Разработка, исследование и внедрение систем аттестации магистральных трубопроводов на основе применения инерциального микромеханического модуля в составе средств внутритрубной диагностики

УДК 531.7

В.Б. Никишин

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ АТТЕСТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ В СОСТАВЕ СРЕДСТВ ВНУТРИТРУБНОЙ ДИАГНОСТИКИ

Рассматривается теория и практика решения задач профилеметрии внутритрубными инспектирующими снарядами (ВИС), использующими инерциальный микромеханический модуль (ИММ) на основе микромеханических гироскопов (ММГ) и микромеханических акселерометров (ММА). Расчетным путем показана возможность применения микромеханических гироскопов для контроля геометрии осевой линии магистральных трубопроводов (МТ). Рассмотрены вопросы реализации алгоритмической компенсации их инструментальных погрешностей. Приводятся результаты стендовых и трассовых испытаний.

Инерциальный микромеханический модуль, бесплатформенная инерциальная система ориентации, внутритрубный снаряд-профилемер

V.B. Nikishin

DEVELOPMENT, RESEARCH AND INTRODUCTION OF ATTESTATION SYSTEMS OF THE INERTIAL MICROMECHANICAL MODULE IN STRUCTURE OF IN-LINE DIAGNOSTICS MEANS

The theory and practice of profilemetry the main pipeline’(MP) geometry dimensions’ inspection problem solution, using the in-tube inspection tools (ITIT) which utilize the inertial micromechanical module (IMM) on the basis of micromechanical gyroscopes MMG and micromechanical accelerometers ММА are considered. The possibility of micromechanical gyroscopes application for the main pipelines centerline geometry control are shown by the calculation. The problems of realization of the algorithmic compensation of their instrumental errors are reviewed.

The results of laboratory experiments, bench testing and field trials are given.

Inertial micromechanical module, strapdown inertial system of orientation, in-line geometry-tool

Введение. Контроль технического состояния МТ - одно из главных условий, обеспечивающих их безаварийную эксплуатацию. Одним из важнейших контролируемых факторов является наличие трещин и коррозионных поражений в металле стенки труб. Не менее важным является контроль геометрии трубы: эллипсность, наличие вмятин, гофр и крутоизогнутых участков, осуществляемый с помощью внутритрубных профилемеров. Эти дефекты, кроме снижения прочности, затрудняют мониторинг состояния трубопровода другими внутритрубными средствами дефектоскопии (ВСД): коррозионными, стресс-коррозионными и навигационно-топографическими снарядами. Поэтому такие параметры, как минимальные радиусы изгиба осевой линии, углы стыка двух соседних труб, нетехнологические изгибы отдельных труб жестко регламентируются соответствующими отраслевыми нормативными документами ОАО «Г азпром».

Контроль геометрии осевой линии МТ необходимо проводить снарядами-профилемерами, имеющими повышенную проходимость по сравнению с коррозионными и навигационно-топографическими снарядами. Повышенная проходимость снарядов-профилемеров обеспечивается уменьшением размеров гермоконтейнера, что существенно снижает объем приборного отсека. При этом для трубопроводов малых диаметров (<500 мм) возникают серьезные проблемы с размещением инерциального модуля на основе приборов типа ПНСК40 и АТ 1104. С другой стороны, для задачи измерения углов и радиусов изгиба крутоизогнутых поворотов, проходимых снарядом-профилемером за единицы секунд, требования к точности инерциальных датчиков могут быть значительно снижены.

Таким образом, исследование возможности применения микромеханического инерци-ального модуля для целей контроля геометрии осевой линии трубопроводов малых диаметров является актуальной задачей.

Предпосылки использования инерциальных датчиков низкого класса точности для контроля геометрии осевой линии МТ. Проекция на плоскость горизонта осевой линии МТ имеет, как правило, вид кусочно-линейных отрезков, сопряженных дугами с радиусами не менее 5 диаметров трубы. Профиль МТ в основном повторяет профиль поверхности Земли с некоторым сглаживанием его резких изгибов. При общем радиусе кривизны менее 3 диаметров трубы участок считается труднопроходимым для ВСД и подлежит ремонту.

Методика измерения параметров искривления осевой линии МТ с помощью инерци-альных датчиков строится на основе определения текущей пространственной ориентации профилемера и анализа ее вариаций в функции приращения одометрической дистанции. Г о-ризонтальная и вертикальная компоненты радиуса кривизны определяются соотношениями

Я8 ,Н = Б/ а8 Л

или

Я,н = у*/,н; = ¿в1 *; = ¿у/&,

где (Х§к - вариации углов рыскания у и тангажа 0 , соответственно, при перемещении профилемера по дуге длиной Б ; Ух1 - относительная скорость поступательного движения снаряда вдоль трубы.

Параметры ориентации определяются по сигналам БИСО, например, на основе интегрирования дифференциальных кинематических уравнений Эйлера с членами горизонтальной коррекции, формируемыми по сигналам акселерометров [1].

