CC BY
207
УДК 622.691/.692+528.83
Куклин А.А., Бушмелева К.И.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ
СЕТИ
Приведена информация по обеспечению надежности магистральных газопроводов, устойчивости их работы и безопасности, на основе анализа и обработки данных по комплексному диагностированию и оценке технического состояния объектов газотранспортной сети с использованием экспертной системы принятия оперативных решений.
Ключевые слова: комплексное диагностирование, оценка технического состояния, магистральный газопроводов, газотранспортная сеть, экспертная система, программное обеспечение.
The information on maintenance of reliability of the main gas pipelines, stability of their work and safety, on the basis of the analysis and data processing on complex diagnosing and an estimation of a technical condition of objects of a gas-transport network with use of expert system of acceptance of operative decisions is resulted.
Key words: complex diagnosing, assessment of the technical condition, gas pipeline, gas transportation network, expert system, software
Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса России. В стране создана разветвленная сеть магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов Российской Федерации. На сегодняшний день общая протяженность магистральных газопроводов (МГ) в России составляет порядка 160 тыс. км, из них более 60% эксплуатируются свыше 20 лет (рис. 1), при этом более четверти выработали свой номинальный ресурс - 33 года.
5-3,5% 1-10,0%
3-36,0%
Рис. 1. Срок эксплуатации МГ: 1 - до 10 лет; 2 - от 10 до 20 лет; 3 - от 20 до 30
лет; 4 - более 30 лет; 5 - более 40 лет
Газопроводы являются самыми капиталоемкими сооружениями нефтегазового комплекса, и продление их функционирования обеспечивает огромный выигрыш для экономики страны. Одной из важнейших проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейной
части промысловых и магистральных газопроводов и, следовательно, предупреждение катастроф является важнейшей технической, экономической и экологической задачей, и большую роль в ее решении играют различные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики.
Как правило, большинство дефектов на газопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений изоляционных покрытий или нарушений в сварных соединениях (рис. 2), определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами.
Совершенно очевидно, что вскрытие газопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно, к тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубы. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научноисследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных газопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.
6-6,2%
3-6,9% 2-5,5%
Рис. 2. Причины возникновения аварий на МГ: 1 - наружная коррозия; 2 -повреждения при эксплуатации; 3 - нарушение условий и режимов эксплуатации; 4 - строительные дефекты; 5 - дефекты изготовления труб и оборудования; 6 - стихийные бедствия
Основными задачами контроля и диагностики МГ являются определение его технического состояния на основе комплексного диагностирования в процессе создания и эксплуатации газотранспортной сети (ГТС), оценка и прогнозирование динамики технического состояния с целью обеспечения надежной и безопасной эксплуатации технологических объектов Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ [1,3].
При оценке технического состояния МГ решаются следующие задачи: определение возможности образования дефектов на участках газопроводов, эксплуатируемых в экстремальных условиях; установление динамики изменения физико-механических характеристик материала газопровода; определение изменения технологических параметров в процессе эксплуатации газопроводов; определение динамики развития условий взаимодействия газопроводов с окружающей средой; расчет аварийно-опасных участков газопроводов, оптимальных режимов их эксплуатации и разработки предложений по поддержанию их конструктивной надежности; определение оптимальной технологии, средств диагностирования и ремонта МГ [1-3].
Основными критериями для оценки технического состояния линейной части (ЛЧ) МГ служат:
1. Состояние изоляции. Предельное состояние изоляции имеет следующие критерии:
• сплошность;
• сквозные повреждения (наличие, расположение, площадь);
• значение переходного сопротивления;
• критическое (предельное) переходное сопротивление RK на диагностируемом участке газопровода вычисляется решением трансцендентного уравнения
где рг - удельное электрическое сопротивление грунта; D - наружный диаметр газопровода; Н - глубина от поверхности земли до верхней образующей газопровода; h - толщина стенки трубы.
2. Степень коррозионных повреждений металла. Предельное состояние трубы имеет следующие критерии:
• сквозное коррозийное повреждение;
• остаточная толщина стенки трубы.
По результатам расчета определяется возможность дальнейшей эксплуатации газопровода, как без проведения ремонта, так и при условии проведения ремонта методом абразивной зачистки или другими допустимыми методами ремонта.
3. Качество сварных стыков. Если сварной стык попал в зону шурфа и в процессе эксплуатации были выявлены повреждения в стыковом (строительном) или заводском (продольном или спиральном) сварном шве, а также выявлено, что их внешний вид не соответствует требованиям нормативных документов, сварное соединение подлежит проверке методами неразрушающего контроля в соответствии с нормами.
