на ликвидацию последствий этих аварий.
Поэтому планирование развития, совершенствования и эксплуатации трубопроводного транспорта отдельной задачей ставит развитие разнообразных систем контроля целостности трубопроводов. В этой связи развитие систем автоконтроля, охват ими больших сетей трубопроводов является важнейшей стратегической задачей горной отрасли.
Работа базируется на результатах исследований отечественных ученых в области теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах Н.Е. Жуковского, И.А. Чарного, С.А. Христиановича, А.Х. Мирзаджанде, М.А. Гусейн-Заде, В.А. Юфина, Х.Н. Низамова, Р.Ф. Ганиева, Л.Б. Кублановского, Л.В. Полянской, М.В. Лурье, A.M. Шаммазова, Е.В. Вязунова, А.Г. Гумерова, А.С. Шумайлова, А.С. Казака, А.А. Кадаурова, Е.М. Климовского и др.
Цель диссертационной работы - установление закономерностей распространения единичного импульса давления в трубопроводных гидротранспортных системах для обнаружения инструментальными методами неисправностей трубопровода.
Основные причины возникновения аварийных ситуаций на трубопроводных системах
Российская Федерация занимает второе место в мире по протяженности трубопроводных систем различного назначения. Трубопроводный транспорт России перемещает в 100 раз больше грузов, чем все остальные транспортные отрасли. В настоящее время эксплуатируются 2 млн.км подземных и 1 млн.км магистральных трубопроводов нефте- и газоснабжения, тепло- и водоснабжения, а также водоотведения. Протяженность продуктопроводов составляет около 200 тыс. км, промысловых трубопроводов порядка 350тыс.км.
Значительная часть трубопроводов устарела физически, ибо служит от 15 до 35 лет. Общий износ коммуникаций и оборудования составляет 65 -70%. В такой ситуации вероятность разрывов трубопроводов от действия волновых и вибрационных процессов многократно возрастает. Количество аварий и нарушений в работе коммунальных объектов выросло за последние 10 лет в 5 раз. Первое десятилетие начавшегося века по прогнозам специалистов будет десятилетием техногенных катастроф: многочисленные аварии на всевозможных нефте-, газо- и продуктопроводах, в сфере ЖКХ и во многих других областях.
Согласно официальной статистике и эксплуатационному опыту причинами разрыва трубопроводов являются: 60% случаев - гидроудары, перепады давления и вибрации; 25% - коррозионные процессы; 15%о - природные явления и форс-мажорные обстоятельства. Анализ причин крупных аварий показывает, что в большинстве случаев непосредственной причиной является механическая неисправность (см. рис. 1.2). Важным фактором также является ошибка оператора. Оба этих фактора, по всей видимости, возникают в результате определенного сбоя системы управления, который, таким образом, и является базовой причиной. Например, выход из строя оборудования в результате коррозии может быть вызван отсутствием системы технического контроля. На практике основными причинами 67% аварий, были низкий уровень производственной безопасности и неэффективная система автоматического контроля и прогноза технического состояния трубопроводов.
Аварии на трубопроводах, как правило, приводят лишь к экологическим последствиям, т.е. загрязнению поверхности и грунтовых вод.
На современном этапе развития трубопроводного транспорта продуктов горного производства особо актуальна проблема обеспечения надежности и безаварийности линейной части магистральных трубопроводов. В связи с этим проблема периодического диагностирования технического состояния магистральных трубопроводов входит в число первоочередных задач их эксплуатации. Причины потерь в системах гидротранспорта, как правило, связаны с возникновением и развитием дефектов, обусловленных комплексом причин конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Основной задачей диагностирования технического состояния действующих магистральных трубопроводов является раннее обнаружение дефектов возникающих в их линейной части, оценка возможности и сроков дальнейшей эксплуатации трубопроводов при наличии выявленных дефектов и выдача рекомендаций по их устранению. С целью решения этой сложной технической задачи в течение последних десятилетий, как в нашей стране, так и за рубежом ведутся научные исследования с целью разработки технических средств и методов диагностирования состояния подземных трубопроводов без их вскрытия [9-12].
В процессе эксплуатации магистральных трубопроводов имеют место повреждения различного рода. Величина потерь зависит от места и размера повреждений трубопровода, а так же от времени их обнаружения и устранения. Количество вытекшей пульпы может оказаться значительным даже при относительно небольших повреждениях, которые остаются незамеченными в течение длительного времени.