При использовании выражения (1) определяется средний радиус кривизны на дуге Б , которая характеризует длину локального изгиба трубопровода. Уравнение ошибок для выражения (1), опуская индексы, представим в следующем виде:

ЛЯ = —

а

или в относительных величинах

5Я = дБ-да.

Погрешность измерения длины дуги поворота обусловлена в основном погрешностями одометрической системы и может быть описана следующим образом

ЛБ = дко&Б + 4

119

где дко& =0,1 —0,2% - погрешность масштабного коэффициента одометра; 4 - погрешность, обусловленная дискретностью сигнала одометра: 40= 5 — 10 мм - шаг одометра.

Погрешности определения вариаций углов ориентации определяются в основном погрешностями гироскопов. При использовании ММГ типа А0ХК5300 примем в качестве преобладающей погрешности некомпенсированную составляющую скорости дрейфа ойг ~ 0,20 /с, т.е.

¿0 +Тг

Ла= ¡щгЖ ~ соЛгТг,

г0

где Тг = Б / Ух1 - время прохождения снарядом изгиба трубопровода.

На рис.1 и 2 приведены оценки компонент погрешности определения радиуса кривизны и углов изгиба МТ диаметром Б=500 мм с учетом принятых выше моделей ошибок датчиков первичной информации и для следующих параметров движения снаряда-профилемера:

а) Ух1 =0,5 м/с, а=0,5 рад.; Я = (1,5...20)0 - пунктирные линии;

б) Ух!=5,0 м/с, а=1,0 рад.; Я = (1,5...20)0 - сплошные линии.

6%

5%

4%

3%

2%

1%

0%

0 5 10 15 20

ЯЮ

Рис. 1. Компоненты погрешности определения Рис. 2. Погрешности определения углов

радиуса кривизны трубопровода изгиба трубопровода

Из анализа данных графиков следует, что на участках МТ с радиусами кривизны Я = (1,5...10)О и при скорости движения снаряда-профилемера от 0,5 до 5 м/с погрешности определения радиусов кривизны МТ не превысят 5%, а погрешности определения углов изгиба МТ -1.5 угл.град. Таким образом, геометрия осевой линии крутоизогнутых участки МТ может быть аттестована с достаточной для практики точностью с помощью инерциальных микромеханических

модулей с нескомпенсированной составляющей скоростью дрейфа со&г ~ 0,20 /с. Однако, требованиями отраслевых стандартов погрешности определения радиусов кривизны МТ ограничиваются уровнем 10% для Я = (1,5... 100)О . В этой связи для рассматриваемого применения ИММ необходимо принимать меры для снижения влияния его инструментальных погрешностей.

Алгоритмическая компенсация инструментальных погрешностей ИММ. Среди погрешностей ИММ выделим следующие: погрешности ориентации осей чувствительности ММГ и ММА; нестабильность нулевого сигнала ММГ и ММА, обусловленные вариациями температуры, вибрациями основания и зависимостью от g (для ММГ).

Известным способом оценивания погрешностей чувствительных элементов является включение их в состав оцениваемого вектора наблюдающего устройства, однако состав оцениваемых ошибок влияет на их наблюдаемость и скорость сходимости решений.

При наличии измерений по трем каналам (азимут, тангаж, крен) обеспечивается полная наблюдаемость «нулей» ГИУС. При отсутствии измерений в азимутальном канале, как утверждается в [3], сохраняется возможность оценивания только двух «нулей» ГИУС. В [4] говорится о полной наблюдаемости всех нулей ГИУС и акселерометров, а также ряда других

120

погрешностей датчиков первичной информации в составе БИНС, интегрированной с помощью фильтра Калмана с неинерциальными измерительными средствами даже при отсутствии измерений в азимутальном канале.

На наш взгляд, и первое, и второе утверждения нуждаются в существенных уточнениях. С учетом реальных значений статистических параметров погрешностей ГИУС наблюдаемы две комбинации «нулей» ГИУС:

где у, 0, у - углы рыскания, тангажа и крена ПО.

Анализ уравнений (7) показывает, что реальное оценивание всех компонент осх1 возможно только при вращательных движениях ПО вокруг продольной оси. Алгоритмы оценивания для этого случая были построены на основе ОФК и на основе теории обратных задач и модального управления. При отсутствии регулярного вращения профилемера оценки О сх2 и (0сх3 смещений нулей ММГ формируются на основе осреднения их сигналов на прямолинейных участках МГ.

Анализ результатов математического моделирования показывает, что разработанные алгоритмы позволяют успешно оценивать смещения нулей всех ММГ на основе использования сигналов ММА при условии вращательных движениях снаряда-профилемера вокруг

продольной оси. Можно отметить, что время переходного процесса для оценок О х2 и (Осх3

значительно больше, чем для ¿0^. Это объясняется условной наблюдаемостью этих параметров.

