автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация диагностирования трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

;с:

На правах рукописи

/ В .'] Г.";

ЩЕПИНОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СРЕДЫ

Спещ1альность 05.13.07 - Автоматгоация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Оренбург 1998

Работа выполнена в лаборатории «Надежность» и кафедре «Автоматика и автоматизированные производства» Оренбургского государственного университета

Официальные оппоненты ;

доктор технических наук, профессор Сердюк Анатолий Иванович кандидат технических наук Полозов Владимир Александрович

Научные руководители - доктор технических наук, профессор

КУШНАРЕНКО Владимир Михайлович - кандидат технических наук, доцент ВЛАДОВ Юрий Рафаилович

Ведущее предприятие : ВолгоУралНИПИгаз

Защита диссертации состоится « О » _ О 1998 г. в ч.

На заседании диссертационного совета К 064.64.01 Оренбургского государственногоуниверс итета.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу : 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13

Автореферат разослан « 3> » О (5_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета K064.64.0I к. т.н., доцент

■■1/7'

Актуачьность. Увеличивающаяся продолжительность эксплуатации трубопроводов (ТП) сероводородсодержащих месторождений повышает риск их коррозионных разрушений. В то же время ни один из методов локального коррозионного контроля не отражает реальной скорости коррозии ни в контролируемой системе в целом, ни в отдельных ее местах. Современными средствами диагностирования являются внутритрубные дефектоскопы-снаряды, позволяющие получать информацию о дефектности многокилометровых участков ТП.

Однако объективный анализ результатов в1гутритрубной дефектоскопии затруднен из-за невозможности ндентификашш дефектов ТП и определения их потенциальной опасности. Это объясняется тем, что для ТП, транспортирующих сероводородсодержащие среды, внутритрубная дефектоскопия впервые в мировой практике применена на соединительных ТП Оренбургского газоконденсатного месторождения. Начальный этап применения внутритрубной дефектоскопии характеризуется значительными материальными и временными затратами на оценку фактического состояния ТП и вырезку дефектных участков ТП, не представляющих потенциальной опасности.

В работе высказано предположение о том, что автоматизация процесса идентификации технологических и эксплуатационных дефектов с последующим ранжированием по степени их опасности и исключением неопасных дефектов га дальнейшего рассмотрения позволит построить замкнутую многомерную систему управления надежностью ТП и существенно сократить затраты материальных и временных ресурсов при проведешш внутритрубной диагностики. Поэтому проблемы автоматшации процесса диагностирования ТП и обеспечение их надежности актуальны.

Перспективным направлением повышения объективности оценки технического состояния ТП представляется автоматизация процесса диагностирования ТП на основе современных информационных технологий, включающих создание базы данных, идентифицируемых и прогнозируемых моделей и определения эффективности функционирования ТП.

Работа является разделом научного направления исследований лаборатории «Надежность» Оренбургского государственного университета. Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки и техники (2728п-п8 от 21.07.96) «Технология обеспечения безопасности продукции, производства и объектов» и постановлением Правительства России

от 16.11.1996 г. N 1369 по проведению в 1997-2000 гг. внутритрубной диагностики ТП в пределах территорий Уральского района и Тюменской области.

Цель работы:, обеспечение надежности ТП путем автоматизации процесса диагностирования, включающей создание базы данных внутритрубной дефектоскопии и оценку технического состояния ТП.

Для достижения этой цели определены следующие основные задачи исследования:

1 провести структурой синтез многомерной АСУ надежностью ТП с последующей идентификацией дефектов ТП и определением их потенциальной опасности;

2 разработать автоматизированную базу данных результатов внутритрубной дефектоскопии и алгоритм оценки технического состояния ТП;

3 построить модель дефектности ТП и оценка технического состояния участков ТП, не доступных для внутритрубной дефектоскопии;

4 оценить эффективность автоматизации процесса диагностирования.

Научная новизна полученных результатов:

метод идентификации дефектов ТП, направленный на дифференциацию эксплуатационных и технологических дефектов и их ранжирование по степени опасности

- теоретическое и экспериментальное обоснование дефектности ТП;

- модель управления надежностью ТП, построенная на основе автоматизации процесса диагностирования, включающей базу данных внутритрубной дефектоскопии и оценку технического состояния ТП .

Основные положения, выносимые на защиту:

- модель управления надежностью ТП;

- методика идентификации дефектов по результатам внутритрубной дефектоскопии;

- экспериментальная база данных дефектных участков ТП;

-результаты статистического анализа данных внутритрубной дефектоскопии и алгоритм оценки технического состояния ТП; Практическая ценность результатов работы :

- идентификация дефектов по результатам внутритрубной дефектоскопии;

- атлас В и С-сканов дефектов ТП;

- оперативность определения потенциально опасных участков ТП по результатам внутритрубной дефектоскопии;

- оценка технического состояния участков ТП, недоступных внутритрубной дефектоскопии;

обеспечение надежности ТП на основе автоматизации процесса диагностирования;

Апробация работы. Новизна методов подтверждается дипломами III и I степени им. Н.Е.Жуковского 1996 и 1997 гг; дипломом II степени областной выставки НТТМ 1996 г; именной стипендией конкурса молодых ученых Комитета по делам молодежи Администрации Оренбургской области 1995-96 гг; второй премией на конференции молодых ученых и специалистов предприятия "Оренбурггазпром" 1997 г.

Основные положения работы обсуждены и доложены на III Международной НТК, Оренбург, 1997; VI Международной встрече "Диагностика-96", Ялта 1996; II Международном конгрессе "Защита -95", Москва, 1995; II Всероссийской НТК молодых ученых и специалистов, Москва, 1997; И Российской НТК, Оренбург, 1995; XVI НТК, Оренбург, 1995, международной научно-практической конференции, Оренбург, 1998 г, а также на заседаниях кафедр «Детали машин и прикладная механика» и «Автоматика и автоматизированные производства». Результаты исследования отражены в 13 печатных работах.

