CC BY
56АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕЗЕРВУАРОВ
А. И. Иванов, К. Н. Большев DOI: 10.24412/1728-516Х-2021-2-23-26
ш
Александр Русланович Иванов,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова (ИФТПС)
СО РАН - обособленного подразделения ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Константин Николаевич Большев,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИФТПС СО РАН, г. Якутск
Обеспечение безаварийной работы магистральных газопроводов и резервуаров (рис. 1) имеет огромное значение для энергетической безопасности Российской Федерации и Республики Саха (Якутия), в частности. Особенностью трубопроводного транспорта углеводородного сырья и оборудования нефтяной и газовой промышленности является вероятность их усталостных разрушений, приводящих к авариям с катастрофическими последствиями. Ликвидация же последствий подобных аварий требует значительных материальных и временных затрат, поэтому изучение причин и разработка методов предупреждения аварий на энергетических объектах являются актуальными проблемами современной фундаментальной и прикладной науки.
Причины аварий на трубопроводах и резервуарах, оборудовании нефтяной и газовой промышленности, в соответствии со сложившейся практикой разделяются на следующие четыре группы: 1) внешние воздействия и брак при строительно-монтажных работах; 2) коррозионные повреждения; 3) дефекты, вызванные несовершенством технологии изготовления труб; 4) нарушение требований и правил безопасности, ошибки персонала.
В отдельную группу причин аварий можно включить и повреждения, вызванные длительной эксплуатацией оборудования, когда в металле и конструкциях происходят необратимые изменения (усталость металла, ухудшение механических характеристик, ползучесть).
Климатические условия северных регионов России
и особенно Республики Саха (Якутия) отличаются низкими температурами приземного воздуха и резкой континентальностью. Продолжительность периода температур ниже 0 °С составляет около 210 суток, а минимальная температура достигает минус 60 °С, разность средних температур составляет более 60 °С. Относительная влажность воздуха изменяется в течение года в широких пределах, но наиболее высокая отмечается в декабре - феврале, что соответствует годовому минимуму температуры воздуха. Большая часть территории Якутии относится к районам распространения многолетнемёрзлых грунтов.
Характерные случаи разрушения резервуаров, произошедшие в Якутии
Повреждение резервуара
РВС-700 № 9 в с. Хонуу Момского улуса РС(Я) произошло в сентябре 2008 г. при положительной температуре окружающей среды в результате
Рис. 1. Резервуар для хранения нефтепродуктов
развития трещины по уторному шву1 резервуара в горизонтальном направлении между вертикальными швами первого пояса.
Произошёл розлив дизельного топлива в объёме 153 м3 при находящихся в резервуаре до аварии 712 м3. Площадь загрязнённой земли по расчётам составила примерно 7900 м2, глубина проникновения нефтепродукта в грунт - 1-5 см. Растёкшееся топливо попало в р. Индигирку через протоку, примыкающую к территории нефтебазы. Установлено, что повреждение этого резервуара с топливом произошло из-за первоначальных сварочных дефектов типа «подрезов»2 и их развития (углубления) от коррозионного износа при длительной эксплуатации данного объекта с образованием трещины.
В качестве другого характерного примера приведём разрушение резервуара РВС-700 № 49 в с. Амга Амгин-ского улуса РС(Я) в декабре 2007 г. при температуре наружного воздуха минус 35 °С и ветре 1-2 м/с. Авария произошла в результате развития трещины по основному металлу стенки резервуара в вертикальном направлении между 1 и 2 вертикальными швами первого пояса, по зоне термического влияния (ЗТВ) уторного шва соединения днища со стенкой и зоне соединения крыши со стенкой. Стенка резервуара была оторвана от днища по всему уторному шву, а от крыши - по периметру длиной 30 м (рис. 2). В результате этой аварии произошёл разлив сырой нефти в количестве 422 т. Вследствие выброса разлив нефти вышел за пределы обвалования, общая площадь разлива составила примерно 5000 м2. На днище остался слой загрязнений высотой 15 мм.