Результаты стендовых испытаний и опытной эксплуатации на трассах МГ. Для аттестации ИММ и оценки погрешностей определения геометрических параметров криволинейных траекторий в опытном образце электронного модуля одновременно с ИММ был установлен в качестве эталонного инерциальный модуль на более высокоточных инерциальных датчиках:

ПНСК40 и АТ1104 (нестабильность нулевого сигнала - не более 10 /ч и10-3 g , соответственно).

Для проведения стендовых испытаний БИСО на основе ИММ электронный модуль, установленный в гермоконтейнер снаряда-профилемера ПР500, был размещен на транспортной тележке, оснащенной одометром. Тележка перемещалась со скоростью 1,2—1,4 м/с по размеченной на асфальтовом покрытии траектории в форме «8» общей протяженностью 370 м. Погрешность оценок мгновенных радиусов кривизны с помощью ИММ по отношению к оценкам радиусов кривизны с помощью эталонного ИМ в этом случае не превышает 13%. В случае определения средних радиусов кривизны на отдельных поворотах траектории расхождения в оценках с помощью ИММ и эталонного ИМ не превышают 2%.

В октябре 2007 года с целью проведения испытания функционирования ИММ и проверки эффективности его применения для обследований МГ были осуществлены запуски снарядов ПР-700 и СК-700 на подводном переходе через р. Волгу. В ПР-700 был установлен ИММ, а в СК-700 - инерциальный модуль на основе ПНСК40 и АТ1104 (эталонный ИМ). На рис.3 приведены профили подводного перехода, построенные по данным этих запусков, которые свидетельствуют о возможности использования ИММ для оценки профиля МТ.

Результаты сопоставительного анализа оценок геометрических параметров поворотов подтверждают предыдущие выводы о приемлемой точности оценивания с помощью ИММ параметров крутоизогнутых поворотов. Так, параметры поворота 1 с радиусом кривизны 619 м оцениваются по данным ИММ с погрешностями боле 20%, а поворот 2 с радиусом кривизны 25 м (или К=36 Э) - с погрешностями не более 4%.

Осенью 2007 года инерциальные микромеханические модули на основе ЛЭХК8300 и АЭХЬ330 приняты в ЗАО «Газприборавтоматикасервис» в эксплуатацию в составе профи-лемеров ПР-500, ПР-700 и ПР-800 для обследования МТ. В настоящее время инерциальные

микромеханические модули успешно применяются для аттестации параметров МГ в составе

ВИС диаметров 420... 1400 мм.

Рис. 3. Профиль подводного перехода, построенный по данным ИММ и эталонного ИМ: 1 и 2 - изгибы МТ с большим и малым радиусами кривизны, соответственно

Выводы. Обоснована возможность применения для контроля геометрии осевой линии магистральных трубопроводов микромеханических инерциальных датчиков в составе информационно-измерительного оборудования внутритрубных инспектирующих снарядов-профилемеров.

Разработаны, реализованы и апробированы алгоритмы оценивания и компенсации скоростей дрейфа ММГ на борту снаряда-профилемера во время обследования МТ.

Показано расчетами и подтверждено результатами стендовых испытаний и опытных пусков снарядов-профилемеров по действующим МТ, что применение разработанных инерциальных микромеханических модулей позволяет с необходимой для практики точностью осуществлять контроль геометрии осевой линии МТ: определять углы изгиба и радиусы поворотов участков МТ с радиусами кривизны до 20.. .40 диаметров трубопровода.

С 2007 года более 1000 км магистральных трубопроводов успешно обследовано средствами внутритрубной диагностики ЗАО «Газприборавтоматикасервис» с использованием инерциальных микромеханических модулей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Применение внутритрубных диагностических снарядов и навигационнотопографических комплексов для повышения безопасности магистральных трубопроводов / П.К.Плотников, А.И.Синев, В.Б.Никишин и др. // Безопасность труда в промышленности. 2003. №4. С.28-33.

2. Никишин В.Б. Технология позиционирования трасс и дефектных мест магистральных трубопроводов на основе интеграции внутритрубных и спутниковых навигационных систем / В.Б.Никишин, А.И.Синев и др. // Гироскопия и навигация. 2007. №2. С.76-86.

3. Кортунов В.И. Анализ процессов коррекции БИНС / В.И. Кортунов, Г.А.Проскура // XIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сб. материалов. СПб, 2007. С.223-225.

4. Андропов А.В. Повышение точности определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов за счет использования спутниковых радионавигационных систем: автореф. дис. . канд. техн. наук / А.В. Андропов. Красноярск, 2006. 20 с.

Никишин Владимир Борисович —

кандидат технических наук, руководитель группы навигационных технологий ЗАО «Г азпри-боравтоматикасервис»

Статья поступила в редакцию 25.09.09, принята к опубликованию 25.11.09