Система и способ экспресс-диагностирования сетей газопотребления
SYSTEM AND METHOD OF EXPRESS-DIAGNOSING GAS-CONSUMPTION NETWORKS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики, применяется при техническом диагностировании, мониторинге и оценке технического состояния, определении предельных сроков и условий безопасной эксплуатации газопроводов сетей газопотребления.
В процессе эксплуатации элементы конструкции газопроводов сетей газопотребления (далее внутренние газопроводы) подвергаются старению и физическому износу. Внутренний газопровод от ввода в здание до окончания на верхнем этаже не имеет жестких закреплений конструкции и содержит большое количество сварных и резьбовых соединений элементов конструкции. Основным фактором, приводящим к появлению и развитию опасных дефектов и отклонений, является воздействие на внутренний газопровод непроектных нагрузок (изгибающих моментов), возникающих вследствие отклонений от проектных решений при строительстве, температурных деформаций, вибрации внутреннего газопровода в процессе эксплуатации и под влиянием внешних факторов (колебания конструкции дома, действия «третьей» стороны и т.д.). Местами концентрации механических напряжений и образования утечек природного газа при деформации внутреннего газопровода являются резьбовые и сварные соединения элементов конструкции.
Известна вибрационная система диагностики и предупреждения аварийной ситуации на эксплуатируемом объекте и способ ее работы (RU 2288470 C1, G01N 29/04, 27.11.2006). Известная система состоит из двух или более аналоговых датчиков вибрации, устанавливаемых на поверхности эксплуатируемого объекта в местах возможного разрушения. Выходы датчиков подключаются к входам фильтров, которые выделяют из сигналов датчиков частоты, несущие информацию об изменениях вибрационных колебаний после появления трещин в контролируемом месте. Выходы фильтров подключаются к блоку сравнения, сигнал с выхода блока сравнения подается на пороговый элемент, который в зависимости от результатов сравнения выдает сигнал о состоянии контролируемого участка: «норма» или «тревога». При этом величина порога определяется на основе опыта, инженерных расчетов, исследований.
Недостатками известного технического решения являются необходимость проведения дополнительных мероприятий для определения места установки датчиков, необходимость стационарной установки датчиков, использование аналоговых датчиков, что существенно ограничивает их чувствительность и ведет к усложнению системы при необходимости обработки измерений (использование аналогово-цифровых преобразователей), не рассмотрены варианты крепления системы на различные типы объектов. Кроме того, данное решение позволяет определить только наличие или отсутствие дефектов и не предназначено для определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации трубопроводов.
Заявленное техническое решение направлено на обеспечение возможности определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации и выявление потенциально опасных участков внутреннего газопровода, фактические нагрузки на которых превышают проектные.
Система экспресс-диагностирования технического состояния газопроводов сетей газопотребления содержит два портативных устройства измерения динамических характеристик и параметров трубопровода (далее устройство) и сервер с программным обеспечением для интерпретации данных, полученных с устройств.
Минимальный набор данных для определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации внутреннего газопровода: величина и цикличность приложения фактических нагрузок (изгибающих моментов), величина проектных нагрузок, геометрические параметры газопровода (длина, диаметр, толщина стенок, пространственная ориентация), характеристики материала труб, расположение и параметры дефектов и отклонений, дата ввода внутреннего газопровода в эксплуатацию. Все необходимые данные, кроме величины и цикличности фактических нагрузок, в полном объеме имеются у эксплуатационных организаций, обслуживающих сети газопотребления. Для определения параметров фактических нагрузок необходимо проведение дополнительного технического диагностирования с использованием предлагаемых системы и способа экспресс-диагностирования сетей газопотребления.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей системы экспресс-диагностирования сетей газопотребления жилых и многоквартирных домов, общественных и административных зданий, предприятий и котельных за счет обеспечения возможности определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации для каждого элемента внутреннего газопровода, а также повышение точности измерений и снижение вычислительной сложности определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации для каждого элемента внутреннего газопровода.
