Повышение точности внутритрубной навигации в условиях сезонных подвижек грунтов

Протяженность трубопроводной сети для транспортировки нефти и газа в России превышает 250 тыс. км. Развитая трубопроводная сеть требует регулярного контроля технического состояния. Для идентификации разнообразных дефектов разработаны и применяются многочисленные способы неразрушающего контроля магистральных трубопроводов (МТ), а технология эксплуатации трубопроводов постоянно совершенствуется, повышая требования к безопасности.

В статье приведены результаты разработки и апробации способа определения смещений трубопровода. Целью статьи является актуализация измерения углового положения оси тру-

бопровода внутритрубными средствами с целью идентификации потенциально опасных участков (рис.1), требующих контроля изменения напряженно-деформированного состояния (НДС).

Методика исследования включает в себя математическое моделирование, полунатурное моделирование и проверку результатов моделирования при помощи натурных испытаний.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ

Изменение положения МТ приводит к преждевременному выходу МТ из строя по двум причинам. Во-первых, превышение предельно допустимого НДС непосредственно приводит к аварийному разрушению МТ (рис. 3). Во-вторых, работа участков трубопровода при высоком уровне механического напряжения приводит к интенсивному развитию коррозионного растрескивания под напряжением (рис. 2) и, как следствие, преждевременному выходу трубопровода из строя. Так же стоит отметить,

Рис. 3. а) Авария на МГ «Челябинск-Петровск» как результат воздействия изгибных напряжений; б) положение надземного перехода после резки с целью снятия изгибных напряжений

Рис. 1. Примеры изменения проектного положения трубопровода

Рис. 2. Авария магистрального газопровода «Ямбург-Елец» как результат развития стресс-коррозии

что с ростом НДС участка трубопровода растет и степень опасности дефектов на этом участке, следовательно, сокращаются сроки для проведения ремонта дефектного участка трубопровода [1-8].

В [9-18] приведены различные способы определения смещений трубопровода. Способы [9-12] требуют дополнительного размещения датчиков у трубопровода.

Для решения задачи мониторинга технического состояния МТ широко применяют внутри-трубные дефектоскопы (внутритрубное подвижное устройство (ВПУ)), позволяющие определить дефекты стенки трубы (коррозионные поражения, в том числе стресс-коррозия; потеря металла, канавки и другие), дефекты поперечного сечения трубы (вмятины, гофры, овальность), дефекты геометрии осевой линии (изгибы). Применение инерциальных измерительных систем позволяет определить геометрию осевой линии МТ, а в совокупности с измерениями координат контрольных точек трубопровода решается задача определения координат обнаруженных дефектов. Наблюдение за состоянием трубопровода от одного обследования к другому позволяет идентифицировать участки трубопровода, подверженные изменению своего положения. Способы

Рис. 4. Примеры систем контроля положения трубопровода: а) датчики размещены поблизости с трубопроводом; б) датчики размещены непосредственно на трубопроводе

[13-18] требуют дополнительного измерения координат маркерных точек, измерения вибраций МТ. Общим недостатком этих способов является невозможность их применения на всех эксплуатируемых трубопроводах без затрат на монтаж или проведение других сопутствующих работ (дополнительные внутритрубные обследования, дополнительное измерение координат трубопровода, дополнительные земляные работы и т.д., рис.5). По этой причине актуальна разработка способа определения смещений трубопровода, позволяющего получать информацию о потенциально опасных участках трубопровода без дополнительных работ.

Применение внутритрубных дефектоскопов возможно на всех действующих трубопроводах. Однако существующая технология эксплуатации МТ предусматривает проведение дефектоскопии не чаще одного раза в несколько лет, а смещения МТ происходят с более высокой частотой и имеют сезонный характер. По этой причине был предложен новый способ определения смещений МТ, отличающийся доступностью к применению на всех эксплуатируемых трубопроводах, высокой производительностью, достаточной точностью определения смещений трубопровода [19]. Способ заключается в проведении многократных пропусков ВПУ с измерительными системами по МТ в рамках регулярной очистки МТ, совместном анализе результатов пропусков в рамках одной очистки и поиске различий в геометрии осевой линии МТ по результатам пропусков, проведенных в различные периоды времени в рамках разных очисток МТ.

В [20] приведены результаты исследования допустимого перемещения МТ различного диаметра для различных категорий участков трубопровода и различных коэффициентов надежности по материалу. Эти величины угловых смещений позволяют сформировать требования к чувствительности измерительных систем внутритрубного устройства – минимальный обнаруживаемый угол изгиба не более 1.4 градуса, радиус изгиба – до 2000м.

