СПОСОБ МОНИТОРИНГА И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR TECHNICAL MONITORING AND ESTIMATE OF MAIN PIPELINE AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к трубопроводному транспорту, а именно к средствам диагностики, и может быть использована для комплексного непрерывного мониторинга технического состояния магистральных трубопроводов, например, в условиях регионов с повышенной сейсмической и тектонической активностью.
Магистральный трубопровод (МТ) является объектом очень большой протяженности. Поэтому большая его часть не может находиться под непрерывным контролем эксплуатирующей организации. При отсутствии у эксплуатирующей организации специальных средств применяется периодический выборочный контроль состояния объекта, который является недостаточным для обеспечения безопасности эксплуатации трубопровода. Особенно актуальной становится эта проблема в условиях повышенной сейсмической и тектонической активности. Одним из важнейших путей повышения безопасности эксплуатации МТ является создание специальных средств для осуществления непрерывного мониторинга его состояния.
Известны стационарные системы мониторинга, локально контролирующие наиболее вероятные места возникновения дефектов трубопровода в местах перехода железных и автомобильных дорог, рек, оползней и т.д.
Так, известен способ дистанционного контроля состояния трубопровода и оползневого массива и устройство для его осуществления (см. заявку на изобретение РФ №2007107534 от 28.02.2007, МПК F17D 5/02). Способ включает регистрацию на пункте контроля через линию связи сигналов с блоков измерения, размещенных в местах диагностирования вдоль трассы, и обработку полученной информации. Связь между пунктом контроля и каждым блоком измерения осуществляют посредством модемов GSM-связи, по индивидуальным номерам которых идентифицируют конкретный блок измерения. Каждым блоком измерения производят замеры параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние металла трубопровода, геофизические характеристики горных пород, слагающих оползневый массив, кинематические параметры оползневого процесса. Обработку полученной информации производят путем проведения множественного корреляционного анализа, по результатам которого судят о напряженно-деформированном состоянии трубопровода и о вероятности возникновения оползневого процесса или о ходе его развития. В качестве параметра, характеризующего напряженно-деформированное состояние металла трубопровода, измеряют уровень шумов Баркгаузена. В качестве геофизической характеристики горных пород, слагающих оползневый массив, измеряют их кажущиеся удельные электрические сопротивления, по результатам измерения которых оценивают степень электрической анизотропии горных пород и их водонасыщенность в зоне, прилегающей к поверхности скольжения оползня. В качестве кинематического параметра оползневого процесса измеряют смещение грунта относительно трубопровода.
Устройство дистанционного контроля состояния трубопровода и оползневого массива содержит центральный пункт контроля, включающий ЭВМ с подключенным к ней принтером, узел приема-передачи информации с линией радиосвязи, связанный с ЭВМ и блоком питания, N блоков измерения, размещенных в местах диагностирования вдоль трассы расположения объекта контроля, каждый из которых включает узел приема-передачи информации с линией радиосвязи, аналого-цифровой преобразователь, датчик измеряемого параметра, коммутатор и автономный источник питания. Каждый блок измерения содержит также микроконтроллер, канал измерения параметров напряженно-деформированного состояния металла трубопровода с n датчиками на входе, канал измерения геофизических характеристик горных пород, слагающих оползневый массив с m датчиками на входе, канал измерения кинематических параметров оползневого процесса с k датчиками на входе. Узлы приема-передачи информации в центральном пункте контроля и каждом блоке измерения выполнены на основе модемов GSM-связи. Канал измерения параметров напряженно-деформированного состояния металла трубопровода выполнен в виде измерителя уровня шумов Баркгаузена. Канал измерения геофизических характеристик горных пород, слагающих горный массив, выполнен в виде измерителя кажущихся удельных электрических сопротивлений горных пород электроразведочными установками кругового электрического профилирования и вертикального электрического зондирования. Канал измерения кинематических параметров оползневого процесса выполнен в виде измерителя перемещения грунта относительно трубопровода.
Описанные технические решения обеспечивают периодический выборочный контроль ряда параметров в заранее установленных пунктах контроля, что является недостаточным для обеспечения безопасности эксплуатации МТ. Увеличение количества контролируемых параметров в пунктах контроля нецелесообразно, так как распределение влияющих факторов вдоль МТ и, следовательно, их воздействия на МТ не является однородным.