Указанный технический результат достигается тем, что система экспресс-диагностирования сетей газопотребления содержит портативные устройства измерения динамических характеристик и параметров трубопровода и сервер. Причем по одному портативному устройству измерения динамических характеристик и параметров трубопровода устанавливают в начале и в конце диагностируемого участка внутреннего газопровода. Каждое из портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода содержит герметичный корпус, включающий микромеханический трехосевой акселерометр, микромеханический трехосевой магнитометр, датчик температуры, микромеханический трехосевой гироскоп, подключенные к микроконтроллеру, память, подключенную к микроконтроллеру, интерфейс для подключения внешнего носителя информации, причем микроконтроллер выполнен с возможностью получать данные с акселерометра, магнитометра и гироскопа, сохранять полученные данные в памяти. Сервер выполнен с возможностью получать данные от устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода, выполнять обработку полученных данных, определять величину и цикличность фактических нагрузок, действующих на внутренний газопровод в каждой его точке, определять предельные сроки и условия безопасной эксплуатации для каждого элемента внутреннего газопровода.
Также указанный технический результат достигается тем, что в способе экспресс-диагностирования сетей газопотребления с использованием портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода, описанных выше, сохраняют данные измерений портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода, установленных в начале и в конце исследуемого участка внутреннего газопровода, в памяти. Передают данные измерений портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода, установленных в начале и в конце исследуемого участка внутреннего газопровода, на сервер. Получают данные измерений на сервере и выполняют обработку полученных данных. Определяют величину и цикличность механических напряжений и изгибающих моментов, действующих на внутренний газопровод в каждой его точке. Определяют предельные сроки и условия безопасной эксплуатации для каждого элемента внутреннего газопровода.
Предлагаемые система и способ экспресс-диагностирования сетей газопотребления позволяют рассчитать величину и цикличность внешних нагрузок, действующих на внутренний газопровод по всей его длине, на основе измерений динамических характеристик внутреннего газопровода устройствами, установленными в начале и в конце исследуемого участка внутреннего газопровода, например в точках ввода в здание и окончания на верхнем этаже.
Высокая точность измерений динамических характеристик внутреннего газопровода в точках установки устройств обеспечивается за счет использования микромеханических акселерометра и гироскопа.
Совместное применение гироскопа, акселерометра и магнитометра позволяет определить ориентацию устройства в пространстве, что необходимо для того, чтобы правильно сопоставить оси датчиков устройства с осями системы координат, связанной с внутренним газопроводом при программной обработке, что обеспечивает точность и достоверность измерений динамических характеристик в точке, где установлено устройство.
Герметичный корпус устройства защищает датчики от внешних воздействий, которые могут внести искажения в данные измерений, т.е. снижает вероятность появления ошибок измерения, что также повышает точность измерений.
Совместное использование сервера и предлагаемых портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода, установленных в начале и в конце исследуемого участка трубопровода, повышает точность измерений, а также упрощает обработку данных, что приводит к снижению вычислительной сложности определения предельных сроков и условий безопасной эксплуатации для каждого элемента внутреннего газопровода.
На фиг. 1 представлена функциональная схема портативного устройства измерения динамических характеристик и параметров трубопровода.
На фиг. 2 показана условная расчетная схема разбиения внутреннего газопровода на несколько участков в соответствии с диаметрами труб, их ориентацией в пространстве, наличием соединительных и запорных элементов по длине внутреннего газопровода.
На фиг. 3 представлена пространственная схема внутреннего газопровода.
На фиг. 4 показан пример измеренных значений ускорений.
На фиг. 5 показан пример спектральной плотности ускорений.
На фиг. 6 показано распределение ускорений по длине внутреннего газопровода
На фиг. 7 показано распределение суммарного момента по длине внутреннего газопровода.
