Содержание к диссертации
Введение
1. Надежность магистральных газопроводов: деформирующие и разрушающие факторы, методы их диагностики 8
1.1 Состав сооружений и технический ресурс магистральных газопроводов ЕСГ 8
1.2 Классификация воздействий на МГ и дефекты газопроводных труб.. 11
1.2.1 Силовые воздействия на МГ 14
1.2.2 Внешние механические воздействия на МГ 15
1.2.3 Коррозионные воздействия на МГ 17
1.2.3.1 Виды коррозионных процессов 18
1.3 Методы мониторинга и диагностики технического состояния МГ.. 20
1.4 Оценка и прогнозирование технического состояния МГ 22
1.4.1 Нормативная документация по оценке и прогнозированию технического состояния МГ 24
1.4.2 Существующие запатентованные методы диагностики и оценки технического состояния МГ 27
1.4.3 Методики расчета показателей надежности МГ, подвергшихся коррозионному воздействию 37
1.5 Выводы по разделу 42
2. Разработка комплексной методики оценки скорости коррозии и остаточного ресурса МГ 44
2.1 Использование методов системного анализа для решения задачи 44
2.2 Структуризация предметной области и выбор модели системы 45
2.3 Анализ воздействия внутренних и внешних факторов на скорость протекания коррозионных процессов в МГ 48
2.4 Синтез математической модели магистрального газопровода на основе методов нечеткого моделирования 51
2.5 Учет влияния продольных напряжений на распространение коррозийных повреждений по стенкам газопровода 66
2.6 Разработка метода оценки скорости коррозии и остаточного ресурса МГ 69
2.7 Выбор участков МГ для проведения коррозионного мониторинга.. 70
2.8 Выводы по разделу 75
3. Реализация математической модели оценки скорости коррозии и остаточного ресурса мг в среде MATLAB 76
3.1 Разработка математической модели оценки скорости коррозии в среде MATLAB 76
3.2 Выполнение расчетов и проверка адекватности разработанной модели 79
3.3 Выводы по разделу 86
4. Практическая реализация автоматизированной системы мониторинга скорости коррозии и остаточного ресурса МГ 87
4.1 Обоснование основных принципов построения системы мониторинга 87
4.2 Обоснование структуры системы мониторинга 92
4.3 Реализация нижнего уровня системы мониторинга для решения задач сбора данных о магистральном газопроводе 102
4.4 Реализация среднего уровня системы мониторинга для решения задач сбора и передачи данных 107
4.5 Реализация верхнего уровня системы мониторинга для обеспечения взаимодействия с оператором системы и проведения математических вычислений 109
4.6 Программное обеспечение верхнего уровня системы мониторинга 111
4.7 Выводы по разделу 117
Основные результаты и выводы по работе 119
Литература 120
Приложение 135
- Существующие запатентованные методы диагностики и оценки технического состояния МГ
- Синтез математической модели магистрального газопровода на основе методов нечеткого моделирования
- Выполнение расчетов и проверка адекватности разработанной модели
- Реализация нижнего уровня системы мониторинга для решения задач сбора данных о магистральном газопроводе
Существующие запатентованные методы диагностики и оценки технического состояния МГ
Описанный в патенте № 2110784 «Способ контроля скорости коррозии металлических объектов» [86] заключается в том, что размещают в коррозионной среде контролируемый объект, возбуждают поверхностную электромагнитную волну и судят о скорости коррозии.
Патенты № 2343438 «Автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой» [2], №2362981 «Автоматический беспилотный диагностический комплекс» [1] предлагают изобретения для систематического дистанционного контроля состояния магистральных газопроводов путем предоставления возможности передачи информации удаленному оператору. Описанная в патенте № 2317471 «Система для наблюдения за состоянием опасного участка магистрального газопровода» [77] имеет сходную функциональность и предназначена в основном для наблюдения за опасным участком газопровода с целью предотвращения террористической угрозы.
Описанный в патенте № 2008105108 «Способ определения остаточного ресурса изделий и оценки показателей надежности их остаточного ресурса с заданной доверительной вероятностью» [89] основывается на разбивке всех изделий по партиям и производителям с целью определения статистических характеристик предельного срока эксплуатации.
