Способ определения пространственного положения трубопровода
METHOD FOR DETERMINING SPATIAL LOCATION OF PIPELINE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и, в частности, к способу определения пространственного положения оси трубопровода вне зависимости от особенностей его прокладки (подземный трубопровод, надземный трубопровод, участок подводного перехода и т.д.).
Для оценки работоспособности трубопровода и выработки эффективных мер по обеспечению требуемого уровня его надежности и безопасности необходимо иметь информацию о напряженно-деформированном состоянии какой-либо его точки. Оно формируется от действия двух видов нагрузок:
- функциональные нагрузки (внутренне давление перекачиваемого продукта);
- нагрузки, обусловленные воздействием на трубопровод внешней среды (изгиб и кручение, вызванные начальным пространственным положением трубопровода и его изменением в процессе эксплуатации).
Задача определения функциональных нагрузок, действующих на определенную область трубопровода, в настоящее время решается установкой манометров и систем телемеханики, позволяющих в режиме реального времени видеть информацию о давлении в контрольных точках трубопровода на диспетчерском пульте.
В свою очередь, с установлением нагрузок, вызванных пространственным положением трубопровода, существуют проблемы, поскольку определить это пространственное положение с использованием существующих технологий является задачей трудоемкой и дорогостоящей, а получаемый при этом результат может иметь низкую степень достоверности. Особенно это касается трубопроводов подземной прокладки.
Так, в настоящее время известно четыре технологии определения пространственного положения трубопроводов.
Первая технология - выполнение привязки трубопровода к опорным геодезическим пунктам. Для реализации данной технологии предварительно выполняется поиск оси трубопровода и определение глубины его залегания в контрольных точках. Для этого используются приборы типа трассоискателей, регистрирующих электромагнитное поле, излучаемое трубопроводом. Принцип и последовательность данной операции изложены, в частности, в ВРД 39-1.10-026-2001 «Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов». После этого выполняется определение планово-высотного положения контрольных точек трубопровода с использованием геодезического оборудования. Последовательность действий при выполнении данной операции изложена, в частности, в СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства». Обработка данных геодезических измерений также может выполняться в соответствии с патентом RU2592733C2. Полученная информация позволяет определить пространственное положение локальных точек оси трубопровода, из которого в результате математической обработки может быть получено напряженно-деформированное состояние в какой-либо точке сечения трубопровода. Главными недостатками данной технологии является ее низкая точность и трудоемкость: ошибка в обнаружении оси трубопровода и глубины его залегания с использованием трассоискателей может достигать нескольких метров, при этом для получения координат каждой точки может быть затрачено около получаса времени и даже более. Также следует принимать во внимание труднодоступность значительной части трубопроводных магистралей, проложенных по территории России.
Вторая технология - с использованием навигационных систем глобального позиционирования (типа GPS и ГЛОНАСС). Подробно данная технология описана, в частности, в монографии Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии.- М.: Картгеоцентр, 2004.- 355 с. Применение данной технологии также предусматривает предварительное определение точек оси и глубины заложения трубопровода описанным выше способом сиспользованием трассоискателей, после чего в этих точках определяются координаты. Последовательное измерение координат локальных точек над осью трубопровода, а также определение глубины его заложения позволяет получить данные для определения пространственного положения трубопровода. Недостатком данной технологии, помимо тех, что присущи первой рассмотренной технологии, является еще более низкая точность - на погрешность определения оси и глубины заложения трубопровода с использованием трассоискателей накладывается погрешность определения координат точек трубопровода с использованием навигационных систем глобального позиционирования, достигающая 3-6 м, что в результате приводит к очень высокой ошибке в определении пространственного положения трубопровода.
