Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и постановка задачи исследований 19
1.1. Особенность линейной части магистральных газопроводов как объекта контроля и управления 19
1.2. Дефекты линейной части магистральных газопроводов, причины возникновения и особенности проявления 30
1.3. Анализ существующих методов и средств контроля и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов 40
1.4. Постановка задачи диссертационной работы 70
1.5. Выводы по главе 72
Глава 2. Метод дистанционного зондирования 74
2.1. Требования к методу зондирования линейной части магистральных газопроводов 74
2.2. Разработка метода дистанционного зондирования линейной части магистральных газопроводов 76
2.3. Разработка модели системы зондирования 78
2.4. Компьютерное моделирование профилей концентрации стравливаемого газа 87
2.5. Расчет чувствительности системы зондирования 97
2.6. Выводы по главе 101
Глава 3. Программно-аппаратные средства дистанционного зондирования 103
3.1. Требования к программно-аппаратным средствам зондирования управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов 103
3.2. Разработка структуры программно-аппаратного комплекса 109
3.3. Разработка аппаратных средств комплекса 112
3.4. Разработка программных средств комплекса 128
3.5. Выводы по главе 146
Глава 4. Экспериментальная проверка разработанных метода и средств. внедрение результатов работы 147
4.1. Исследование поведения газового облака в окрестностях линейной части магистральных газопроводов 148
4.2. Методика исследования и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов 152
4.3. Результаты испытаний локатора на линейной части магистральных газопроводов 163
4.4. Результаты внедрения в практику мониторинга и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов 178
4.5. Выводы по главе 194
Заключение 196
Список литературы 198
Приложения: 216
- Дефекты линейной части магистральных газопроводов, причины возникновения и особенности проявления
- Разработка метода дистанционного зондирования линейной части магистральных газопроводов
- Разработка структуры программно-аппаратного комплекса
- Методика исследования и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов
Введение к работе
Магистральные газопроводы (МГ) относятся к ответственным энергетическим сооружениям, к техническому состоянию (ТС) и надежности работы которых предъявляются повышенные требования. Это обусловлено как причинами технического, экологического характера, так и огромным материальным ущербом в случае отклонений исходных параметров ТС от нормативных, вследствие возникновения дефектов или аварии.
Общая протяженность линейной части (ЛЧ) газопроводов России превышает 160 тысяч километров, покрывает практически всю территорию страны, и выходит далеко за ее пределы. Большая часть ЛЧ проходит через территории с неблагоприятными климатическими и рельефно-ландшафтными условиями и подвергается жестким внешним воздействиям.
Расчетный средне-нормативный срок службы ЛЧ МГ в этих условиях составляет немногим более 30-ти лет. При этом более 40 тысяч км газопроводов исчерпали ресурс, а сроки эксплуатации 60% ЛЧ составляют на сегодня от 10 до 30 лет.
В связи с этим появился комплекс научно-технических проблем по обеспечению надежности ЛЧ МГ, устойчивости их работы и безопасности, оценкам остаточного ресурса и рисков.
Основным направлением деятельности для решения этих проблем является совершенствование системы управления техническим состоянием ЛЧ МГ на основе развития и создания новых методов и средств неразрушающего контроля и технического диагностирования.
За последние десятилетия этой проблеме посвящено значительное число работ как у нас в стране, так и за рубежом. Большой вклад в развитие теории диагностики газотранспортных систем (ГТС) внесли Баренбойм И.И., Бондаренко П.М., Борисов В.В., Будзуляк Б.В., Вавилов В.П., Горчаков В.А., Гумеров А.Г., Гурвич А.К., Долгов И.А., Зарицкий СП., Земенков Ю.Д., Ионин Д.А., Канайкин В.А., Крылов Г.В., Ланчаков Г.А, Мазур И.И., Халилсев П.А.
5 Выбор методов и средств диагностирования обуславливается также конструктивными особенностями и решениями в газотранспортной системе, сроком службы газопроводов, природно-климатическими условиями, наличием измерительных средств, возможностями транспорта и др. факторами.
В зависимости от используемых физических принципов работы методы диагностирования подразделяются на десять основных групп: акустические, магнитные, внутритрубные, вихретоковые, оптические, капиллярные, радиационные, вибродиагностические, тепловые и электрические. Наибольшее распространение получили первые пять методов.
Для проведения полного обследования и оценки ресурса ЛЧ МГ требуются большие затраты времени, материальных и финансовых средств. Осуществить сплошной мониторинг при помощи традиционных методов нельзя, поскольку для этого потребовалось бы вскрыть все подземные коммуникации и выполнить зачистку поверхности МГ и сварных стыков.
Кроме того, традиционные методы и средства неразрушающего контроля направлены на поиск и нахождение конкретного дефекта. При этом определить размеры дефектов (глубина, протяженность), расположенных в объеме основного металла или в металле сварного соединения достаточно сложно.
Главный же недостаток этих методов состоит в локальности их применения, что делает их малоэффективными, когда необходимо осуществить мониторинг на протяженных участках ЛЧ или на их труднодоступных участках, в отсутствие развитой сети коммуникаций.
Поэтому проблема разработки новых методов и средств диагностирования ЛЧ МГ, позволяющих с приемлемой достоверностью осуществлять их мониторинг, является весьма актуальной проблемой при создании масштабных систем управления техническим состоянием газотранспортной сети.