Объем и структура работы. Работа изложена на 150 страшшах машинописного текста , содержит 55 рисунков, 15 таблиц, список использованных источников, включающий 92 наименования и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и задач исследования. В ней рассмотрены методы технической диагностики. Особое внимание уделено внутритрубной ультразвуковой дефектоскопии, которая по сравнению с традиционными методами имеет ряд несомненных преимуществ. Дано обоснование актуальности диссертационной работы, новизны темы и исследуемых вопросов.

Большой вклад в развитие теории построения автоматизированных систем управления (АСУ) сложных систем внесли ученые А.А.Красовский,

Г.И.Поспелов, Р.Калмаи, П.И.Чшиев, Л.А.Растригин, П.Эйкхофф, .Я.З.Цыпкин, Л.М.Бойчук, Р.Т.Абдрашитов и др. Теория эксплуатации и диагностирования трубопроводных систем связана с именами ведущих ученых отрасли: О.М.Ившшов, Д.Л.Калбертсон, Р.Кизигер, К.В.Черняев и др. Особенности эксплуатации и обеспечение надежности ТП, транспортирующих сероводородсодержащие среды, отражены в работах ученых О.И.Стеклова, В.М.Кушнаренко, Б.В.Перунова и др. В литературе, посвященной проблеме эксплуатации технических систем, рассматриваются вопросы, направленные на сокращение удельных затрат на эксплуатацию при одновременном обеспечении высокой надежности и эффективности. Современные средства технической диагностики ТП позволяют получить информацию о состоянии как внутренней и наружной поверхностях, так и металла ТП. В главе проведен анализ характерных особенностей систем внутритрубной дефектоскопии с различными принципами действия, разработанных отечественными и зарубежными фирмами, дан анализ существующей нормативно-технической документации по разбраковке дефектов. Показано преимущество ультразвукового метода внутритрубной дефектоскопии ТП, транспортирующих

сероводородсодержащие среды перед другими методами.

Для внутритрубной ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) характерна высокая разрешающая способность и возможность обнаружения не только критических, но и потенциально опасных дефектов. Однако результаты внутритрубной УЗД не позволяют идентифицировать дефекты ТП, транспортирующих сероводородсодержащие среды. В результате дать однозначную оценку степени опасности дефектного участка ТП не удается. Зачастую проводят ремонты участков ТП с неопасными дефектами и надежность ТП достигается значительным количеством подконтрольных и ремонтируемых участков, а также большим объемом технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Низкий уровень автоматизации диагностирования не позволяет рассматривать ТП с позиции управления его надежностью. В сложившейся ситуации научной проблемой представляется автоматизация диагностирования ТП и для решения этой проблемы необходима разработка автоматизированной системы управления (АСУ) надежностью ТП .

В конце главы сформулированы цель и задачи работы.

Глава вторая посвящена теоретическому анализу проблемы. В частности, рассматриваются задачи структурного синтеза системы управления

надежностью ТП. Трубопровод представляет многомерный объект,

характеризующийся вектором состояниях '. :

Величина вектора х, представляет собою дефектность ТП,

-г={.^-эксплуатационные дефекты, х2-техно логические дефекты}. На объект

управления ТП действует вектор возмущений ¿/={с1греж1гмы работы ТП, (1г-

внешние условия}, управляющий вектор г^=[и,-ТОпР}. При синтезе системы управления необходимо учесть, что информация о состоянии ТП представляется

в виде некоторого сигнала у - В- и С-сканов -продольное и поперечное сечение дефектного участка. Следовательно, заданную часть системы можем представить в виде некоторого «черного ящика». Объект управления в первом приближении нами описан системой линейных дифференциальных уравнений первого порядка.

-•Фо) = *«, (1)

>ЧФ.

где .г

.Г]

вектор фактического состояния ОУ; и =

вектор управляющих воздействий;

вектор возмущении;

вектор наблюдений.

№

а\\...а\п

С1п\.., Дот

¿М... Ьт

[С} =

Сп]...С*

; И=

уп...уы у«...ут

- матрицы

соответствующих размерностей, характеризующие - фактическое состояние ТП, управляющее воздействие (ТОиР), контролируемые параметры ТП и возмущение.

Естественно предположить, что на самом деле элементы модели являются нелинейными. Однако на этапе качественного анализа и формирования частных задач исследования такое приближение допустимо. Для структурного синтеза в работе использован метод обобщенной шшариантности, отраженный в работах

профессора Бойчука Л.М.. Условие обобщенной инвариантности для нашего случая имеет вид

d ip

dt

■ + а<р = Ъ

(2)

где <р- ошибка системы, определяемая по выражению

q>=V-x (3)

где (у- в свою очередь желаемое состояние ТП. Т.к ц/ = const, то с учетом соотношения для вектора р и его производной получаем

- - Jx

а<р =

dt

(4)

В результате с учетом (1) находим

¿Р = [Л]-[С]"'- ~у+[в\и+[г]<1 (5)

Из выражения (5) определяем требуемое управление и

¿»[¿^М-йсГ-И^.И" (6)

Структура АСУ надежностью ТП, соответствующая уравнению (6) (рисунок 1),

|<1

гп -Ь

с*

il

X

ас(5

[Г] I«

I

[А]

7Г

|В|-1 и -'S -✓ ОУ

□

i>

[С]

[с]-1

С

Рисунок 1 - Структурная схема АСУ надежностью ТП.

