CC BY
63
Список литературы /References
1. Абрамович И.И., Березин В.И., Яуре А.Г. Грузоподъемные краны промышленного предприятия: Справочник. М.: Машиностроение, 1989.
2. Электрооборудование грузоподъемных кранов / Е.М. Певзнер [и др.] под ред. Г.Б. Онищенко. М.: Россельхозакадемия, 2009. 360 с.
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ НАДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА НА ОСНОВЕ БРЕГГОВСКИХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Буров В.Н.1, Гречанов А.В.2, Наумов А.Н.3, Темис М.Ю.4 Email: [email protected]
1Буров Владимир Николаевич - коммерческий директор, Общество с ограниченной ответственностью «ТСТИнжиниринг», г. Щелково; 2Гречанов Александр Владимирович - технический эксперт; 3Наумов Александр Николаевич - кандидат физико-математических наук, технический эксперт; 4Темис Михаил Юрьевич - кандидат физико-математических наук, директор, Общество с ограниченной ответственностью «П2Т Инжиниринг»,
г. Москва
Аннотация: предложена система мониторинга состояния трубопровода на основе брегговских волоконно-оптических датчиков, позволяющая измерить вертикальную реакцию на опоре, действующую на трубопровод при надземной прокладке в условиях, когда фундаменты опор трубопровода подвержены просадкам в грунтах с пониженной несущей способностью, таких как многолетнемерзлые грунты (ММГ) и термокарсты. Продемонстрированы возможности использования такой системы для контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода и для контроля положения технологических опор как на этапе строительства трубопровода, так и в течение всего срока его эксплуатации.
Ключевые слова: мониторинг надземного трубопровода, интеллектуальная опора, деформации трубопровода, просадка опоры трубопровода, многолетнемерзлые грунты, термокарсты.
AUTOMATED MONITORING SYSTEM OF ABOVEGROUND PIPELINE CONDITION BASED ON FIBER-OPTIC BRAGG SENSORS Burov V.N.1, Grechanov A.V.2, Naumov A.N.3, Temis M.Yu.4
1Burov Vladimir Nikolaevich - Commercial Director, PSTENGINEERING LIMITED LIABILITY COMPANY, SHCHELKOVO; 2Grechanov Alexander Vladimirovich ' Technical Еxpert; 3Naumov Aleхander Nikolaevich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences,
Technical Expert;
4Temis Mikhail Yurievich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Director, P2T ENGINEERING LIMITED LIABILITY COMPANY, MOSCOW
Abstract: а system of a pipeline condition monitoring based on fiber-optic Bragg sensors is proposed. The system allows measuring the vertical reaction on the pillar
that is acting on a pipeline when it is laid out aboveground in conditions when foundations of the pipeline pillar are subjected to subsidence in soils with reduced bearing capacity, such as permafrost soils and thermokarsts. The possibilities of using such system are demonstrated to control the stress-strain state of a pipeline and to control the position of technological pillars both at the stage of pipeline construction and during the entire period of its operation.
Keywords: aboveground pipeline monitoring, the intellectual pillar, pipeline deformations, the shift of technological pillar, permafrost soils, thermokarsts.
УДК 681.518.5
Актуальность задачи
В районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) и термокарстов часто применяют надземный способ прокладки нефтепроводов на опорах на свайном основании для минимизации эффектов растепления коренного грунта основания трубопровода (особенно для случаев вязкой нефти, которую приходится транспортировать при повышенных температурах в диапазоне от +30 до +70 град. С).
Несмотря на эти меры, естественные сезонные колебания в таких сложных с точки зрения геологии и гидрологии условиях (летнее протаивание, зимнее морозное пучение, термоэррозия) вкупе с дополнительным техногенным растеплением грунтов от трубопровода может приводить к значительным перемещениям опор трубопровода, в ряде случаев приводя к напряжениям в трубопроводе, превышающим допускаемые Проектом. Ситуация осложняется тем, что на стадии проектирования трубопровода зачастую невозможно полностью учесть все факторы (степень влияния фактора глобального потепления на весь период эксплуатации трубопровода, формирование температурного баланса в системе трубопровод-опоры-грунт по завершении строительства, возможные отклонения от проекта и др.), которые могут привести к серьезному ускорению растепления таких грунтов.
Кроме того, серьезные отклонения от Проекта в части корректного позиционирования технологических опор как относительно поверхности грунта, так и относительно трубопровода, могут быть допущены на стадии строительства, что может привести к дополнительному изгибу трубопровода, уменьшить проектный рабочий диапазон перемещений технологических опор и привести к непроектным положениям трубопровода.
Решением вышеописанных проблем на стадии строительства и эксплуатации надземного трубопровода на участках распространения многолетнемерзлых грунтов и термокарстов станет применение системы автоматизированного мониторинга, обеспечивающей постоянный контроль перемещений технологических опор и деформаций трубопровода.
