автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка методов и средств автоматизированного контроля перемещений, деформаций и скорости внутренней коррозии при эксплуатации объектов транспорта и хранения жидких углеводородов

На правах рукописи

Кузяков Олег Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, ДЕФОРМАЦИЙ И СКОРОСТИ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Затикян Георгий Павлович доктор технических наук, профессор Домрачев Вилен Григорьевич доктор технических наук, профессор Маслов Юрий Николаевич

Ведущая организация: институт ОАО «Нефтегазпроект», г.Тюмень

Защита состоится 24 июня 2003г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.03 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3/12, стр. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « [ Ц » мая 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

/ Прокофьев И.В.

1*2.С Актуальность работы. Приоритетными в XXI веке являются проблемы ^экологической безопасности и экологического мониторинга как объектов нефтяного профиля, так и территорий, связанных с эксплуатацией и разработкой нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири. При этом решение задач эффективной разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа - важная составляющая успешного развития экономики России и выхода ее из кризисного состояния.

Утечки жидких углеводородов на стадии их хранения по причине образования различных дефектов в резервуарах, аварийные разливы при авариях трубопроводов способны существенно повлиять на экологическую обстановку в регионе, а причиненный ущерб может составлять сотни миллионов рублей.

В этой связи надежная и безаварийная работа объектов добычи, транспорта и хранения нефти и газа во многом зависит от своевременного контроля их технического состояния, проведения планово-предупредительных профилактических мероприятий и ремонтов.

Поэтому для успешного решения этих задач целесообразно использовать современные системы автоматизированного контроля и управления, диагностики и обследования состояния промышленных объектов, основанные на применении новых и эффективных методов, а также с применением оригинальных методик, позволяющих получить не только качественные, но и количественные результаты о текущем состоянии контролируемого объекта.

Таким образом, в диссертационной работе представлено решение крупной народно-хозяйственной проблемы повышения надежности функционирования объектов нефтяной и газовой промышленности за счет применения новых методов контроля деформационных и коррозионных процессов, возникающих на этих объектах в ходе их строительства и эксплуатации.

Цель работы. Разработка методов, аппаратных и программных средств долговременного контроля деформаций и коррозионных процессов применительно к объектам транспорта и хранения жидких углеводородов для повышения надежности их функционирования.

Основные задачи.

1. Исследовать факторы, влияющие на формирование муаровой картины, связанной с характеристиками видеосистемы и особенностями контролируемых участков объекта, обосновать оптимальные параметры для структурных компонентов видеосистемы.

2. Исследовать основные погрешности, влияющие на точность измерений и преобразований, при использовании электронно-проекционного муарового метода.

3. Разработать и исследовать первичные преобразователи перемещений, обосновать принципы построения и разработать вторичные устройства на базе микропроцессорной техники.

4. Исследовать влияние процесса внутренней коррозии на промысловые нефтепроводы, разработать математическую модель расчета скорости коррозии для конкретных условий эксплуатации и систему для проведения исследований на физических моделях участков трубопровода.

5. Использовать результаты проведенных исследований, методические рекомендации и разработанные аппаратные и программные средства в производственных условиях, научных исследованиях и в учебном процессе.

Методы исследований содержат методы математической статистики при обработке экспериментальных данных, методы математического моделирования, использованы классические положения теории упругости и деформаций, теории вероятностей и передачи сигналов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечивающим погрешность определения параметров не более 5%;

- хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов и лабораторных исследований;

- положительными результатами применения разработанных методов контроля, аппаратных и программных средств в производственных условиях, научных исследованиях и учебном процессе.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. В результате экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности и параметры формируемой муаровой картины для контролируемой поверхности объекта.

2. На основе теоретического анализа и проведенных экспериментов впервые разработан дифференциальный электронно-проекционный муаровый метод контроля с использованием в качестве эталонной сетки синтезируемого в компьютере виртуального растра для получения муаровой картины.

3. На основе анализа инструментальных и программных погрешностей муарового метода обоснованы принципы построения устройств контроля и разработано соответствующее программное и методическое обеспечение.

4. Исследованы и разработаны первичные преобразователи перемещений индуктивного, емкостного и оптического типа, обоснованы принципы построения микропроцессорных устройств в качестве вторичных приборов.

5. Установлена взаимосвязь между видом передаваемой цифровой информации с объектов контроля и величиной полного сопротивления измерительной линии связи, на основании чего предложен оригинальный способ опроса контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на линию связи.

6. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса внутренней коррозии нефтепромысловых трубопроводов предложена математическая модель расчета и прогноза скорости коррозии, учитывающая особенности гидродинамического режима, состава и свойств многофазной смеси конкретного трубопровода.

7. Разработаны способ и устройство для идентификации типа смеси в трубопроводе.

8. Обоснованы принципы построения и разработана экспериментальная 8САЭЛ-система для исследования внутренней коррозии на реальной физической модели трубопровода.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании проведенных автором исследований разработаны и внедрены оригинальные методики контроля и соответствующие им аппаратные средства, а также программные продукты. Это позволяет сократить число аварийных ремонтов и простоев оборудования, получать качественную и количественную информацию о параметрах контролируемого объекта, сократить трудоемкость работ в 3-4 раза за счет автоматизации процесса измерения и обработки данных, осуществлять сбор данных с разноудаленных и труднодоступных точек.