позволяет провести декомпозицию общей задачи и сформулировать ряд частных задач исследования, а именно:

- определить вектор фактического состояния ТП (матрицы [А], [С]"1);

- оценить влияние параметров действующих возмущений (матрица [Г]);

- определить вектор управляющих воздействий

Одной из основных частных задач является идентификация дефектов. Под идентификацией понимаем определение как природы дефекта, так и его вида. Для этого необходим анализ изображений В- и С-сканов, накопленная статистика по видам дефектов, нормативные сведения о режимах работы ТП и требования к дефектам. При идентификащш дефектов нами определены отличительные признаки:

1) металлургическое утонете от коррозионной потери металла. В местах металлургических дефектов типа "утонение толщины стенки" разиотолщинность - наружная поверхность ТП фиксируется на В-сканах в виде волнообразного, рассредоточенного и протяженного (/>1 м) рельефа. При наличии на внутренней поверхности ТП эксплуатационных дефектов типа "потеря металла", наружная поверхность ТП на В-сканах отображается прямой линией с локальными отклонениями в участках "потери металла";

2) отложения на внутренней поверхности от признаков коррозии. Отложения на внутренней поверхности следует анализировать по двум режимам stand off (внутреншя поверхность дефектного участка трубы) и wallth (продольное сеченне толщины стенки дефектного участка) сканов, а также учитывать состояние прилегающих участков и возможность образования отложений на этом ТП ( режим работы ТП). При отсутствии на них признаков коррозии дефект считается допустимым к эксгиуатащш;

3) вмятины от вздутий. У вмятин отмечен "провал" сигнала на В-скане, характерный для вздутий и означающий раскрытие металла. В методике показана природа образования этого сигнала, который является следом от внешней нагрузки. Если геометрические размеры вмятины, ее месторасположение (смежная сварным швам, наличие других дефектов) позволяют ее эксплуатировать, то дефект не подлежит обследованию;

4) металлургическое расслоение от металлургического включения. Методика определяет критерии идентификации этих дефектов: а) если при просмотре дефекта в режиме четырехдорожечного В-скана хотя бы на трех сечениях (24 мм) наблюдается потеря лонного сигнала, то этот дефект считать металлургическим расслоением; б) металлургическим расслоением считать дефект, если пропадает донный сигнал более чем на 5 точках (20 мм) В-скана;

5) особое внимание в методике уделено водородным расслоениям как наиболее опасным и трудно прогнозируемым дефектам. Установлено, что основными отличительными признаками водородных расслоений от неметаллических включений являются: наличие по контуру основного дефекта ступенчатых расслоений, приближающихся к внутренней или наружной поверхности трубы; присутствие на внутренней или наружной поверхности трубы в области водородного расслоения следов общей или локальной коррозии в виде общего или локального утонения стенки трубы; возникновение, в случае протяженных водородных расслоений более 100 мм, разрушений стенки трубы над центральной частью расслоения.

Кроме этого, выделены характерные признаки сканов, позволяющие отличить металлургическое утонение стенки от коррозионной потери металла и закатов от расслоений.

Разработанная методика идентификации дефектов (рисунок 3) позволяет

Рисунок 3 - Схема идентификации дефектов

идентифицировать количество дефектов с 95 %-ым уровнем доверительной вероятности с учетом критерия Стьюдента в интервале от 29,2 до 30,97. При этом вероятность ошибки идентификации дефектов за 4 года составила от 12 до 15%. С помощью методики идентификации дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии создан атлас, содержащий более 50 изображений с описанием В и С-сканов дефектов, характерных для ТП, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.

Третья глава посвящена решению второй частной задачи - оценки влияния параметров действующих возмущений (матрица [Г] ) путем построения регрессионных моделей прогнозирования дефектности ТП и разработке автоматизированной базы дшшых .

Одним из основных этапов автоматизации диагностирования ТП является комплексный анализ его состояния. Качество анализа предопределяют: наличие информации, сбор, хранение и ее обработка. Совместно с УЭСГ П«Оренбурггазпром» разработана и внедрена автоматизированная база данных, которая состоит из следующих функциональных блоков: а) информационная база линейной части ТП с данными о конструкции ТП и условиях работы; б) информационная база данных дефектных участков представляет справочный материал, хранение и отображение в наглядной форме результатов обследования дефектных участков ТП по данным внутритрубной УЗД наружного контроля; в) блок обработки дефектов включающий анализ и обработку данных внутритрубной дефектоскопии; г) база результатов контроля технического состояния ТП, содержащая справочную информацию о вырезанных и подконтрольных участках ТП, а также статистику погрешностей и особенностей внутритрубной дефектоскопии.

Установлено, что за время эксплуатации ТП (более 20 лет) дефекты типа водородных расслоений занимают незначительную часть - не более 2% от общего числа дефектов. Коррозия преобладает на наружной поверхности ТП и глубина основной части этих дефектов не превышает допустимую (припуск на коррозию). Основная часть дефектов сосредоточена в основном металле труб и представляет металлурпиеские расслоения, закаты, неметаллические включения, а также механические повреждения - вмятины.

Анализ результатов внутритрубной УЗД, проведенной с интервалом в пять лет, показывает рост коррозии как на наружной , так и на внутренней поверхностях ТП. Наблюдается зависимость распределения дефектов

внутренней поверхности по длине ТП от режимов ингибирования. Увеличение их числа наблюдается на участках, расположенных в конце трассы прохождения поршня с ингибитором. Возрастание числа дефектов в интервале наблюдений (5 лет) связано как с изменившимися условиями эксплуаташш ТП (повышенная влажность и температура), так и с изменением режима ингибирования. Дефекты наружной поверхности сосредоточены на участках с водными преградами, переходами, поворотами ТП, но не по всей длине, а в местах с нарушением изоляции. Количество металлургических дефектов в основном металле трубы зависит от качества металла (технологии изготовления и фирм изготовителей): до 80% этих дефектов наблюдаются на ТП УКПГ-ГПЗ Оренбургского месторождения и практически отсутствуют на ТП Карачаганакского месторождения. Однако на последних наблюдаются дефекты проката -измените толщины стенки трубы до 3-5 мм.