Третья технология - установка датчиков деформации на трубопровод. В качестве таких датчиков используются тензометрические или оптоволоконные датчики. Последние могут быть как точечными, так и распределенными. Одним из примеров такой технологии является патент RU 2729304 C1. Он заключается в установке по периметру трубы не менее 3-х распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации и съеме данных о деформациях трубопровода в точках крепления сенсоров через блок управления и кабели связи. В результате математической обработки определяются деформации растяжения и изгиба в сечении трубопровода, к которому крепятся сенсоры, а по этим данным - пространственное положение оси трубопровода. У данной технологии есть несколько недостатков. Распределенные волоконно-оптические датчики, включая необходимую для их работы инфраструктуру (кабели связи, блок опроса, сбора и обработки информации) являются дорогостоящими, особенно при их установке на такие протяженные объекты, как трубопровод. При этом возникает ряд сложностей. Для получения достоверной информации о деформации трубопровода распределенные датчики должны точно повторять его пространственное положение, т.е. не иметь собственной кривизны. Этого можно добиться только если жестко закреплять датчики непосредственно на металле трубы с маленьким шагом и с высокоточным соблюдением часовой ориентации точек крепления на трубопроводе. Однако на практике крепить датчики к металлу не представляется возможным, поскольку трубопроводы имеют изоляционное покрытие, нанесение которого поверх датчиков не позволит обеспечить необходимую адгезию с металлом трубы в этих зонах и приведет к его преждевременному повреждению. Крепление же датчиков поверх изоляции в трассовых условиях обуславливает как сложность с обеспечением одинаковой угловой ориентации точек крепления, так и возможность смещения точек крепления от воздействия окружающего грунта в процессе эксплуатации трубопровода. Вариант с точечными датчиками значительно более экономичный, однако в данном случае остается описанная выше проблема с креплением датчиков, к которой добавляется то обстоятельство, что устанавливать их на трубу можно только до начала строительства трубопровода, поскольку в противном случае напряженно-деформированное состояние трубопровода в момент установки на него датчиков не будет учитываться в показаниях. Также можно отметить, что для того, чтобы иметь возможность идентифицировать изгибные нагрузки трубопровода необходимо устанавливать в каждом сечении не менее Зх датчиков, равномерно распределенных по периметру трубы, что увеличивает трудоемкость и стоимость использования данной технологии.
Четвертая технология - использование инерциальных навигационных систем. Различными вариантами данной технологии являются патенты RU 2621219 C1, RU 2527902 C2, RU 2558724 C2. Она заключается в том, что на внутритрубное устройство устанавливается инерциальная навигационная система, состоящая в общем случае из трех одноосных акселерометров, расположенных в ортогональных плоскостях, определяющих ускорения по своим осям при движении внутритрубного устройства, датчиков угловой скорости (гироскопов), необходимых для определения углового положения акселерометров в каждый момент времени, одометров, определяющих пройденный путь, и бортового компьютера, записывающего и обрабатывающего поступающую информацию от датчиков. При известных начальных координатах, начальной скорости внутритрубного устройства, а также его ускорении в ортогональной системе координат в каждый момент времени путем интегрирования определяются координаты устройства, что позволяет получить данные о пространственном положении оси трубопровода и, как следствие, о его напряженно-деформированном состоянии.
Данная технология принята как наиболее близкая к заявляемому изобретению. При этом она имеет ряд недостатков. Главным из них является ошибка в определении угловых скоростей при движении инерциальной навигационной системы. Связана она с наличием углового дрейфа гироскопов. Даже при использовании высокоточных гироскопов с величиной углового дрейфа около 0,03  накапливаемая ошибка в определении координат достигает 1 км через 2 км пути [М.Ю. Кирьянов, В.В. Орлов Применение инерциальных навигационных систем во внутритрубной диагностике / Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.- 2017.-№7(3).- С. 84-94], что делает невозможным использование получаемой информации для определения напряженно-деформированного состояния трубопровода. В этой связи для определения пространственного положения трубопровода с приемлемой погрешностью вышеуказанная технология дополняется другими. Так, в патенте RU 2527902 C2 для этого предложено выполнение дополнительной геодезической коррекции. Она заключается в установке специальных контрольных пунктов через каждые 2 км трубопровода, и выполнении их геодезической привязки с использованием систем GPS/Глонасс, которые, обмениваясь данными с инерциальной навигационной системой, позволяют ей корректировать вычисленные координаты трубопровода.