Разработанные средства позволяют обеспечить мониторинг объектов транспорта и хранения нефти и газа с созданием временного архива, содержащего информацию о техническом состоянии объекта.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при создании методических рекомендаций и устройств и внедрены во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), Гипротюменнефтегазе, в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Автор защищает: способ измерения топологии поверхности и деформаций объекта с использованием дифференциального электронно-проекционного муарового метода; принципы построения средств автоматизированного контроля деформаций и перемещений; математическую модель расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе; принципы построения БСАБА-системы для исследования процесса внутренней коррозии в трубопроводе; устройство идентификации многофазного потока в трубопроводе: способ и устройство для передачи информации одновременно с нескольких контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на приемной стороне.

Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:

1. Республиканской научно-технической конференции «Моделирование в задачах радиолокации и интроскопии неоднородных сред» (Свердловск, 1983).

2. Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

3. Второй зональной научно-технической конференции по программе Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

4. Республиканской научно-технической конференции «Цифровые методы обработки сигналов в задачах радиолокации, связи и управления» (Свердловск, 1984).

5. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986).

6. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья» (Чита, 1987).

7. Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Ростов-на-Дону Новороссийск, 1991).

8. Межгосударственной научно-практической конференции "Нефть и газ Тюмени. Проблемы добычи и транспортировки" (Тюмень, 1993).

9. Четвертой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» ( Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001).

10. Международном совещании «Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России» (Тюмень, 18-19 сентября 2001).

11. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири на современном этапе», (Тюмень, 2001).

12. Второй окружной конференции ХМАО «Наука и образование XXI века» (Сургут, 2001).

13. Областной межвузовской научно-методической конференции «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, 2002).

14. VIII международной конференции «Разработка АСУТП в системе ТРЕЙС МОУД: задачи и перспективы» (Москва, 2002).

15. Международном семинаре компании METSO Automation (Москва, 2002).

16. Республиканской научно-технической конференции «Нефть и газ» (Тюмень, 2002).

17. V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2002).

18. IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2002).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 27 печатных работах, в том числе одной монографии, двух учебных пособиях, 6 авторских свидетельствах СССР и 2 патентах РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 302 страницах машинописного текста, содержит 107 иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 130 наименований, приложения на 4 страницах.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, излагаются цели и основные задачи. Формулируется научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена анализу существующих видов деформаций, связи между перемещениями и деформациями, а также анализу вида деформаций и напряжений в пластинах и оболочках, поскольку последними представляются как отдельные элементы объектов транспорта и хранения жидких углеводородов, так и эти объекты в целом.

По полученной информации от системы контроля о величинах деформаций поверхности объекта можно рассчитать величину возникающих напряжений. Связь между нормальным напряжением и линейной деформацией определяется законом Гука :

<7 = Ее, (О

где Е - модуль упругости (модуль Юнга).

В случае трёхмерной задачи теории упругости связь устанавливается обобщённым законом Гука:

«ж

Гк? = — , (2)

у =£н.

£1- г > л: -ух / гх Q , ,, Е

где " - —-г - модуль сдвига, V - коэффициент Пуассона.

4- V)

Обратная форма закона Гука имеет вид:

/т г= 9 не л. г = НУ

— X > ху Г ' ху 5

& у = 2//^ + Дб, ту! = ЦУу2, (3)

<Т,= гЦБг+Ь, *:х=МУгх,

где постоянные Ляме (Л и X равны: __Е , _ 2у<?

2(\+у) ' ~ тт^; - пРи этом е ~ * еу £2 •

В случае изгиба цилиндрической тонкой оболочки при симметричном ее нагружении напряжения, возникающие в ней, определяются по формулам:

Е г ы д2тл>, (4)

ст=-Г[£0+У— + 2—т] . ^

' /-V 0 Я дх

а>п

Е г и> д'ю, -V к ох

где Ер - удлинение срединной поверхности оболочки (вдоль оси); \1>- прогиб оболочки; К - радиус оболочки. Дифференциальные уравнения равновесия и неразрывности для пологой оболочки имеют вид

где + 4

дх2 ду2

V!k<p + DV2V2w=q ЕЬ

дх дх ду ду

к

д!2

ду2

к2 =

(6)

- кривизны

оболочки, М> - прогиб оболочки, (р — функция напряжений, /г — толщина оболочки, <7 — нагрузка.

Нормальные усилия определяются по формулам:

ЕИ

N. =-

1-у ЕЬ

(ех+У£у) ,

N. =--~(еу+уех).

(7)

(8)

7 -V

Сдвигающие силы имеют вид

5 = вИу. (9)

Полное напряжение определяется суммой напряжений в срединной поверхности и от изгиба.

Показано, что величина возникающего напряжения оказывает главное влияние на прочность и надежность конструкции, поэтому и объекта в целом.

Надежность же объекта можно рассматривать как недопустимость самопроизвольных и нежелательных изменений его технического состояния, проявляющихся в ухудшении качества функционирования объекта.

Поскольку техническое состояние объекта - это совокупность свойств объекта, изменяющихся в процессе его эксплуатации, когда он последовательно проходит ряд состояний, причем в качестве крайнего состояния можно рассматривать возникновение аварийной ситуации. Следовательно, функция надежности для внезапных отказов описывается законом Вейбулла:

(Ю)

Р«) = е-

где Л- интенсивность отказов объекта, «-дополнительный параметр, характеризующий асимметрию и эксцесс распределения.