4. Физико-механические свойства труб. При длительной эксплуатации газопровода происходят деградационные изменения свойств труб, в том числе:
• снижение пластичности, выраженной в сближении величин предела текучести и временного сопротивления;
• снижение ударной вязкости.
Фактические значения физико-механических свойств металла
определяются согласно ГОСТ 10006 и, как исключение, путем пересчета значений твердости, полученных с помощью переносного твердомера или коэрцитиметра по методикам, предусмотренным паспортом соответствующего прибора.
Алгоритм позволяющий производить оценку технического состояния ЛЧ МГ состоит в нахождении описанных выше критериев, то есть: определение состояния изоляции, определение степени коррозионных повреждений металла, определение качества сварных стыков, определение физико-механических свойств трубы [2].
Основное назначение разрабатываемой экспертной системы (ЭС) -повышение эффективности анализа и обработки данных по комплексному диагностированию и оценке технического состояния объектов ГТС, для
обеспечения длительной и безаварийной эксплуатации газопроводов, в целях предотвращения аварий. Экспертные системы диагностики технического состояния МГ являются необходимыми для лиц, принимающих решения, таких, например, как главный диспетчер газотранспортного предприятия или компании по продаже газа. Они облегчают управление обширными ГТС в условиях недостаточно полной информации о них. При этом в большинстве случаев, наряду с количественной информацией, получаемой от различных датчиков, систем, присутствует также вербальная информация, что не позволяет использовать обычные диагностические системы.
Существующие экспертные системы имеют ряд недостатков, одним из которых является отсутствие обобщённой оценки состояния ГТС, что затрудняет их применение в принятии решений. Поэтому возникла необходимость в создании ЭС комплексного диагностирования магистральных газопроводов, которые базируются на методах, позволяющих оценивать рабочее состояние системы МГ для облегчения принятия решения.
Целями создания данной ЭС являются: повышение качества анализа данных о техническом состоянии объектов ГТС, сокращение времени на анализ, своевременная частичная или полная замена оборудования или его ремонт; объединение разнородных данных, поступающих с объектов диагностирования; обеспечение экспертными знаниями пользователей системы; автоматизация формирования отчетов о техническом состоянии газопроводов; разделение доступа к предоставляемой информации.
Создаваемое программное обеспечение обеспечивает достижение поставленных целей за счет: ввода, накопления, хранения и редактирования данных по комплексной диагностике МГ; анализа входных данных о работоспособности объектов ЛЧ МГ, на основе полученной информации и системы в целом; оценки состояния ЛЧ МГ, на основе анализа входных данных; вывода решений или рекомендаций на основе проведённой оценки состояния объектов ЛЧ МГ; вывода объяснений о ранее выданных решениях, или о том, почему ЭС не выдала решения; пополнения базы знаний (БЗ); поиска по базе данных (БД) результатов диагностических обследований за определённый период; вывода информации о результатах диагностирования объектов ЛЧ МГ в виде графиков, таблиц; формирования автоматических отчётов по результатам анализа.
Определение технического состояния газопровода будет проводиться путём сравнения фактических значений параметров технического состояния с критическими значениями соответствующих параметров предельного состояния. Для оценки будут использоваться следующие критерии: металл и сварные стыки, изоляция, электрохимическая защита и физико-механические свойства трубы.
Программное обеспечение ЭС (рис. 3) имеет модульную структуру, настраиваемую под специфические требования пользователя, взаимосвязь модулей осуществляется посредством обращения к БЗ.
База данных пользователей
База знаний
Таблицы
параметров
Подсистема
приобретения
Подсистема
статистики
Подсистема
вывода
результатов
Подсистема ввода данных и диагностики
Пользовательский интерфейс
Подсистема доступа
Главная программа * •
Рис. 3. Программное обеспечение ЭС
Главная программа включает в себя следующие подсистемы:
• подсистема доступа отвечает за контроль доступа к системе пользователей;
• подсистема приобретения знаний необходима для поддержания БЗ в актуальном состоянии и выполняет следующие функции: запрос на ввод пароля; выбор и просмотр таблиц базы знаний; редактирование записей в таблице; добавление записей; удаление записей;
• подсистема статистики предназначена для вывода статистических сведений, по какому либо параметру, выполняет следующие функции: выбор параметра диагностирования; построение и отображение статистических данных в виде графика. На оси абсцисс отображаются даты по проведению диагностики, на оси ординат выбранный параметр диагностирования;
• подсистема вывода результатов отвечает за отображение отчёта по проведённой диагностике и выполняет следующие функции: вывод отчёта о результатах диагностики; сохранение отчёта; вывод отчёта на печать; вывод сохраненных ранее результатов диагностики. Отчёт по диагностике (рис. 4) включает в себя результаты по различным критериям, объяснения результатов, рекомендации по устранению неполадок. Вывод отчёта произойдёт автоматически после завершения диагностики. С помощью главного меню полученный отчёт можно сохранить в Excel или как файл PDF. Кроме этого отчёт можно распечатать, предварительно установив необходимые настройки печати.