Исследование процессов взаимодействия МГ с окружающей средой и оценка состояния трубопроводных ГТС может быть произведена лишь на основе применения дистанционных, например, аэрокосмических методов, позволяющих получать принципиально новую по качеству и полноте информацию не только в контрольных точках, но, что особенно важно, по всей трассе в целом.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью диссертационной работы является создание мобильного устройства дистанционного зондирования подстилающей поверхности для системы управления техническим состоянием линейной части магистрального газопровода с улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены задачи:
Анализ состояния проблемы управления техническим состоянием линейной части магистрального газопровода.
Разработка метода дистанционного зондирования ЛЧ МГ.
Исследование характеристик газового облака в окрестностях магистрали.
Разработка модели системы зондирования и управления и компьютерное моделирование профилей концентрации стравливаемого газа.
Анализ чувствительности системы зондирования для мониторинга и управления техническим состоянием ЛЧ МГ.
Разработка аппаратно-программного комплекса зондирования ЛЧ МГ для мониторинга и управления ее ТС.
Разработка методики дистанционного обследования линейной части газовой магистрали с применением аппаратно-программного комплекса.
Проведение экспериментальных исследований, апробация и внедрение результатов работы в газотранспортную отрасль.
7 Методы исследования
В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода и объектно-ориентированного программирования, теории управления, вероятностей и математической статистики, теории оптимизации, математического моделирования и технической диагностики, а также численные методы решения уравнений и экспериментальные методы исследования.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана математическая модель устройства зондирования в виде
системы автоматического управления с астатизмом 1 -го порядка по каждому
из 2-х каналов, отличающаяся от известной учетом влияния вектора
коэффициентов рассеяния от подстилающей поверхности, что позволяет
решить проблему регулировки электронной части установки и осуществить
ее настройку и юстировку непосредственно перед применением по
назначению.
2. Разработана методика исследования поведения газового облака в
окрестностях линейной части МГ на основе измерения и оценки
концентрации метана. Методика базируется на экспоненциальных
зависимостях мощности излучения, возвращаемого на приемник. При этом
существующие методики измерения концентрации метана уточнены за счет
учета влияния коэффициента рассеяния подстилающей поверхности, закона
квадрата расстояния и флуктуации расстояния (т.е. высоты полета). В
результате экспериментального исследования получены результаты,
позволяющие повысить вероятности выделения или исключения
предполагаемой утечки за счет корреляционной обработки сигналов.
3. Для компьютерного моделирования профилей концентрации
стравливаемого газа получено расчетное выражение, учитывающее
8 интенсивность сепарации частиц, климатические условия и высоту подъема факела над трубой.
4. В рамках разработки метода управления техническим состоянием ЛЧ
МГ исследована чувствительность системы зондирования и, в
предположении пуассоновской статистики отсчетов, регистрируемых
локатором, получены вероятности пропуска дефектов и ложной тревоги,
рассчитанные для различных значений мощности зондирующего излучения.
5. Для оперативного дистанционного обнаружения утечек метана
разработаны структура и алгоритм аппаратно-программного комплекса,
который может быть включен в штатный состав бортового оборудования
летательного аппарата с целью осуществления мониторинга магистральных
газопроводов.
6. На основе полученных результатов теоретических и
экспериментальных исследований предложена инженерная методика
дистанционного мониторинга газопроводов для оперативного управления
техническим состоянием ЛЧ МГ.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанный программно-аппаратный диагностический комплекс (ПАДК), состоящий из локатора утечек газа ЛУГ и программного продукта «ЛУГ. Самописец», позволяет оперативно обнаружить и идентифицировать дефекты, автоматизировать сбор данных, осуществить обработку и визуализацию информации, оценить объемы утечек углеводородного сырья в реальном масштабе времени и, на этой основе обеспечить эффективное управление текущим техническим состоянием ЛЧ МГ.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе метод, программно-аппаратный комплекс и методическое обеспечение использованы при выполнении научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы в рамках договора № 013/04/Л от 2 июня 2004 года «Создание 3 (трех) лазерных локаторов для комплекса обследования магистральных газопроводов».
Основные результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Газпром-трансгаз-Сургут», ООО «ЛИТТ», а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и Сургутского государственного университета.
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 10 международных и 7 российских научных конференциях с 2000 по 2009 годы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 51 работа, в том числе 30 тезисов докладов и материалов конференций, 21 статья, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, а также получены 3 патента на полезные модели и одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников из 192 наименований и приложений, включающих в себя акты внедрения. В работе содержатся 24 таблицы и 92 рисунка. Объем основной части диссертации -215 страниц, объем приложений - 16 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также показана логическая связь глав диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ газотранспортной отрасли и показано, что газовая отрасль является базовой для российской энергетики и экономики в целом.
Добываемый в России природный газ поступает в магистральные газопроводы, объединенные в Единую систему газоснабжения (ЕСГ) России. ЕСГ является крупнейшей в мире системой транспортировки газа и представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя.
Благодаря централизованному управлению, большой разветвленности и наличию параллельных маршрутов транспортировки ЕСГ обладает существенным запасом надежности и способна обеспечить бесперебойные поставки газа даже при пиковых сезонных нагрузках.
Объективным свидетельством стабильной работы ЕСГ является снижение количества технических отказов на газопроводах с 0,21 на тысячу километров эксплуатируемых газопроводов в 2001г. до 0,11 в 2007г.