При а > 1 опасность отказов будет монотонно возрастать от нуля, а при а <1 опасность отказов монотонно убывает и не ограничена при 1=0. При а = 1 получим частный случай - экспоненциальный закон, с помощью которого хорошо описываются внезапные отказы сооружений, вызванные деформациями. Если же наблюдаются отказы вследствие процесса коррозии, то следует использовать нормальный закон распределения

Р(Ф

(11)

АуЛ , Т/а

где

Vе7 У

J е - йх _ значение интегральной функции нормального

распределения, Т и и- соответственно среднее квадратичное отклонение и математическое ожидание случайной переменной.

Статистический анализ причин аварий на объектах транспорта и хранения нефти позволил сделать вывод, что доля аварий, вызванных группой дефектов и связанных с изготовлением и строительно-монтажными работами, в среднем составляет 0,32; доля аварий от коррозионных процессов равна 0,28; доля аварий, вызванных внешними факторами, равна 0,31. К внешним факторам можно отнести влияние техногенных процессов и случайные повреждения от сторонних организаций, а также влияние протекающих различных физико-геологических процессов.

Эксплуатационная надежность и экологическая безопасность объектов нефтяной и газовой промышленности характеризуется следующими наиболее важными показателями: 1)количество аварий за определенный период эксплуатации объекта; 2)удельная частота порывов (для трубопроводов) или повреждений.

Если на стадии проектирования необходимо правильно заложить такие важные параметры, как марка стали трубопровода, толщина стенок, наличие защитного покрытия и др., то в процессе эксплуатации для повышения надежности актуальным является использование новых долговременных, часто бесконтактных методов контроля состояния промышленного объекта в процессе его строительства и эксплуатации.

Такое повышение надежности функционирования получаем за счет сокращения доли отказов, вызванных как коррозией, так и деформациями по различным причинам (указанные факторы составляют 0,6 от общего числа отказов, равного 1). При этом результирующая целевая функция имеет вид

= (12)

В настоящее время достаточно изучен вопрос влияния внешней коррозии на трубопроводы Западной Сибири, разработаны методики их защиты с использованием ингибиторов, труб с покрытием, методов электрохимической защиты и др. В частности, институтом

Гипротюменнефтегаз разработана компьютерная программа «ТЫАГЪ> для технико-экономической оценки вариантов защиты трубопроводов от внешней коррозии. Вопросы же изучения причин внутренней коррозии и способов уменьшения ее влияния на эксплуатационную надежность трубопроводов оказываются пока малоизученными. Попытки более детального изучения сопряжены с рядом имеющихся трудностей, какими являются недостаточное количество, а зачастую и отсутствие специальных лабораторных комплексов, слабое техническое оснащение имеющегося оборудования, отсутствие специальных комплексных программ исследования и др. Это делает весьма актуальным решение задачи повышения надежности эксплуатации объектов нефтегазового комплекса за счет своевременного выявления возможных деформаций и разрушений по причине действия как внешних факторов, так и процесса внутренней коррозии.

Во второй главе показана физическая картина муарового эффекта, являющегося видом механической интерференции света и инструментом для исследования деформаций независимо от их физической природы.

Рассмотрены муаровые методы исследования топологии поверхности объекта, разработка которых связана с трудами Дюрелли А., Паркса В., Теокариса П., Сухарева И.П., Ушакова Б.Н., Бурмистрова Ф.Л., Новицкого В.В. и др. Картина образования муаровых полос показана на рис. 1 и представляет собой наложение двух сеток с шагами а! и а2, и эти сетки расположены под углами <р| и фз по отношению к оси х.

I п2=0

Рис.]. Образование муаровых полос при повороте одной сетки относительно другой с одинаковыми шагами линий сеток

Выполненный математический анализ муарового эффекта показал, что повышение точности измерений можно достичь за счет уменьшения разности между углами наклона накладываемых друг на друга сеток, а также за счет уменьшения разности между шагами этих сеток. При малой разности углов

(<Р\ ~<РгУ

соь(<р1 - <р2)»1---- > тогда шаг муаровых полос равен

(а. -а,)2

—-~+ (?, ~9г)

где Ц| и аг- шаги соответственно для рабочей и мнимой сеток.

Из выражения (13) следует, что чем меньше разность между шагами сеток, тем больше шаг муаровых полос 8, поэтому целесообразно уменьшать шаг Б для повышения точности контроля. При наличии угла между сетками А<р & 0 увеличение последнего будет приводить к уменьшению шага Б. Поэтому, программно варьируя параметрами о^ и а2, а также Л(р, можно повышать разрешающую способность метода.

В работе дана классификация муаровых методов, подразделяющихся на методы нанесения сетки, теневой метод, отражательный муаровый метод, проекционный муаровый метод и методы, моделирующие муаровый эффект.

Предложен метод, использующий положительные стороны теневого и проекционного муаровых методов. В его основе положено математическое и электронное моделирование. Схема устройства для реализации электронно-проекционного метода показана на рис.2.

Рис. 2. Схема устройства для реализации электронно-проекционного

метода

Метод реализуется следующим образом. На исследуемую поверхность объекта 1 проектором 2 проектируется линейчатая сетка, состоящая из чередующихся темных и светлых линий одного шага. Изображение сетки, содержащей информацию о геометрии поверхности объекта, сканируется телекамерой 3 и через блок сопряжения 4 засылается в компьютер 5, где происходит сложение эталонной сетки, заданной по формуле, и сетки, переданной телекамерой.

