Совершенствование системы комплексного мониторинга технического состояния площадных объектов магистральных газопроводов

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи, научная новизна и основные защищаемые положения диссертационной работы.
В первой главе выполнен анализ существующих подходов к оценке технического состояния и прогнозированию ресурса зданий, сооружений и технических устройств, эксплуатируемых в составе МГ, геотехническому мониторингу, анализируется аварийность и причины разрушения. Показано, что площадные объекты требуют особого внимания к обеспечению безопасности, что связано со значительным риском поражения не только дорогостоящего оборудования, но также и персонала.
На основании анализа данных о техническом состоянии и уровне аварийности площадных объектов магистральных газопроводов (рисунок 1), показано, что большинство отказов, в частности, на КС, приходится на технологические трубопроводы (ТТ).
Рисунок 1 – Распределение аварий по расположению очагов разрушения на компрессорных станциях
Парадигма существующей системы диагностического обслуживания объектов газовой и нефтяной промышленности была сформирована в 1990-х годах и базируется на возможностях классических технологий диагностирования и неразрушающего контроля, применявшихся в то время.
Для отдельных видов технологического оборудования используются
3% 6%
23%
Металл труб и сварных соединений – 46%
Тройники – 23% Запорная арматура – 10% Пылеуловители – 9% Обратные клапаны – 6% АВО газа – 3%
Прочие – 3%
3%
9%
10%
46%
системы защиты и автоматики, фактически являющиеся автоматизированными системами технического диагностирования, которые позволяют осуществлять мониторинг отдельных параметров их технического состояния (уровень виброскорости, виброперемещения, температуры в контрольных точках и т.п.). Вместе с тем такие системы не позволяют оценивать техническое состояние оборудования в целом, реализуя только контроль превышения данными параметрами заводских уставок, при этом значительная доля таких систем построена на аналоговой элементной базе.
На основании анализа методик технического диагностирования ТТ КС показано, что при их использовании отсутствует полноценная техническая возможность непосредственного диагностирования в процессе эксплуатации. В частности, даже при диагностировании ТТ с применением современных роботизированных систем необходима остановка КС, стравливание газа из коммуникаций и другие трудоемкие технологические операции.
Отмечается, что в рамках отдельных опытно-конструкторских работ на объектах внедрялись образцы систем мониторинга технического состояния трубопроводов. Приводится сравнительный анализ таких систем, в том числе системы оценки технического состояния трубопроводов КС «Добрянская», системы мониторинга НДС трубопроводов на базе струнных датчиков деформации, системы автоматизированного диагностического обслуживания дожимной компрессорной станции газового промысла Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения, волоконно-оптической системы геотехнического мониторинга МГ «Сахалин – Хабаровск – Владивосток» и др.
Показано, что для МГ, проложенных в сложных инженерно-геологических условиях, а также в районах сейсмической активности, накоплен положительный опыт мониторинга НДС линейной части с применением различных систем.
Несмотря на достаточное количество автоматизированных систем, позиционируемых как инструмент непрерывного мониторинга оборудования и трубопроводов, единый подход к их построению отсутствует, а методология применения до сих пор не сформирована. При этом разработка и внедрение
систем мониторинга сопряжены со значительными затратами, что обуславливает актуальность разработки и использования научно-обоснованных методик оценки эффективности и целесообразности установки таких систем, а также определения состава и количества средств измерений их подсистем.
На основании анализа состояния вопроса сформулирована цель работы и задачи, необходимые для ее достижения.
Во второй главе проводится исследование целесообразности и эффективности применения систем комплексного мониторинга зданий, сооружений и технических устройств площадных объектов МГ на базе анализа причин и факторов, обуславливающих деградацию их технического состояния.