Для обеспечения измерения заданных значений кривизны и изгиба трубопровода требуется определить состав измерительных систем ВПУ, подобрать датчики первичной информации для измерительных систем и разработать алгоритмы работы измерительных систем ВПУ.

Для определения изгиба трубопровода и определения его координат успешно применяют инерциальные датчики. Инерциальная измерительная система ВПУ обычно состоит из трех гироскопов и трех акселерометров (рис. 8). При решении задачи ориентации осевой линии МТ используют кинематические уравнения Эйлера или Пуассона, кватернионные уравнения. В рамках разработанного способа предполагается использование инерциальных датчиков средней и низкой точности. Так, к примеру, измерительная система, состоящая из трехкомпонентного волоконно-оптического гироскопа ПНСК-40-016 и кварцевых акселерометров АТ1104 обеспечивает необходимую точность определения изгиба трубопровода [21], а для трубопроводов диаметром до 1000мм допустимо применение микромеханических инерциальных датчиков типа ADIS 16364. В качестве алгоритмов работы бесплатформенной инерциальной системы ориентации использованы корректируемые кинематические уравнения Эйлера [22].

Для определения расстояния, пройденного внутритрубным устройством, наибольшее распространение приобрели колесные одометры [23]. Такие одометры измеряют пройденный путь с шагом несколько миллиметров. Для повышения достоверности определения пройденного пути, на внутритрубном устройстве размещают несколько одометров, формирующих одометрическую систему.

Специфика системы «трубопровод-внутри-трубное устройство» определяет часть погрешностей измерительных систем ВПУ. Основными из таких погрешностей являются: проскальзывание одометра по поверхности трубы, угловое смещение продольной оси ВПУ относительно оси МТ, баллистическая погрешность системы ориентации.

Рис. 5. Элементы технологии определения смещений трубопровода: а) геодезическая съемка, б) приемники спутниковых навигационных систем, в) трассоискатель

Для идентификации и компенсации проскальзывания одометра по поверхности трубы, информацию от одометрической системы обрабатывают по различным алгоритмам, к примеру, по мажоритарной схеме, также используют результаты других внутритрубных обследований и выбирают наибольшее из измерений длин одних и тех же участков трубопровода.

Угловое смещение продольной оси ВПУ относительно оси трубопровода (далее угловое смещение) возникает из-за неравной жесткости опорных манжет, их неравномерного износа или повреждения (рис 6а). На рис. 6а приведен пример углового смещения по каналу тангажа (угол α ). ВПУ при движении по МТ вращается вокруг продольной оси, что в сочетании с угловым смещением приводит к искажению информации об угловом положении оси МТ. В ряде случаев удается компенсировать такую ошибку ориентации при условии вращения с постоянным периодом [24]. На практике вращение ВПУ имеет случайный характер даже при применении направляющих опорных роликов. В случае, когда вращение имеет нерегулярный характер и не удается статистически оценить величину углового смещения, ошибка определения ориентации оси трубопровода будет принята за смещение трубопровода. По этой причине идентификация и компенсация углового смещения является критически важной задачей. Для определения положения внутритрубного устройства относительно трубы предусмотрены два пояса измерителей радиального расстояния. В качестве измерителей радиального расстояния возможно использовать широко применяемые на внутритрубных профилемерах контактные датчики профиля (рис.6 б).

На действующих трубопроводах ВПУ движется в потоке транспортируемого продукта (газ, нефть). Отводы, крановые узлы, ремонтные муфты, а также вмятины и загрязнения приводят к неравномерности скоростного режима. Неравномерный скоростной режим приводит к возникновению баллистической погрешности системы ориентации. Как и угловое смещение, баллистическая погрешность системы ориентации может привести к ошибке при определении смещений МТ.

Современные внутритрубные дефектоскопы все чаще оснащают байпасными устройствами, которые позволяют обеспечить движение ВПУ с заданной скоростью, исключая баллистическую погрешность системы ориентации.

Байпасные устройства относительно дорогие, их проблематично разместить на дефектоскопах малого диаметра и для их работы требуется дополнительное питание. Поэтому для исключения баллистической погрешности был предложен способ регистрации сигналов одоме-трической системы [25] для оценки скорости и ускорения внутритрубного устройства в системе координат трубопровода, схема реализации которого показана на рис.7. На рисунке 7 приняты следующие обозначения: Сч – счетчики импульсов; ИМ – инерциальный модуль; ДПИ – датчики первичной информации; ЦП – центральный процессор.

Другие погрешности измерительных систем ВПУ, имеющие систематический характер, исключают традиционными способами (калибровка, выставка и т.д.).