Проектор 2 и телекамера 3 установлены так, чтобы их оптические центры О1 и О11 и точка С пересечения главных оптических осей находились в одной плоскости. Видеоинформация поступает с телевизионной камеры 3 в устройство ввода-вывода видеоинформации 4, на которое возложены функции кодирования, определения координат линий сетки и пересылка их в память компьютера 5. Для вывода изображения служит дисплей 7 и принтер 6. В компьютер также вводится контрольная сетка (на рисунке показана пунктиром) в виде координат центров тёмных линий, которые являются функцией шага сетки на слайде в проекторе, расстояния от базовой плоскости К|С, угла между оптическими осями объективов р проектора и телекамеры, масштаба изображения и порядкового номера линии сетки.

Функциональное задание контрольной сетки соответствует расположению растра (показан пунктиром) в известном теневом методе. Функция этого растра приведена в координатной системе, находящейся в приемной плоскости видикона телекамеры 3. В компьютере 5 формируется муаровая картина в виде координат центров муаровых полос. Центр муаровой полосы определяется при сравнении координат изображения проекции сетки при построчном сканировании с координатами контрольной плоскости (мнимым растром) по принципу теневого муарового метода. Юстировка оптической системы включает следующие условия: линия О'О", соединяющая оптические центры объективов проектора и телекамеры, составляет с главной оптической осью проектора О1 С прямой угол; телекамера имеет возможность поворота с сохранением неизменного положения ее оптического центра О"; при знании отрезка О'О" и значения угла Р можно определить необходимые в дальнейшем расстояния:

О'С и ОпС: О'С = О'О11 tgp, ОпС = О'О11 — . (14)

sin Р

Изменение расстояния от базовой плоскости («мнимого» растра) до исследуемой поверхности для двух соседних муаровых полос находится так же, как и для теневого муарового метода:

а-ш.

h =-?- , (15)

(tg<Pi +tg<p2)

где а - шаг линий на слайде; mg - масштаб проекции сетки в плоскости мнимого растра, Ln - расстояние от объектива проектора до плоскости мнимого растра, <р{ и <рг - углы освещения и наблюдения «мнимого» растра. Углы (рх, <р2 определяются из формулы

d-cos<p0

cosq) = -T- , (16)

-y/d2 +х2 +у2 + 2d-x -sincpQ

где а - O'Ki при <р = <рх', а = 0"С] при ср = (р2\ <Ро=0 при <р = <р{\ (р0 = р при <р = <р2.

Анализ метрологических характеристик метода показал, что чувствительность метода определяется предельной различимостью муаровых полос и формулой (18), а также разрешающей способностью проекционной и

фотоаппаратуры. Частота линий сетки уменьшается явлением дифракции при проецировании на объект. Основным ограничителем в телевизионной системе является диаметр сканирующего луча видикона телекамеры. Таким образом, можно получить цену одной полосы порядка 0,001 мм. Использование дифференциального муарового метода, лазерных источников и технических решений, реализованных в растровых микроскопах, позволяет снизить нижний порог чувствительности. Верхний порог диапазона чувствительности можно определить, используя возможность аэрокосмических фотосъемок.

Установлено, что на точность измерений влияют погрешности в определении шага сетки слайда, углов проецирования и сканирования, расстояний между оптическими центрами объективов проектора и телекамеры, угла между главными оптическими осями, масштабов проецирования и сканирования, координат центров линий сетки на объекте; свою долю погрешностей могут внести температурные деформации элементов установки. Погрешности обусловлены также уровнем технологии изготовления установки.

Достоинством предложенного метода является возможность бесконтактного исследования поверхностей значительных размеров с выступающими частями и имеющими повышенную температуру.

Для увеличения чувствительности и точности описанных выше методов используется так называемый дифференциальный метод. При его реализации возможны три варианта:

1. Эталонная сетка имеет отличный шаг от шага объектной сетки, применяемой в ранее описанных методах.

2. Эталонная сетка при наложении на объектную поворачивается на некоторый угол.

3. Используется одновременно изменение шага эталонной сетки и ее поворот.

Во всех случаях возникает так называемая начальная картина муаровых полос. Получение фиктивного перемещения иФ для метода нанесения сетки следует из рис. 3. В этом случае каждая муаровая полоса является геометрическим местом точек, имеющих одинаковое перемещение в плоскости по направлению оси х:

В электронно-проекционном муаровом методе эталонный (мнимый) растр с помощью компьютера программно поворачивается на угол <р в своей плоскости относительно главной оси проектора и складывается с объектной

иф=па,

где п - порядок муаровой полосы, а - шаг сетки.

ф

(17)

Рис. 3. Построение результирующей векторной суммы

(рабочей) сеткой. Тогда каждая муаровая полоса несет информацию как о расстоянии Ь от «мнимого» растра до точки на исследуемой поверхности, так и о фиктивном смещении иф этих точек в плоскости, параллельной плоскости «мнимого» растра. Это можно представить векторной суммой, показанной на рис 3. Таким образом, для получения геометрической формы исследуемой поверхности следует построить в плоскости «мнимого» растра семейство линий, параллельных каждой муаровой полосе. Построенное семейство линий представляет собой геометрическое место точек, равноотстоящих от исследуемой поверхности до плоскости «мнимого» растра, и это расстояние определяется согласно формуле (18).

Третья глава посвящена разработке аппаратных и программных средств для дифференциального муарового метода. На рис. 4 показана структурная схема для реализации дифференциального метода. Она содержит объект контроля 1 с спроецированной на него сеткой, цифровой проектор 2, цифровую видеокамеру 3, контроллер 4, исполнительный механизм 5,

Рис. 4. Структурная схема для реализации дифференциального метода

персональный компьютер 6, плоскость мнимого растра 7 и повернутую на угол (р плоскость мнимого растра 8.