Способ, описанный в патенте № 2147098 «Способ выявления участков магистральных трубопроводов, предрасположенных к коррозионному растрескиванию под напряжением (стресс-коррозии)» [82], заключается в анализе проектного и фактического положения трубопровода относительно уровня наиболее длительного стояния грунтовых вод. При этом протяженность диагностируемого участка ограничивается сечениями трубопровода, полностью погруженными в необводненный грунт либо полностью находящимися в грунтовых водах. Определение критерия опасности разрушения происходит через присвоение каждому фактору, вызывающему коррозионное растрескивание под напряжением, индекса Р; и последующем вычислении суммарного индекса Е Р;. Вид диагностики назначается в зависимости от протяженности отдельных участков, склонных к КРН.
В патенте № 2262634 «Способ выявления участков трубопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» [83] описан способ, согласно которому на дискретных участках трубопровода осуществляют измерение характеристических параметров, таких как глубина залегания трубопровода в грунте, направление его оси, уровень грунтовых вод, содержание водорода в окружающем трубопровод грунте и температура трубопровода. Анализируют измеренные параметры путем построения объемных моделей расположения трубопровода и осуществляют прогнозирующий мониторинг участков возможных проявлений КРН с использованием расчетных моделей напряженно-деформированного состояния трубопровода.
Известен способ, описанный в патенте № 2193718 «Способ выявления участков газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» [79]. Цель достигается тем, что осуществляют электрометрическое обследование и сравнение градиентов защитного потенциала в периоды высокого и низкого уровня грунтовых вод, идентифицируют такие признаки, как качество металла, относительно высокая температура эксплуатации, повышение действующих напряжений порогового уровня и периодичность увлажнения. Наличие различия между величинами градиента защитного потенциала в периоды высокого и низкого уровня грунтовых вод говорит о большей вероятности стресс-коррозионного риска обследуемого участка.
В патенте № 2277669 «Способ выявления участков газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» [80] описан способ, заключающийся в том, что идентифицируют такие признаки, как качество металла, относительно высокая температура эксплуатации, превышение уровня действующих напряжений, периодичность увлажнения и наличие разности защитного потенциала в период высокого и низкого уровня грунтовых вод. Осуществляют потенциометрическое определение ионов ЇҐ, Na+, Ca2++Mg2+ или Са2+, СГ, S042" с помощью ионоселективных электродов и переносного мономера в грунтовом электролите обследуемого участка.
Патент № 2325583 «Способ выявления участков газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» [81] представляет способ выявления участков МГ по признакам качества металла, уровня действующих напряжений, температуры эксплуатации, периодического увлажнения, различий в градиентах защитного потенциала при электрометрическом обследовании в периоды высокого и низкого уровня грунтовых вод. При этом для повышения достоверности определения расположения полосы переменного смачивания различия в градиентах защитного потенциала устанавливают с учетом изменения удельного электрического сопротивления грунта, а периоды высокого и низкого уровня грунтовых вод определяют по стабилизации защитного тока установок катодной защиты на максимальных и минимальных значениях.
Патент № 2366855 «Способ определения ремонтопригодности трубы» [90] предлагает при проведении измерений с помощью дефектоскопа на участке поверхности трубы со стресс-коррозионными трещинами регистрировать максимальное значение показаний дефектоскопа, при сопоставлении которого со значениями показаний этого же дефектоскопа на эталонных образцах труб со стресс-коррозионными трещинами заданных глубин определять значение глубины стресс-коррозионной трещины и принимать решение о ремонтопригодности трубы.
Описанное в патенте № 2309323 «Система для диагностики технического состояния магистрального газопровода с запорно-регулирующей арматурой» [75] изобретение относится к контрольно-диагностической технике по обнаружению утечек транспортируемого газа.
В патенте № 2308641 «Система для контроля технического состояния магистрального газопровода с устройством катодной защиты» [76] описывается изобретение для контроля попадания воды, которое может быть использовано для диагностики технического состояния МГ на переходах через авто-и железные дороги.