В рамках разработанного способа определения смещений МТ [19] предполагается применение ВПУ на этапе регулярной и обязательной очистки МТ [26, 27]. Помимо опорных манжет на ВПУ размещают дополнительные очистные манжеты. При этом для очистки МТ проводят несколько пропусков ВПУ, что обеспечивает избыточность измерений и оценки ориентации осевой линии и позволяет идентифицировать и компенсировать случайные погрешности определения ориентации осевой линии МТ, а также случайные погрешности определения пройденного пути.

Измерительные системы разработанного ВПУ состоят из комплексной инерциальной измерительной системы, одометрической системы, системы определения положения снаряда

Рис. 6. а) угловое смещение ВПУ относительно МТ; б) внутритрубный профилемер с двумя поясами датчиков

Рис. 7. Схема регистрации сигналов одометра с измерением времени между сигналами

относительно трубы. На ВПУ установлены манжеты, выполняющие функции опорных элементов и элементов, очищающих полость МТ.

Устройство для идентификации смещений трубопровода (рис.8) состоит из герметичного контейнера 1, эластичных манжет 2, датчика пути 3, блока 4 вычислений и управления и бортового регистратора 5, размещенных внутри контейнера 1, два измерителя радиальных расстояний, состоящих из двух поясов преобразователей 6, 7 по N в каждом, размещенных на контейнере 1 в его носовой и хвостовой частях и измерительных модулей, причем каждый пояс содержит соответственно приемопередающие преобразователи 6I, 6II, 6III, 7I, 7II, 7III, при этом номерами 6I, 7I, 6II, 7II, 6III, 7III и т.д. обозначены приемопередающие преобразователи, лежащие в рядах I, II, III и т.д. на образующих, параллельных продольной оси контейнера 1. Чувствительные элементы преобразователей обращены в сторону внутренней поверхности трубопровода и в каждом из поясов они расположены попарно и диаметрально противоположно. Выходы измерителей 6, 7 радиальных расстояний соединены с входом блока 4 вычислений и управления. Бесплатформенный инерциальный измерительный модуль, включающий трехкомпонентный гироскопический измеритель 8 угловой скорости, трехкомпонентный измеритель 9 кажущегося ускорения, выходы которых соединены с входом блока 4 вычислений и управления, причем в состав измерителей приемопередающих преобразователей входят измерительные модули 10.

Герметичный контейнер 1 следует рассматривать в жесткой связи с системой координат OX, причем OX1, 0Х2 и ОХ3 - соответственно продольная, нормальная и поперечная оси устройства, ωx1, ωx2, ωx3 – компоненты вектора абсолютной угловой скорости контейнера 1 и Wx1, Wx2, Wx3 - компоненты вектора кажущегося ускорения герметичного контейнера 1, изме- ряемые соответствующими датчиками инерциального модуля.

После компенсации погрешностей измерительных систем внутритрубного устройства проводят анализ различий ориентации оси трубопровода по результатам обследований, проведенных при очистке в контрольные периоды времени. Все места, в которых геометрия осевой линии трубопровода различается на пороговое значение или больше, идентифицируют как потенциально опасные участки.

После идентификации потенциально опасных участков проводят оценку НДС , например, по методике, описанной в [1]. Уточнение НДС позволяет точнее определить степень опасности дефектов на потенциально опасном участке и предпринять меры по защите трубопровода от аварии. Так, к примеру, ремонт дефектного участка может быть проведен немедленно, а не отложен до следующего планового ремонта, а потенциально опасный участок будет снабжен дополнительными удерживающими устройствами, исключающими подвижки.

Кроме того, разработанный способ позволяет определять координаты трубопровода (при наличии измерений координат маркерных точек трубопровода), а также использовать проектную документацию для определения непроектных изгибов. Информация о непроектном положении трубопровода может быть использована при вводе трубопроводов в эксплуатацию после строительства или проведения капитального ремонта.

Используя предлагаемый способ, удается определить участки трубопровода с изменением геометрии осевой линии. На рис 9, 10, 11 приведены примеры изменения параметров углового и линейного положения трубопровода, определенные разработанным способом. На рис 9, 10 изменения вызваны заменой труб при проведении ремонта. На рис 11 изменения вызваны смещением труб относительно проектного положения.

Рис. 8. Внутритрубное устройство

Рис. 9. Углы ориентации осевой линии подводного перехода МТ до ремонта (2012 г.) и после ремонта (2014 г.)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты натурных испытаний предложенного способа определения смещений трубопровода подтверждают эффек- тивность решения задачи определения ориентации осевой линии МТ по данным, полученным средствами внутритрубной дефектоскопии в ходе проведении многократных обследований МТ.

Рис. 10. Результаты идентификации участков МТ с изменившейся геометрией осевой линии.

Рис. 11. Положение трубопровода по результатам внутритрубной дефектоскопии (1), приборно-водолазного обследования (2)