Предлагаемый способ контроля реализуется следующим образом. С помощью компьютера 6 синтезируется вид сетки (задается шаг сетки, ширина светлых и темных полос, угол поворота в плоскости проецирования), которая затем с помощью проектора 2 проецируется на объект 1. Производится настройка видеосистемы проектор-камера так, что их главные оптические оси были сфокусированы в точке А на поверхности объекта. Определяется угол [3 между главными оптическими осями проектора 2 и видеокамеры 3 и расстояние Ь от проектора 2 до точки А. Изображение спроецированной на поверхность объекта сетки (рабочий растр) принимается видеокамерой 3 и передается в компьютер 6. После этого в компьютере 6

синтезируется вторая сетка (мнимый растр) 7, отстоящая от поверхности объекта на расстоянии Lß. Далее в компьютере 6 с помощью специальной программы осуществляется поворот мнимого растра 7 относительно точки В, лежащей на оси проектора, в плоскости, перпендикулярной этой оси, на угол ф. Затем в компьютере 6 производится наложение рабочего и повернутого на угол (р мнимого растра 8, получение муаровой картины и вычисление по установленным зависимостям параметров поверхности объекта контроля.

IIa компьютер возложены функции предварительной настройки видеосистемы перед началом ее работы за счет реализации процедуры автотестирования необходимых параметров видеоустановки. Цифровой (мультимедийный) проектор реализует проецирование синтезированной в компьютере решетки с заданной линеатурой на поверхность объекта контроля. Предпочтительно для этого использовать устройство на жидкокристаллических дисплеях (LCD - матрицы) либо микрозеркальный проектор фирмы Texas Instruments, или же проектор высокого разрешения фирмы JVC, использующий технологию работы с жидкокристаллической матрицей. Очевидно, что качество проецируемого растра во многом определяет значения тех погрешностей, которые связаны с приемом и обработкой изображения сетки на поверхности объекта.

В качестве принимающего изображение видеоустройства может быть использована цифровая камера (цифровой фотоаппарат) или цифровая видеокамера. В любом случае необходимым условием применения является возможность подключения устройства к компьютеру по стандартному интерфейсу. Передача видеоизображения в цифровом формате позволяет также устранить погрешность аналого-цифрового преобразования сигнала (в случае использования видеокамеры с аналоговым выходом).

Контроллер выполняет в системе функции управления исполнительными механизмами, которые используются для поворота видеосистемы на задаваемые углы в процессе сканирования поверхности. Указанные функции могут быть возложены и непосредственно на компьютер при наличии в нем специальной платы-адаптера.

Выполненный теоретический анализ технических возможностей промышленного логического контроллера серии SLC-500, контроллера на основе ОЭВМ (однокристальной микроЭВМ) КР1816ВЕ51, контроллера управления шаговыми двигателями SERVO-300, платы управления шаговыми двигателями PCL 839 показал, что целесообразно для поставленной задачи использовать последнюю, как наиболее подходящую по своим техническим характеристикам и имеющую драйверы для работы в среде Windous NT(98/2000), а также программу для управления шаговыми двигателями (Visual Basic).

Программный синтез сетки, проецируемой затем на объект и содержащей последовательно чередующиеся темные и светлые полосы, был реализован при выполнении следующих условий. Первое условие требует наличия в центре синтезированного изображения темной полосы, поскольку создаваемые изображения содержат четное число пикселей по вертикали и

горизонтали. Данное условие приводит к тому, что ширина одной полосы не может быть меньше двух пикселей, ибо в противном случае темная полоса будет лежать либо ниже, либо выше центра сетки, и, кроме того, ширина полос в пикселях должна быть четной. Другим необходимым условием формирования изображения сетки является то, что ширина темных и светлых полос должна быть одинакова. В этой связи получаем: при синтезе горизонтальных решеток значение пикселей определенной строки есть некая функция от номера этой строки в массиве:

1т8[пД] = Дп), (18)

где п - номер строки, 1 = 0,1,2,... - число столбцов в массиве. Все вышесказанное справедливо и для синтеза вертикальных решеток, но вместо строк обрабатываются столбцы.

Реализация процедуры поворота изображения основана на записанном в матричной форме уравнении вида

X X center

= +

.У. _У center _

cos a -sina sin а cos« Jl у- у0

(19)

причем центр поворота смещен из начала координат. Возможные пробелы в повернутом изображении вследствие дискретности пространства и использования целочисленной математики устраняются при выборе реверсивного метода, согласно которому рассматривают каждую точку (i j) в повернутом изображении и определяют ее положение в исходном изображении.

Описанная процедура поворота была реализована в виде прикладной программы, написанной на языке высокого уровня и представляющей собой удобный интерфейс в виде набора всплывающих контекстных меню для синтеза сеток с требуемыми параметрами (шириной полос, шагом, углом поворота).

Разработанная программа обработки изображения работает по определённому алгоритму, включающему выполнение следующих этапов:

■ перевод цветного изображения в чёрно-белое (т.к. чёрно-белое изображение проще обрабатывать);

■ нахождение центров белых линий для последующего сравнения с мнимым растром;

■ генерирование мнимого растра по имеющимся формулам;

" сложение мнимого растра с принятым изображением;

■ получение картины муаровых полос;

■ пересчет полученного изображения в координаты точек объекта;

■ построение поверхности исследуемого объекта.

Полная программа синтеза сеток и обработки изображений была разработана с использованием алгоритмического языка Object Pascal в среде разработки приложений Delphi 5.