В патентах RU 2558724 C2 и RU 2621219 C1 для повышения точности определения пространственного положения с использованием инерциальных навигационных систем используются многократные пропуски внутритрубных устройств, а наличие изменения пространственного положения трубопровода определяется путем сопоставления результатов.
В итоге, использование инерциальных навигационных систем для определения пространственного положения трубопровода является чрезвычайно дорогостоящей технологией, которая при этом не может обеспечить высокую стабильность и точность получаемых данных.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения пространственного положения оси трубопровода.
Задача, решаемая настоящим изобретением - определение напряженно-деформированного состояния любой точки трубопровода, вызванного фактическим пространственным положением его оси.
Предлагаемый способ заключается в установке на анализируемый участок трубопровода специальных меток, содержащих следующие датчики пространственной ориентации:
- датчики определения углов наклона по трем осям в ортогональной системе координат (например инклинометры);
- датчик определения азимута (например, гирокомпас);
- датчик определения высотного положения (например, барометр).
Метки устанавливаются с определяемым шагом в проекции на ось трубопровода. Чем меньше будет интервал между метками, тем точнее будет выполнено определение пространственного положения трубопровода. Для участков с ровным рельефом, на которых не характерны сейсмические, карстовые, оползневые и т.п.явления достаточным интервалом, обеспечивающим определение пространственного положения оси трубопровода с погрешностью не более 1%, является 50 м. Для потенциально опасных с точки зрения геологии участков, а также для участков со сложным рельефом данный интервал может быть уменьшен.
При наличии отводов, гнутых труб и т.д. метки следует устанавливать в непосредственной близости до и после данных элементов, что позволяет идентифицировать их и корректно учесть при моделировании пространственного положения трубопровода.
После установки меток выполняется съем показаний с датчиков и их передача в пункт обработки. В зависимости от конструктивных, эксплуатационных и технологических особенностей трубопровода данный процесс может быть реализован тремя способами:
1. При пропуске внутритрубного устройства (диагностического, очистного и т.д.). В этом случае к внутритрубному устройству прикрепляется специальное считывающее устройство, содержащее модуль генерирования электромагнитного поля и модуль считывания и хранения информации с меток.
Метки дополнительно оснащаются модулем опроса и регистрации показаний датчиков, модулем преобразования электромагнитного поля в электрический ток, модулем для передачи радиосигналов и устанавливаются на внутренней поверхности трубы при производстве труб, либо в процессе строительства, ремонта или реконструкции трубопровода. Габаритные размеры меток не должны препятствовать пропуску внутритрубных устройств, установке и перемещению сварочных центраторов и. д. Места установки меток не должны мешать процессу сварки, а также гарантировать отсутствие влияния термического цикла сварки на чувствительные элементы метки.
Реализация способа выглядит следующим образом.
Считывающее устройство при пропуске внутритрубного устройства генерирует электромагнитное поле. В момент его приближения к метке данное электромагнитное поле возбуждает в метке индукционный ток. Полученная энергия используется меткой на опрос показаний датчиков, их запись и передачу радиосигналом назад считывающему устройству. Такой обмен информацией между меткой и считывателем может происходить по технологии радиочастотной идентификации (RFID).
В результате, метка может не содержать питающего элемента, что обеспечивает возможность ее автономного функционирования на протяжении многих лет.
Расстояние между метками в проекции на ось трубопровода определяется в этом случае одометром внутритрубного устройства. Местоположение меток может быть определено или по обнаружению соответствующей магнитной (ультразвуковой) аномалии при анализе результатов внутритрубной дефектоскопии, или по какой-либо другой форме взаимодействия между меткой и считывающим устройством (по максимальной мощности радиосигнала от метки, по механическому контакту с меткой и т.д.).
2. При выполнении надземного обследования специализированными сотрудниками, беспилотными летательными аппаратами и т.д.
В этом случае метки устанавливаются на наружную поверхность трубопровода и также дополнительно оснащаются модулем опроса и регистрации показаний датчиков, модулем преобразования электромагнитного поля в электрический ток, модулем для передачи радиосигналов. Причем, меткам не обязательно иметь непосредственный контакт с металлом труб, они могут устанавливаться на изоляционное покрытие. Достаточно только обеспечить их фиксацию на трубопроводе для чего могут быть использованы, к примеру, специальные хомуты.