На фиг. 8 показано распределение механических напряжений по длине внутреннего газопровода.
На фиг. 9 показана спектральная плотность механического напряжения для элемента внутреннего газопровода.
На фиг. 10 показана интенсивность отказов элемента внутреннего газопровода.
На фиг. 11 показаны результаты расчета долговечности и вероятности возникновения неисправности внутреннего газопровода.
Портативное устройство измерения динамических характеристик и параметров трубопровода (фиг. 1) содержит микромеханические трехосевые акселерометр и магнитометр, датчик температуры, объединенные в одной микросхеме, - 1, микромеханический трехосевой гироскоп - 2, микроконтроллер - 3, взаимодействующий с датчиками по SPI шине - 4, ячейки флэш-памяти - 5, взаимодействующие с микроконтроллером по 8-битной параллельной шине - 6, литиево-полимерный аккумулятор, обеспечивающий питание всех элементов устройства - 7, DC/DC преобразователь - 8, сравнительный элемент для контроля уровня напряжения аккумулятора - 9, mini-USB-разъем - 10, микросхему зарядки аккумулятора - 11, средство для включения/выключения устройства (геркон) - 12, индикатор состояния и заряда - 13.
По одному портативному устройству измерения динамических характеристик и параметров трубопровода устанавливается в начале и в конце исследуемого участка внутреннего газопровода. Монтаж устройств на газопровод осуществляется при помощи металлических хомутов, по два хомута на устройство. Размеры хомутов выбираются в соответствии с диаметром исследуемого участка. При этом не требуются дополнительные механические воздействия на диагностируемую трубу. Все отверстия и разъемы корпуса устройства герметично закрываются. Сверху плата с датчиками, установленная в корпусе, залита эпоксидной смолой (компаундом), что обеспечивает ее защиту от внешних воздействий и герметичность. Включение каждого из устройств осуществляется проведением магнитного ключа над герконом 12. Микросхема 1 измеряет линейные ускорения и напряженности магнитного поля по трем осям в точке установки устройства, температуру устройства. Гироскоп 2 измеряет угловые скорости по трем осям в точке установки устройства. Измеренные данные передаются в микроконтроллер 3 по SPI шине 4. Микроконтроллер 3 фиксирует показания датчиков, линейное ускорение, угловую скорость, напряженность магнитного поля с частотой не менее 400 Гц, температуру устройства с частотой не менее 1 Гц, время с частотой не менее 1 Гц. Затем данные по 8 битной параллельной шине передаются и записываются в ячейки флэш-памяти 3. Флэш-память обеспечивает непрерывную запись данных измерений в течение как минимум 24 часов. Для снятия необходимого объема данных для дальнейшей программной обработки необходимо 1-3 часа непрерывной работы устройства, после чего устройства выключают и демонтируют. Выключение каждого из устройств осуществляется проведением магнитного ключа над герконом 12. Записанные данные считываются на внешний носитель через mini-USB-разъем 10, после чего передаются на сервер для программной обработки. Возможна передача данных напрямую на сервер через GSM сеть при помощи блока приема/передачи данных. Электрическое питание каждого из устройств обеспечивает литиево-полимерный аккумулятор 9. Аккумулятор 9 по истечении установленного срока службы может быть заменен новым элементом питания с аналогичными характеристиками. При установке на внутреннем газопроводе на длительный срок для непрерывного мониторинга технического состояния устройство может содержать адаптер для работы от сети 220 В. Такой адаптер может быть установлен совместно с аккумулятором или вместо аккумулятора. Для обеспечения необходимого для нормального функционирования датчиков микроконтроллера и ячеек памяти напряжения в 2.8-3.5 B используется DC/DC преобразователь 8. Чтобы не допустить переразряда аккумулятора, к нему подключается элемент сравнения 9, отключающий устройство при снижении напряжения питания ниже уровня 3.2 В. Аккумулятор обеспечивает бесперебойную работу устройства в течение не менее чем 24 часов. Подзарядка аккумулятора осуществляется через miniUSB-разъем 10. Для организации зарядки аккумулятора используется микросхема 11. Индикатор состояния и заряда 13 позволяет визуально оценить состояние работающего устройства.