Современные технологии автоматизированного мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков нашли свое применение для контроля линейных объектов инфраструктуры протяженностью в сотни километров [1].
Описание системы мониторинга
Для решения задачи контроля перемещений свайных фундаментов и опор надземного трубопровода предлагается оснастить технологические опоры автоматизированной системой мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков, измеряющих силы, действующие на трубопровод со стороны фундаментов опор.
В качестве датчиков предлагается использовать датчики на основе волоконных брегговских решеток (ВБР). Каждый такой ВБР датчик имеет в своем составе чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна, в сердцевине которого за счет создания периодического изменения показателя преломления находится брегговская решетка (дифракционная решетка), способная отражать определенные длины волн оптического спектра и пропускать все остальные. При изменении внешних воздействий на оптическое волокно (температура, давление, растяжение и
др.) показатель преломления и расстояние между ячейками решетки изменяются, и длина отраженной от нее волны также изменяется. По изменению отраженной длины волны определяется необходимые характеристики (температура, давление, деформация и др.).
Измерение сил, воздействующих на трубопровод со стороны фундаментов опор, предлагается осуществлять при помощи технологической опоры специальной конструкции с двумя встроенными ВБР датчиками, которые обеспечивают измерение силы, действующей на трубопровод перпендикулярно его оси (см. Рис. 1). Использование двух датчиков в данном случае необходимо, так как типовая конструкция технологической опоры трубопровода имеет в своей конструкции две оси, расположенные с двух боковых сторон, через которые передается нагрузка от трубопровода к фундаменту опоры. Заметим также, что для точного измерения силы при помощи ВБР датчика необходимо учитывать влияние температуры на его показания, для чего обычно используется дополнительный ВБР датчик температуры [2]. Таким образом, для обозначенной выше задачи требуется оснастить опору четырьмя ВБР датчиками.
При этом предлагается два варианта ориентации ВБР датчиков. В первом варианте ВБР датчики измеряют проекции силы на ось, образованную вертикальной плоскостью параллельно оси трубопровода и плоскостью поперечного сечения трубопровода. Во втором варианте ВБР датчики измеряют проекции силы на ось, перпендикулярную опорной площадке фундамента опоры. Заметим, что в указанных вариантах не измеряются соответствующие продольные компоненты сил, которые могут возникать, в частности, за счет трения между опорной площадкой фундамента и технологической опорой.
Рис. 1. Схема, поясняющая расположение ВБР датчиков и возникновение разницы вертикальных сил, действующих на 2 стороны опоры в случае нерасчетного бокового перемещения трубопровода на свободноподвижной опоре
Показания ВБР датчика считываются при помощи устройства опроса, которое может располагаться в технологическом помещении, удаленном от опоры на расстояние до нескольких десятков километров (более 30 км). Для подключения ВБР датчиков к устройству опроса, от него вдоль трассы трубопровода прокладывается многоволоконный магистральный оптический кабель, на который в определенных проектом местах монтируются разветвительные муфты (см. Рис. 2). Результаты измерений с устройства опроса предполагается передавать по сети связи на сервер в составе системы для последующей обработки и хранения.
Рис. 2. Схема трубопровода с опорой, оснащенной ВБР датчиками. Обозначения: 1 - ВБР датчик с коммутационной коробкой, 2 - локальный оптический кабель для подключения датчиков к магистрали, 3 - магистральный оптический кабель, 4 - кабельный фиксатор, 5 - хомут, 6- муфта оптическая разветвительная
Типичное устройство опроса позволяет опросить до 25 ВБР датчиков, которые подключены последовательно при помощи одного оптического волокна [3]. Для подключения большего числа ВБР датчиков предлагается использовать оптические мультиплексоры (оптические переключатели) [4], последовательно подключающие оптические волокна к устройству опроса. Таким образом, при использовании устройства опроса со встроенным мультиплексором на 8 каналов [3] и подключении к нему дополнительных мультиплексоров на 32 канала [4], к одному устройству опроса можно подключить до 256 волокон, что позволит опрашивать до 6400 ВБР датчиков или до 1600 опор трубопровода. Заметим, что в настоящее время доступны оптические кабели с существенно большим числом волокон, например, кабели марки ДБП [5] могут содержать до 432 оптических волокон.
Для оценки протяженности трубопровода, мониторинг которого может обеспечить одно устройство опроса, можно принять, что среднее расстояние между опорами равно 20 метров, что является распространенной для магистральных нефтепроводов величиной. Тогда в случае оснащения ВБР датчиками всех опор протяженность мониторинга составит 32 км. В случае если осуществляется мониторинг части опор, зона мониторинга увеличится.
