[1]Изобретение относится к способам диагностики состояния заглубляемых трубопроводов, предназначенных для транспортировки газообразных и жидких веществ, например, природного газа или нефти, а именно к подготовительным, калибровочным операциям при настройке и подготовке систем диагностики к работе.
[2]Известен способ мониторинга напряженно-деформированного состояния выделенных участков магистрального трубопровода по которому: на основе предварительного обследования выявляют наиболее опасные участки заглубленного магистрального трубопровода в которых могут произойти внешние негативные воздействия (сейсмические воздействия, движения тектонических блоков, карсты, оползни, курумы, морозное пучение, всплывание трубопровода в результате затопления местности где трубопровод походит и т.д.) приводящие к деформациям магистрального трубопровода; помещают на трубопроводе в местах опасных участков заглубленного магистрального трубопровода датчики контроля давления, которые присоединяются к информационной сети, при превышении на датчиках уровня внешнего воздействия выше порогового значения информационная система формирует сигнал опасности, который выводится на экран автоматизированного рабочего места диспетчера, который, в свою очередь, организует меры и мероприятия предотвращения негативной деформации магистрального трубопровода [Способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации, патент RU 2 451 874 С1 или Способ мониторинга технического состояния трубопровода и система для его осуществления, патент RU2 563 419 С2]. Калибровочные операции по данному способу связаны с проверкой исправности датчиков контроля давления, и их настройкой при присоединении к информационной сети.
[3]Недостатком указанного способа является то, что отсутствуют настроечные или калибровочные операции для всей системы в целом, а анализ внешнего механического воздействия на трубопровод носит точечный характер. Это существенно ограничивает выявление причин возникновения напряженно-деформированного состояния выделенных для контроля участков магистрального трубопровода.
[4]Известен по способ настройки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода [А.Л. Ермилов, А.В. Гречанов, С.А. Щекочихин Мониторинг деформации трубопровода и подвижек грунта на объекте магистральный с газопровод «Сахалин-Хабаровск-Владивосток» // Фотон-экспресс, №5 (125), сентябрь, 2015, стр. 14-17 или С.В. Смирнов, Х.В. Иванов Волоконно-оптические технологии для создания безопасных условий эксплуатации трубопроводных систем в труднодоступных и сложных природно-климатических регионах // Безопасность Труда в Промышленности, 2017, №2, стр. 33-39, www.safety.ru].
[5]Способ заключается в том, что собирают на поверхности заглубляемый трубопровод путем соединения между собой отрезков труб с радиусом R параллельно оси трубопровода при помощи сварки, на контролируемом участке трубопровода, к внешней поверхности трубопровода, к его изоляции прикрепляют N=3 распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода каждый j-й сенсор крепится в точке соответствующей величине xi погонной длины оси трубопровода с угловыми координатами γij с первоначальным натяжением εij СЕНС НАЧ, каждый j-й сенсор подключают к измерительной аппаратуре системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода, способной выполнять измерения значений продольной деформации εij СЕНС для каждого j-го сенсора в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующей величине xi погонной длины оси трубопровода, выполняют калибровочную настройку системы, на основе того, что в каждом i-м поперечном сечении трубопровода соответствующим величине xi погонной длины оси трубопровода и точке крепления j-го сенсора к трубопроводу калибровочное значение продольной деформации трубопровода εij ФИКС КАЛ равно нулю и измеренное при калибровке измерительной аппаратурой системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода значение продольной деформации εij СЕНС КАЛ этого j-го распределенного волоконно-оптического сенсора для значения величины погонной длины xi равно величине первоначального натяжения εij СЕНС НАЧ, после чего трубопровод помещают в грунт и осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода путем непрерывного сравнения текущих зафиксированных значений продольной деформации трубопровода εij ФИКС, определяемых как:
[6]εij ФИКС = εij СЕНС - εij СЕНС НАЧ.
[7]где εij ФИКС - значение, зафиксированное j-м сенсором системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода в i-м поперечном сечении трубопровода;
[8]εij СЕНС - значение продольной деформации, измеренные в j-м сенсором в i-м поперечном сечении трубопровода;
[9]εij СЕНС НАЧ - первоначальное натяжение j-го сенсора в i-м поперечном сечении трубопровода
[10]с соответствующими значениями продольной деформации трубопровода при первоначальном и предыдущих измерениях, и с заданными пороговыми значениями продольной деформации трубопровода, по результатам сравнения выявляют участки напряженно-деформированного состояния трубопровода с повышенной деформацией, а информация о погонной координате xi ПОВ ДЕФ, угловой координате γij ПОВ ДЕВ и параметрах продольной деформации трубопровода на участке с повышенной деформацией выводят на экран автоматизированного рабочего места диспетчера.