В способе экспресс-диагностирования сетей газопотребления с использованием системы экспресс-диагностирования сетей газопотребления, описанной выше, сохраняют данные измерений в памяти устройств и передают данные измерений на сервер. На сервере получают данные измерений, выполняют обработку полученных данных, определяют величину и цикличность фактических нагрузок, действующих на внутренний газопровод в каждой его точке, определяют предельные сроки и условия безопасной эксплуатации для каждого элемента исследуемого участка внутреннего газопровода.
Обработка измеренных данных включает в себя три этапа. На первом этапе проводится синхронизация, центрирование и удаление шумов из измеренных данных. На втором этапе производится расчет распределения действующих изгибающих моментов и механических напряжений по длине внутреннего газопровода. На третьем этапе, исходя из кривых усталости для каждого типового элемента газопровода, определяется предельное количество циклов воздействия нагрузки до разрушения для каждого значения механического напряжения.
Исходные данные: 1) данные, полученные в результате анализа проектной документации, исполнительной документации, эксплуатационной документации, визуального осмотра, предыдущих технических обследований, осмотров, диагностирований, ремонтов; 2) геометрические параметры газопроводов (длина, диаметр, толщина стенки, расположение в пространстве); 3) материал труб; 4) расположение конструктивных особенностей (резьбовые соединения, переходники, крепления и др.) по длине газопроводов; 5) дата установки газопровода.
Данные, полученные с портативных устройств измерения динамических характеристик и параметров трубопровода: 1) линейные ускорения точек начала и окончания исследуемого участка по трем взаимно ортогональным осям; 2) угловые скорости точек начала и окончания исследуемого участка по трем взаимно ортогональным осям; 3) напряженность магнитного поля в точках начала и окончания исследуемого участка по трем взаимно ортогональным осям; 4) температура устройства; 5) время измерений.
Указанные данные передаются на сервер и хранятся в базе данных сервера.
Синхронизация, центрирование и удаление шумов из измеренных данных выполняются для измерений по каждой оси каждого датчика. Проводится временная синхронизация данных, полученных со всех мест установки (если их несколько) устройства на газопроводе. За нулевую отметку принимается время записи наиболее раннего сигнала. Результатом являются синхронизированные графики измерений по трем взаимно ортогональным осям, связанным с датчиками.
Проводится устранение шумов при помощи специального сглаживания по следующей схеме:
,
а
а
j-3
j+3
где -  - семь последовательных измеренных данных.
Одновременно с устранением шумов измерения центрируются и переводятся в системные единицы измерения.
Синхронизация, удаление шумов и центрирование сигналов проводятся для показаний всех датчиков устройства.
Для обработанных показаний датчиков выполняется преобразование Лапласа по следующим известным соотношениям:
,
где F(p) - изображение функции ,
- действительный массив данных от времени, снятый с показаний прибора,
p - оператор Лапласа.
Для расчета распределения действующих изгибающих моментов и механических напряжений по длине внутреннего газопровода внутренний газопровод условно разбивается на участки в зависимости от ориентации, характеристик труб, наличия соединительных и запорных элементов с учетом типа соединения (резьбовое или сварное), как показано на фиг. 2. Составление расчетной схемы внутреннего газопровода осуществляется по следующему принципу: «участок трубы - тип соединения (резьбовой или сварное) - соединительный элемент (муфта, сгон, тройник и т.д.) - тип соединения - участок трубы». Данные измерения в форме Лапласа являются начальными условиями для первого участка внутреннего газопровода, затем последовательно осуществляется расчет ускорений, отклонений, изгибающих моментов, механических напряжений по длине внутреннего газопровода для каждого значения оператора Лапласа по всем выделенным участкам. Для каждой величины выполняется переход от оператора Лапласа к реальной частоте колебаний, в результате чего рассчитываются распределение ускорений, отклонений, изгибающих моментов, механических напряжений по длине внутреннего газопровода на частотах от 0 до 200 Гц, а также спектральные плотности этих величин для каждого элемента внутреннего газопровода.