Исследования влияния основных факторов на коррозионные процессы в ТП проведены с применением факторного и регрессионного анализа. Матрица наблюдений, по которой построены модели прогноза образования количества дефектов, состоит из 11 параметров и включает характеристики дефектов и труб, а также режимы работы ТП. Особенность прогнозирования заключается в подготовке исходных данных для расчета (таблица 1), т.к.

Таблица 1 Форма матрицы наблюдений ТП

Характеристика дефектов Трубы ТП Технологический

внутренней поверхности ТП процесс

Количество Глу- Дли- Распо- Сталь Тол- Произ- Дав- Влаж- Тем-

дефектов, шт. бина, 10 "Зм на, 10 -3 м ложение по окружности, градусы Предел прочности , кг/смг Предел текучести, г/см2 щина стенки трубы, 10 "Зм водитель-ность ление, МПа ность % пера тура °С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

построение модели по существующей базе данных положительных результатов не дают. Матрица наблюдений сформирована после исследования и статистического анализа дефектов. За зависимый параметр принято количество

дефектов. Рассматриваемый тип дефекта - потеря металла - наиболее полно отражает процессы на внутренней поверхности ТП. На основе полученного регрессионного уравнения

Х2=(-0.351801Е+02)+0.325353Е+01*Х7+(-0.765106Е-01)*Х72+ (-0.562646Е+04)+0.192900Е+03 *Х9+(-0.165463Е+01 )*Х92+ 0.185161 Е+03+(-0.441269Е+01 )*Х,о+0.270933Е-01 *Х102 по данным первого прогона внутритрубной УЗД построена модель (рисунок 4, кривая УЗД-90) и дан прогноз дефектности ТП на следующий интервал наблюдений. Сравнение результатов прогнозирования и повторной внутритрубной дефектоскопии (через интервал наблюдений) показывает адекватность построенной модели к изменению количества дефектов (рисунок 4, кривые : УЗД-95 и Прогнозирование 1). Дальнейший прогноз до 2000 года показывает увеличите количества дефектов, в среднем в два раза (рисунок 4, кривая Прогнозирование 2).

Рисунок 4 - Результаты внутритрубной дефектоскопии и прогнозирование поведение дефектов .

Результаты исследований позволяют предложить подход к решению проблемы надежности трубопроводов "О" км (участки ТП между узлами запуска дефектоскопа и газоперерабатывающим заводом или установкой подготовки газа). Проблеме надежности ТП "0" км присущи особенности подземных транспортных систем, однако, она имеет и специфику, которая усложняет оценку технического состояния "О" км. Поэтому оценка технического состояния

ТП "О" км сопровождается применением нештатных диагностических средств и методов. В работе обосновано моделирование дефектности на "О" км по прилегающим участкам основной трассы ТП. По данным внутритрубной дефектоскопии проведен подбор закона распределения. Алгоритм подбора распределения и нахождения параметров случайной величины включает в себя: а) подготовку исходных данных для компьютерной обработки; б) расчет значения функции плотности распределения по каждому из рассматриваемых законов; в) проверку гипотезы по стандартным критериям; г) определение параметров случайной величины. Разработана соответствующая программа, которая является одним из модулей автоматизированной базы данных. Расчеты показывают, что вероятность появления дефектов на участке ТП длиной 4 км с глубиной более 2 мм практически равна нулю. Сравнение с результатами визуально-оптического контроля наружной и внутренней поверхности труб, ультразвукового контроля основного металла и дефектоскопии сплошности металла сварных соединений и цветной дефектоскопии подтвердают отсутствие дефектов более 2 мм на участке ТП общей длиной более 250 м. Следовательно, перспективным направлением дальнейшего использования обработанных данных внутритрубной дефектоскопии следует считать прогнозирование коррозионной ситуации ТП в местах недоступных внутритрубной дефектоскопии.

Четвертая глава посвящена разработке АСУ надежностью ТП и определению ее эффективности.

Решение частных задач, полученных в результате декомпозиции синтезированной структуры, позволяют реализовать многомерную замкнутую систему управления надежностью ТП. Предложенная система управления не затрагивает проблему совершенствования всей системы обслуживания и ремонта, что повышает надежность и эффективность работы ТП без привлечения дополнительных капиталовложений (рисунок 5 ). Канал обратной связи включает решенную задачу идентификации дефектов, алгоритм оценки технического состояния ТП с применением созданной автоматизированной базы данных результатов внутритрубной дефектоскопии. Вектор управляющих воздействий определен матрицей ситуаций, которая включает 5 вариантов проведения ТОиР, различающихся между собой объемом, видом, сроком, и периодичностью ремонта.

Вектор истинного состояния ТП X </=* Вектор возмущений и к=4 Вектор контролируемых параметров Хи i=3 Вектор результатов дефектоскопии Ур г=6 Вектор дефектности Уд ш=9 Вектор данных состояния TII Ус t=4 Вектор фактического состояния ТП X р=4 Вектор задания Ч> п~4 Вектор управляв ющнх сигналов и

1 Контроли- 1 Качество труб 1 Режим 1 Включение 1 Неметаллические i Вид дефектов 1 Количество 1 Количество 1 ВИД

руемые 2 Режимы работы ТП 2 Расслоение включения 2 Причины потенциально дефектов на ремонта

2 Неконтро- работы ТП ¿Параметры 3 Вмятина 2 Металлург нческне появления опасных дефектов 1000 км 2 Объем

лируемые 3 Внешние эксплуатацнон 4 Потеря расслоения дефектов 2 Степень 2 Допустимые ремонта

условия ны1 дефектов м еталла 3 Вмятины 3 Характерис- потенциальной параметры 3 Сроки

4 Качество ЗПараметры 5 Вздутие 4 Язвенная коррозия тики дефектов опасности дефектов ремонта