Анализ погрешностей при определении параметров поверхности показал, что их можно подразделить на следующие: погрешности

видеоаппаратуры, погрешности передачи, приема и преобразования изображений сетки на объекте. Последние из указанных, в свою очередь, можно разделить на следующие: погрешность синтеза сеток; погрешность сканирования проекции сетки на поверхности объекта, которая зависит от угла между осями видеопроектора и видеокамеры; погрешность определения контрастной картины черно-белых полос сетки; погрешность задания «мнимого растра» (параметры растра, угол поворота растра, расстояние до поверхности объекта); погрешность получения муаровой картины (связана с определением центров полос, наложением принятых и синтезированных решеток).

На чувствительность и погрешность метода влияют также степень естественной освещенности объекта и сила светового потока проектора.

Величина светового потока современных проекторов находится в диапазоне от 700 до 2000 ANSI при среднем разрешении 1024 х 768.

Чем слабее по характеристике светового потока используемый проектор, тем большее влияние оказывает величина естественного освещения.

Проведенные исследования, выполненные для разной степени освещенности объекта, позволили сделать вывод о том, что для уменьшения погрешности от величины естественного освещения целесообразно работать при минимальном освещении либо использовать проецирующую аппаратуру с большей величиной светового потока, а также принимающее оборудование (цифровую видеокамеру или фотокамеру) с повышенной световой чувствительностью. Экспериментально было также установлено, что размер проецируемой сетки на поверхность объекта прямо пропорционален расстоянию до него, и этот коэффициент во многом определяется характеристиками видеоаппаратуры. Для данного эксперимента коэффициент Км находился в пределах 1,23 - 1,29. Поэтому для повышения точности измерений целесообразно использовать либо видеоаппаратуру с большим разрешением, либо уменьшать расстояние до объекта.

В четвертой главе исследованы и разработаны методы и средства контроля деформаций и перемещений.

Принцип действия однокоординатных емкостных преобразователей с плоскопараллельными пластинчатыми электродами основан на зависимости величины емкостного сопротивления преобразователя от площади перекрытия пластин при фиксированном расстоянии между этими пластинами. К их недостатку следует отнести возможность контроля перемещения лишь по одной координате и нестабильность электрических характеристик вследствие влияния дестабилизирующих факторов.

Предложена конструкция двухкоординатного емкостного преобразователя перемещений, показанного на рис. 5. Преобразователь содержит неподвижные электроды 1, 2, являющиеся общими для всех подвижных, и отделенные от них слоем диэлектрика; основной 3, первый дополнительный 4 и второй дополнительный 5 подвижные электроды. Основной электрод смещен относительно первого дополнительного на известные равные расстояния Д/Уи Л У в направлениях рабочих перемещений.

Подвижный электрод второй дополнительной пары имеет размер Ь в направлении, перпендикулярном рабочему, и отличающийся в К раз от равных размеров Ь и с основного и первого дополнительного электродов, а также размер с1 - в направлении, совпадающем с рабочим, по координате X.

Г-А7

Рис. 5. Двухкоординатный емкостный преобразователь перемещений

Второй дополнительный электрод имеет начальную площадь эффективного перекрытия с общими электродами I и 2, одинаковую с аналогичной площадью для основного электрода. Все подвижные электроды по своей форме - квадраты, что обеспечивает для них одинаковые площади перекрытия с общими электродами во взаимно перпендикулярных направлениях и идентичность преобразований в этих направлениях. Подвижные электроды крепятся к диэлектрической скобе 6, жестко связанной со штоком 7, способным перемещаться в направлениях X и У. Общий электрод 2 имеет Ш-образную форму, причем ширина его пластин, перекрывающих подвижные электроды, больше или равна размеру соответствующих электродов, что необходимо для достижения возможности их максимального перекрытия. Аналогично ширина промежутков между пластинами общего электрода определяется из условия достижения начального (нулевого) перекрытия подвижных электродов с пластинами общего электрода 2. Указанные конструктивные особенности преобразователя позволяют получить электрические сигналы, пропорциональные перемещениям в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Работа преобразователя осуществляется следующим образом. Пусть шток 7 перемещается в направлении X. Тогда будут работать подвижные электроды 3, 4, 5 и общий электрод 2, а величина перемещения определяется из известного выражения:

-я, дх

Нл-Нг К-1

где Нз = акХ + рк, Н4 = (Х+АХ)ак + рк, Н5 = акХ + Рк - выходные электрические сигналы с соответствующих подвижных электродов; ак = а (Уь 72, У„), Рк = р (?|, У2> •■•> Уп) - параметры функций преобразования, связанные с физическими параметрами преобразователя; уь у2, ..., уп -дестабилизирующие факторы; К = С / Ь - коэффициент соотношения размеров второго дополнительного и основного электродов.

Из выражения (20) следует, что определяемая величина перемещения не зависит от дрейфа параметров функции преобразования и наличия дестабилизирующих факторов. Для подвижных электродов 3, 4, 5 и общего электрода 2 направление У не является рабочим, т.к. их эффективные площади перекрытия с электродом 2 будут оставаться неизменными. При перемещении штока 7 в направлении У для получения сигналов, пропорциональных величине перемещения, вместо электрода 2 работает электрод 1. Получаемая величина перемещения по координате у аналогична вышеописанной величине для координаты х.

Если же шток 7 будет перемещаться одновременно в двух направлениях, то можно всегда определить величину перемещения в каждом из контролируемых направлений, а также результирующее перемещение, равное векторной сумме двух последних. Здесь необходимо заметить, что если первоначально не определено направление критического смещения, то такое направление, как и величина самого смещения, будет найдено на основании векторного суммирования двух первоначально установленных координатных направлений.