Данный уровень удалось снизить, за счет внедрения и реализации ряда целевых программ направленных на техническое диагностирование МГ и последующего «адресного» ремонта.
Хотя при формировании газотранспортной системы в 70-80-х гг. прошлого века в нее был заложен значительный запас прочности, вместе с тем известно, что ЕСГ России является стареющей, в связи, с чем повышается аварийность на МГ страны.
Наиболее опасной с точки зрения промышленной безопасности является линейная часть магистральных газопроводов. Это связано с многочисленными видами воздействий на газопровод различных факторов, как естественного, так и искусственного происхождения. В результате таких воздействий происходят процессы, оказывающие негативное влияние в виде дефектов, изменяющих напряженно-деформированное состояние газопровода.
До конца 80-х годов доминирующим фактором аварий на МГ была общая коррозия. На сегодняшний день к основным факторам аварийности можно отнести следующие: наружная коррозия — 52,4% (в том числе стресс-коррозия-44,8%); повреждения при эксплуатации — 5,5%; нарушение условий и режимов эксплуатации - 6,9%; строительные дефекты - 15,5%; дефекты изготовления труб и оборудования — 13,5%; стихийные бедствия - 6,2%.
В работе приводится обобщенная классификация основных видов дефектов встречающихся в ЛЧ МГ, их происхождение и влияние на надежность газопроводов.
Так как газопровод находится глубоко под землей, проблема диагностирования труб МГ без их вскрытия является весьма актуальной.
Решением этой глобальной задачи является комплекс мер по внедрению передовых технологий диагностики и ремонта газопроводов, а также реконструкции системы управления их техническим состоянием и организации процессов технического обслуживания и ремонта.
Проведенный в главе анализ известных традиционных методов диагностирования выявил, что они позволяют получить лишь частные параметры тех или иных дефектов и не обеспечивают получения общего объема необходимой информации о состоянии протяженных участков ГТС и динамике их изменения.
В этой связи, наиболее эффективными представляются аэрокосмические методы неразрушающего контроля и диагностирования ЛЧ МГ, основанные на дистанционном зондировании подстилающей поверхности. С учетом проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработан метод дистанционного зондирования, который положен в основу системы управления техническим состоянием линейной части магистрального газопровода.
В рамках метода предложена модель устройства зондирования. Было установлено, что при мощности излучения Ю...15мВт, существующей апертуре приемная зеркал и высоте полета 80м, мощность отраженного сигнала, попадающего на фотоприемник, лежит в пределах (0,1...1) 10"9Вт, в зависимости от коэффициента отражения земной поверхности ^=(0,1... 1).
Мощность отраженного сигнала рассчитывалась из уравнения с учетом коэффициента усиления оптической системы локации для газового лазера.
Для того чтобы получить информацию о коэффициенте отражения исследуемой поверхности к2, необходимо сначала на одном и том же расстоянии провести калибровку локатора по двум эталонным мишеням, т.е.
12 определить коэффициент, зависящий от параметров локационной установки, а затем на требуемых расстояниях с помощью одного эталона определить к2.
Так же при расчетах учитывалась величина прозрачности атмосферы, зависящая от коэффициента ослабления дымкой в приземном слое атмосферы и метеорологической дальности видения.
За эталон была выбрана поверхность ватмана. В качестве образцов различных подстилающих поверхностей использовались различные природные образования (обнажения, почвы, растительный покров, снег, вода), а также строительные материалы (асфальт, кирпич, бетон). С целью исследования зависимости отраженной способности подстилающих поверхностей от направления зондирования были измерены коэффициенты отражения при различных углах падения <р излучения на поверхность.
Полученные результаты послужили исходными данными для модернизации приемного устройства локатора по обнаружению утечек газа вблизи магистрального трубопровода.
Одной из проблем настройки и юстировки лазерных локаторов, а также отработки новых технологических решений является сложность регулировки электронной части локатора из-за:
наличия двух каналов излучения (A-i и А,?);
сложной математической модели локатора в виде системы автоматического управления (САУ-локатора), в которой не учтено влияние вектора коэффициента рассеяния, значение которого зависит от свойств подстилающей поверхности (почва, трава, песок и т.п.) и изменения по времени (движение локатора);
работы локатора в режиме системы автоматического регулирования с астатизмом первого порядка по каждому из каналов;
необходимости оптимизации точности и чувствительности измерения разности сигналов Uynp (Лі) и Uynp (Л^, и времени интегрирования с учетом усредненного вектора коэффициента рассеяния подстилающей поверхности;
нелинейной характеристики зависимости регулирования при обнаружении облака газа;
наличия обратной связи, которая оценивает ошибку регулирования;
большого количества точек настройки параметров САУ, влияющих на характеристики работы локатора.
В процессе анализа устройства зондирования были рассмотрены несколько способов моделирования с точки зрения реализации всего пространства целевой функции (Q). При этом каждый способ базировался на ограничениях, т.е. каждый способ реализовывал один параметр целевой функции (локальную целевую функцию (Qi)).
В настоящее время созданы различные варианты компьютерной модели электронной части локатора для расчета и моделирования с использованием пакетов программного обеспечения (11110) Mathcad, Mathlab и LabView. Проводятся эксперименты по определению пределов регулирования параметров (регулируемых и стационарных) САУ на стабилизацию локальных целевых функций Qi. Произведена структурная оценка САУ по ее передаточной функции с использованием ППО Classic.
