RU2804788C1 - Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области мониторинга напряженно-деформированного состояния стальных, полимерных и композитных трубопроводов. Способ включает установку на поверхности трубопровода или закладку внутри тела самих труб протяженных аморфных ферромагнитных датчиков, расположенных в каждой секции труб непрерывно по всей длине трубопровода, равномерно по окружности и симметрично относительно оси трубы, измерение их сопротивления в нагруженном и ненагруженном трубопроводе, определение отклонения параметров текущего состояния трубопровода от нормируемого значения ненагруженного трубопровода и оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода в режиме реального времени. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) стальных, полимерных и композитных трубопроводов и направлено на решение задачи контроля механических нагрузок трубопроводов в режиме реального времени (on-line) в процессе их эксплуатации.

Обеспечение промышленной и экологической безопасности трубопроводов является актуальной задачей. Появление предельных механических нагрузок в трубопроводе приводит к возникновению трещин и разрушений, нарушению герметичности труб, следствием чего становится утечка продуктов перекачки (нефти, газа, воды и пр.). Все это приводит загрязнению окружающей среды, штрафным санкциям, большим затратам на ликвидацию аварий (Демченко В.Г., Демченко Г.В. Магистральные трубопроводы. Надежность. Условия работы и разрушений. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 2018. - 555 с).

Из уровня техники известны различные методы/виды неразрушающего контроля: визуальный, ультразвуковой, магнитный, радиационный (рентгеновский, нейтронный), тепловой, акустический, ультразвуковой, вихретоковый, радиоволновой, электрический, оптический (визуальный) (Исламов P.P., Агинеи Р.В., Исупова Е.В. Анализ средств и методов мониторинга напряженного состояния подземных магистральных нефтегазопроводов, работающих в сложных инженерно-геологических условиях // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2017. №. 6. С. 31-40; Sharma V.B., Singh К., Gupta R., Joshi A., Dubey R., Gupta V., Bharadwaj S., Zafar M.I., Bajpai S., Khan M.A., Srivastava A., Review of structural health monitoring techniques in pipeline and wind turbine industries. Applied System Innovation. 2021. Vol.4. No. 3. Article ID 59).

Визуальным контролем выявляют на поверхности труб трещины, свищи, пористости, надрезы, наплывы и пр. Ультразвуковым, магнитным, радиационным, тепловым, акустическим методами определяют внутренние дефекты труб и сварных соединений, наличие трещин, различных включений и пр. Главным недостатком вышеперечисленных методов является то, что их нельзя применить к трубам, проложенным в земле или воде. Они могут быть применимы только к трубопроводам, расположенным на поверхности. При этом, как правило, с помощью данных методов осуществляется контроль только отдельных участков труб или сварных соединений.

Мониторинг НДС закрытых трубопроводов по всей длине в режиме реального времени возможно осуществлять с использованием установленных на них датчиков. В настоящее время применяются тензорезистивные датчики, которые являются датчиками точечного типа (патент РФ 2505782, 2015). Мониторинг на основе точечных датчиков, в основном, отслеживает перепады давления. Датчики размещают на определенном расстоянии друг от друга, вследствие чего образуются участки труб, не охваченные системой мониторинга. При этом установка большого числа датчиков требует большого числа проводов и аппаратуры для съема сигналов с них, что ведет к существенному удорожанию таких методов мониторинга.

Оптико-волоконный метод основан на применении оптических кабелей, проложенных непосредственно на трубопроводе или рядом с ним. Здесь протяженным чувствительным датчиком выступает оптоволоконный кабель. С его помощью можно контролировать деформации в трубах и различные несанкционированные воздействия (Качура С.М., Постнов В.И., Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. №5 (77). С. 52-61; Румановский И.Г. Анализ применения волоконно-оптических сенсоров для мониторинга состояния магистральных газопроводов // Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного комплекса. 2020. Т. 1. №1. С. 382-385; Ren L., Jiang Т., Jia Z.G., Li D.S., Yuan C.L., Li H.N. Pipeline corrosion and leakage monitoring based on the distributed optical fiber sensing technology //Measurement. 2018. Vol.122. P. 57-65; Zhang S., Liu В., He J., Pipeline deformation monitoring using distributed fiber optical sensor // Measurement. 2019. Vol. 133. P. 208-213).