[11]Способ настройки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода учитывает то, что сборка происходит путем присоединения новой секции к уже собранному участку трубопровода. При этом методика сборки трубопровода подразумевает соосное присоединение новой секции к уже собранному участку трубопровода, которые затем свариваются. Считается, что такая процедура сборки трубопровода позволяет избежать напряжений, вызывающих продольные деформации трубопровода. Эти напряжения будут возникать потом после перемещения трубопровода в траншею и засыпки трубопровода грунтом при воздействиях на трубопровод внешних факторов, таких как пучение, всплытие при затоплении грунтовыми и вешними водами, смещениях грунта в результате оползней и т.д.
[12]Поэтому трубопровод при установке на него распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации считают не напряженным и, соответственно, не деформированным. В распределенных волоконно-оптических сенсорах продольной деформации создают первоначальное натяжение для того, чтобы у заглубленного в грунт трубопровода можно было фиксировать деформации, как растяжения, так и сжатия.
[13]Способ настройки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода выбран в качестве прототипа.
[14]Недостатком прототипа является то, что не учитывается тот факт, что распределенные волоконно-оптические сенсоры продольной деформации прикрепляются к изоляции трубопровода уже в собранном состоянии. К этому моменту в нем действительно нет продольных деформаций, связанных с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси, так как именно для этого предусмотрена методика сборки трубопровода, при которой производится соосное присоединение и сварка новой секции к уже собранному участку трубопровода.
[15]Однако в собранном состоянии трубопровод находится, как правило, на земной поверхности рядом с траншеей, в которую он будет перемещен перед засыпкой грунтом. В результате трубопровод принимает изгибные деформации поверхности земли. Указанные деформации вызывают напряжения в теле трубопровода, величина которых определяется величиной радиуса изгиба трубопровода.
[16]Таким образом, предположение, что на момент калибровки в материале трубопровода отсутствуют напряжения не верно. Игнорирование этих напряжений, связанных с изгибными деформациями, будет приводить к систематическим ошибкам при мониторинге напряженно-деформированного состояния трубопровода из-за неправильной начальной калибровки.
[17]Кроме того, как и для любой информационной системы контроля распределенного объекта, в системе должна быть информационная модель расположения трубопровода в пространстве. Для таких моделей характерен рост систематической ошибки, вызванной несовпадением реального пространственного положения точки на поверхности волоконно-оптического сенсора продольной деформации и значением координаты этой точки в системе контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода.
[18]Целью заявленного способа калибровки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубляемого трубопровода является исключение систематических ошибок в измерениях параметров напряженно-деформированного состояния заглубляемого трубопровода, при котором учитываются изгибные деформации поверхности земли, появляющиеся при размещении заглубляемого трубопровода на поверхности земли в процессе его сборки, и реальное пространственное положение точки на поверхности волоконно-оптического сенсора продольной деформации.
[19]Техническим результатом является увеличение точности калибровочных операций при настройке систем мониторинга состояния заглубленного трубопровода путем устранения систематических погрешностей при помощи калибровки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубляемого трубопровода использующей волоконно-оптические сенсоры продольной деформации.