Для расчета концентрации газа, обусловленных выбросами одиночного источника разработан метод компьютерного моделирования профилей концентрации стравливаемого газа. Метод базируются на математической модели рассеивания газообразных и аэрозольных примесей в атмосфере воздуха, и позволяет рассчитывать концентрации выбрасываемых газов в вертикальном и горизонтальном сечении факела.
Следует особо остановиться на вероятностной особенности рассчитываемых по используемому методу концентраций. Используемые расчетные формулы отражают значение того или иного параметра в зависимости от совокупности определяющих рассматриваемые состояния факторов. Опорным значением используемого метода является максимальное значение обусловленной выбросами из трубы приземной концентрации.
Рассеивающие свойства атмосферы при неблагоприятных метеорологических условиях, т.е. при условиях, отвечающих статистическому максимуму концентраций, определяются климатической зоной России.
Для задач обнаружения и определения величины утечки метана из трубопровода с помощью лазерного локатора представляет интерес величина С , представляющая собой проинтегрированную по высоте h концентрацию
метана в факеле выброса: С^(х,^) = \c(x,y,z)dz.
Приведенная к единице высоты величина 0^^) = 0^/h представляет
собой усредненное количество метана, содержащееся в слое толщиной 1м.
В работе приведены результаты расчетов величины С'^(х,у), и их
графическая реализация проведенные для 2-х значений диаметров отверстия в трубе (D=1mm и D=3mm) и 3-х значений скорости ветра (и=2м/с;5м/с; 10м/с). По изолиниям С^(х,у) можно оценить геометрические размеры
контура факела выброса метана (зависящие от условий выброса газа и скорости ветра, а также от порога чувствительности локатора), в пределах которых лазерный локатор регистрирует выброс.
Приведены результаты расчетов функции отклика локатора на факел выброса метана, проведенные для 2-х значений диаметров отверстия в трубе (D=1mm и D=3mm) и 3-х значений скорости ветра (и=2м/с; 5м/с; 10м/с).
По результатам анализа функции отклика локатора можно определить оптимальный диапазон расстояний от трубопровода до точки зондирования лучом при полетном поиске утечки газа.
В дальнейшей работе планируется модификация модели с целью учета влияния рельефа местности при расчетах параметров факела выброса газа.
Полученные результаты расчетов концентраций газа в трехмерном случае позволяют оценить величину сигнала, получаемого в зондирующем локаторе, в зависимости от условий прохождения лазерного луча сквозь
15 облако газа. Это позволит оптимизировать условия зондирования локатором возможных утечек газа при облете трубопровода.
Разработанный метод расчета также является основанием для создания модели, позволяющей восстановить распределение концентрации газа в трехмерном случае по результатам зондирования локатором облака газа, что даст возможность количественной оценки утечки газа.
В третьей главе сформулированы требования к программно-аппаратным средствам зондирования и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов.
В соответствии со сформулированными требованиями была разработана структура программно-аппаратного диагностического комплекса (ПАДК) «ЛУГ». Приведен состав и технические характеристики аппаратных и программных средств комплекса.
Устройство локатора утечек газа (ЛУГ) и взаимосвязь его составных частей иллюстрируется в работе структурной блок-схемой, а также функциональной и принципиальной схемами.
Функционально и конструктивно в ЛУГ объединены следующие устройства.
Передающая оптическая система (ПОС), которая состоит из двух He-Ne лазерных излучателей (лазер 1 и лазер 2), генерирующие непрерывное излучение на длинах волн я, =3,3922 мкм и я2 =3,3912 мкм, излучение лазера 1 претерпевает значительное поглощения в газовой среде, а излучение лазера 2 проходит через эту среду практически не ослабляясь, поскольку длина волны его излучения не совпадает с линией поглощения газа (метана).
Приемная система (ПС), состоит из телескопа, в котором смонтированы оптические узлы: главное параболическое зеркало, защитное кварцевое стекло (в фокусе телескопа), на котором закреплен охлаждаемый фотоприемник с предварительным усилителем и системой отвода тепла.
Блоки ПОС, ПС и устройства управления локатором составляют, собственно замкнутую систему автоматического управления (САУ) по
отклонению, где объект управления — совокупность лазеров, магнитооптических модуляторов и система зеркал - формирует регулируемый по величине совмещенный лазерный луч.
При пересечении смешанным лазерным лучом облака газа (метана), формируется сигнал рассогласования, пропорциональный разности поглощения излучений лазеров 1 и 2 в газе, который, после преобразования, приводит систему в состояние равновесия. Сигнал рассогласования детектируется и поступает для измерения и обработки в электронно-вычислительную машину (ЭВМ).
Одновременно с излучением лазера 1 и 2 в ЛУГ используются лазеры 3 и 4 с красным лучом с помощью системы зеркал ПОС осуществляется лазерное излучение, которое также направляется на землю, оставляя на ней «пятна» красного цвета (при настройке ЛУГ оба «пятна» совмещаются), что дает возможность пилоту летательного средства правильно следовать по трассе газопровода.
В составе ПАДК работает специальное программное обеспечение в виде комплекса программных продуктов для решения задач, связанных с работой локатора.
Ввод данных от устройств локационного комплекса в ЭВМ может осуществляться как с использованием программы «ЛУГ. Самописец», так и с использованием программ сторонних производителей.