изоляции технологнческ 6 Отложение 5 Металлургические 4 Взаимосвязь с дефектов ЗОнределение 4 Периоди-

нх дефектов 7 Изменение утонения параметрами 3 Местоположение местоиол. чность

TOJIIHIUILI 6 Закат 7 Задиры ТП дефектов дефекга

стенки 8 Водородные 4 Рекомендации 4 Регламент

расслоения работ

9 Огложенни

Рисунок 5 - информационная модель системы управления надежностью ТП

Результаты структурного синтеза в виде АСУ надежностью ТП, анализ данных внутритрубной дефектоскопии ТП, исследование дефектных участков и оценка технического состояния ТП, применяются в учебном процессе, в лаборатории «Надежность» ОГУ и П «Оренбурггазпром» при отбраковке дефектных участков ТП. Результаты работы включены в «Положение об экспертном диагностировании ТП» утвержденном Оренбургским округом Госгортехнадзора.

Для оценки эффективности предложенной системы управления надежностью проведен сравнительный расчет показателей надежности ТП. Эффективность W(t) системы определяется как алгебраическая сумма произведешш весовых коэффициентов влияния A i на соответствующие частные характеристики X i, в" наибольшей степени влияющие на эффективность.

Частные характеристики сводятся к двум группам: характеристики надежности и стоимости эксплуатации. Характеристику надежности -вероятность безотказной работы - находим через интенсивность отказа элементов участка ТП и коэффициент безопасности, учитывающий содержание агрессивных компонентов, скорость коррозии, климатические условия эксплуатации ТП и степень ингибиторной защиты;

Для расчета вероятности безотказной работы участка ТП модели 2 (рисунок 6) использованы данные сплошного контроля ТП УКПГ-ГПЗ.

Рисунок 6 - Результаты расчета эффективности для двух вариантов: 1 - система обеспечения надежностью ТП при применении локальных средств диагностики (модель 1); 2-АСУ надежностью ТП при автоматизации диагностирования ТП (модель 2).

Вероятность безотказной работы в этом случае определяется отношением числа потенциально опасных дефектов к общему числу дефектов .Более полной характеристикой надежности системы длительного использования, учитывающей начальное состояние системы, ее безотказность и восстанавливаемость, является вероятность нормального функционирования P,{,(t), которая находится из формулы для полной вероятности сложного события. Здесь учитывается Рог- вероятность исправного состояния системы в начальный момент времени, равная коэффициенту готовности; P(t) -вероятность безотказной работы; (1- Р0) - вероятность неисправного состояния системы к начальному моменту времени ее применения; V(i)=V(40)=0,632 -вероятность восстановления системы за время т = Ts; P(t-x)- вероятность безотказной работы системы за оставшееся время (t-x), которое достаточно для ее восстановления. Следующая частная характеристика - стоимость эксплуатации участка ТП в год Сэ - выражается в долях общей стоимости участка ТП и включает: Сэк - расходы на защиту от коррозии; Ср - стоимость ремонта; С3 - зарплату обслуживающего персонала; Сщ, - прочие расходы на эксплуатацию участка ТП; С0 -стоимость участка ТП; <p(t)=exp(-T/ Т,^, ф сл) -показатель затрат на ремонт по мере износа. Эффективность АСУ надежностью ТП находится по формуле:

W(f)= Ai.[Po-P{t)-{\-Po)-V(TyP(t-T)\+Ai\C,. + C,-<p{t)+C, + Cn,)-tlCo]

Результаты расчета приведены на рисунке 6. Вероятность нормального функционирования P,j,(t) участка ТП в исследуемом интервале монотонно убывает, причем значение P,[,(t), рассчитанное при фактическом состоянии ТП в среднем на 20 % выше, чем при использовашш статистических данных. Это подтверждает вынужденное занижение показателей нз-за обобщенного подхода. Стоимость увеличивается за счет проведения внутритрубной дефектоскопии, однако применение замкнутой многомерной системы управления надежностью ТП с разработанным каналом обратной связи повышает эффективность системы в среднем на 10%.

Основные выводы и результаты исследований

Проведен структурный синтез, на основе которого разработана замкнутая многомерная АСУ надежностью ТП с декомпозицией задач: идентификации и классификации дефектов, создание автоматизированной базы данных, построение регрессионных моделей дефектности ТП.

Разработана методика идентификации ТП, основанная на дифференциации технологических и эксплуатационных дефектов. По результатам идентификации составлен атлас сканов (более 50 сканов) дефектов, характерных для ТП, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды, позволяющий оперативно идентифицировать основные типы дефектов.

Издана база данных, содержащая информацию об основных режимах ТП и его дефектности и позволившая обработать свыше 14 тысяч дефектов на дистанции более 500 км, составить картотеку вырезанных участков ТП, контролировать оставшиеся дефекты при повторной внутритрубной дефектоскопии и прогнозировать техническое состояние участков ТП, недоступных для внутритрубной дефектоскопии.

1а основе выявленных значимых факторов: температура, влажность, давление рабочей среды, оказывающих влияние на коррозионное состояние внутренней поверхности ТП, построена математическая модель прогноза дефектности ТП, позволяющая моделировать коррозионную ситуацию при возможных изменениях параметров ТП (температура, давление, влажность).

Осуществлена автоматизация процесса диагностирования ТП, позволившая предложить модель многомерной замкнутой системы управлешм надежностью ТП, которая более чем на 10 % эффективнее существующей. Результаты работы применяются на П «Оренбурггазпром», в лаборатории «Надежность» ОГУ, в учебном процессе и включены в «Положение об экспертном диагностировании ТП», утвержденное Оренбургским округом Госгортехнадзора России. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 484 тысяч деноминированных рублей за счет сокращения количества вырезанных участков ТП.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССИРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ:

1.Кушнаренко В.М.,Владов Ю.Р.,Щепинов Д.Н. Оценка показателей эксплуатационной надежности соединительных газопроводов. // Инф. листок N 269-95. - Оренбург ЦНТИ-95. 5 с.