Известна также система видеонаблюдения за техническим состоянием магистрального газопровода (см. патент РФ №2393378, публ. 2010 г., МПК F17D 5/00). Система содержит n пар оптически согласованных видеокамер и n интеллектуальных контрольно-измерительных колонок (ИКИК), расположенных с заданным пространственным шагом над магистральным газопроводом. Система содержит также навигационную аппаратуру потребителей сигналов космической навигационной системы GPS или Глонасс. ИКИК включает в себя набор датчиков параметров, влияющих на техническое состояние магистрального газопровода, обрабатывающую аппаратуру и радиомодем. При этом видеокамеры установлены вдоль линии, параллельной магистральному газопроводу, с противоположных сторон корпусов колонок, причем видеокамеры соседних колонок оптически согласованы друг с другом. Радиомодем ИКИК выполнен в виде GSM модема. ИКИК содержит датчик статического давления транспортируемого газа, установленный в магистральном газопроводе, микрофон, установленный рядом с магистральным газопроводом, и может также содержать вольтметр, подключенный между магистральным газопроводом и землей, геофон, установленный в земле вблизи магистрального газопровода, второй геофон, установленный в земле на заданном расстоянии от первого геофона, датчик скорости коррозии магистрального газопровода, датчик линейной деформации магистрального газопровода, установленный на наружной стороне его стенки, два дополнительных датчика линейной деформации, причем все три датчика линейной деформации расположены в одном сечении магистрального газопровода под углом 120° друг к другу, датчик удельного сопротивления грунта, датчик утечки транспортируемого газа.
Способ видеонаблюдения за техническим состоянием магистрального газопровода с помощью вышеописанной системы осуществляют следующим образом. С помощью видеокамер, расположенных на ИКИК вдоль всего контролируемого участка магистрального газопровода, ведется постоянное видеонаблюдение за состоянием магистрали. По сигналам видеокамер определяют координаты и тип объекта, вторгшегося в контролируемый участок объекта. С помощью многочисленных датчиков определяют параметры, влияющие на техническое состояние контролируемого участка газопровода. Вся информация после обработки запоминается в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ). Считывание информации может осуществляться по радиоканалу по запросу центрального пункта мониторинга, либо одновременно со всех ИКИК при использовании спутниковой связи, либо последовательно передаваться от колонки к колонке по радиоканалу посредством радиомодемов (необходимая синхронизация при этом обеспечивается GPS). Считывание может осуществляться также с помощью летательного аппарата с установленным на борту вычислительным комплексом, который осуществляет последовательный опрос всех ИКИК со считыванием содержимого ОЗУ всех колонок, представляющего собой отсчеты параметров всех датчиков за весь период времени, прошедший с момента предыдущего считывания.
Описанные способ и система обеспечивают контроль значительно большего числа параметров, влияющих на техническое состояние магистрального газопровода, однако при обеспечении непрерывного контроля информация предоставляется на центральный пункт мониторинга периодически (не в реальном времени) и не позволяет оперативно оценить техническое состояние магистрального газопровода, что недопустимо при быстром развитии аварийной ситуации. Кроме того, при создании подобных систем всегда остается часть влияющих факторов, которая изначально не учитывается системой. Это объясняется отсутствием знаний о таких факторах в момент проектирования системы.
Наиболее близким к изобретению выбран способ экстренной диагностики магистрального трубопровода и реализующая его система (см. патент РФ №2382270, публ. 2010 г., МПК F17D 5/02). Способ экстренной диагностики магистральных трубопроводов заключается в измерении физических параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, набором датчиков, расположенных внутри и с внешней стороны трубопровода по его длине, с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря, и обработку измеренных физических величин. Датчики расположены равномерно по всей длине трубопровода. При этом посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода, дополнительно измеряют географические координаты. При установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами. Дополнительно определяют степень воздействия на трубопровод внешней среды при изменении ее физических параметров по одновременно измеренным сигналам посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода и с внешней стороны, о степени воздействия судят по сравнению измеренных физических величин посредством кластеризации и численного моделирования до и после воздействия. Измерение физических параметров внешней среды выполняют посредством датчиков, размещенных в точках наблюдения, расположенных на разных средах.