Таким образом, одно устройство опроса может обеспечить мониторинг надземного трубопровода большой протяженности. Если этого недостаточно, можно использовать несколько устройств опроса, которые объединяются под управлением общего серверного ПО.
Принципы мониторинга
Предлагаемая система мониторинга позволит контролировать реакции опор от собственного веса трубопровода и изоляции, а также веса транспортируемого продукта. Также система позволит контролировать возникновение перекоса (по разнице измеряемых сил) в технологической опоре, который может возникнуть вследствие ряда неблагоприятных явлений (см. Рис. 1).
Моделирование просадки/выпучивания опоры выполнено на примере типового Ъ-образного температурного блока (Рис.3а) в программном комплексе СР1РЕ для расчета трубопроводов на прочность [6]. Трубопровод моделировался в системе CPIPE с учетом реальных механических характеристик материала трубы, веса изоляции и продукта. Контактное взаимодействие трубопровода с опорным столиком моделируется с учетом трения «сталь по стали» с коэффициентом трения 0.3. Расчеты проведены для следующих условий: «номинальное» расположение опор, просадка опор до 0.5 м, выпучивание опоры до 0.3 м.
Расчеты показывают (см. Рис. 3), что просадка/выпучивание одной опоры оказывает заметное влияние (которое может быть измерено предложенным выше методом) на силы реакции нескольких соседних опор. Это позволяет предложить варианты мониторинга, когда ВБР датчиками оснащаются не все опоры трубопровода. Уменьшение числа оснащенных ВБР датчиками опор снижает
несколько уменьшая степень контроля за
стоимость системы состоянием опор.
мониторинга,
а)
-1x10'-
в,
1-2x10'
¿-3x10'-
-4x10
п- -О
О -■—ОСП 16-1 —•— ОП17-1 —Ф-ОП18-1
—^С)П20-1 —с— ОП21-1 —О! 122-1
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
Смещение опоры, м
б)
Рис. 3. Результаты расчета реакций в опорах трубопровода при выпучивании/просадке опоры ОП19-1: а) - конечно-элементная модель температурного блока в CPIPE; б) - вертикальные реакции на соседних опорах в зависимости от смещения опоры ОП19
Система мониторинга позволит контролировать:
- деформацию трубопровода (балочная модель или расчет в пакете прикладного ПО) и, следовательно, его напряженно-деформированное состояние (НДС);
- вертикальные перемещения отдельных опор (расчетная модель);
- достижение предельного (до ограничителей) горизонтального перемещения фундамента опоры или трубопровода, возникновение перекоса в технологической опоре и/или перекоса фундамента опоры (см. Рис. 1).
Выводы.
Предлагаемая система автоматизированного мониторинга состояния надземного трубопровода позволит эффективно решить следующие задачи:
- обнаружение нарушений монтажа свайных фундаментов технологических опор и размещения трубопровода на этих опорах в момент строительства, что позволит оперативно устранить допущенные нарушения;
- отслеживание в режиме реального времени развития негативных грунтовых процессов, приводящих к смещениям опор, что позволит проводить упреждающие профилактические мероприятия на возникающих проблемных участках (опорах) трубопровода для недопущения критических смещений опор и как следствие, нарушения технологической целостности трубопровода;
- позволит при проектировании использовать более низкий коэффициент надежности при определении пролета опор трубопровода за счет возможностей, предоставляемых применением системы автоматизированного мониторинга и описанных в предыдущих 2-х пунктах, что в свою очередь позволит увеличить шаг установки технологических опор трубопровода и, таким образом, повысить экономическую эффективность проекта;
- накопление базы данных «поведения» трубопровода при эксплуатации в условиях распространения ММГ и термокарстов при различных воздействиях (естественные климатические факторы, режимы транспортировки продукта), что позволит более эффективно проектировать новые трубопроводы с учетом использования собираемой системой мониторинга информации.
Список литературы /References
1. Borda C., Niklès M., Rochat E., Grechanov A., Naumov A., Velikodnev V. Continuous Real-Time Pipeline Deformation, 3D Positioning and Ground Movement Monitoring Along the Sakhalin-Khabarovsk-Vladivostok Pipeline // ASME. International Pipeline Conference. Volume 2: Pipeline Integrity Management ():179-187. doi:10.1115/IPC2012-90476.
2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://i-sensor.ru/images/is/docs/ASTRO%20A565.pdf/ (дата обращения: 15.02.2019).
3. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://i-sensor.ru/index.php/production/analizatory-signalov/stoechnyj/ (дата обращения: 15.02.2019).
4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://i-sensor.ru/index.php/production/multiplexers/ (дата обращения: 15.02.2019).
5. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ofssvs1.ru/catalog/13/ (дата обращения: 15.02.2019).
6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cpipe.ru/ (дата обращения: 15.02.2019).