2. Кушнаренко В.М.,Калехман П.Х.,Щепинов Д.Н. Анализ дефектности газопроводов по результатам внутритрубной УЗ дефектоскопии. // Тез. док. второго межд.конгресса. - Москва .1995.С.12.

3.Кушнаренко В.М.,Павлов С.И.,Щепинов Д.Н. Диагностика трубопроводов, транспортируюццгх наводороживающие среды. // Тез. док. второй Российской науч.-техн. конф. - Оренбург. 1995. С. 118-119.

4.Кушнаренко В.М.,Владов Ю.Р.,Щепинов Д.Н. Программное обеспечение компьютерной системы диагностики отказов энергонапряженных систем. // Тез. док. шестнадцатой науч.-техн. конф. - Оренбург. 1995. С.3-5.

5.Нургалиев Д.М., Ахметов В.Н., ГафаровН.А., Кушнаренко В.М., Щепинов Д.Н., Аптикеев Т.А. К оценке дефектности трубопроводов при внутритрубной дефектоскопии. // Тез.док. шестой международной встречи "Диагностика-96".- Ялта. 1996. С 35-42.

6. В ладо п Ю.Р., Кушнаренко В.М., Щепинов Д.Н. Программное обеспечение для автоматизированной оценки состоят« газопроводов. // Сб. науч. тр.. Часть II,- Оренбург. 1997. С.164-169.

7.Щепинов Д.Н., Турков А.Г. Определение прочностных характеристик труб при натурных испытаниях. // Тез. док. второй Всероссийской науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. -Москва. 1997. С.14.

8.Нургалиев Д.М.,Ахметов В.Н.,Кушнаренко В.М.,Калехман П.Х., Щепинов Д.Н. Определение дефектности труб, бывших в эксплуатации. // Тез. док. третьей межд. науч.-техн. конф. - Оренбург. 1997. С. 170.

9.Чепасов В.И,Кушнаренко В.М..Щешшов Д.Н.6.Применение статистических методов для анализа дефектных участков трубопроводов. // Тез. док. третьей межд. науч.-техн. конф. - Оренбург. 1997.С. 171-172.

10 Нургалиев Д.М., Ахметов.В.Н., Щепинов Д.Н. Результаты внугрешгей дефектоскопии конденсатопровода УКПГ-16-ГПЗ // Тез. док. седьмой Международной встречи "Диагностика-96".-Ялта 1997.С.123-126.

11 Кушнаренко В.М., Щепинов Д.Н. Оценка потенциальной опасности дефектов трубопровода. // Тез. док. межд. научно-технического семинара -Оренбург. 1997. 6 с.

12 Кушнаренко В.М., Нургалиев Д.М., Щепинов Д.Н. Автоматизированные системы диагностики. // Тез. док. международной научно-практической конференции. - Оренбург. 1998. С.167-168.

13 Гафаров Н. А..Гончаров А. А.,Кушнаренко В.М.,Щепинов Д.Н. Моделирование коррозионного состояния ТП по результатам внутритрубной диагностики. //Международный конгресс «Защита 98». Москва. 1998.С.22.

^ - -

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЩЕПИНОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СРЕДЫ Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

КУШНАРЕНКО Владимир Михайлович; кандидат технических наук, доцент В ЛАДОВ Юрий Рафаилович

Оренбург 1998

Автоматизация диагностирования трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования.....................................8

1.1 Выбор объекта исследования....................................................................8

1.2 Техническая диагностика трубопроводов................................................12

1.3 Автоматизированные системы диагностики...........................................17

1.3.1 Внутритрубная дефектоскопия трубопроводов.................................17

1.3.2 Ультразвуковая и магнитная дефектоскопия.....................................26

1.3.3 Анализ метода внутритрубной ультразвуковой дефектоскопии.....32

1.4. Анализ методов оценки дефектности трубопроводов............................37

1.5 Особенности автоматизации диагностирования трубопроводов...........42

1.6.Цель и постановка задач исследования....................................................48

Глава 2 Структурный синтез АСУ надежностью ТП........................................50

2.1 Структурный синтез нелинейных систем................................................50

2.2 Классификация дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии..........................................................................................54

2.3 Идентификация дефектов трубопроводов...............................................62

2.3.1 Признаки технологических и эксплуатационных дефектов

при их идентификации.........................................................................62

2.3.2 Обоснование признаков дефектов типа водородные расслоения

при идентификации...........................................................................77

Глава 3 Определение векторов состояния трубопроводов..............................94

3.1 Создание автоматизированной базы данных по результатам внутритрубной дефектоскопии.................................................................94

3.2 Статистическая обработка выявленных дефектов..................................98

3.3 Анализ изменения коррозионного состояния трубопроводов..............106

3.4.Построение регрессионных моделей характеристик дефектов...........122

3.4.1 Прогнозирование дефектности трубопроводов...............................127

3.5 Прогнозирование образования дефектов в труднодоступных

участках трубопроводов.....................................................................131

Глава 4 Реализация АСУ надежностью трубопроводов.................................141

4.1 Разработка АСУ надежностью трубопроводов....................................141

4.2 Алгоритм оценки технического состояния трубопроводов.................145

4.3 Оценка технического состояния трубопроводов

по разработанному алгоритму.............................................................150

4.4 Оценка эффективности АСУ......................................................................158

Основные выводы и результаты исследований...............................................171

Список использованных источников...............................................................172

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................182

Введение

Оренбургское газоконденсатное месторождение (ОГКМ) сероводо-родсодержащих газов является одним из крупнейших промышленных объектов области и разрабатывается с 1974 г. Стальные трубопроводы (ТП) подвергаются воздействию сероводородной коррозии, в результате чего возникают различные типы повреждений. В случае нарушения целостности ТП неизбежно возникает аварийная ситуация, которая приводит к значительному материальному и экологическому ущербу. В то же время ни один из методов локального коррозионного контроля не отражает реальной скорости коррозии ни в контролируемой системе в целом, ни в отдельных ее местах.