Реализация способа выглядит аналогичной описанному выше. Разница заключается в том, что взаимодействие считывающего устройства и метки происходит снаружи трубопровода.
Расстояние между метками в проекции на ось трубопровода в данном способе определяется либо в процессе их установки, либо при пропуске внутритрубного дефектоскопа (для этого необходимо обеспечить контакт метки с металлом трубы, что приведет к возникновению магнитной (ультразвуковой) аномалии, позволяющей идентифицировать метку при обработке результатов внутритрубной диагностики.
Данный способ может быть целесообразен в том случае, когда требуется установка меток на действующий трубопровод, либо когда трубопровод не приспособлен к пропуску внутритрубных устройств.
3. С использованием стационарного пункта сбора информации. В этом случае метки устанавливаются на наружной поверхности трубопровода и имеют кабели связи, соединяющие их с источником питания, блоком опроса датчиков и сбора информации. При таком способе реализации опрос датчиков может выполняться в режиме реального времени.
Расстояние между метками в проекции на ось трубопровода в этом случае определяется одним из рассмотренных выше способов.
В результате съема информации с меток в качестве исходных данных для анализа пространственного положения и напряженно-деформированного состояния трубопровода получают:
- пространственная ориентация локальных точек трубопровода в зоне установки меток, включающая их углы наклона в ортогональной системе координат, азимут и высотное положение;
- расстояние между метками в проекции на ось трубопровода. Данная информация позволяет методом математической обработки:
1) получить пространственное положение любой точки оси трубопровода и, как следствие, определить продольные деформации и напряжения любой точки любого сечения анализируемого участка трубопровода, вызванные пространственным положением трубопровода;
2) получить информацию о деформациях и напряжениях кручения любой точки любого сечения оси трубопровода.
Для решения первой задачи может быть использован подход, заключающийся в аппроксимации дискретно измеренных значений пространственного положения методом наименьших квадратов с использованием интерполяционных полиномов n-й степени.
Особенностью выполнения данной процедуры будет являться то, что в настоящем случае в качестве граничных условий выступают не координаты контрольных точек, а:
- длина кривой между контрольными точками;
- углы наклона касательных к кривой в контрольных точках;
- разница высотных положений между контрольными точками;
- условие обеспечения максимального радиуса кривизны кривой между контрольными точками.
Интерполирующая функция строится отдельно для каждой из координатных плоскостей XOY и XOZ. Коэффициенты интерполяционного полинома, описывающего уравнение изогнутой оси трубопровода, вычисляются из решения системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов, полученной с учетом граничных условий в контрольных точках трубопровода из уравнений метода наименьших квадратов.
y
z
После получения уравнения изогнутой оси анализируемого участка в плоскостях XOY и XOZ, путем двойного дифференцирования этих уравнений записывают выражения для кривизн k и k оси участка в этих же плоскостях. Результирующая кривизна k в любом сечении рассматриваемого участка находится по правилу суммирования векторов:
Зная кривизну в сечении трубопровода могут быть вычислены максимальные (фибровые) продольные напряжения в нем, вызванные пространственным положением трубопровода [СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06.85*»]:
где Е - модуль Юнга, МПа;
н
D - наружный диаметр трубопровода, мм
ρ - радиус упругого изгиба оси трубопровода, см.
В этом уравнении знак «+» относится к растянутой зоне сечения трубопровода, а знак «-» - к сжатой.
Для решения второй задачи используются данные с датчиков, определяющих угол наклона в плоскости, перпендикулярной направлению оси трубопровода, т.е. определяющих угол вращения трубопровода, относительно своей оси. Разность показаний указанных датчиков в начальный и в текущий момент эксплуатации будет показывать угол сдвига при кручении трубопровода. Угол сдвига трубопровода в промежуточных точках сечения трубопровода может быть определен путем аппроксимации линейной функцией.
Зная угол сдвига, напряжение сдвига τ может быть вычислено по формуле:
τ=Gγ
где G - модуль сдвига, МПа;
γ - угол сдвига, град.