Установлено, что разрушение этого резервуара произошло при сочетании ряда факторов (старение металла резервуара, понижение температуры окружающего воздуха до -42 °С, наличие дефекта в виде трещины на стенке резервуара).
Анализ двух вышеописанных аварий показывает, что разрушения могут возникать как в случае дефектов сварных швов и соединений, так и основного материала стенок резервуаров. Распространение дефектов в обоих описанных выше случаях началось в области соединений стенок с днищем и крышей резервуаров. Следовательно, для контроля напряжённо-деформированного состояния необходимо выбрать точки наблюдений таким образом, чтобы охватить как область основного металла, так и области соединений элементов резервуара.
Автоматизированная система мониторинга
С целью предотвращения аварийных ситуаций, подобных вышеописанным, нами предлагается автоматизированная система технического мониторинга, которая позволит контролировать текущее состояние резервуаров, анализировать нагрузки и предупреждать аварийные ситуации при превышении предельных деформаций материала.
Разрабатываемая система должна выполнять следующие функции:
1) регистрацию напряжённо-деформированного состояния в контрольных точках на поверхности стенок резервуара в осевом и продольном направлениях;
2) фиксацию температуры в контрольных точках на поверхности стенок резервуара;
3) определение температуры среды;
4) регистрацию уровня нефтепродукта и величину давления в резервуаре;
5) регулярный опрос вышеперечисленных параметров, их сбор и архивацию в базе данных;
6) аварийное оповещение при превышении параметрами допустимых значений;
7) визуальное представление данных в виде мнемосхемы, графиков и таблиц.
Для дистанционной передачи получаемых данных была выбрана технология пакетной трансляции GPRS, представляющая собой надстройку над технологией мобильной связи GSM и интегрированная с сетью Интернет. В качестве резервной была выбрана технология Circuit Switched Data (CSD) для мобильных сетей стандарта GSM. С использованием этой технологии два GSM-мо-дема могут установить канал связи для последующей передачи данных. Для функционирования такой системы на удалённой точке необходимо соблюдение двух требований - наличие сигнала сотовой связи выбранного оператора на объекте и постоянного электропитания.
Для реализации аппаратной части мониторинговой системы выбраны модули производства ООО «Овен» (г Москва). Аппаратная схема мониторинговой системы представлена на рис. 3.
Для регистрации напряжённо-деформированного состояния материала стенок резервуара
Рис. 2. Разрушенный резервуар РВС-700 № 49
1 Уторный шов - сварной шов соединения стенки с днищем резервуара.
2 Подрез - технологический изъян в виде углубления, образующийся рядом со сварным швом.
Рис. 3. Аппаратная схема системы мониторинга
выбраны фольговые тензорезисторы 2ФКП-5-400 производства ООО «Тензоприбор» (г Москва - г Кемерово). Сопротивление тензорезисторов изменяется в зависимости от его деформации. С их помощью можно измерять деформации связанных с ними элементов. Тензорезисторы являются основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр. (рис. 4).
Рис. 4. Тензорезистор 2ФКП-5-400
Для измерения температуры жидкого топлива в резервуаре были выбраны термопреобразователи сопротивления ДТС014-50М.В3.20/1 производства ООО «Овен». Для регистрации давления и уровня топлива в резервуаре выбран датчик ПД100-ДИ0 производства ООО «Овен». Датчик давления должен устанавливаться на выходе из резервуара в нижней его части. Таким образом, будет регистрироваться гидростатическое давление внутри резервуара. Зная давление и температуру жидкости, мы сможем контролировать её уровень в резервуаре.