Программа «ЛУГ. Самописец» также поддерживает АЦП HandyScope3, установленное в локаторе. Для работы с цифровой фотокамерой необходимо наличие программы Cannon RemoteCapture. Процесс функционирования программы «ЛУГ. Самописец» делится на два этапа: настройка программы и запись данных. Процесс настройки программы заключается в предварительной установке режимов работы АЦП и задании параметров сбора данных.
Кроме этого имеется возможность работать с предварительно сохраненной настройкой программы, что значительно сокращает время,
17 требуемое для предварительной настройки. После настройки программа готова к работе и можно запустить сбор данных. Преимуществом данного способа ввода данных является использование одной программы вместо нескольких, а также возможность осуществления контроля за сбором данных, что позволяет исключить ситуацию потери данных в процессе сбора.
В четвертой главе показано, что для создания эффективных методов поиска дефектов в ЛЧ МГ необходимо знать параметры газового шлейфа в атмосфере при различных условиях. В настоящее время имеются теоретические модели, описывающие процесс диффузионного рассеяния газа, но часть параметров, которые используются в численных расчетах, носят полуэмпирический характер. Поэтому для их проверки и уточнения необходимо проведение натуральных экспериментов.
Для экспериментальных исследований поведения газового облака в окрестностях линейной части магистрального газопровода была разработана методика формирования заданной концентрации метана. Для этого было выбрано три варианта:
измерение в замкнутом объеме (в кювете);
измерение в свободном пространстве, но с ограничением быстрой утечки газа - для этого использовалась кювета, подвешенная к потолку, с открытым входом снизу;
свободного истечения газа (газового облака) и газового факела при различных имитациях потоков воздуха (ветра).
В результате эксперимента были получены дополнительные возможности увеличения вероятности подтверждения или исключения предполагаемой утечки за счет корреляционной обработки сигналов.
На основе полученных данных разработана методика измерения и оценки концентрации метана, которая базируется на известных экспоненциальных зависимостях мощности излучения. При этом существующие методики измерения концентрации метана были уточнены за
!8 счет учета влияния коэффициента рассеяния подстилающей поверхности, закона квадрата расстояния и флуктуации расстояния.
Результаты диссертационных исследований и разработанный на их основе программно-аппаратный комплекс прошли апробацию при вертолетных обследованиях протяженных участков ЛЧ МГ, обслуживаемых ООО «Кавказтрансгаз», ООО «Каспийгазпром», ООО «Кубаньгазпром», 000 «Самаратрансгаз», ООО «Севергазпром», ООО «Таттрансгаз» и ООО «Югтрансгаз»».
По результатам рабочих и летных испытаний были сделаны выводы о том, что; ПАДК работоспособен; обнаруживает утечки газа из ЛЧ МГ в реальном масштабе времени; обеспечивает отображение данных на экране ЭВМ и регистрацию фотоизображения ЛЧ МГ, а также фотоизображения мест утечки, получаемые синхронно с сигналом об утечках — все это позволяет с высокой точностью контролировать полет; с использованием программы «ЛУГ. Самописец», можно оценить состояние МГ и производить анализ места утечки; фиксирует все отклонения от режимов облета трассы МГ; послеполетная обработка полученных результатов на ЭВМ позволяет подтвердить обнаруженные утечки и исключить ложные, выявлять состояние и дефекты ЛЧ МГ, а также в некоторых случаях обнаруживать новые места утечки газа из газопровода.
В заключении отражены основные результаты, полученные при решении задач, поставленных в диссертационной работе.
В приложении диссертации приведены акты внедрения результатов работы, патенты, протоколы, отчеты по НИР.
Дефекты линейной части магистральных газопроводов, причины возникновения и особенности проявления
Сооружение значительной части МГ проходило на территориях с неблагоприятными инженерно-геологическими характеристиками грунтов и тяжелыми природно-климатическими условиями строительства. Эти и другие факторы во многом определили возникновение множества дефектов, связанных с эксплуатацией МГ в суровых климатических условиях, например, в районах Приобья и Крайнего Севера [8,10,29,48]. До конца 80-х годов доминирующим фактором аварий на МГ была общая коррозия. На сегодняшний день к основным факторам аварийности можно отнести следующие (рис. 1.8) [21,22,29,42,47-50]: стесс-коррозия; нарушение условий и режимов эксплуатации: о правил охраны магистральных газопроводов; о нарушения требований проекта; повреждения при эксплуатации; дефекты, вызванные: о браком строительно-монтажных работ; о браком изготовления труб и оборудования (заводские дефекты); природный фактор: о наличие динамически-напряженных зон; о стихийные бедствия [58,61,64,77,86]. Рис. 1.8. Причины возникновения аварий на МГ: 1-наружная коррозия (в том числе стресс-коррозия - 44,8%); 2-повреждения при эксплуатации; 3-нарушение условий и режимов эксплуатации; 4-строительные дефекты; 5-дефекты изготовления труб и оборудования; 6-стихийные бедствия Рассмотрим основные виды дефектов, их происхождение и влияние на надежность газопроводов.
Дефекты подразделяются на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые. Критическим называется дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно, значительным - дефект, который не оказывает такого влияния.
Дефекты также подразделяются на дефекты, подлежащие ремонту (ДПР), из которых по степени опасности выделяются дефекты первоочередного ремонта (ПОР) [21,22,29,64,77,87,88]. Дефект, подлежащий ремонту - каждое отдельное несоответствие нормативным документам: стенки, сварных швов, геометрических форм трубы, а также соединительные, конструктивные детали и приварные элементы на газопроводе или входящие в его состав, не соответствующие нормативным документам.