Известен способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации (патент РФ 2451874 С1, 2012). Способ включает измерение физических параметров набором датчиков, расположенных внутри и с внешней стороны трубопровода по его длине, и обработку измеренных физических величин. В качестве датчиков для измерения физических параметров могут быть использованы датчики деформаций трубопровода, датчики деформаций вмещающих грунтов, датчики сейсмической активности в районе трубопровода, датчики тектонических смещений земной поверхности, датчики параметров транспортируемого продукта, прочие датчики.

Предварительно для каждого i-го участка трубопровода создают расчетную математическую модель с эталонными параметрами. По измеренным физическим параметрам и расчетной математической модели для каждого i-го участка создают адаптированную к текущему состоянию расчетную модель. По измеренным физическим параметрам и адаптированной расчетной модели для каждого конечного элемента модели вычисляют обобщенный косвенный показатель текущего состояния трубопровода, например, запас прочности или производные запаса прочности в материале трубопровода.

Данный способ мониторинга имеет значительное число недостатков. Во-первых, он требует создания сложных математических моделей, с большим количеством параметров, которые необходимо подстраивать под каждый конкретный набор датчиков каждого конкретного участка трубопровода с учетом смещения грунтов, сейсмической, тектонической активности в районе трубопровода и пр. Во-вторых, размещение датчиков внутри трубопровода по всей его длине представляет собой технически сложную задачу, так как помимо необходимости укрепления внутри трубы датчиков, которые могут оторваться при прохождении транспортируемого продукта, нужно выводить из трубопровода значительное количество проводов, по которым производится съем сигналов с этих датчиков. В-третьих, датчики крепятся точечно и не дают достоверной картины состояния нагрузок по всей длине трубы. При этом номенклатура точечных датчиков, используемых при мониторинге, не приводится. В-четвертых, датчики деформаций грунтов, датчики сейсмической активности, датчики тектонических смещений мониторят, прежде всего, среду, окружающую трубопровод, а не напряженно-деформированное состояние самого трубопровода.

Известен способ определения поврежденности участков подземного трубопровода, изготовленного из ферромагнитного материала (патент РФ 2538072 С1, 2015). Способ включает в себя изменение внутреннего давления в трубопроводе и регистрацию параметров при изменении давления.

Изменение давления выполняют в диапазоне от нуля до рабочего давления, в качестве измеряемых параметров используют вертикальную компоненту индукции постоянного магнитного поля, измеренного над осью трубопровода на поверхности грунта с определенным шагом, в каждой точке измерения рассчитывают разность вертикальных компонент индукции магнитного поля, измеренных при разном внутреннем давлении, рассчитывают среднеквадратичные значения разности вертикальных компонент индукции постоянного магнитного поля для участков трубопровода, по величине среднеквадратичных значений судят о степени поврежденности участков трубопровода.

Главным недостатком данного способа является точность измерений. Мониторинг технического состояния трубопровода на основе измерения физических полей достаточно сложен в методологическом отношении. Индукция постоянного магнитного поля над осью трубопровода подвержена влиянию большого числа электромагнитных возмущений (магнитные бури, аномалии, изменяемое магнитное поле Земли, наличие рядом с зоной измерений электрических сетей, кабелей, радиопередающих устройств и пр.). К тому же, данный способ не позволяет осуществлять мониторинг в режиме реального времени. Он требует остановки работы трубопровода и проведения специальных манипуляций по изменению давления в нем от нуля до рабочего давления. Все это приводит к дополнительным затратам и удорожанию работ. При этом измерение параметров производится точечно и не охватывает всей длины трубопровода.

Известен способ мониторинга технического состояния подземного трубопровода по остаточному магнитному полю (патент РФ 2584729 С1, 2015). При реализации данного способа обследуемый трубопровод намагничивают с помощью источника постоянного магнитного поля, размещенного внутри трубопровода, до величины остаточной намагниченности 0,1-0,8 поля насыщения. Измерения трех взаимно перпендикулярных компонент индукции магнитного поля по меньшей мере в одной точке по образующей внутри трубопровода производятся сразу после операции намагничивания, а затем с периодичностью от 1 до 4 раз в год с помощью феррозондовых или магниторезистивных датчиков магнитного поля. По сопоставлению полученных результатов делают вывод о развитии коррозионных нарушений и напряженных состояний, прогнозируют техническое состояние трубопровода в заданный момент времени и его срок службы.