Как показал выполненный патентный поиск, к настоящему времени разработано много способов определения технического состояния газопроводов, а также систем для осуществления контроля технического состояния МГ. Однако большинство их них ориентируется на диагностировании одного или нескольких связанных параметров состояния газопроводной трубы, что ведет к получению односторонней и далеко не полной информации о газопроводе.
При широких возможностях диагностики и оценки различных разрушающих и деформирующих факторов, воздействующих на газопровод, возникает необходимость объединения их в комплексную систему обнаружения и прогнозирования скорости коррозии труб МГ. Понятно, что создание такой системы вызывает ряд трудностей при оценке влияния каждого из действующих факторов на скорость коррозионных процессов, оценке связанности влияния факторов, а также определении состава влияющих факторов. Тем не менее, подобный подход следует признать наиболее перспективным в настоящее время, так как в этом случае в результате анализа большого количества полученных данных возникает наиболее полная картина состояния магистрального газопровода.
Синтез математической модели магистрального газопровода на основе методов нечеткого моделирования
Срок эксплуатации газопровода также серьезно влияет на механизм развития коррозионных дефектов в связи с изменениями (коррозионными, механическими и др.), происходящими в металле труб с течением времени. Так, установлено, что в анаэробных грунтах образцы металла сначала коррозируют интенсивно, но со временем процесс тормозится, а в слабо анаэробных средах скорость этого процесса остается неизменной [99].
Одним из основных факторов, определяющих скорость коррозии в МГ, является уровень напряжений в стенках газопровода [10, 12, 44, 97, 99, 105]. Напряжения, накапливаемые в стенке МГ, ограничены пределом прочности и пределом текучести используемой стали (определяются по паспортным данным). При накоплении напряжений свыше этих пределов происходит деформация и разрыв стенки МГ. В областях накопления напряжений наблюдается увеличение скорости коррозии металла, в том числе очаги КРН [12].
Накопление напряжений в стенках газопровода определяется эксплуатационными характеристиками: рабочим давлением и температурой МГ. Вместе с тем температура газопровода и прилегающего к нему грунта сама по себе также оказывает большое влияние на скорость протекания коррозионных процессов [19, 20, 25, 28, 31]. Обычно наблюдается экспоненциальное возрастание скорости коррозии металлов с увеличением температуры, однако возможны и отступления от экспоненциальной зависимости, связанные с высыханием грунта.
Влажность грунта также является одним из основных факторов коррозии [25, 28, 99]. Наличие влаги делает грунт электролитом и вызывает электрохимическую коррозию находящихся в нем металлов. При большем избытке воды скорость коррозии падает вследствие торможения катодного процесса, что обусловлено сильным ростом толщины диффузионного слоя [25].
Электропроводимость грунта (удельное электрическое сопротивление грунта) с достаточной точностью характеризует его коррозионную агрессивность для стальных МГ [21, 25, 28, 99] и зависит главным образом от влажности, состава, количества солей и структуры грунта.
Окислительно-восстановительный потенциал грунта (редокс-потенциал) характеризует активность жизнедеятельности анаэробных бактерий в почве и может влиять на увеличение скости коррозии МГ за счет разрушения изоляционных покрытий и влияния на анодные и катодные процессы электрохимической коррозии [25, 99].