Система, реализующая способ-прототип, включает набор датчиков для измерения физических параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря, и средства для обработки измеренных физических величин. Датчики, характеризующие параметры внешней среды, установлены на стыковых участках магистрального трубопровода высокого давлении по всей его длине, датчики, характеризующие технико-эксплуатационное состояние трубопровода, установлены внутри трубопровода преимущественно в точках сосредоточения арматуры. Средства для обработки измеренных величин включают модуль апостериорной обработки измеренных физических величин, соединенный с датчиками волоконно-оптическим кабелем.
Недостатком способа-прототипа и реализующей его системы является то, что в качестве определяющих техническое состояние показателей используются изменения измеряемых параметров во времени. На выходе система имеет такой же объем данных, какой имела на входе. Большой объем данных требует дополнительного анализа и, следовательно, ведет к несвоевременности принятия решения. Кроме того, известные технические решения не позволяют изучать внешние факторы, влияющие на техническое состояние магистрального газопровода во взаимосвязи с воздействием этих факторов на объект мониторинга. Система не предусматривает накапливания новых знаний об объекте, которые могли бы быть использованы в этой же системе без модификации ее структуры.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа и реализующей его системы мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода, обеспечивающих удобную форму предоставления информации с небольшим количеством данных, позволяющей диспетчеру своевременно принимать решения. Другой задачей изобретения является создание адаптивной системы мониторинга, позволяющей изучать внешние влияющие на техническое состояние МТ факторы (например, сейсмические, тектонические события) во взаимосвязи с воздействием этих факторов на объект мониторинга, накапливать новые знания об объекте и использовать эти знания в этой же системе без модификации ее структуры.
В части способа указанный результат достигается тем, что в способе мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода, включающем измерение физических параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, набором датчиков, расположенных внутри и с внешней стороны трубопровода по его длине, и обработку измеренных физических величин, согласно изобретению, предварительно для каждого i-го участка трубопровода создают расчетную математическую модель с эталонными параметрами, по измеренным физическим параметрам и расчетной математической модели для каждого i-го участка создают адаптированную к текущему моменту расчетную модель, по измеренным физическим параметрам и адаптированной расчетной модели для каждого конечного элемента модели вычисляют обобщенный косвенный показатель текущего состояния трубопровода, например запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода, полученный массив обобщенных косвенных показателей оценивают по зонам допуска «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо», по которым принимают решение о необходимости воздействия на трубопровод.
В части системы указанный результат достигается тем, что в системе мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода, включающей набор датчиков для измерения физических параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, и средства для обработки измеренных физических параметров, согласно изобретению, средства для обработки измеренных физических параметров содержат блок сбора данных, блок хранения данных и расчетных моделей, блок адаптации расчетных моделей, блок вычисления обобщенных косвенных показателей и устройство отображения информации АРМ (автоматизированное рабочее место) диспетчера, при этом выходы датчиков через блок сбора данных соединены с первым входом блока хранения данных и расчетных моделей, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления обобщенных косвенных показателей и ко входу блока адаптации расчетных моделей, выход которого подключен ко второму входу блока хранения данных и расчетных моделей, второй выход которого соединен со вторым входом блока вычисления обобщенных косвенных показателей, выход которого подключен к третьему входу блока хранения данных и расчетных моделей и устройству отображения информации АРМ диспетчера.
Также, согласно изобретению, и в части способа, и в части системы в качестве датчиков для измерения физических параметров могут быть использованы датчики деформаций трубопровода, датчики деформаций вмещающих грунтов, датчики сейсмической активности в районе трубопровода, датчики тектонических смещений земной поверхности, датчики параметров транспортируемого продукта, прочие датчики. На каждом участке, подлежащем мониторингу, используют необходимый и достаточный набор датчиков, определяемый техническими характеристиками участка трубопровода, вмещающих грунтов, сейсмической и тектонической активностью в районе трубопровода. Массив обобщенных косвенных показателей, оцененный по зонам допуска «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо», может иметь цветовую кодировку.