Разработан критерий оценки целесообразности и эффективности установки систем мониторинга технического состояния зданий, сооружений и технических устройств на площадных объектах магистральных газопроводов:
n
R Р(А)P(ПС А)Р(B|ПС)P(C B)У iiiiii
Ксм== i=1 , Зсм Зсм
(1) где R – снижение риска аварии при внедрении системы мониторинга, руб.;
Зсм – стоимость системы мониторинга, руб.; Р(А) – вероятность наступления
аварии на рассматриваемом элементе; P (ПСi А)– условная вероятность
наступления i-го предельного состояния при возникновении аварии; Р(B | ПС )– ii
условная вероятность фиксации наступления i-го предельного состояния при возникновении отказа (характеризуется техническими показателями системы
мониторинга); P (Ci Bi ) – заданная условная вероятность корректировки
технического состояния элемента при выявлении предаварийного состояния, определяемая характером предельного состояния, техническими характеристиками системы мониторинга, человеческим фактором, степенью автоматизации системы и пр.; Уi – математическое ожидание ущерба при

12 переходе в i-е предельное состояние, руб.
При Ксм 1 вероятная экономия будущих затрат на ремонт и устранение
последствий аварийного отказа больше или равна стоимости затрат на систему мониторинга, что говорит об актуальности ее применения, в противном случае – установка системы нецелесообразна.
На примере технологических трубопроводов КС, характеризующихся повышенным уровнем вероятности перехода в предельное состояние со
значительными последствиями (допустимая вероятность отказа Р(А)=10−4 ),
обоснована возможность применения предложенного критерия для оценки эффективности и целесообразности установки систем мониторинга.
Доказано, что мониторинг НДС ТТ КС является необходимым условием предотвращения большинства их вероятных предельных состояний по классификации Н.А Махутова (разрушение при квазистатическом нагружении, развитие пластических деформаций, потеря устойчивости, циклическое разрушение, развитие трещин коррозионно-механического или механического характера и др.). Для достоверного расчета прочности трубопровода необходимо обладать данными обо всех компонентах сложного напряженного состояния металла газопровода, которое характеризуется комплексом нагрузок и воздействий, а также данными о свойствах металла (химическом, структурно- фазовом составе, технологии производства и пр.). Показывается, что мониторинг напряженно-деформированного состояния является единственным способом определения фактического НДС оборудования и трубопроводов площадных объектов в условиях эксплуатации.
Сделан вывод, что из существующих методов оценки НДС конструкций наиболее точными являются расчетно-экспериментальные методы, основанные на определении перемещений, а также деформации в контрольных точках (сечениях) и последующей расчетной оценке численными методами НДС во всем объеме металла конструкции с учетом экспериментальных данных.
Учитывая особенности конструкции и условия эксплуатации ТТ КС, а
также необходимость обеспечения точной и надежной оценки НДС на протяжении всего срока эксплуатации, на основании современных достижений технологий тензометрии и контроля планово-высотного положения объектов, предлагается использование следующих экспериментальных методов для мониторинга НДС трубопроводов: тензометрия с применением волоконно- оптических датчиков деформации (ВОДД); лазерная дальнометрия роботизированными средствами; определение планово-высотного положения с применением средств глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS).
Разработана методика определения оптимальных мест установки средств измерения, основанная на принципе обеспечения корректного выявления отклонений параметров технического состояния и учитывающая большую протяженность трубопроводов, значительные размеры зданий и сооружений площадных объектов, базу средств измерения, погрешность и надежность датчиков.
Методика предполагает итерационное выполнение следующих шагов: 1) определение количества датчиков; 2) определение мест размещения датчиков (реперных точек); 3)проверка эффективности расстановки датчиков с последовательным сокращением их количества.
Для проверки эффективности расстановки датчиков предлагается выполнение оценки НДС конструкции при наихудшем из возможных сочетаний нагрузок и воздействий, возникающих в процессе эксплуатации, на основе расчета деформаций (перемещений) в местах установки датчиков и их сопоставления с погрешностью средств измерения. При этом должны соблюдаться принципы связности датчиков (отклонение НДС фиксируется минимум двумя независимыми датчиками); точности (погрешность измерений должна быть меньше, чем отклонение параметра при наступлении предаварийного состояния); ремонтопригодности; однозначности измерений.