Ионная сила грунтовой влаги является мерой электрического взаимодействия между всеми ионами раствора, концентрация и суммарный заряд которых определяют ее величину [99]. По данным литературы [21, 99] коррозионная агрессивность грунтов возрастает с увеличением концентрации в ней растворенных ионов. Зависимость скорости коррозии от удельного электрического сопротивления, редокс-потенциала грунта, ионной силы грунтовой влаги может быть принята из литературы [99]. Средняя плотность катодного тока определяется уровнем электрозащищенности МГ средствами ЭХЗ. При ослаблении катодного тока происходит разрушение МГ в связи с появлением точечных очагов электрохимического растворения металла [21, 99]. Уровень рН грунта является еще одним значимым фактором распространения коррозии в стальных МГ [21, 25, 28, 99], который характеризует кислотность грунтового электролита. Зависимость скорости коррозии от средней плотности катодного тока, уровня рН грунта может быть принята из литературы [21]. Каждый переменный фактор к,, предложенный для рассмотрения в математической модели [99], можно численно оценить для учета его влияния на потенциально прогнозируемую скорость коррозии. Понятно, что численная величина будет лишь с некоторой долей вероятности отражать реальный вес любого из факторов. В этом случае было бы целесообразно воспользоваться такими методами оценки, которые специально ориентированы на построение моделей, способных оперировать с неточными или неполными исходными данными. Методы нечеткой логики в данном случае являются наиболее конструктивными [6, 24, 34, 46, 49, 51, 58, 101], так как изначально ориентированы на тенденцию усложнения математических моделей реальных процессов и систем управления, связанную с желанием повысить их адекватность и учесть все большее число различных факторов [51]. В связи с этим предполагается для оценки влияния всех указанных факторов на потенциально прогнозируемую скорость коррозии создать нечеткую модель на основе системы нечеткого вывода [36, 39]. В настоящее время системы нечеткого вывода все шире применяются для решения задач управления техническими процессами и системами. Разработка и функционирование систем нечеткого вывода заключается в осуществлении ряда этапов с использованием основных положений теории нечеткой логики. Поступающая на вход системы нечеткого вывода информация представляет собой переменные, соответствующие реальным параметрам МГ и прилегающего к нему грунта. Информация, формируемая на выходе системы, соответствует выходным переменным, в данном случае такими переменными могут являться потенциально прогнозируемая скорость коррозии и остаточный ресурс МГ. В качестве входных переменных будем использовать следующие оценки, определенные на стадии анализа воздействия факторов на протекание коррозии в МГ: 1. срок эксплуатации газопровода; 2. уровень напряжений в стенках газопровода; 3. степень анаэробности грунта; 4. удельное электрическое сопротивление грунта; 5. марка стали; 6. ионная сила грунтовой влаги; 7. окислительно-восстановительный потенциал грунта (редокс-потенциал); 8. средняя плотность катодного тока; 9. уровень рН грунта; 10. влажность грунта; 11. температура стенки газопровода. В качестве выходной переменной используется оценка потенциально прогнозируемой скорости коррозии, которая является основой для дальнейших оценок технического ресурса газопровода и принятия решений по эксплуатации и срокам его ремонта. Система нечеткого вывода предназначена для преобразования значений входных переменных, характеризующих состояние МГ, в выходные переменные на основе использования нечетких правил продукций. Для этого система нечеткого вывода должна иметь в своем составе базу правил для реализации нечеткого вывода заключений на основе условий, представленных в нечеткой лингвистической форме [51].
Выполнение расчетов и проверка адекватности разработанной модели
Построение технической системы комплексного мониторинга подземной коррозии наружной поверхности стальных магистральных газопроводов преследует цель повышения эффективности, надежности и экономичности при эксплуатации, ремонте и техническом обслуживании магистральных газопроводов [11, 16, 32, 62, 118].
В настоящее время системы подобного рода широко распространены в связи с актуальностью необходимости ведения мониторинга состояния магистральных газопроводов, в частности коррозионных повреждений газопроводов, в современных условиях. Информация и краткие технические характеристики систем мониторинга коррозии, решающих аналогичные проектируемой системе задачи [74, 107, 116, 117, 119, 120, 123], приведены в таблице 4.1.
Как видно из таблицы, большинство систем коррозионного мониторинга в настоящее время сфокусированы на получении узкого спектра данных о коррозии, в основном применяются индикаторы коррозии для определения текущей скорости разрушения металла газопровода. Известно, что такие данные не всегда точно могут отражать скорость протекания коррозионных процессов в газопроводе [112] из-за того, что на него действуют не только факторы развития коррозии со стороны внешней окружающей среды (агрессивные грунты, влажность, температура), но и технологические факторы, возникающие при эксплуатации МГ (давление, напряжения стенки МГ и другие).