[20]Технический результат достигается тем, что собирают на поверхности заглубляемый трубопровод путем соединения между собой отрезков труб с радиусом R параллельно оси трубопровода при помощи сварки, на контролируемом участке трубопровода, к внешней поверхности трубопровода, к его изоляции прикрепляют N распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода каждый j-й сенсор крепится в точке соответствующей величине xi погонной длины оси трубопровода с угловыми координатами γij с первоначальным натяжением εij СЕНС НАЧ, каждый j-й сенсор подключают к измерительной аппаратуре системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода, способной выполнять измерения значений продольной деформации εij СЕНС для каждого j-го сенсора в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующей величине xi погонной длины оси трубопровода, выполняют калибровочную настройку системы, при которой в каждом i-м поперечном сечении трубопровода соответствующим величине xi погонной длины оси трубопровода и точке крепления j-го сенсора к трубопроводу с учетом величины первоначального натяжения ставят в соответствие известное калибровочное значение продольной деформации трубопровода с зафиксированным измерительной аппаратурой системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода значением продольной деформации этого j-го распределенного волоконно-оптического сенсора для значения величины погонной длины xi, после чего трубопровод помещают в грунт и осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода путем непрерывного сравнения текущих зафиксированных значений продольной деформации трубопровода εij ФИКС с соответствующими значениями продольной деформации трубопровода при первоначальном и предыдущих измерениях, и с заданными пороговыми значениями продольной деформации трубопровода, по результатам сравнения выявляют участки напряженно-деформированного состояния трубопровода с повышенной деформацией, а информация о погонной координате xi ПОВ ДЕФ, угловой координате γij ПОВ ДЕФ и параметрах продольной деформации трубопровода на участке с повышенной деформацией выводят на экран автоматизированного рабочего места диспетчера, при этом при калибровке при помощи системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода выполняют измерения значений продольной деформации εij СЕНС КАЛ и убеждаются, что зафиксированная величина при калибровке близка к заданной величине первоначального натяжения εij СЕНС КАЛ ≈ εij СЕНС НАЧ, при калибровочной настройке системы до заглубления трубопровода отмечают контрольные точки на поверхности трубопровода на поверхности распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, для каждого j-го сенсора при включенной системе осуществляют локальное упругое механическое воздействие на сенсор в выбранных контрольных точках, фиксируют наличие реакции на это воздействие в системе и осуществляют привязку каждой контрольной точки к текущей величине xi погонной длины оси трубопровода с угловыми координатами γij в системе контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода, с помощью измерительного оборудования на контролируемом участке трубопровода определяют положение в пространстве точек на поверхности трубопровода на поверхности распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, включая контрольные точки, на основе выполненных измерений создают информационную геометрическую модель трубопровода, в которой определяют положение в пространстве оси трубопровода на основе решения геометрической задачи определения координаты точки на оси цилиндра по координатам нескольких точек на его поверхности, при этом для каждого i-го поперечного сечения трубопровода соответствующего величине xi погонной длины оси трубопровода и каждого j-го сенсора определяют угловую координату γij точки его крепления к трубопроводу, после этого для каждого i-го поперечного сечения трубопровода вычисляют калибровочные значения радиуса ρi КАЛ изгиба трубопровода и калибровочные значения угла γ0i КАЛ - перпендикулярного плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации, с помощью которых вычисляют калибровочные зависимости значений продольной деформации трубопровода εij КАЛ в точках крепления сенсоров к трубопроводу от угловых координат γij как:
[21]εij КАЛ = R sin(γ0i КАЛ - γij)/ρi КАЛ,
[22]где εij КАЛ - калибровочные значения продольной деформации трубопровода в точках крепления сенсоров к трубопроводу;
[23]γij - угловая координата погонной длины и углового положения точки крепления сенсора;
[24]R - радиус трубопровода;
[25]γ0i КАЛ - калибровочные значения угла, перпендикулярного плоскости изгиба трубопровода;
[26]ρi КАЛ - калибровочные значения радиуса изгиба трубопровода.
[27]после калибровочной настройки системы значение продольной деформации, зафиксированное системой контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода εij ФИКС, определяется как:
[28]εij ФИКС = εij СЕНС + εij КАЛ - εij СЕНС НАЧ,
[29]после перемещения трубопровода в траншею до его засыпки грунтом снова с помощью измерительного оборудования на контролируемом участке трубопровода определяют положение в пространстве точек на поверхности трубопровода на поверхности распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, включая контрольные точки, и корректируют информационную геометрическую модель трубопровода.
[30]Суть изобретения заключается в том, что при калибровке создается информационная геометрическая модель трубопровода, в которой будут исключена систематическая ошибка, вызванная несовпадением реального пространственного положения точки на поверхности волоконно-оптического сенсора продольной деформации и значением координаты этой точки в системе контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода. Это позволяет достоверно характеризовать положение в пространстве трубопровода пространственным положением его оси. При этом текущая координата оси трубопровода может быть определена по измерениям геометрического положения трубопровода в пространстве, а затем скорректирована на основе уточненных измерений при перемещении трубопровода на дно траншеи. Относительно этой текущей координаты могут быть выполнены вычисления значения радиуса изгиба трубопровода и определена плоскость, в которой происходит изгибная деформация, которую удобно характеризовать углом направления перпендикуляра к этой плоскости.