Общие расчетные формулы для каждого участка и формулы перехода между участками представлены ниже.
Дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее движение каждой точки трубы газопровода при реакции на внешние возмущающие воздействия:
где E - модуль упругости, J - момент инерции сечения, ρ - плотность материала, S - площадь поперечного сечения трубы. Данные механические характеристики могут быть получены исходя из технических характеристик и свойств материала газопровода.
Начальные условия для каждого участка газопровода:
,
где k = количество датчиков.
Преобразование Лапласа по времени для используемых в расчете функций:
t
Y(x,p)=L[y(x,t),
t
Q(x,p)=L[q(x,t)],
,
k
t
k
a
A(p)=L[(x,t)],
,
,
,
,
.
Соответствующие дифференциальные уравнения для каждого значения p:
,
,
,
Преобразование Лапласа по координате для используемых в расчете функций:
ξ
ψ(s,p)=L[Y(ξ,p)],
ξ
Θ(s,p)=L[Q(ξ,p)],
j
ξ
j
G(s)=L[g (ξ)],
Соответствующее алгебраическое уравнение, описывающее динамику газопровода при реакции на внешние возмущающие воздействия в зависимости от параметров s и p:
.
Расчет нагрузок:
,
,
,
,
i
i
i
ϕ(p)-L(p)F(p),
,
,
,
а
a
a
Соотношения для участка  длиной l с моментом инерции J с нагрузками только в начале:
Соотношения для начала участка:
,
,
,
,
Соотношения для конца участка:
,
,
,
,
,
.
а
Соотношения для перехода от участка  к участку b:
,
,
Приведенные соотношения справедливы при переходах между участками с различным диаметром трубы или разной ориентацией в пространстве.
В результате данного этапа обработки с использованием данных измерений и технических характеристик конкретного участка внутреннего газопровода рассчитываются величина и цикличность механических напряжений и изгибающих моментов, действующих на внутренний газопровод в каждой его точке.
Данные о величине и цикличности фактических нагрузок на внутренний газопровод, полученные на предыдущем этапе, позволяют рассчитать интенсивности отказов элемента внутреннего газопровода на каждой частоте. Суммарная интенсивность отказов элемента внутреннего газопровода определяется как сумма интенсивностей отказов по всем частотам. На основе этих данных рассчитывается долговечность, определяются предельные сроки и условия безопасной эксплуатации каждого элемента внутреннего газопровода.
Для расчета долговечности используются кривые усталости для каждого элемента газопровода, характеризующие зависимость циклов воздействия механических напряжений до разрушения от значений механических напряжений. Вид кривой усталости определяется механическими характеристиками конструкционного материала, геометрией трубы (толщина стенки, внешний диаметр), условиями эксплуатации (внутреннее давление), наличием отклонений или дефектов. Кривая усталости учитывает срок службы газопровода через уменьшение толщины стенки за счет коррозии, скорость которой определяется на основе расчетов, исследований инженерного опыта.
Для построения кривой усталости проводится расчет нагрузок на трубу, обусловленных действием внешних сил и внутреннего давления по формуле Навье для различных значений изгибающего момента:
;
k
zk
z
вн
где σ - механическое напряжение, M - суммарный изгибающий момент, I - момент инерции сечения, r - внешний радиус трубы.