Если же в результате работы система мониторинга собирает большое количество разнообразных данных, то их анализ предоставляется операторам, инженерам и техникам для составления отчетов по текущему состоянию газопровода и формированию рекомендаций по его будущей работе.
Для устранения подобного рода недостатков в представленной работе разработана комплексная методика оценки скорости коррозии в МГ, для практической реализации которой предлагается создать техническую систему мониторинга скорости коррозии [40, 41, 42]. Для решения задач мониторинга и прогнозирования скорости коррозии техническая система должна выполнять следующие основные функции: - получение исходных данных для расчета потенциально прогнозируемой скорости внешней коррозии ЛЧ МГ; - прогноз скорости внешней коррозии и остаточного ресурса ЛЧ МГ по критерию коррозионной стойкости со своевременным предупреждением об активизации коррозионных процессов; - архивирование и хранение полученной информации с целью дальнейшего анализа; - автоматический и полуавтоматический контроль исправности устройств системы, контроль цепей питания, целостности датчиков и ли-ний связи; - организация взаимодействия с оператором; - обмен данными с другими системами. Осуществление этих функций представляется целесообразным разнести по различным уровням функционирования системы в связи со специфичностью решаемых задач. Так, сбор исходных данных о состоянии магистрального газопровода предполагается проводить на нижнем уровне системы, состоящем из датчиков и измерительных преобразователей. В связи с тем, что обработка полученной информации представляет определенную сложность, так как возникает необходимость проведения математических вычислений с использованием методов нечеткой логики, то выполнение этих функций следует отнести к верхнему уровню системы. Также на верхнем уровне осуществляется взаимодействие с оператором системы для предоставления ему информации о потенциально прогнозируемой скорости коррозии, и получение информации о магистральном газопроводе, которую невозможно или нецелесообразно получать путем установки датчиков на газопровод (срок эксплуатации, марка стали МГ и другие данные). Взаимодействие между верхним и нижнем уровнями системы может осуществляться посредством среднего уровня, который осуществляет функции сбора и передачи информации от датчиков на вычислительную станцию верхнего уровня. Необходимость в среднем уровне функционирования системы объясняется в основном тем, что датчики и вычислительная станция могут быть разнесены друг от друга на большие расстояния, поэтому функции контроля оборудования нижнего уровня и организации сети передачи данных целесообразно передать с верхнего на средний уровень системы. Таким образом, для решения поставленных задач предлагается организовать систему мониторинга на трех уровнях аппаратной и программной реализации: - нижний (полевой) уровень состоит из датчиков и измерительных преобразователей; - средний (контроллерный) уровень осуществляет сбор данных от первичных преобразователей и передачу их на верхний уровень; - верхний уровень (уровень оператора) реализует обработку, хранение и представление полученной информации. Трехуровневая реализация системы обусловлена необходимостью сбора данных с удаленных устройств, а также проведением объемных математических вычислений с использованием возможностей вычислительных компьютеров, необходимостью хранения архивных данных. В связи с этим система должна иметь вычислительную станцию на верхнем уровне и контроллер для осуществления сбора и передачи данных с удаленных датчиков. Основной особенностью вновь предлагаемой системы является использование для обработки поступающей информации специализированного программного обеспечения (ПО), основанного на реализации математической модели оценки скорости коррозии, разработка которой выполнена в предыдущей главе.
Реализация нижнего уровня системы мониторинга для решения задач сбора данных о магистральном газопроводе
Таким образом, описанные задачи разделаются на задачи проведения математических вычислений и получения оценок, а также задачи сбора данных и информирования оператора о результатах вычислений. То есть при реализации верхнего уровня системы для упрощения решения задач разного рода представляется целесообразным разделить выполнение этих задач между различными программами, реализующими функции верхнего уровня. Задачи, решение которых связано с обращением к различного рода источникам, в том числе оператору, могли бы эффективно решаться с помощью программного обеспечения специализированных SCADA-систем, которые в настоящее время широко используются и имеют в своем арсенале удобные средства формирования операторского интерфейса, связи с аппаратными устройствами нижнего и среднего уровня.