[31]Операция локального упругого механического воздействия на сенсор в точке, пространственные, координаты которой известны, позволяет при калибровке исключить систематическую ошибку, вызванную несовпадением реального пространственного положения точки на поверхности волоконно-оптического сенсора продольной деформации и значением координаты этой точки в системе контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода.
[32]Кроме того, при калибровке исключается систематическая ошибка, вызванная тем, что при сборке трубопровода путем сварки из отдельных труб на поверхности земли, из-за неровностей поверхности земли появляются изгибные напряжения. Эти напряжения измеряются и учитываются при дальнейшем контроле напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода. Для этого в значение продольной деформации, зафиксированное измерительной аппаратурой системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода, вносят поправку, связанную не только с первоначальным натяжением сенсора, но и учитывающую калибровочные значения продольной деформации трубопровода в точках крепления сенсоров к трубопроводу от угловых координат.
[33]В результате в процессе калибровки будут исключены систематические ошибки, вызванные изгибными деформациями, которые заглубляемый трубопровод неизбежно принимает при помещении на земную поверхность в процессе сборки. Кроме того, точность калибровки повысится при выполнении мероприятий по исключении систематической ошибки, вызванную несовпадением реального пространственного положения точки на поверхности волоконно-оптического сенсора продольной деформации и значением координаты этой точки в системе контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода.
[34]Предлагаемый способ калибровки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода может быть реализован при настройке системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода. Блок-схема системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода представлена на фиг., здесь 1 - заглубляемый трубопровод, 2, 4, 6 распределенные волоконно-оптические сенсоры, 3, 5, 7 - блоки оконечного оборудования распределенных волоконно-оптических сенсоров, 8 - блок обработки информации, 9 -автоматизированное рабочее место диспетчера.
[35]Распределенные волоконно-оптические сенсоры 2, 4, 6 с блоками оконечного оборудования 3, 5, 7 прикреплены к изоляции трубопровода 1. Распределенные волоконно-оптические сенсоры с блоками оконечного оборудования 2,4,6 располагаются на поверхности заглубляемого трубопровода 1 так, чтобы в каждом поперечном сечении заглубляемого трубопровода дуги между распределенными волоконно-оптическими сенсорами составляли 120 градусов, при этом дуга между двумя нижними сенсорами так же составляет 120 градусов.
[36]Выходы блоков оконечного оборудования 3,5,7 с помощью информационных кабелей присоединены к входу блока обработки информации 8. Выход блока обработки информации к с помощью информационной шины присоединен ко входу автоматизированного рабочего места диспетчера 9.
[37]Настройка системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода выполняется следующим образом:
[38]1. Собирают на поверхности заглубляемый трубопровод 1 путем прикрепления между собой отрезков труб с радиусом R параллельно оси трубопровода при помощи сварки.
[39]2. На контролируемом участке трубопровода 1, к внешней поверхности трубопровода 1, к его изоляции прикрепляют три распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации 2, 4, 6, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода каждый j-й сенсор крепится в точке соответствующей величине хi погонной длины оси трубопровода с угловыми координатами γij с первоначальным натяжением εij СЕНС НАЧ.
[40]3. Каждый из сенсоров 2, 4, 6 подключают к своим блокам оконечного оборудования, соответственно 3, 5, 7.
[41]4. Блоки оконечного оборудования 3, 5, 7 подключают к блоку обработки информации 8, соединенному с автоматизированным рабочим местом диспетчера 9, образующими аппаратуру системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода, способной выполнять измерения значений продольной деформации εij СЕНС для каждого j-го сенсора в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующей величине xi погонной длины оси трубопровода.
[42]5. При калибровке при помощи блока обработки информации 8 и автоматизированного рабочего места диспетчера 9 выполняют измерения значений продольной деформации εij СЕНС КАЛ и убеждаются, что зафиксированная величина при калибровке близка к заданной величине первоначального натяжения εij СЕНС КАЛ ≈ εij СЕНС НАЧ.
[43]6. На поверхности сенсоров 2,4,6 отмечают контрольные точки.
[44]7. Для каждого j-го сенсора из сенсоров 2, 4, 6 при включенной аппаратуре системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода осуществляют локальное упругое механическое воздействие на сенсор в выбранных контрольных точках и фиксируют наличие реакции на это воздействие в системе и осуществляют привязку каждой контрольной точки на поверхности сенсоров 2, 4, 6 к текущей величине xi погонной длины оси трубопровода с угловыми координатами γij в системе контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода.