Для данного способа присущи все описанные выше недостатки, связанные с измерением магнитного поля. При этом мониторинг технического состояния труб нельзя проводить при работающем трубопроводе, так как требуется размещение внутри трубы источника постоянного магнитного поля. К тому же, измерение параметров производится точечно и не охватывает всей длины трубопровода.

Крепление на трубопроводе оптоволоконного кабеля позволяет осуществлять мониторинг его напряженно-деформированного состояния по всей длине, поэтому волоконно-оптический способ является наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) может быть принят способ мониторинга технического состояния трубопровода и система для его осуществления (патент РФ 2563419 С2, 2015). Способ включает установку датчиков на трубопроводе, измерение ими параметров текущего состояния трубопровода, определение отклонения текущих параметров состояния трубопровода от нормы, получение адаптированной к текущему состоянию модели состояния трубопровода и оценку дальнейшего состояния трубопровода. При этом в качестве датчиков используют распределенные или квазираспределенные волоконно-оптические датчики, расположенные непрерывно по всей длине трубопровода в виде секций. Датчики непрерывно, в режиме реального времени, измеряют магнитное, электрическое, тепловое и акустическое поля в качестве текущих параметров состояния трубопровода. По результатам измерений анализируют отклонения измеренных полей от нормы, выявляют на трубопроводе участки проявления отклонений, осуществляют местную диагностику состояния трубопровода в указанных участках.

Система мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода в соответствии с вышеуказанным патентом включает набор датчиков для измерения физических параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, и средства для обработки измеренных физических параметров. Средства для обработки измеренных физических параметров содержат блок сбора данных, блок хранения данных и расчетных моделей, блок адаптации расчетных моделей, блок вычисления обобщенных косвенных показателей и устройство отображения информации, автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера, при этом выходы датчиков через блок сбора данных соединены с первым входом блока хранения данных и расчетных моделей, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления обобщенных косвенных показателей и ко входу блока адаптации расчетных моделей, выход которого подключен ко второму входу блока хранения данных и расчетных моделей, второй выход которого соединен со вторым входом блока вычисления обобщенных косвенных показателей, выход которого подключен к третьему входу блока хранения данных и расчетных моделей и устройству отображения информации АРМ диспетчера.

Однако рассматриваемый выше способ, выбранный в качестве прототипа, имеет следующие недостатки:

1. Измерение магнитного, электрического, теплового и акустического полей подвержено влиянию многочисленных внешних факторов и возмущений (линии электропередач, кабели, металл, радиочастоты и пр.). Нагрев или охлаждение труб, расположение рядом с ними металлических конструкций, линий электропередач, радиосигналов, нахождение в грунте камней, металла значительно искажают измеряемые значения. Все это серьезным образом влияет на точность измерений.

2. Измерение физических полей характеризует, прежде всего, среду, окружающую трубопровод, а не НДС самого трубопровода.

3. При данном способе мониторинга необходимо большое число средств для обработки измеренных физических параметров (блок сбора данных, блок хранения данных и расчетных моделей, блок адаптации расчетных моделей, блок вычисления обобщенных косвенных показателей, устройство отображения информации АРМ диспетчера).

4. Данный способ требует разработки сложных математических расчетных моделей для проведения сравнения измеренных показателей физических полей с нормативными параметрами.

5. В связи с большим влиянием многочисленных и постоянно меняющихся внешних факторов и электромагнитных возмущений на измеряемые поля становится большой проблемой само определение нормы этих полей в режиме реального времени. Все это опять же приводит к существенному снижению точности измерений.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа мониторинга НДС трубопроводов, позволяющего в режиме реального времени фиксировать превышение допустимых нагрузок и сигнализировать как о критических деформациях труб, так и о возможных утечках из трубопровода.