о г 4 б в ю 12 и м п го Хсм

Рис. 6. Зависимость полного сопротивления Рис. 7. Внешний вид сердечника от величины перемещения стержня индуктивного

преобразователя

Проведенный теоретический анализ характеристик индуктивных преобразователей показал, что для контроля перемещений в диапазоне 50 -100 мм наиболее предпочтительно использование преобразователей с разомкнутой магнитной цепью, представляющих собой катушку с проводом, внутри которой перемещается подвижный сердечник. Наилучшие электрические характеристики соответствуют использованию в качестве подвижной части ферритового стержня. Было проведено исследование характеристик датчика при длине катушки Ь = 195 мм, числе витков N = 4500, диаметре обмоточного провода Впр= 0,25 мм, активном сопротивлении обмотки Яо - 121 Ом, индуктивности без сердечника Ь0 , равной 28 мГн. Максимальная индуктивность Ьшх при введении сердечника составила 1,60 Гн. Полное сопротивление преобразователя на частоте измерений /= 5 кГц даже при минимальном значении индуктивности Ь определяется в основном его реактивным сопротивлением Хь = соЬ , так как озЬ » Л . В ходе исследований преобразователя были сняты зависимости магнитной проницаемости ц от частоты и напряженности магнитного поля, измерялось полное сопротивление катушки с сердечником, рассчитывалась индуктивность, а затем цэфф — ь / ьа. На основании полученной выходной характеристики преобразователя и зависимости полного сопротивления индуктивного преобразователя от перемещения сердечника X (рис.6) был установлен оптимальный частотный диапазон для опорного гармонического сигнала, составивший 200 - 300 Гц. Этой области частот соответствует максимальное изменение информативного параметра контроля (/ или 7), пропорциональное величине перемещения X. С дальнейшим ростом частоты информативность падает вследствие уменьшения /¿эфф- Внешний вид индуктивного датчика показан на рис. 7.

В качестве вторичного прибора был разработан цифровой прибор -"Пингвин ТР12", позволяющий проводить автоматизированный дистанционный контроль процесса относительных смещений технологических компонентов. В приборе предусмотрены два режима работы: измерение относительного смещения и измерение температуры воздуха вблизи исследуемого участка. Алгоритм измерений имеет следующий вид.

1*->г • (21)

В устройстве использована мостовая схема измерения (в плечи моста включены эталонный и рабочий индуктивные датчики), которая позволяет компенсировать влияние дестабилизирующих факторов. Для осуществления управления режимами измерения применена специализированная микросхема М041ХК1. Измерительный прибор (ИП), включенный в диагональ моста, содержит в своем составе блок синхронного детектора, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации. Цифровая индикация измеряемых параметров, производимая по динамическому принципу,

осуществляется в системе единиц СИ, причем при измерении перемещения предусмотрена также индикация направления развития процесса деформации от установленного начального нулевого положения. Основные технические характеристики прибора: диапазон измеряемых смещений ± 40 мм; диапазон измеряемых температур - ±30°С; быстродействие - 1 изм./с; время установки рабочего режима - 1 5 мин; погрешность измерения значения перемещения - 1%, температуры - 3%, длина линии связи - до 200 м. Внешний вид прибора показан на рис. 8.

Рис.8. Внешний вид прибора «Пингвин ТР-12»

Рис.9. Прибор ТС-06

Работа прибора ТС-06, использующего в качестве преобразователей сигнала электроды, основана на сравнении электрических сигналов, прошедших через ненарушенный и деформированный участки объекта контроля. Его внешний вид показан на рис.9, а структура приведена на рис.10. Прибор содержит генератор гармонического сигнала Г, усилитель У, к выходу которого подсоединен высоковольтный электрод Э, с которого стекает электрический ток в исследуемый объект. Приемные электроды ИЭ1 и ИЭ2 расположены на равном расстоянии от высоковольтного.' Они соединены с входами амплитудных детекторов АД1 и АД2, каждый из которых на своем выходе формирует сигнал постоянного тока, амплитуда которого равна переменному. Постоянные сигналы с обоих каналов посредством преобразователей напряжение-частота ПНЧ1 и ПНЧ2 преобразуются в импульсные последовательности с частотами, пропорциональными амплитудам этих сигналов.

ИЭ1

АД1

А ДО

ПНЧ1

ПНЧ2

Р|/

Р2

:ИЭ2

'Л

уу

ст

дшф

БИ

Рис. 10. Структура прибора ТС-06

Выходы преобразователей соединены с входами цифрового устройства деления частот, с выхода которого снимается сигнал с частотой, равной отношению частот входных сигналов. К выходу делителя частот последовательно подключены двоичный счетчик СТ, дешифратор ДШФ двоичного кода в десятичный и блок индикации. Устройство управления УУ обеспечивает изменение времени индикации сигнала, позволяет также регулировать интервал изменения цифрового кода, обеспечивает цикличность работы делителя, организуя гашение на индикаторах в заданные моменты времени.

Алгоритм работы прибора имеет следующий вид:

^ (22) где иех , и„ых - напряжения на излучаемом и приемном электродах, -частота, пропорциональная выходному напряжению, N - число импульсов. Трехэлектродная схема включения (для эталонного и деформированного участков) позволяет компенсировать нестабильность электрических параметров измерительного тракта и получать в качестве информативного сигнала информацию о величине деформации в контролируемом участке объекта.