Предложенная методика рассмотрена на примере аналитического решения задачи по определению продольной деформации базы точечного датчика в произвольном месте жестко защемленного трубопровода (пролет между
неподвижными опорами, участок трубопровода в зоне оголения и пр.).
С использованием разработанного подхода были сформированы основные принципы построения комплексных систем мониторинга технического состояния
площадных объектов МГ.
В третьей главе приводится расчетно-экспериментальная проверка
эффективности применения комплексных систем мониторинга зданий сооружений, фундаментов и технологических трубопроводов площадных объектов на примере компрессорного цеха (КЦ) «Прогресс» КС «Арская».
В ходе обследования КЦ «Прогресс» были выявлены объекты, требующие контроля состояния при эксплуатации: несущие конструкции укрытий газоперекачивающих агрегатов (ГПА); ТТ и опорная система оборудования; подземные коллекторы.
Моделирование с применением метода конечных элементов позволило обнаружить зоны, где необходим контроль перемещений и деформации. В частности, моделирование просадки опор в трубопроводной обвязке (ТПО) пылеуловителей (ПУ) (рисунок 2,а) показало различную интенсивность деформаций в элементах ТПО (рисунок 2, б), на основании чего были выбраны точки для проведения мониторинга с применением метода лазерной дальнометрии.
а) б)
Рисунок 2 – Моделируемый участок обвязки ПУ: а) суммарные перемещения;
б) интенсивность деформации элементов

Приведены результаты натурных экспериментальных исследований возможности применения перспективных методов оценки планово-высотного положения реперных точек конструкции – лазерной дальнометрии и GNSS- технологии – для задач мониторинга.
Экспериментальные исследования осуществлялись на площадке КС «Арская» с целью оценки возможности применения методов экспериментального определения планово-высотного положения конструкций для мониторинга технического состояния зданий, сооружений и трубопроводов площадных объектов магистральных газопроводов.
Предложено проведение двух серий однофакторных экспериментов. Результаты измерений координат тестовых точек с помощью роботизированного тахеометра (РТ) и GNSS-комплекса представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты измерения координат тестовых точек
Тестовая точка
PU1 GPA1 AVO1 AVO2 GPA2 GPA3
Высота Функция отклика yi , м
точки Измерение Измерение Измерение Измерение Измерение
xi ,м 5,792
7,142 10,439 10,334 7,111 7,265
No 1, м
5,790
7,144 10,439 10,3392 7,1103 7,2578
No 2, м
5,792
7,143 10,439 10,3400 7,1112 7,2773
No 3, м
5,792
7,140 10,439 10,3455 7,1291 7,2385
No 4, м
5,792
7,141 10,439 10,3356 7,1058 7,2632
No 5, м
5,792
7,141 10,439 10,3299 7,1094 7,2732
В качестве варьируемого фактора для двух серий экспериментов Х1 и Х1
принята высота реперных точек, определенная геодезическими методами при геотехническом мониторинге, функцией отклика Y выбраны показания средств оценки планово-высотного положения – роботизированного тахеометра Leica Viva TS16 и комплекта GNSS-приемников EFT M2 GNSS.
Методом наименьших квадратов определены уравнения регрессии и
GNSS РТ
построены аппроксимации выявленных зависимостей экспериментальных показаний лазерного тахеометра (рисунок 3, а) и GNSS-комплекса (рисунок 3, б) от высот реперных точек.
11 10 9 8 7 6 5
y = 1,00081x – 0,000833 R2 = 1
Высота
точки х, м
5 6 7 8 9 10 11
Показания тахеометра
Линейная аппроксимация показаний тахеометра
11 10 9 8 7
y = 1,001355x – 0,010094 R2 = 1
Высота точки
х’, м
6 7 8 9 10 11 Координаты GNSS
Линейная аппроксимация GNSS-координат
а) б)
Рисунок 3 – Результаты экспериментального исследования и аппроксимация выявленной зависимости от высоты реперных точек показаний
а) роботизированного тахеометра; б) GNSS-комплекса
Анализ принятых для описания полученных показаний координат математических моделей по критерию Фишера подтвердил возможность аппроксимации показаний тахеометра Leica Viva TS16 и GNSS-комплекса EFT M2 GNSS линейными зависимостями.