Техническим результатом заявляемого изобретения является способ мониторинга нагрузок протяженных трубопроводов на основе аморфных ферромагнитных микропроводов, позволяющий:

1. Осуществлять мониторинг напряженно-деформированного

2. состояния трубопровода в режиме реального времени.

3. Фиксировать разрывы и повреждения трубы.

4. Определять утечки в трубопроводе.

5. Контролировать температуру трубы.

6. Осуществлять идентификацию изготовляемых труб с целью

7. защиты от подделок.

Преимуществами предлагаемого способа мониторинга НДС трубопровода по сравнению с прототипом являются: простота и точность измерений, отсутствие влияния электромагнитных помех и сложных математических расчетных моделей, мониторинг в режиме реального времени (on-line) нагрузок в самой трубе, простота определения нормативного значения ненагруженного трубопровода, малое количество оборудования для расшифровки сигналов аморфных протяженных датчиков.

Технический результат достигается тем, что в способе мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов, включающем установку на поверхность трубопровода вдоль труб или закладку внутрь самих труб протяженных датчиков, измерение их сопротивления, определение отклонения текущих параметров состояния трубопровода от нормируемого значения нагрузок и оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода в режиме реального времени, согласно изобретению, в качестве датчиков напряженно-деформированного состояния используются аморфные ферромагнитные микропровода, расположенные в каждой секции труб непрерывно по всей длине трубопровода, равномерно по окружности трубы и симметрично относительно оси трубы. В зависимости от материала трубопровода аморфные ферромагнитные датчики могут быть размещены как на поверхности, так и в самом теле трубы. Регистрация напряжений, деформации, разрушения и протечек труб производится с использованием протяженных тензорезисторов, изготовленных из аморфных микропроводов.

Главным отличительным признаком заявляемого способа является использование протяженных аморфных ферромагнитных микропроводов в качестве датчиков, протяженных тензорезисторов. Данные микропровода были разработаны и изготовлены в ИМЕТ РАН (Молоканов В.В., Чуева Т.Р., Умнов У.П.П., Шалыгина Е.Е., Симаков С.В. "Толстые" аморфные провода в системе Fe₇₅Si₁₀B₁₅-Co₇₅Si₁₀B₁₅-Ni₇₅Si₁₀B₁₅: получение, структура, свойства // Перспективные материалы. 2016. №2. С.5-11; Шалыгина Е.Е., Рубцов В.Д., Шалыгин А.Н., Молоканов В.В., Чуева Т.Р., Умнов П.П., Умнова Н.В., Петров Д.А. Особенности структурных и магнитных характеристик аморфных "толстых" микропроводов, обогащенных кобальтом // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2019. Т. 83. №7. С. 888-890).

Особая аморфная и доменная структуры таких микропроводов обеспечивают им сочетание уникальных характеристик: высокой прочности, сверхупругости, коррозионной стойкости, а также высокой стресс-чувствительности, характеризующейся наличием заметного сенсорного сигнала при растяжении или сжатии микропровода.

Сущность заявляемого способа мониторинга НДС протяженных трубопроводов заключается в следующем. Аморфные ферромагнитные микропровода диаметром от 40 до 120 мкм крепятся вдоль наружной поверхности труб (металлических, полимерных, композиционных) или закладываются вдоль внутри стенок труб (полимерных и композитных) при их изготовлении. Такие микропровода, фактически являющиеся протяженными тензорезисторами, располагают на трубе симметрично относительно оси трубы, в количестве: 2 микропровода (дуга окружности 180°), 3 (дуга окружности 120°), 4 (дуга окружности 90°), 8 (дуга окружности 45°), 12 (дуга окружности 30°), согласно требованиям заказчика, и исходя из размеров труб и необходимой площади мониторинга. Микропровода-датчики каждой секции трубопровода, закрепленные на трубе, коммутируются по выбранной схеме, что обеспечивает мониторинг нагрузок по всей длине трубопровода.

Мониторинг НДС трубопровода осуществляется по результатам измерения сопротивления аморфных микропроводов по всей длине их соединения и сравнения измеренных показателей с нормативным значением сопротивления при отсутствии давления и нагрузок в трубопроводе. Такая схема позволяет осуществлять мониторинг нагрузок в режиме реального времени.