С появлением промышленных образцов внутритрубных

дефектоскопов-снарядов, стало реальным получать информацию о дефектности многокилометровых участков ТП. Однако объективный анализ результатов внутритрубной дефектоскопии затруднен из-за невозможности идентификации дефектов ТП и определения их потенциальной опасности. Это объясняется тем, что для ТП, транспортирующих сероводородсодержащие среды, внутритрубная дефектоскопия впервые в мировой практике применена на соединительных ТП ОГКМ. Начальный этап применения внутритрубной дефектоскопии характеризуется значительными материальными и временными затратами на оценку фактического состояния ТП и вырезку дефектных участков ТП, не представляющих потенциальной опасности.

В этой ситуации научной проблемой представляется автоматизация диагностирования ТП и выработка управляющих воздействий для технического обслуживания и ремонта. Автоматизация процесса идентификации технологических и эксплуатационных дефектов с последующим ранжированием по степени их опасности и исключением неопасных дефектов из дальнейшего рассмотрения позволяют построить

замкнутую многомерную систему управления надежностью ТП и существенно сократить затраты материальных и временных ресурсов при проведении внутритрубной диагностики. Перспективным направлением повышения объективности оценки технического состояния ТП представляется автоматизация процесса диагностирования ТП на основе современных информационных технологий, включающих создание базы данных, идентифицируемых и прогнозируемых моделей и определения эффективности функционирования ТП.

Работа является разделом научного направления исследований лаборатории «Надежность» и кафедры «Автоматика и автоматизированные производства» Оренбургского государственного университета, и выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки и техники (2728п-п8 от 21.07.96) «Технология обеспечения безопасности продукции, производства и объектов» и постановлением Правительства России от 16.11.1996 г. N 1369 по проведению в 1997-2000 гг. внутритрубной диагностики ТП в пределах территорий Уральского района и Тюменской области.

Цель работы:, обеспечение надежности ТП путем автоматизации процесса диагностирования, включающей создание базы данных внутритрубной дефектоскопии и оценку технического состояния ТП.

Для достижения этой цели определены следующие основные задачи исследования:

1 Провести структурный синтез многомерной АСУ надежностью ТП с последующей идентификацией дефектов ТП и определением их потенциальной опасности;

2 Разработать автоматизированную базу данных результатов внутритрубной дефектоскопии и алгоритм оценки технического состояния ТП;

3 Построить модель дефектности ТП и оценить техническое состояние участков ТП, не доступных для внутритрубной дефектоскопии;

4 Оценить эффективность автоматизации процесса диагностирования.

Поставленные задачи решались комплексно путем проведения теоретических и экспериментальных исследований с применением современных средств технической диагностики ТП. Диссертация состоит из четырех глав, общих выводов и результатов исследований и приложений.

В первой главе сделан анализ эффективности локальных средств диагностики применяемых на предприятиях "Оренбурггазпром". Рассмотрены характеристики применяемых методов неразрушающего контроля за состоянием ТП. Показано, что имеющие средства не отвечают требованиям безопасности нефтегазовых объектов. Наряду с этим, сделан обзор современных методов технической диагностики. В частности, подробно рассмотрены методы внутритрубной дефектоскопии, основанные на ультразвуковом и магнитном методах. Проведен их сравнительный анализ, обосновано применение ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) на ТП, транспортирующих сероводородсодержащий газ.

По результатам анализа технической диагностики ТП, рассмотрена существующая система обеспечения их надежности, Показана, что имеющаяся автоматизация процесса диагностирования ТП недостаточна для эффективного воздействия на показатели надежности ТП.

В конце главы на основе анализа технической диагностики на ОГКМ и обеспечения надежности ТП сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена структурному синтезу системы управления надежностью ТП. Трубопровод представлен как многомерный объект, характеризующийся вектором состояния, описанный системой линейных дифференциальных уравнений первого порядка. Используя метод обобщенной инвариантности синтезирована структура АСУ надежностью ТП с последующей декомпозицией на частные задачи. Показано, что одной из основных частных задач является классификация и идентификация дефектов

по результатам внутритрубной УЗД. Решение этой задачи изложено в методике экспериментального исследования дефектных участков.

Третья глава посвящена решению частных задач, определенных во

второй главе. Большой объем информации о дефектности ТП при проведении внутритрубной УЗД требует создания средств для ее обработки. Оперативность обработки, доступность и достоверность определяют качество оценки технического состояния. Ввиду этого разработана автоматизированная база данных, включающая информацию о дефектности ТП, его режимах работы и позволяющая проводить статистическую обработку дефектных участков и строить модели прогноза дефектности ТП. С применением разработанной автоматизированной БД проведен анализ технического состояния всех ТП, инспектируемых внутритрубной УЗД, построены и проанализированы регрессионные модели дефектности ТП. По результатам исследований предложено решение по оценке участков ТП недоступных внутритрубной дефектоскопии.

В четвертой главе на основе синтезированной структуры АСУ и проведенных исследований разработана многомерная замкнутая система управления надежностью ТП. Для канала обратной связи предложен алгоритм оценки технического состояния ТП. В конце главы проведена оценка эффективности предложенной АСУ надежностью ТП. Показано, что вероятность нормального функционирования Рф(0 участка ТП рассчитанное при фактическом состоянии ТП выше чем при использовании статистических данных.. Следовательно, применение автоматизированной системы управления надежностью ТП посредством организации канала обратной связи повышает эффективность функционирования ТП.