ВЯ Экспертная система диагностики ЛЧ МГ
| Файл Диагностика Помощь Об авторе
1 Входные данные и диагностика Результаты диагностики Статистика 1 Пополнение базы знаний!
і 2Л .і of і ■ Jb їй di іЛ У’ 100% ‘Vid, | NaxL І
Отчёт по диагностике
Результат Объяснения Рекомендации 1
Изоляция
Деградация Фактическое значение Необходимо скорректировать і
изоляционного переходного сопротивления режимы работы действующих 1
покрытия ниже расчитанного установок ЭХЗ. Установить '
критического сопротивления дополнительные пассивные и
активные средства ЭХЗ.
Металл и сварные 1
стыки
| Имеются Сварное соединение подлежит
коррозионные проверке неразрушающими I
повреждения видами контроля в соответствии 1
сварных стыков со строительными нормами.
Устранение дефектов возможно I
методом врезки "катушки" или L
установкой муфт.
Физико-
механические св-ва
: трубы
Низкая пластичность Пластичность ниже нормы Назначение участка газопровода
II о на перекладку. V
1 Выполняется... ;|
Рис. 4. Форма «Отчёт по диагностике»
• подсистема ввода данных и расчетов диагностики предназначена для ввода данных и запуска диагностики. Данная подсистема должна выполнять следующие функции: ввод данных (металл и сварные стыки, изоляция, электрохимическая защита, физико-механические свойства трубы); сохранение введённых данных в файл; загрузка данных из файла; проверка корректности введённых данных; выбор режима диагностики; запуск диагностики; выполнение расчётов; формирование отчёта. Для проведения диагностики необходимо заполнить все параметры сеанса диагностики в ЭС и далее выбрать режим полной диагностики;
• решатель отвечает за проведение диагностики, с его помощью обрабатываются введенные данные и делаются соответствующие выводы.
Программа «Администратор» предназначена для ведения и редактирования списка пользователей, назначение и изменение уровня доступа пользователей к ЭС.
Разрабатываемая экспертная система ориентирована прежде всего на людей работающих в области диагностики. Благодаря программе специалист сможет не только продиагностировать состояние МГ, но и получить новые знания.
ЛИТЕРАТУРА
1. ОАО «Газпром». Положение по организации и проведению комплексного диагностирования линейной части магистральных газопроводов ЕСГ. -Москва, 1998.
2. Инструкция по диагностированию технического состояния газопроводов. - М.: НТЦБПГР, 2002. - 44 с.
3. Бушмелева К.И. Методы и средства диагностирования магистральных газопроводов: монография /К.И. Бушмелева; Сургут.гос. ун-т ХМАО-Югры. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2011. - 215 с.
Иллюстрации
к статье Куклин А. А., Бушмелева К.И.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ
СЕТИ
5-3,5% 1-10,0%
3-36,0%
Рис. 1. Срок эксплуатации МГ: 1 - до 10 лет; 2 - от 10 до 20 лет; 3 - от 20 до 30
лет; 4 - более 30 лет; 5 - более 40 лет
Рис. 2. Причины возникновения аварий на МГ: 1 - наружная коррозия; 2 -повреждения при эксплуатации; 3 - нарушение условий и режимов эксплуатации; 4 - строительные дефекты; 5 - дефекты изготовления труб и оборудования; 6 - стихийные бедствия
База данных пользователей
База знаний
Таблицы
параметров
Подсистема
приобретения
Подсистема
статистики
Подсистема
вывода
результатов
Подсистема ввода данных и диагностики
Пользовательский интерфейс
Подсистема доступа
Главная программа
Рис. 3. Программное обеспечение ЭС
Рис. 4. Форма «Отчёт по диагностике»
Перечень подрисуночных подписей к статье Куклин А. А., Бушмелева К.И.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ
СЕТИ
Рис. 1. Срок эксплуатации МГ: 1 - до 10 лет; 2 - от 10 до 20 лет; 3 - от 20 до 30 лет; 4 - более 30 лет; 5 - более 40 лет
Рис. 2. Причины возникновения аварий на МГ: 1 - наружная коррозия; 2 -повреждения при эксплуатации; 3 - нарушение условий и режимов
эксплуатации; 4 - строительные дефекты; 5 - дефекты изготовления труб и оборудования; 6 - стихийные бедствия Рис. 3. Программное обеспечение ЭС Рис. 4. Форма «Отчёт по диагностике»