Значения действующего изгибающего момента принимаются от 0 до предельных величин, определяемых строительными нормами и правилами (СНиП). По значениям предела усталости для каждого материала определяем запасы усталостной прочности (количество циклов до разрушения) для каждого значения нагрузки. Предел усталости определяется из ГОСТов или результатов экспериментальных испытаний на прочность. Запас усталостной прочности определяется как отношение предела усталости к рассчитанным механическим напряжениям с учетом коэффициента запаса усталостной прочности, определяемого для каждого материала по ГОСТ или результатам экспериментальных испытаний.
k
k
Из расчетов динамических нагрузок на газопровод известны распределения напряжений по дистанции газопровода для каждой частоты. Сопоставляя кривую усталости и кривую распределения динамических нагрузок, для каждой точки газопровода определяется количество циклов до разрушения N для каждой частоты ω. На основании этих данных строятся кривые интенсивности отказов для каждой точки газопровода:
Общая интенсивность отказов каждой точки (элемента) газопровода определяется как сумма интенсивностей отказов для каждой частоты:
m - количество частот в спектре колебаний газопровода.
Долговечность каждой точки (элемента) газопровода обратно пропорциональна общей интенсивности отказов:
Вероятность возникновения неисправности каждой точки (элемента) газопровода:
Срок безопасной эксплуатации каждой точки (элемента) газопровода - срок безопасной работы с вероятностью у определяется следующим образом:
γ выбирается в пределах от 0,950 до 0,999.
Интенсивность отказов газопровода в целом определяется как сумма интенсивностей отказов всех его элементов:
l - количество точек (элементов) газопровода.
Долговечность газопровода обратно пропорциональна интенсивности отказов:
Вероятность возникновения неисправности газопровода:
Срок безопасной эксплуатации газопровода - срок безопасной работы с вероятностью у определяется следующим образом:
γ выбирается в пределах от 0,950 до 0,999.
Интенсивность отказов внутреннего газопровода в целом определяется как сумма интенсивностей отказов всех его элементов, на основе этих данных рассчитывается долговечность, определяются предельные сроки и условия безопасной эксплуатации внутреннего газопровода в целом.
Система и способ экспресс-диагостирования сетей газопотребления были апробированы на внутренних газопроводах сети газопотребления многоквартирных домов Санкт-Петербурга.
Пример обработки данных измерений
Пространственная схема внутреннего газопровода с установленными устройствами измерения динамических характеристик и параметров трубопровода представлена на фиг. 3. Как видно из данной фигуры, на газопроводе установлены два устройства (100) измерения динамических характеристик и параметров трубопровода.
Пример измеренных значений ускорений за 2 секунды (800 значений) по одной оси приведен на фиг. 4. Всего измерения проводились в течение 1 часа (4320000 значений).
Пример рассчитанной спектральной плотности измеренного сигнала по одной оси за 1 час с одного устройства приведен на фиг. 5.
Пример распределения ускорений по длине внутреннего газопровода по одной оси на частотах от 0,0625 до 200 Гц приведен на фиг. 6.
Распределение суммарного момента по длине внутреннего газопровода на частотах от 0,0625 до 200 Гц приведено на фиг. 7.
Распределение наибольших механических напряжений по длине внутреннего газопровода на частотах от 0,0625 до 200 Гц приведено на фиг. 8.
Пример спектральной плотности наибольших механических напряжений для элемента внутреннего газопровода приведен на фиг. 9.
Кривая интенсивности отказов для соответствующего элемента приведена на фиг. 10.
Результаты итоговых расчетов вероятности возникновения неисправности и сроков безопасной эксплуатации внутреннего газопровода приведены на фиг. 11.
Разработанный и апробированный на практике способ экспресс-диагностирования сетей газопотребления обеспечивает достоверное измерение динамических характеристик и параметров внутреннего газопровода, определение предельных сроков и условий безопасной эксплуатации всех элементов внутреннего газопровода и внутреннего газопровода в целом, что позволяет разработать рекомендации по ремонтам и техническому обслуживанию внутреннего газопровода, предупреждающим образование утечек.