Сущность предложенной группы изобретений заключается в том, что протяженный магистральный трубопровод разделяют на участки. Каждый из участков, подлежащих мониторингу, оснащают датчиками, обеспечивающими измерение физических величин, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода. Размер и количество участков, подлежащих мониторингу, зависит от рельефа (профиля) земной поверхности, характеристик грунтов, сейсмической и тектонической активности в зоне расположения участка, параметров трубопровода, дополнительных параметров, которые могут быть и не известны на дату проектирования системы, а добавлены позднее в результате новых знаний об объекте. Соответственно и оснащение датчиками отдельных участков будет различным. Один участок может содержать N датчиков, другой - М датчиков. Предварительно для каждого i-го участка трубопровода создают расчетную математическую модель с эталонными параметрами МТ, полученными по окончании его строительства. Для создания математической модели можно использовать, например, метод конечных элементов (МКЭ) (см. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984), позволяющий каждую расчетную модель участка МТ представить в виде конечного числа элементов модели. По расчетной математической модели и эталонным параметрам вычисляют для каждого конечного элемента модели обобщенный косвенный показатель текущего состояния трубопровода, например запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода. Полученный одномерный массив косвенных показателей оценивают по зонам допуска как «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо» и направляют на устройство отображения АРМ диспетчера.
В процессе мониторинга измеряют с помощью датчиков физические параметры, характеризующие текущее техническое состояние МТ. Для каждого i-го участка на основании расчетной математической модели с эталонными параметрами и измеренных параметров создают адаптированную к текущему состоянию расчетную модель. По адаптированной расчетной модели и измеренным параметрам вычисляют для каждого конечного элемента модели обобщенный косвенный показатель текущего состояния каждого i-го участка МТ, например запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода. Полученный одномерный массив косвенных показателей оценивают по зонам допуска как «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо» и направляют на устройство отображения АРМ диспетчера для принятия решения. Массив обобщенных косвенных показателей, оцененный по зонам допуска «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо», для удобства анализа может иметь цветовую кодировку, соответственно, например, зеленый, желтый, красный.
Вычисление обобщенных косвенных показателей для каждого конечного элемента модели каждого i-го участка МТ позволяет от многофакторного (многомерного) анализа данных перейти к форме предоставления информации, требующей минимального времени на интерпретацию и, тем самым, повысить оперативность принятия решений. Введение процедуры создания расчетной математической модели с эталонными параметрами и адаптированной к текущему состоянию расчетной математической модели позволяет не только оценить текущее состояние объекта, но и накапливать новые знания об объекте, изучать их влияние на объект мониторинга и использовать эти знания в системе.
Далее изобретения поясняются с помощью чертежа, где представлена функциональная схема системы мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода.
Большой объем информации массива обобщенных косвенных показателей может быть наиболее компактно представлен в виде ассоциативного растра, каждой точке которого соответствует реальный конечный участок трубопровода. Такой подход позволяет оценивать обстановку одним взглядом, а в сочетании с аудиоинформированием многократно повышает информативность интерфейса.
Система мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода содержит МТ, разделенный на участки 1, набор датчиков 2 измеряемых физических параметров, влияющих на техническое состояние МТ, подключенных к блоку сбора данных 3, выход которого соединен с первым входом блока хранения данных и расчетных моделей 4. Первый выход блока хранения данных и расчетных моделей 4 подключен к первому входу блока вычисления обобщенных косвенных показателей 5 и входу блока адаптации расчетных моделей 6, выход которого подключен ко второму входу блока хранения данных и расчетных моделей 4. Второй выход блока хранения данных и расчетных моделей 4 соединен со вторым входом блока вычисления обобщенных косвенных показателей 5, выход которого подключен к третьему входу блока хранения данных и расчетных моделей 4 и устройству отображения информации АРМ диспетчера 7.
На каждом участке 1, подлежащем мониторингу, используют необходимый и достаточный набор датчиков 2, определяемый техническими характеристиками участка трубопровода, вмещающих грунтов, сейсмической и тектонической активностью в районе трубопровода. В качестве датчиков 2 для измерения физических параметров могут быть использованы датчики деформаций трубопровода, датчики деформаций вмещающих грунтов, датчики сейсмической активности в районе трубопровода, датчики тектонических смещений земной поверхности, датчики параметров транспортируемого продукта (давление, температура), прочие датчики. Датчики 2 независимо от принципа действия первичного преобразователя имеют стандартные коммуникационные интерфейсы для работы в измерительно-вычислительных системах. Датчики 2 выполнены с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря, например при помощи глобальной системы позиционирования.