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Выбор объекта исследования

Россия относится к числу наиболее обеспеченных нефтегазовыми ресурсами государств мира. Запасы газа по оценкам экспертов составляют до 39% от мировых. Это является причиной исключительно высокого развития нефтегазового комплекса.

В соответствии с принятой стратегией, начиная с 70-х и до середины 80-х годов, динамика строительства и ввода магистральных нефте- и газопроводов достигла своего максимума. В тот же период интенсивное освоение новых крупных газовых месторождений потребовало скоростного строительства более 300 тыс. км промысловых трубопроводов (ТП). Однако, доминирование валовых факторов вносило заведомо низкие характеристики надежности и экологической безопасности ТП. Высокие темпы строительства ТП не имели достаточного научно-технического и социально-экономического обоснования. В результате, подавляющее большинство проектов трубопроводного строительства не отвечало требованиям мировых стандартов. Кроме этого, в проектах не предусматривалось проведение внутритрубной диагностики ТП во время эксплуатации, а недостаточная точность систем инструментального контроля качества строительства и испытаний ТП обуславливала наличие невыявленных дефектов, обнаруживаемых лишь в период эксплуатации.

Результаты исследований в теории больших сложных систем показывают, что обеспечение заданного уровня безотказной работы технических объектов возможно, если система технического обслуживания и ремонта (ТОиР) базируется на непрерывном отслеживании происходящих процессов при их эксплуатации, ранней и оперативной диагностике состояния и др /45/. Традиционные методы контроля, определяющие

состояние объекта (годен - не годен), не обладают достаточной чувствительностью. В связи с этим, особое внимание сейчас уделяется средствам технической диагностики, способным отслеживать динамику процесса эксплуатации объекта. Методы контроля в составе средств технической диагностики направлены на предотвращение потерь при эксплуатации, повышение стабильности технологических процессов и показателей надежности. Перспективным направлением повышения объективности оценки технического состояния ТП представляется автоматизация процесса диагностирования ТП на основе современных информационных технологий, включающих создание базы данных, идентифицируемых и прогнозируемых моделей и определения эффективности функционирования ТП.

Большой вклад в развитие теории построения автоматизированных систем управления (АСУ) сложных систем внесли ученые А.А.Красовский, Г.И.Поспелов, Р.Калман, П.И.Чинаев, Л.А.Растригин, П.Эйкхофф, Я.З.Цыпкин, Л.М.Бойчук, Р.Т.Абдрашитов и др. Теория эксплуатации и диагностирования трубопроводных систем связана с именами ведущих ученых отрасли: О.М.Иванцов, Д.Л.Калбертсон, Р.Кизигер, К.В.Черняев и др. Особенности эксплуатации и обеспечение надежности ТП, транспортирующих сероводородсодержащие среды, отражены в работах ученых О.И.Стеклова, В.М.Кушнаренко, Б.В.Перунова и др.

Оренбургское газоконденсатное месторождение (ОГКМ) сероводородсодержащих газов является одним из крупнейших промышленных объектов области и разрабатывается с 1974 г. В виду специфики производства добычи и переработки газа, трубопроводный транспорт является единственным средством транспортировки газа от месторождения до места его переработки. Фактическая продолжительность

эксплуатации соединительных ТП составляет более 20 лет. При транспорте неподготовленного сероводородсодержагцего газа поверхность газопроводов подвергается интенсивному коррозионному разрушению. Коррозионные повреждения имеют различный характер и размеры, могут появляться как на внутренней или наружной поверхностях, так и в основном металле стенки трубы. Поверхностная коррозия в ТП, в основном, имеет вид неравномерного утонения металла , питтингов или язв. Язвы чаще встречаются обширными скоплениями и представляют большую опасность, чем равномерная или неравномерная потеря металла. Язвы локально ослабляют исходную прочность трубы, что может привести к аварийной ситуации. Характерным повреждением для ТП с повышенным содержанием сероводорода также являются водородные расслоения. Причиной возникновения водородных расслоений является наличие неметаллических включений в металле, а также активность транспортируемой среды. Коррозионную активность транспортируемому газу придает жидкий конденсат, появление которого в газопроводе обусловлено двумя причинами: выносом жидкости из сепаратных узлов, конденсацией углеводородов газа и водяных паров.

До конца 80-ых годов надежность транспорта газа обеспечивалась за счет мероприятий, относящихся к технологии эксплуатации : качественной подготовки газа ( сепарация и осушка до ф = 60% ), стабильным поддержанием условий подготовки газа, оптимизацией режимов его транспорта и др. В этот период проблема надежности ТП рассматривалась только с точки зрения формирования нормативных свойств трубопроводных конструкций по конечным эксплуатационным показателям и количественной оценки таких свойств по заданным показателям. При этом основным математическим аппаратом является статистическая теория вероятностей, использующая в качестве своей информационной базы сведения об отказах

ТП. Однако, статистика отказов является лишь сигналом, дающим представление о том, насколько исходные материалы ТП обеспечили требуемые показатели надежности. В такой постановке надежность являлась категорией слабо управляемой, в большей степени формальной /14/.

С развитием средств технической диагностики стало реальным оценивать фактическое состояние ТП и его отдельных элементов в возможно короткие сроки. Современными средствами диагностирования являются внутритрубные дефектоскопы-снаряды, позволяющие получать информацию о дефектности многокилометровых участков ТП. Однако объективный анализ результатов внутритрубной дефектоскопии затруднен из-за невозможности идентификации дефектов ТП и определения их потенциальной опасности. Это объясняется тем, что для ТП транспортирующих сероводородсодержащие среды внутритрубная дефектоскопия впервые в мировой практике применена на соединительных ТП Оренбургского газоконденсатного месторождения. Начальный этап применения внутритрубной дефектоскопи