Для повышения безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов существуют мероприятия, направленные на быстрое обнаружение утечек и определение мест их возникновения. Сокращая время от момента возникновения утечки до момента ее обнаружения, включая определение координат места разрыва трубопровода, можно максимально быстро ввести в действие механизмы борьбы с утечкой, что сокращает количество разливающейся пульпы и затраты на ликвидацию аварии.
Системы контроля состояния трубопровода должны удовлетворять следующим требованиям: высокая чувствительность датчиков; точность определения места утечки; безопасность в эксплуатации; высокая надежность при любых климатических условиях; высокая помехозащищенность.
При большом разнообразии физических законов и явлений, которые используются для фиксации времени и места образования утечки, а также ее объема, разработано большое количество методов обнаружения утечек и приборных средств, для их реализации. Все они обладают своими достоинствами и недостатками. Применение тех или иных методов ограничено параметрами трубопровода, профилем трассы, свойствами пульпы, зависит от направления и режима перекачки, а так же от природно-климатических условий. Некоторые методы позволяют установить только факт наличия утечки, с помощью других удается определить также место повреждения.
Исследования влияния концентрации твердого вещества в пульпе (соотношение т/ж) на упругие свойства транспортируемой среды
Транспортируемая упругая жидкость с успехом возбуждает колебания трубы (создает ВАК). В горно-химической промышленности - это твердое и жидкое. Будет ли транспортируемое тело упругим, передаст ли оно колебания трубе - это надо исследовать. С этой целью получена аналитическая модель реального вещества с разным соотношением Т/Ж. Используя теорию обобщенной проводимости [6,70,71] введем вязкостное сопротивление элемента длиной 1 и площадью поперечного сечения S: Рассмотрим - элементарной ячейки, проведем дробление ячейки 8 плоскостями абвг и вдег на области 1,2,3, непроницаемые для линей тока (адиабатическое дробление). Отсюда следует вывод, что в пределах технологических колебаний соотношение т/ж вязкость меняется крайне мало, значит, полученные формулы для жидкости можно использовать как расчетные для пульпы. Тщательно и раздельно рассмотрены элементарные физические процессы в разных ракурсах, т.к. трубопроводы в минерально-сырьевой отрасли эксплуатируется в различных климатических условиях. Из полученных результатов рис. 2.8, 2.9 очевидно, что во всем динамическом диапазоне изменение концентрации твердого, вязкость изменяется в пренебрежительно малых пределах, что позволяет нам достаточно корректно использовать предложенную теорию транспортирования пульпы и мониторинга информативного параметра. Исследования показывают, что среда не теряет упругих свойств и может быть использована как переносчик давления. Другими словами колебания транспортируемого вещества передаются и трубе и Т.С. использовать ВАК вполне правомерно. Поскольку основой системы являются колебания давления, то самый простой и изящный способ получения изменения этого давления в трубопроводе является использование, всегда существующих в системе гидроударов.
Это прямой аналог импульса давления и все. Что было сделано до нас справедливо и в нашем случае. Трубопроводы и разрушаются от какого-то гидроудара, но серьезные исследования этого процесса показывают, что разрушения происходят не только от мощности, но и от частоты. Поэтому в лабораторной установке использовались отрезки труб разной степени изношенности и тестировались эти отрезки генератором гидроударов. Вместе с тем проведем оценку волны давления, как носителя информативного параметра лишь с той целью, чтобы отстоять представление о том, что ВАК могут быть расставлены в сети с шагом несколько десятков километров.
Как показано в разделе 2.1 такой параметр трубопроводной транспортной системы как давление может быть с успехом использован как носитель информативного параметра, и как канал связи для передачи этого параметра на значительные расстояния
Можно использовать технологические импульсы давления в пульповоде, которые в реальности всегда имеют место. Метрологически это обосновано тем, что предлагаемая в данной работе система контроля основана на анализе частотной области спектра, генерируемого «утечкой» т.е. отверстием в трубопроводе, а также автокорреляционые методы измерений, в которых амплитуда несущего информацию импульса в вычислениях не участвует, а информативные параметры являются статистические характеристики спектра.
Как известно, достаточно полный объем измерительной информации может быть получен либо точными измерениями, при относительно небольшом их количестве в единицу времени, либо менее точными измерениями с большой частотой. Этот факт и является критерием, который позволяет использовать технологические гидроудары как сканирующие импульсы.
Поскольку прямой удар является наиболее опасным, гидротранспортные установки должны рассчитываться на прямой удар и быть защищены от обусловленного им опасного повышения давления [23,24,33,34].