Дефект первоочередного ремонта - дефект, ограничивающий эксплуатацию участка газопровода на срок до 1 года и снижающий проектную способность газопровода, а также дефект, подлежащий ремонту, для которого не определяется прочность и долговечность [87,88]. По происхождению дефекты подразделяются на: производственно-технологические, возникающие в процессе производства, например при отливке, прокатке, при изготовлении и ремонте деталей; эксплуатационные, возникающие после некоторой обработки изделия в результате усталости материала, коррозии, изнашивания из-за неправильного технического обслуживания и эксплуатации. Обобщенная классификация дефектов газопроводов приведена на рис. 1.9 [29,87,88,107,111].
Как показывает практика, аварии на МГ с большим сроком эксплуатации связаны с коррозионными повреждениями стенок труб по причине выхода из строя изоляционных покрытий, выполненных при строительстве с применением пленок холодного нанесения и битумно-резиновых мастик. Для защиты труб от коррозии на них наносится покрытие - гидроизоляция. Однако при укладке труб гидроизоляция в отдельных местах может быть повреждена. Также, в среднем, через каждые 8-12 лет покрытия теряют свои защитные свойства и требуют своевременной замены. Полная защита газопровода, имеющего противокоррозионную изоляцию, достигается при осуществлении активной электрохимической защиты (катодной, дренажной или протекторной) [115,116,123,125].
С течением времени состояние противокоррозионной изоляции ухудшается, диэлектрические свойства снижаются и, как следствие, уменьшается защитная зона установок электрохимической защиты. Для обеспечения требуемой степени защиты газопровода от коррозии увеличивают, где это возможно, мощность действующих установок электрохимзащиты и добавляют, по необходимости, новые установки [87,90,111,160,165,171].
Коррозия считается сильной (опасной), если коррозионные каверны достигают диаметра 30-40мм и глубины 4-5мм при толщине стенки 9-10 мм.
Некоторые источники указывают [42,47,64,78,80,108], что совместное воздействие коррозии и механических напряжений приводит к образованию очень опасных трещин особого рода, направление этих трещин приблизительно параллельно оси трубы. Трещины начинаются в виде мелких оспинок и в течение нескольких лет вырастают до угрожающих размеров, проникая в стенку трубы радиально, перпендикулярно поверхности.
Разработка метода дистанционного зондирования линейной части магистральных газопроводов
Как явствует из обзора, а также предыдущей главы существующие методы поиска дефектов на линейной части МГ не могут удовлетворять всем требованиям, многие методы не дистанционны и нечувствительны к малым утечкам, оперативность и многофункциональность не развита, либо весьма дорогостоящи и малопроизводительны. В связи с этим, как показали наши исследования, эффективным и перспективным методом обнаружения дефектов линейных объектов МГ является дистанционный метод, реализуемый посредством установки на летательном судне устройства в виде программно-аппаратного диагностического комплекса (ПАДК). Для этих целей нами был разработан ПАДК «ЛУГ» в который входит: локатор ЛУГ, управляемая система видеонаблюдения, спутниковая система позиционирования и комплекс программ по обработке данных.
Дистанционное зондирование посредством ПАДК «ЛУГ» органично вписывается в систему управления техническим состоянием линейной части МГ (рис. 2.1) [18,25,51,121] и становится основным звеном в обратной связи СУ, позволяя отслеживать полученные результаты при очередном обследовании линейной части МГ, периодичность которого зависит от характера дефекта.
Объектом управления 1 системы управления (рис. 2.1) является линейная часть МГ состоящая из: газопровода; крановых узлов; приемных камер; ГРС; переходов. Появившийся дефект проявляется в виде утечки, которая регистрируется ПАДК 5 и после обработки в программе «ЛУГ. Самописец» ПАДК поступает в линейный отдел 3, где качественно и количественно оценивается каждый дефект по критериям: объем утечки, вид дефекта, место дефекта, климатический сезон, опасность дефекта, наличие оборудования, погодные условия и периодичность обследования. По каждому дефекту формируется приоритет их устранения и, в зависимости от сложности дефекта (например, дефект запорного крана) и наличия оборудования, формируется заявка в аварийный поезд 4 для устранения дефекта. При необходимости проводится контрольное обследование устраненного дефекта.
Главными задачами обследования МГ, с помощью ПАДК «ЛУГ» являются: обнаружение утечек газа на объектах ЛЧ МГ в реальном масштабе времени с использованием локатора ЛУГ, а также выявление утечек и обнаружение мест их возможного появления на основе анализа результатов вертолетного обследования и компьютерной постобработки информации, полученной с помощью оборудования ПАДК; ревизия технического состояния газотранспортной системы ГТС МГ, отводов газопровода, окрестностей компрессорных станций, крановых узлов и газораспределительных станций, мест хранения газа и других объектов; диагностика газовых объектов в жилищно-коммунальном хозяйстве; контроль загазованности и обеспечение безопасности территорий промышленных комбинатов, автозаправочных станций, подземных парковок и других объектов; экологический мониторинг и предупреждение чрезвычайных ситуаций; создание базы данных выявленных дефектов ГТС и подстилающей поверхности вблизи МГ; уточнение трассы МГ, посредством записи и сравнения траектории движения вертолета с положением МГ на электронной карте; использование информации, полученной в процессе обследования, для контроля и документирования отклонений от режимов полета; определение необследованных участков трассы и оценка эффективности вертолетных обследований посредством контроля и документирования нарушений паспортных требований локатора ЛУГ, на основе анализа данных вертолетных обследований; проведение статистического анализа и компьютерной обработки данных, полученных за весь период вертолетного обследования, для повышения достоверности обнаружения дефектов в линейной части МГ посредством ПАДК.