В четвертой главе приводится разработанная структура системы мониторинга (рисунок 4), результаты опытно-промышленной эксплуатации системы, методика обработки данных мониторинга, а также технико- экономическая оценка целесообразности применения данной системы на других площадных объектах.
Как видно из рисунка 4, система является двухуровневой.
Показания тахеометра, м
Показания EFT M2, м
Рисунок 4 – Структура интеллектуальной системы мониторинга
Комплекс измерительных модулей нижнего уровня состоит из:
˗ подсистемы лазерной дальнометрии для измерения координат ТПО оборудования КЦ и несущих конструкций укрытий агрегатов, состоящей из роботизированного лазерного тахеометра и отражающих элементов в точках контроля (ПИК РТ), которая охватывает все надземные трубопроводные обвязки оборудования и строительные конструкции КЦ;
˗ спутниковой навигационной системы (ПИК GNSS): полуавтоматизированного модуля, который состоит из базовой станции, переносной антенны и контроллера и служит для определения абсолютных координат точек на поверхностных элементах ТПО оборудования КЦ с целью перекрёстного анализа (с ПИК РТ) или в случае выхода из строя отдельных отражающих элементов ПИК РТ;
˗ модуля измерения углов наклона несущих конструкций укрытий ГПА оптоволоконными инклинометрами (ПКУ), состоящего из инклинометров и их опросного устройства на основе анализатора сигналов (интергейтера);
˗ подсистемы измерения деформации КЦ с применением точечных ВОДД на решетках Брэгга в совокупности с интергейтером (ПКД).
Данная совокупность подсистем позволяет охватить весь комплекс зон,
необходимых для всестороннего контроля за объектом мониторинга.
Анализ данных с измерительных подсистем нижнего уровня, оценка параметров технического состояния объектов мониторинга и хранение информации осуществляется с применением разработанной подсистемы верхнего уровня (ПСОА) – центральной многопараметрической математической модели (ЦМММ), реализующей метод конечных элементов. Интерфейс ЦМММ
формирует автоматизированное рабочее место оператора (АРМ ИСМ).
За период наблюдений не было зафиксировано аварийных отказов и нештатных ситуаций. Отказов программного обеспечения также не зафиксировано. Это обеспечило условия для непрерывного мониторинга измеряемых параметров технического состояния в выбранных точках контроля рассматриваемого объекта, что гарантировало накопление значительного объема
первичной информации для дальнейшей ее обработки и анализа.
Для оценки корректности работы ПКД проводился анализ измеряемых кольцевых напряжений в металле трубопроводов (рисунок 5). В качестве «эталонного» значения приняты напряжения, рассчитанные в зависимости от
внутреннего давления и характеристик трубопровода.
200,0 150,0 100,0
50,0
0,0 24.06.2019
25.06.2019
26.06.2019
27.06.2019
28.06.2019
Кольцевые напряжения. Сечение No4
Расчетное кольцевое напряжение, МПа Измеренные кольцевые напряжения, МПа
Дата снятия показаний
Рисунок 5 – Расчетный и измеренный графики изменения кольцевых напряжений в период с 24.06.2019 по 28.06.2019
Напряжение, МПа
Расхождения анализируемых значений кольцевых напряжений в точках мониторинга во время непрерывной работы подсистемы контроля не более 5%. Это говорит о стабильной и качественной фиксации первичных диагностических параметров датчиками деформации.
Проверка и анализ работоспособности ПИК РТ по показаниям тахеометра для одной точки на участке ТПО ГПА выявили, что все компоненты перемещений переменны, а направление перемещения определяют, в основном, температурное расширение трубопроводов и сезонные подвижки грунтов. На положение точки контроля также оказывает влияние проведение вскрышных работ в непосредственной близости от объектов мониторинга. Кроме того, имеют место циклические колебания перемещений, связанные с суточными изменениями температуры окружающей среды и другими факторами (рисунок 6).