Работами советских исследователей [27-30] установлено, что величина прямого гидравлического удара в двухфазной жидкости может быть определена по формуле, полученной Н.Е. Жуковским для чистой жидкости:
Однако параметры, входящие в эту формулу, должны учитывать особенности процесса, происходящего в трехфазной жидкости.
Находящиеся во взвесенесущем потоке твердые частицы несколько отстают от жидкости и под действием гравитационных сил стремятся перейти в нижнюю часть потока. Благодаря этому средняя скорость движения всех твердых частиц несколько меньше средней скорости движения жидкости. Особенно это сказывается при гидротранспорте крупнокускового материала. Эпюра распределения скоростей по сечению трубопровода при движении пульпы отличается от эпюры распределения скоростей в потоке однородной жидкости.
Измерительная система, основанная на определении соотношений между спектральным составом импульса давления и величиной линейной координатой утечки на линейном трубопроводе
Как известно, скорость распространения ударной волны к величине гидравлического удара зависит от упругой характеристики как самой пульпы так и пульповодов. Важнейшим фактором, определяющим жесткость пульповода является толщина его стенки.
При расчетах пульповодов на прочность расчет необходимо вести по минимальной толщине стенки трубопровода, получившейся в результате гидроабразивного износа. При расчете скорости распространения и ударной волны в расчетную формулу подставляется значение толщины нового, неизношенного трубопровода.
Однако, трубопроводы, имеющие местные утолщения стенок, обладают меньшей жесткостью, а, следовательно, скорость распространения ударных волн и максимальное давление, возникающее при гидравлическом ударе, в трубопроводе, с изношенными стенками будут меньше, чем в новых трубах. Если при расчете гидравлических ударов в формулу скорости распространения ударных волн подставлять толщину стенки нового трубопровода (S), то результаты получатся завышенные для того случая, когда действительно возникает опасность разрыва трубопровода вследствие утоныпения стенок.
Если в формулу скорости распространения ударной волны подставить минимальную толщину стенки, по которой ведется расчет на прочность, то результаты будут заниженными, так как износ стенок трубопровода происходит неравномерно и жесткость трубопровода будет большая, чем, если бы он имел равномерную толщину стенки, равную минимальной. Влияние жесткости труб на параметры гидравлического удара весьма велико, поэтому данному вопросу уделяется внимание в работах многих специалистов по гидравлическим ударам.
Во всех проводимых до настоящего времени исследованиях учитывалось влияние на жесткую характеристику труб следующих факторов: материал трубопровода [40], форма поперечного сечения, равномерная толщина стенки труб, способы соединения, среда, в которой трубы уложены и т. п. Для труб, по которым перемещается чистая не агрессивная жидкость все эти факторы остаются неизменными или почти неизменными в течение всего периода эксплуатации трубопровода.
Принципиальной основой системы автоконтроля является физический принцип генерации какого-либо энергетического сигнала, несущего в своих характеристиках полезную информацию, которая присутствует наряду с мешающими помехами. Это электромагнитное поле, импульсный сигнал давления, какие-либо сигналы, генерируемые технологическими механизмами и комплексами и т.п. При выборе волновых носителей информации следует помнить, что аппаратура передачи, приема энергий данных полей разработана, очень хорошо изучена, используется и эксплуатируется во многих отраслях народного хозяйства.
Волновые методы контроля хорошо изучены, реализованы в приборах, эксплуатируются. Они проанализированы в этой работе и дана оценка каждому из этих направлений.
В данной работе основной акцент сделан на принципиальные возможности статистических методов измерений.
Поэтому формирование полезных параметров, по которым можно судить о техническом состоянии трубопроводов предполагается из сигналов сканирующих трубопроводную систему. Трубопроводная система трансформирует эти тестовые сигналы, придавая им ключевые информативные параметры, присущие какому-либо видоизменению трубопроводной системы.
Чаще всего это какие-либо спектральные статистические характеристики сигнала (M.D.S.K)
В любом случае перед началом измерительного процесса производится калибровка системы. Для этого на исправном трубопроводе в номинальном режиме работы производится калибровочный сигал. Сигнал, обработанный цифровым спектроанализатором, записался В блоки памяти всех измерительных участков, оборудованных контроллерами, используемыми в мобильных теле системах связи (как у сотовых телефонов). Эти эталонные показатели могут храниться в магистральных контроллерах сколь угодно долго. И в течение всего периода эксплуатации трубопроводов измерительные значения спектра (плотность, мощность) будут сравниваться с эталонными, отклонения по спутниковым каналам связи будут регистрироваться в центральном пункте для принятия решения автоматом или диспетчером. Здесь следует заметить, что описанный режим относится к магистральным трубопроводам большой протяженности. Трубопроводы одной промышленной площадки, например, обогатительного комбината, могут контролироваться и с помощью УКВ радиоканалов, здесь отпадает необходимость использовать GPRS - систему. О принципе выделения необходимой информации (отклонения от нормального режима) уже говорилось выше - путем, например, сравнения параметров «рабочего» прямоугольного импульса «белого шума» от параметров эталонного импульса подобно тому, как работает компьютерная система.