Сигналы с преобразователей и датчиков обрабатываются в модулях ввода под управлением программируемого логического контроллёра ПЛК 100. Специально разработанное приложение (архиватор данных), установленное на сервере системы, регулярно подключается к ПЛК 100 посредством GSM/GPRS-модема, считывает текущие показатели и накопленные архивные значения. В случае возникновения аварийных ситуаций (превышения заданных значений) ПЛК 100 самостоятельно инициирует соединение с сервером и передаёт сигнал.
Программная часть комплекса состоит из следующих компонентов:
1) база данных;
2) серверное приложение (архиватор и приёмник данных);
3) управляющая программа на ПЛК 100;
4) клиентское приложение на рабочем месте диспетчера.
Для управления базами данных выбрана система Microsoft SQL Server 2008. Данное средство распространяется бесплатно при условии некомерческого использования. Для разработки клиентского приложения, серверного архиватора и приёмника данных выбрана среда визуального программирования Turbo Delphi 2006 Explorer édition. Для программирования логического контроллера ПЛК 100 используется профессиональная система программирования CODESYS v.2.
Заключение
Одними из наиболее аварийных объектов были и остаются различные виды резервуаров, предназначенные для хранения нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов и др. Причины этого заключаются в высокой взрывопожароопасности хранимых продуктов, больших размерах конструкций и связанной с этим значительной длиной сварных швов, а также в нарушениях правил строительства, эксплуатации, техники безопасности и др. Известно, что отказы и аварии любого оборудования происходят в начальный период эксплуатации (дефекты монтажа), затем следует период безаварийной работы, а после 15-20 лет эксплуатации количество отказов и аварийных ситуаций резко возрастает вследствие накопления повреждений. Российская производственная база в целом приближается к этому рубежу.
В настоящее время в России и странах СНГ в эксплуатации находится более 40 тысяч вертикальных и горизонтальных цилиндрических резервуаров ёмкостью от 100 до 50 000 м3 для хранения химических веществ, нефтепродуктов и других жидкостей, более 2000 шаровых резервуаров ёмкостью от 600 до 2000 м3 для хранения сжатого и сжиженного газа под давлением и температуре окружающей среды и более 60 изотермических резервуаров ёмкостью от 5000 до 30 000 м3для хранения сжиженных газов при пониженных температурах.
Внедрение предлагаемой автоматизированной системы позволит осуществлять контроль над режимом эксплуатации резервуаров и своевременно реагировать на потенциально аварийные ситуации. Важным является правильный выбор точек установки датчиков деформации, для чего рекомендуется предварительно проводить работы по технической диагностике резервуаров с определением расположения различных дефектов. Подобные работы проводятся в рамках экспертизы промышленной безопасности эксплуатируемых объектов один раз в 5 лет. Таким образом, предлагаемые нами меры дополняют существующий регламент оценки технического состояния резервуаров и направлены на осуществление непрерывного технического мониторинга за их состоянием в период между проведением экспертных работ.
Список литературы
1. Иванов, А. Р. Разработка методики оценки остаточного ресурса трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях Крайнего Севера / А. Р. Иванов //Дисс. канд. тех. наук. - Новосибирск, 2011.
2. Фирма ОВЕН, оборудование для автоматизации [Электронный ресурс] - URL: http://www.owen.ru/ catalog/
3. Фольговые тензорезисторы ООО «Тензопри-бор» [Электронный ресурс] - URL: http://tenzo-pribor.ru/ production/tenzo/1/
4. Система программирования в автоматизации CODESYS [Электронный ресурс] - URL: https://www. codesys.com/
5. Среда программирования Turbo Delphi [Электронный ресурс] - URL: http://www.turbodelphi.ru/
6. СУБД MS SQL Server [Электронный ресурс] -URL : https://www.microsoft.com/ru-ru/server-cloud/products/ sql-server/overview.aspx
МШЬ ЖУ&РЫХ Ш1СЯШ
Наука - это организованное знание.
Спенсер
Украсть у кого-то мысли бывает часто преступнее, чем украсть деньги.
Вольтер
Кто ясно мыслит, тот ясно излагает.
Буало