В свою очередь прогноз скорости коррозии и технического ресурса МГ представляет собой решение чисто математических задач, для чего ресурсов SCADA-системы может оказаться недостаточно, в связи с чем предлагается решать поставленные задачи с использованием специализированного программного обеспечения, основанного на разработанной математической модели. Разработка такого рода программного обеспечения может быть выполнена в любой из доступных сред программирования, основным требованиям к которой является доступность, удобство программирования, удобство использования готовой программы.
Таким образом, функции прогноза скорости коррозии и оповещения оператора о результатах вычислений, отнесенные к функциям верхнего уровня системы мониторинга, предлагается разделить между SCADA-системой и прикладным программным обеспечением верхнего уровня. Архивирование и хранение полученной информации с целью дальнейшего анализа может оказаться необходимым и полезным для исторического анализа полученных данных, а также проведения параллельных вычислений или исследований. Данная функция осуществляется с использованием технических ресурсов АРМ оператора либо специализированных серверов при поддержке соответствующими базами данных. Необходимый объем памяти для хранения информации определяется глубиной хранения архивов и количеством необходимых для хранения параметров. Хранение архивной информации может быть организовано по любой схеме, удобной в каждом конкретном случае организации системы мониторинга, для текущей разработки системы организация хранения информации не является принципиальным моментом, так как проведение исторического анализа накопленной информации не предполагается. Автоматический и полуавтоматический контроль исправности устройств системы, контроль цепей питания, целостности датчиков и линий связи с исполнительными механизмами осуществляется средствами верхнего и среднего уровня разрабатываемой системы. На верхнем уровне системы мониторинга подобный контроль осуществляется стандартными средствами SCADA-системы, на среднем уровне используются средства контроллера. Выполнение этих функций является стандартным требованием к любой современной системе, осуществляющей работу с распределенным оборудованием, то есть не является специальной функцией системы мониторинга скорости коррозии МГ, поэтому в дальнейшем не рассматривается.
Организация взаимодействия с оператором является одной из основных функций системы мониторинга, так как оператор должен не только получать выполненные системой расчеты скорости коррозии и остаточного ресурса МГ, но и вводить необходимые для работы системы данные, перечисленные выше.
Как уже говорилось, программное обеспечение взаимодействия оператора с системой мониторинга обеспечивается использованием на верхнем уровне SCADA-системы, которая предоставляет возможности формирования удобного операторского интерфейса и представления данных.
Аппаратное обеспечение заключается в наличии на АРМе оператора средств взаимодействия с оператором (клавиатура, мышь, монитор, акустические колонки).
Обмен данными с другими системами обеспечивается возможностями SCADA-системы на верхнем уровне, а также некоторой программной и аппаратной избыточностью.
Таким образом, из проведенного анализа следует, что для осуществления всех задаваемых системе мониторинга состояния МГ функций структурно она должна состоять из датчиков и измерительных преобразователей, контроллера для сбора и передачи информации, линии связи, в состав которой входят каналообразующая аппаратура и физическая среда для передачи данных, АРМ оператора.
АРМ оператора является центральным звеном системы и функционально состоит из следующих блоков: блок ввода информации от датчиков, блок хранения информации, блок обработки информации, блок операторского интерфейса, блок интерфейсной связи. Важной составляющей системы является программное обеспечение, установленное на АРМ оператора. Специальная программа на основе разработанной системы нечеткого вывода производит расчет потенциально прогнозируемой скорости коррозии и остаточного ресурса имеющегося участка магистрального газопровода, а также может давать рекомендации по снижению влияния критических факторов на процесс протекания коррозии на участке магистрального газопровода.
Основные вопросы создания и разработки SCADA-систем, в частности SCADA-систем для мониторинга коррозии в магистральных газопроводах, освещены в [22, 89]. Наиболее существенные блоки разрабатываемой системы показаны на структурной схеме 4.1.
Так как для работы системы ключевыми функциями являются лишь некоторые из описанных выше, то дальнейшую разработку системы будем осуществлять без учета необходимости решения неспецифических задач. Подсистемы, реализующие функции решения данных задач, укажем на структурной схеме блоками без дальнейшего раскрытия их внутреннего устройства.