Аморфные микропровода из сплавов на основе кобальта обладают высоким удельным электросопротивлением 1,2-1,4 мкОм⋅м, которое изменяется линейно во всем интервале приложенных нагрузок на микропровод, вплоть до разрыва. Мостовая схема регистрации электрического сигнала обеспечивает высокую чувствительность регистрации изменения электросопротивления нагруженного микропровода по сравнению с ненагруженным, принятым за ноль.

Высокая чувствительность сигнала изменения сопротивления аморфного микропровода при его растяжении или сжатии обеспечивает возможность мониторинга протяженных участков трубопроводов, на конце секций которых устанавливается прибор, определяющий сопротивление микропровода, сравнивающий его с нормативным значением и передающий далее оператору на пульт управления сигнал в одном из следующих режимов: норма (зеленый цвет лампочки-индикатора АРМ); внимание, большие нагрузки (желтый цвет), предельные нагрузки, разрыв трубы (красный цвет).

Получив сигнал о появлении нагрузок в трубопроводе, оператор определяет участок с повреждениями и принимает меры для выяснения ситуации, устранения неисправностей или замены поврежденной трубы.

Следует также отметить, что на основе уникальных свойств аморфных ферромагнитных микропроводов с помощью специального оборудования дополнительно можно следить за утечками и температурой труб, проводить их идентификацию.

На фиг. 1 представлен опытный макет трубы с датчиками на основе аморфных микропроводов; на фиг. 2 - показатели прибора по измерению сопротивления микропроводов: а) в трубе без нагрузки; б) в трубе с нагрузкой и утечкой.

Пример: заявляемый способ мониторинга был реализован на опытном макете трубы с датчиками на основе аморфных проводов (фиг. 1). На полимерную трубу диаметром 110 мм и длиной 3 м по всей ее длине были наклеены четыре аморфных ферромагнитных микропровода диаметром 50 мкм, которые расположены симметрично относительно оси трубопровода (фиг. 2). С помощью специального прибора, основанного на мостовой схеме, в режиме реального времени проводилось измерение сопротивления этих микропроводов и сравнение его с нормативным значением сопротивления при ненагруженной трубе. Установленные интервалы измерения сопротивления характеризовали 5 режимов нагрузок трубы. Мониторинг утечек в трубе осуществлялся за счет измерения сопротивления изоляции между металлическими микропроводами.

Испытания проводили по схеме трехточечного изгиба. Изменяли последовательно величину нагрузки, приложенной к центру трубы, измеряли соответствующую высоту прогиба трубы и фиксировали полученные показания изменения электросопротивления для каждого из продольно закрепленных на трубе микропроводов. При изменении высоты прогиба показания сопротивления изменялись линейно для всех закрепленных аморфных микропроводов. При проведении циклических нагружений значения сопротивления сохраняли постоянные значения. Максимальное удлинение деформированного микропровода составило 0,9%.

В отсутствие нагрузок в трубе показатели всех режимов фиксировали 0 (фиг. 2а). При растяжении или сжатии трубы под действием различных приложенных нагрузок показатели прибора имели меняющиеся значения, как со знаком "+", так и со знаком При появлении утечек загорался сигнал "Alarm" (фиг. 2б). Действующий опытный макет системы мониторинга напряженно-деформированного состояния трубы подтвердил практическую реализуемость заявляемого изобретения.

Claims (3)

1. Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов, включающий установку на поверхность трубопровода вдоль труб или закладку внутрь самих труб протяженных датчиков, измерение их сопротивления, определение отклонения текущих параметров состояния трубопровода от нормируемого значения нагрузок и оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода в режиме реального времени, отличающийся тем, что в качестве датчиков напряженно-деформированного состояния используются аморфные ферромагнитные микропровода, расположенные в каждой секции труб непрерывно по всей длине трубопровода, равномерно по окружности трубы и симметрично относительно оси трубы.

2. Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов по п. 1, отличающийся тем, что в зависимости от материала трубопровода аморфные ферромагнитные датчики могут быть размещены как на поверхности, так и в самом теле трубы.

3. Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов по п. 1, отличающийся тем, что регистрация напряжений, деформации, разрушения и протечек труб производится с использованием протяженных тензорезисторов, изготовленных из аморфных микропроводов.