Блоки 3-7 объединены единой локальной вычислительной сетью. Блок хранения данных и расчетных моделей 4 представляет собой набор компьютерных баз данных.
Блок вычислений обобщенных косвенных показателей 5 основан на компьютерных программах прочностного моделирования металлических конструкций, работающих в автоматическом режиме.
Блок адаптации расчетных моделей 6 основан на использовании методов интеллектуального анализа данных, известного как «Data Mining», реализованных, например, средствами Oracle Data Mining, MS SQL Server Data Mining.
Устройство отображения информации 7 представляет собой персональный компьютер с графическим интерфейсом.
Система работает следующим образом.
Предварительно для каждого i-го участка 1, подлежащего мониторингу, создают специалистом-аналитиком расчетную математическую модель с эталонными параметрами МТ, полученными по окончании его строительства. Для создания математической модели можно использовать, например, метод конечных элементов (МКЭ) (см. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984), позволяющий каждую расчетную модель участка МТ представить в виде конечного числа элементов модели. Полученные расчетные модели размещают в блоке хранения данных и расчетных моделей 4 и в блоке адаптации расчетных моделей 6. Эталонные параметры МТ и расчетные математические модели с эталонными параметрами для каждого i-го участка 1 поступают в блок вычисления обобщенных косвенных показателей 5, который вычисляет для каждого конечного элемента модели обобщенный косвенный показатель текущего состояния трубопровода, например запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода. Полученный одномерный массив косвенных показателей (одно значение для одного конечного элемента модели), оцененный по зонам допуска «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо», поступает на устройство отображения 7 АРМ диспетчера. Одновременно полученный одномерный массив косвенных показателей с выхода блока 5 поступает в блок хранения данных и расчетных моделей 4.
В процессе мониторинга измеряют с помощью датчиков 2 физические параметры, характеризующие текущее техническое состояние МТ. Полученные данные с датчиков 2 поступают через блок сбора данных 3, который приводит полученные данные к единому виду и передает по локальной вычислительной сети в блок хранения данных и расчетных моделей 4, откуда поступают в блок вычисления обобщенных косвенных показателей 5 и блок адаптации расчетных моделей 6. На основании расчетной математической модели с эталонными параметрами и измеренных параметров в блоке адаптации расчетных моделей 6 создают адаптированную к текущему состоянию расчетную модель, которая поступает в блок хранения данных и расчетных моделей 4 и далее в блок вычисления обобщенных косвенных показателей 5. По адаптированной расчетной модели и измеренным параметрам блок вычисления обобщенных косвенных показателей 5 вычисляет для каждого конечного элемента модели обобщенный косвенный показатель, например запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода. Полученный одномерный массив косвенных показателей по каждому участку трубопровода оценивают по зонам допуска как «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо» и направляют на устройство отображения АРМ диспетчера 7 для принятия решения. Одновременно, полученный одномерный массив косвенных показателей, рассчитанный по адаптированной к текущему состоянию трубопровода модели, поступает с выхода блока 5 в блок хранения данных и расчетных моделей 4 для архивирования и постоянного хранения данных о состоянии МТ, в том числе для подтверждения форс-мажорных обстоятельств. Новые данные используются в системе без модификации ее структуры. В процессе эксплуатации могут быть выявлены новые знания об объекте или новые факторы воздействия на объект, которые не были учтены при проектировании системы, а также использованы новые модели, такие как прогнозирование экологических и экономических рисков, модель транспорта газа с учетом стойкости трубопровода, модели оптимального варианта выхода из нештатной ситуации. В этом случае производят добавление необходимых датчиков на участках мониторинга и новых моделей, а также вводят необходимые данные в программное обеспечение. Таким образом, система мониторинга становится самообучаемой.
Система может быть реализована как измерительно-вычислительный комплекс с применением современных технологий программирования, систем управления базами данных, аудиовизуального представления информации при организации человекомашинного интерфейса.