[45]8. С помощью измерительного оборудования на контролируемом участке трубопровода 1 определяют положение в пространстве точек на поверхности сенсоров 2, 4, 6, включая контрольные точки.
[46]9. На основе выполненных измерений создают информационную геометрическую модель трубопровода 1, в которой определяют положение в пространстве оси трубопровода на основе решения геометрической задачи определения координаты точки на оси цилиндра по координатам нескольких точек на его поверхности, при этом для каждого i-го поперечного сечения трубопровода 1 соответствующего величине xi погонной длины оси трубопровода и каждого j-го сенсора определяют угловую координату γij точки его крепления к трубопроводу 1.
[47]10. Для каждого i-го поперечного сечения трубопровода 1 вычисляют калибровочные значения радиуса ρi КАЛ изгиба трубопровода и калибровочные значения угла γ0i КАЛ - перпендикулярного плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации, с помощью которых фиксируют калибровочные зависимости значений продольной деформации трубопровода εij КАЛ в точках крепления сенсоров 2, 4, 6 к трубопроводу 1 от угловых координат γij как:
[48]εij КАЛ = R sin(γ0i КАЛ - γij)/ρi КАЛ.
[49]11. Выполняют калибровочную настройку системы, при которой в каждом i-м поперечном сечении трубопровода соответствующим величине xi погонной длины оси трубопровода 1 и точке крепления j-го сенсора к трубопроводу 1 ставят в соответствие с учетом величины первоначального натяжения известное калибровочное значение продольной деформации трубопровода с зафиксированным измерительной аппаратурой системы контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода значением продольной деформации этого j-го распределенного волоконно-оптического сенсора для значения величины погонной длины xi как:
[50]εij ФИКС = εij СЕНС + εij КАЛ - εij СЕНС НАЧ.
[51]12. После перемещения трубопровода 1 в траншею до его засыпки грунтом снова с помощью измерительного оборудования на контролируемом участке трубопровода 1 определяют положение в пространстве точек на поверхности сенсоров 2, 4, 6, включая контрольные точки, и корректируют информационную геометрическую модель трубопровода 1.
[52]Система контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, при настройке которой может быть реализован предлагаемый способ калибровки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, может быть реализована при использовании оборудования прототипа [СВ. Смирнов, Х.В. Иванов Волоконно-оптические технологии для создания безопасных условий эксплуатации трубопроводных систем в труднодоступных и сложных природно-климатических регионах // Безопасность Труда в Промышленности, 2017, №2, стр. 33-39, www.safety.ru]. При этом при монтаже распределенные волоконно-оптические сенсоры 2, 4, 6 закрепляются на поверхности заглубляемого трубопровода 1 параллельно его оси так, что в каждом поперечном сечении заглубляемого трубопровода точки крепления разделены друг от друга дугами величиной 120 градусов, при этом первый распределенный волоконно-оптический сенсор соответствуют угловому положению 0 градусов (в верхней точке), второй распределенный волоконно-оптический сенсор соответствуют угловому положению 120 градусов (влево от верхней точки), третий распределенный волоконно-оптические сенсор соответствуют угловому положению -120 градусов (вправо от верхней точки).
[53]Контрольные точки могут отмечаться при помощи контрастных маркеров, наносимых при помощи краски, либо путем приклейки светоотражающих стеклянных стразов.
[54]В качестве измерительного оборудования для определения положения в пространстве точек на поверхности трубопровода на поверхности распределенных волоконно-оптических сенсоров 2, 4, 6 продольной деформации 1, включая контрольные точки, может использоваться лазерный сканер типа Leica RTC360.
[55]Информационная геометрическая модель трубопровода может создаваться с помощью одного из программных моделирующих комплексов, широко представленных сегодня на рынке, в частности, например, при помощи программного моделирующего комплекса National Instruments Labview 2012.
[56]Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить точность калибровочных операций при настройке систем мониторинга состояния заглубленного трубопровода путем устранения систематических погрешностей при помощи калибровки системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубляемого трубопровода использующих волоконно-оптические сенсоры продольной деформации. При калибровке учитываются изгибные деформации, появляющиеся при размещении заглубляемого трубопровода на поверхности земли в процессе его сборки, и реальное пространственное положение волоконно-оптических сенсоров продольной деформации.