Для исследования локатора с поверхности земли была выработана величина коэффициента обратного отражения, под которым понимается отношение отраженной в единице телесного угла мощности оптического сигнала к падающей на подстилающую поверхность мощности оптического сигнала. Знание такого параметра реальных поверхностей, обладающих в той или иной мере как зеркальным, так и диффузным отражением, необходимо для разработки основных узлов локатора, а также для контроля загазованности атмосферы метаном вблизи газопровода. Известные работы [16,24,39,71,73,75,84,105,114,117,144,161,173] по исследованию различных сторон диффузного отражения, показавшие чрезвычайную сложность этого явления для реальных поверхностей, недостаточны для решения указанной задачи.
По формулам, используемым в теории радиолокации [144,161,173,192], было установлено, что при мощности излучения Ю...15мВт, существующей апертуре приемного зеркала и высоте полета вертолета 80м, мощность отраженного сигнала, попадающего на фотоприемник, лежит в пределах от 0,1 до 1 10"9Вт, в зависимости от величины коэффициента отражения земной поверхности /=(0,1...1).
Мощность отраженного сигнала рассчитывалась из уравнения с учетом коэффициента усиления оптической системы (104) локации для газового лазера, записанного в виде
Разработка структуры программно-аппаратного комплекса
Анализ способности предлагаемого детектора метана обнаруживать наличие природного газа вблизи поверхности земли, при концентрации метана в 2мм по объёму, основан на расчёте величины локаторного отклика, как функции некоторых параметров локатора и расчёте величины вклада факторов мешающих обнаружению сигнала от метана. Исходя из представлений о том, что предлагаемый прибор должен быть, с одной стороны, достаточно компактным но, в то же время, позволяющим решать задачу обнаружения утечки метана с помощью одного зондирующего излучения. В данном варианте расчёта был зафиксирован диаметр приёмной оптики на уровне 30см (приведенной к 10см), при этом варьировалось фокусное расстояние приёмной оптики и мощностью зондирующего лазерного излучения [69,75,142].
Из факторов, оказывающих возмущающее воздействие, необходимо учитывать фон, создаваемый солнечным светом, отражённым от поверхности земли в направлении приёмной оптической системы локатора установленного на борту летательного аппарата. При этом в данной работе приводится расчёт для самого неблагоприятного случая, когда поверхность земли покрыта белым снегом, небосвод не покрыт облаками и солнце находится на высоте 22 над горизонтом. Во всех других ситуациях по фону от солнца его мешающее влияние будет очевидно слабее.
В расчётах предполагается, что лазерный луч фокусируется на поверхность земли с высоты 100м, что позволяет снизить уровень фона солнечного света отражённого от поверхности земли и собираемого приёмной аппаратурой локатора. На рис. 2.16 представлена зависимость локаторного отклика метана как функция фокусного расстояния приёмной аппаратуры. Из рисунка видно, что при фокусе 0.6м из объёма атмосферы длинной 10м вдоль луча вблизи
Варьируя фокусное расстояние приемной аппаратуры локатора можно добиться определённого компромисса в габаритах и, что не маловажно, в обеспечении достаточно свободных требований к постоянству высоты полёта летательного аппарата. Последние графически представлены на рис. 2.18 как эффективность перехвата сигнала в зависимости от высоты зондирования (полёта).
Данный расчёт проведён для фокусного расстояния аппаратуры локатора равного 0.6 метров. Из рис. 2.18 видно, что в данном случае толерантность к изменениям высоты полёта по уровню перехвата 0.8м сохраняется от 85 до 125 метров. С точки зрения терминологии более привычной в задачах обнаружения, ниже представлен расчёт вероятностей обнаружения и ложной тревоги (рис. 2.19) рассчитанные для различных значений мощности зондирующего лазерного излучения.
Вертикальная черта на рис. 2.17 и 2.18 показывает, что при задании вероятности ложной тревоги на уровне 10"5 и частоте повторения зондирующих импульсов 20Гц, ложная тревога будет объявляться в среднем один раз за один час и 20 минут. При этом вероятность пропуска утечки составит величину порядка 2-10" .При этом необходимо отметить, что расчётные данные, представленные на рис. 2.19 и 2.20 получены в предположении пуассоновской статистики отсчетов регистрируемых локатором.
В главе сформулированы требования к дистанционного методу зондирования линейной части магистральных газопроводов. Разработан и обоснован метод дистанционного зондирования ЛЧ МГ, как эффективный и перспективный способ обнаружения утечек газа и дефектов из газопроводов. Приводится описание системы управления ее элементов и устройств, используемых при диагностировании технического состояния ЛЧ МГ. Разработана математическая модель устройства зондирования, отличающаяся от известной учетом влияния вектора коэффициентов рассеяния от подстилающей поверхности, что позволяет решить проблему регулировки электронной части установки и осуществить ее настройку и юстировку непосредственно перед применением по назначению.