Рисунок 6 – Вертикальные перемещения точки мониторинга за пятидневный интервал в сентябре 2019 г.
Результаты опытной эксплуатации системы мониторинга показали наличие совокупности нестационарных процессов, оказывающих потенциальное влияние на техническое состояние объектов контроля.
Для избавления от шумов в показаниях датчиков было предложено применение линейной фильтрации Калмана вместо классического сглаживания (рисунок 7).

2,5 1,5 0,5
– 0,5
– 1,5
– 2,5 – 3,5
08.02.18 09.02.18 10.02.18 11.02.18 12.02.18 13.02.18 14.02.18 15.02.18 16.02.18
Дата снятия показаний
АВО1 dz, мм
АВО1 dz, мм (фильтр)
Рисунок 7 – График положения координаты dz точки мониторинга «АВО1» за период недели без фильтрации и с применением линейной фильтрации Калмана
Для анализа нестационарных процессов было предложено применение методов спектрального и трендового анализа (рисунки 8 – 9).
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
Спектр dz
Спектр dz (фильтр)
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61
Период колебаний, час
Рисунок 8 – Спектральный анализ координаты dz точки мониторинга «АВО1» за период недели без фильтрации и с применением линейной фильтрации
Спектральный анализ (рисунок 8) показал установившиеся колебания амплитуды каждый час и каждые 5-6 часов, что соответствует ежедневному изменению температуры окружающей среды.
Амплитуда колебаний координтаы dz, мм
Значение параметра, мм

10 5 0 -5 -10
01.03.18
АВО1 dx, мм
АВО1 dy, мм
АВО1 dz, мм
Линейная (АВО1 dx, мм) Линейная (АВО1 dy, мм) Линейная (АВО1 dz, мм)
21.03.18 10.04.18
30.04.18
20.05.18
09.06.18
Значение координаты, мм
Дата снятия показаний
Рисунок 9 – Трендовый анализ перемещений точки мониторинга «АВО1»
Трендовый анализ (рисунок 9) показал полное перемещение точки «АВО1» за период наблюдения от своего исходного положения в среднем на 4-5 мм, что связано с осадкой грунта после проведения работ по капитальному ремонту ТПО и свидетельствует о необходимости дальнейшего мониторинга.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Применение систем мониторинга технического состояния площадных объектов магистральных газопроводов позволяет увеличить глубину и достоверность диагностирования, повысить вероятность выявления и предотвращения аварийных отказов. Показано, что для повышения эффективности внедрения таких систем необходимо обеспечение единых методических подходов к их разработке и эксплуатации.
2. Разработаны критерий и методика оценки технико-экономической эффективности установки систем мониторинга технического состояния площадных объектов магистральных газопроводов на базе вероятностно- статистических методов.
3. Предложена методика определения необходимого состава и количества
измерительных средств для мониторинга различных параметров технического состояния площадных объектов, использованная при разработке опытного образца комплексной системы мониторинга эксплуатируемого компрессорного цеха Единой системы газоснабжения Российской Федерации.
4. Обоснована необходимость мониторинга напряженно- деформированного состояния технологических комплексов при оценке состояния площадных объектов магистральных газопроводов. На основе теоретико-экспериментальных исследований подтверждена возможность применения методов тензометрии, лазерной дальнометрии и средств глобальной навигационной спутниковой системы для оценки НДС трубопроводов при мониторинге их технического состояния.
5. Предложена методика анализа данных мониторинга, базирующаяся на применении алгоритмов фильтрации, спектрального анализа, трендового контроля. Указанная методика может также применяться для оценки работоспособности измерительных подсистем на основании обработки получаемой информации.
6. Разработаны технические решения по построению систем мониторинга, подтвердившие свою эффективность в процессе опытно- промышленной и промышленной эксплуатации. Показана потенциальная возможность расширения применения этих решений на других критически важных объектах нефтегазовой отрасли.