Принципиальные возможности метода диагностического сканирования трубопроводной системы с целью определения ее повреждений...
Частота импульсов, (дискретизация измерений) задаваемых технологическим регламентом. Методика определения частоты дискретизации будет пояснена, тривиальна и находится как получение максимума информации либо путем точных измерений, либо менее точных, но с большой частотой дискретизации. Покажем теоретически возможность контроля отклонений системы (ТС) от рабочего режима, описанного выше. Рассмотрим одну измерительную магистраль трубопровода (от одного измерительного модуля до другого). Положим, мы возбудим на входе трубопровода стационарный случайный дискретный сигал G[n] с математическим ожиданием mG и спектральной плотностью Sx(co). Определим связь между математическим ожиданием и спектральными плотностями сигналов на входе G[n\ и выходе Х[п] участка трубопровода в установившемся режиме. Заметим, что спектральной плотностью Sx(o)) импульсного стационарного случайного сигнала принято считать дискретное преобразование Фурье корреляционной функцией этого сигнала, т.е. Для математических ожиданий имеем Астапов и Медведев [30] Частотная характеристика импульсной системы W(jw) выражается через ее весовую функцию К(т) с помощью соотношения где w- частота; Т- период квантования по времени. Корреляционная функция сигнала Х(п) на выходе (ТС): Астапов и Медведев [30] показали, что Уравнения (3.9-3.12) являются базовыми для программирования маршрутных контроллеров с теми статистическими базовыми значениями относительно которых дискриминируется любые отклонения в поведении Т.С., вызванные, например, ее повреждениями. Цифровая обработка сигналов традиционно включает в себя создание средств численного преобразования массива заданного (измеренного в дискретные моменты времени) процесса изменения некоторой непрерывной физической величины (давления Р) с целью извлечения из него полезной информации о другой физической величине, содержащейся в измеренном сигнале.
Общая схема получения измеряемого информативного сигнала и процесса его преобразования в целях получения информации об отклонении параметров трубопроводной системы, которая должна быть измерена, представлена на рис. 1.Общая схема образования измеряемого сигнала [50-54] и процесса его преобразования в целях получения информации о величине, которая должна быть измерена. Физическая величина, являющаяся полезной (несущей в себе необходимую информацию), редко имеет такую физическую форму, что может быть непосредственно измеренной. Обычно она представляет лишь некоторую составляющую (сторону, часть, черту) некоторой другой физической величины, которая может быть непосредственно измерена. Связь между этими двумя величинами обозначим введением звена, которое назовем первичным преобразователем (ПП). Обычно закон преобразования известен заранее, иначе восстановить информационную составляющую в дальнейшем было бы невозможно. Первичный преобразователь вносит зависимость сигнала, который может быть измерен, от некоторых других физических величин. Вследствие этого выходная его величина содержит, кроме полезной информационной составляющей, другие, вредные составляющие или черты, искажающие полезную информацию. И хотя зависимость выхода ГШ от этих других величин также известна, однако вследствие неконтролируемого возможного изменения последних со временем, часто трудно спрогнозировать их влияние на искажение полезной составляющей. Назовем вносимую ПП вредную составляющую шумом ГШ. Пусть образованная таким образом непосредственно измеряемая величина измеряется некоторым измерителем. Любой реальный измеритель вносит собственные искажения в измеряемую величину и дополнительные зависимости от некоторых других физических величин, не являющихся объектом измерения. Назовем эти искажения шумами измерителя. Не ограничивая общности, будем полагать, что выходной величиной измерителя является электрический сигнал (измеренная величина), который можно в дальнейшем довольно просто преобразовывать электрическими устройствами. Для осуществления цифровой обработки измеренная величина должна быть преобразована в дискретную форму [55-61] при помощи специального устройства, которое содержит экстраполятор и аналогоцифровой преобразователь (АЦП). Первый производит фиксацию отдельного текущего значения измеренной величины в отдельные моменты времени через определенный постоянный промежуток времени, называемый дискретом времени.