Разработана методика исследования поведения газового облака в окрестностях линейной части МГ на основе измерения и оценки профилей концентрации стравливаемого метана. Методика базируется на экспоненциальных зависимостях мощности излучения, возвращаемого на приемник.
Уточнены существующие методики измерения концентрации метана за счет учета влияния коэффициента рассеяния подстилающей поверхности, закона квадрата расстояния и флуктуации расстояния.
Для компьютерного моделирования профилей концентрации стравливаемого газа получено расчетное выражение, которое позволяет повысить достоверность обнаружения утечек за счет учета интенсивности сепарации частиц, климатические условия и высоту подъема факела над трубой.
В результате экспериментального исследования получены данные, позволяющие повысить вероятности выделения или исключения предполагаемой утечки за счет корреляционной обработки сигналов.
Был произведен расчет чувствительности системы зондирования, позволяющий обнаруживать наличие природного газа вблизи поверхности Земли, основанный на расчёте величины локаторного отклика, как функции некоторых параметров локатора и расчёте величины вклада факторов мешающих обнаружению сигнала от метана.
Методика исследования и управления техническим состоянием линейной части магистральных газопроводов
Программа зондирования дефектов «ЛУГ. Самописец» предназначена для проведения автоматизированного диагностирования в режиме реального времени объектов ЛЧ МГ.
Данная программа определяет наличие дефектов возникших при эксплуатации МГ, по величине уровня концентрации метана позволяя: автоматически сравнивать измеренные регулярные амплитудно-фазовых соотношения сигналов, своим происхождением обусловленные присутствием метана в зоне действия локатора утечек газа; по результатам сравнения проводить автоматизированную выборку предполагаемых мест утечки газа.
Данная программа позволяет решать следующие задачи: производить ввод, накопление, хранение и редактирование информации о полученных результатах обследований ЛЧ МГ; экспортировать данные, собранные с оборудования ПАДК; получать информацию от аппаратуры ПАДК в режиме реального времени; обеспечить поиск по базе данных результатов испытаний за определённый период; определять наличие дефектов возникших при эксплуатации ЛЧ МГ, по величине уровня концентрации метана в зоне действия локатора; сопрягаться с контрольно-измерительной аппаратурой ПАДК на программном и аппаратном уровнях; производить постобработку результатов зондирования с подготовкой отчетной документации; проводить оперативное диагностирование технического состояния объектов ЛЧ МГ [23,31,32,35,57,103].
Результаты решений всех перечисленных задач программа загружает в базу данных 1111 и посредством программного крейта интерпретации выводит информацию по диагностированию ЛЧ МГ через соответствующий графический постпроцессор на экран ЭВМ.
Общий вид организационно-функциональной структуры программы зондирования «ЛУГ. Самописец» представлен на рис. 3.16.
Блок ввода информации, полученной с локатора подразумевает как ручной ввод данных оператором в различные таблицы БД, так и экспорт собранных данных различного формата, в режиме реального времени, полученных при облете трассы МГ в базу данных программы, для последующей обработки. Схема организации экспорта данных с оборудования локатора изображена на рис. 3.17.
Блок учёта данных с АЦП локатора ведёт анализ данных собранных и обработанных непосредственно оборудованием локатора и содержит массив: время (в миллисекундах) и амплитуда сигнала (в милливольтах). Дополнительно могут быть получены фото-данные - массив фотографий (время, точность до 1 секунды, размер не менее 40 60 метров, разрешение 8— ЮМпикс) созданных фотоаппаратом, подключенным к локатору и полученных в ходе проведения зондирования трассы ЛЧ МГ. Данные GPS приемника - время (в миллисекундах), координаты (широта - долгота, в градусах, минутах, секундах или долях градусов), высота (в метрах), скорость полета (в метрах в секунду).
Топографические карты местности содержат информацию о полученных результатах в виде карт местности, по которым проводились летные испытания, сбор данных по утечкам. Привязка карт местности и фотографий места облётов организует компоновку фотографий местности к соответствующим картам местности, для определения более точного места возможной утечки.
Блок анализа полученных данных организует компоновку всех полученных результатов с выдачей информации о величине уровня концентрации метана в зафиксированных местах утечки газа из ЛЧ МГ. Затем производится привязка собранных данных к векторной карте местности, над которой проводился облет и дополнительно происходит сопоставление с фотоинформацией. Формируется отчет по результатам работы и производится сохранение в базу данных.
Блок сохранения полученных данных с локатора позволяет сохранять в БД всю полученную информацию о ходе проведения дистанционного зондирования посредством ПАДК, за различные временные периоды.
Блок подготовки и выдачи отчёта по результатам облёта ЛЧ МГ производит оформления всех полученных результатов работы в наглядном виде используются программы для полуавтоматического создания отчетов и презентаций.
Для взаимодействия внутренних компонентов ПП создана БД, которая содержит: информацию о полученных результатах измерения уровня концентрации метана после облета участков местности; информацию о зафиксированных утечках, включая дату определения утечки, присвоенную категорию; описание всех категорий утечек, в том числе по мощности излучений; хронологическую информацию о состоянии исследуемых объектов.
Данный программный продукт разработан в среде визуального проектирования Borland Delphi 7 Enterprise. В качестве СУБД использовалась MS Access. Для доступа к базе данных использовалась технология ADO (ActiveX Data Objects). Программный продукт работает под управлением операционной системы Windows 98/NT/2000/XP.