В работе была также исследована, разработана и запатентована система дистанционного контроля перемещений на базе микроконтроллера с использованием оптоэлектронного преобразователя перемещений. В основу системы положено устройство для контроля перемещений с датчиком перемещений, показанное на рис. 11.

Рис.11. Устройство для контроля перемещений

Датчик выполнен в виде маятника, на конце которого расположен излучатель света. На некотором расстоянии от излучателя находится ряд светоприемников, равноудаленных от передатчика, а их количество зависит от требуемой точности измерений. При перемещении маятник

поворачивается на некоторый угол и меняет тем самым направление света излучателя, и на одном из светоприемников появляется потенциал. В качестве источника света могут быть использованы сверхминиатюрная лампа накаливания (СМН 8-60, СМН 6-150 и др.), которая имеет большой срок службы и достаточный световой поток, или инжекционные светодиоды, отличающиеся устойчивостью к механическим нагрузкам. Приемником света является многоэлементный фотоприемник (МФП) тонкопленочного или твердотельного исполнения, который может иметь размер активной области в 30-40 мм. Для установки данного устройства необходимо датчик перемещений прикрепить непосредственно на объект исследования. Устройство позволяет измерять направления вправо - влево (X), вверх - вниз (Y) и выполнено в одном корпусе. Оно крепится таким образом, чтобы на дисплее значения X, Y были равны нулю. Система контроля перемещений состоит из двух основных частей: устройства для контроля перемещений и системы обработки данных, которая содержит:СРи - однокристальную микро-ЭВМ; модули памяти ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM); интерфейсные блоки (PPI и RS-232); блок индикации. На рис. 12 представлена структура системы.

Рис. 12. Структура системы для контроля перемещений

На однокристальную микро-ЭВМ (CPU) возложена основная функция -управления всеми устройствами системы: управление сбором данных и организацией протокола связи. В качестве базовой выбрана 8-разрядная однокристальная микро-ЭВМ К1835ВЕ51 (аналог Intel 80С51), содержащая 4 параллельных порта ввода-вывода, последовательный универсальный асинхронный приемопередатчик, два таймера-счетчика. Она может выбрать любое устройство и прочитать/записать данные из/в него. Выбор устройств (адреса) осуществляется через шину адреса (Address Bus), а обмен информацией - по шине данных (Data Bus). Микроконтроллер (CPU)

обрабатывает поступающую в него информацию в соответствии с программой, находящейся в памяти программ (ПЗУ). Буферные регистры (RG) необходимы для увеличения нагрузочной способности линий микроконтроллера. Постоянная перепрограммируемая память ПЗУ(ИОМ) осуществляет функцию хранения основной программы, подпрограммы загрузки и требуемых для расчета констант. В оперативном запоминающем устройстве ОЗУ(ЯАМ) хранятся переменные, необходимые в процессе работы программы. Адресный дешифратор (DC) подключается к шине адреса микропроцессора и осуществляет выбор требуемого для работы в данный момент устройства. Параллельный интерфейс (PPI) используется для осуществления двух функций: управления выводом данных на индикацию и опросом датчиков. Блоки датчиков служат для контроля перемещения во взаимно перпендикулярных направлениях. Через последовательный порт RS232 информация об аварийной ситуации передается на верхний уровень.

Рекомендации: объем внешних ОЗУ и ПЗУ для системы контроля перемещений выбирается в соответствии с размером управляющей программы, числом объектов контроля и особенностями технологического процесса. В случае, если резидентная программа невелика (не более 4 Кбайт), можно ограничиться использованием внутреннего ПЗУ, содержимое которого можно периодически модифицировать, стирая предыдущую программу с помощью ультрафиолетовой лампы.

Альтернативным вариантом по применению другого микроконтроллера предложено использование в данной системе микросхемы фирмы Microchip Tecnology(CIIIA) - PIC16C84 с элементами RISC-архитектуры (набор команд - всего 35 инструкций), которая содержит перепрограммируемое внутреннее ПЗУ (EPROM) с организацией 1Кх14бит, а также АЦП и сторожевой таймер (Watch Dog Timer).

Одной из важнейших процедур при мониторинге объектов и сооружений нефтегазового комплекса является сбор данных с контролируемых точек объекта. Разработан и защищен авторским свидетельством способ сбора информации с контролируемых объектов, который заключается в том, что любую кодовую комбинацию, составленную из "нулей" и "единиц" одинаковых весовых разрядов преобразователей, расположенных в каждом контролируемом пункте (КП), можно без ошибки различить по величине общего сопротивления Ro линии связи, измеренного в пункте сбора информации (ПСИ). Рис. 13 поясняет разработанный способ сбора данных. Доя определенной кодовой комбинации, образуемой одинаковыми по весу разрядами первичных преобразователей, будет строго определенное число подключенных резисторов R, и суммарное сопротивление R0 будет каждый раз своё. Главными влияющими факторами, несомненно, являются колебания температуры и влажности. Изменение сопротивления шлейфа длиной I км линии связи в зависимости от температуры определяется выражением

/? =_R""0_

"" [] + a(t - 20)]' (23)

где t - температура грунта на глубине залегания кабеля; а - температурный коэффициент сопротивления шлейфа.

Расчет R0 при заданном числе точек контроля (5) производился для кабельной линии связи марки ТВП с диаметром жил 0,5 мм и нормой километрического сопротивления 180 Ом/км.

R 1

R 2

К 2

R 3

т

R,

т

—-с

Rflj 2 R лз

Rл.

ИП

Рис. 13. Эквивалентная электрическая цепь для i точек контроля

Приняв R, = 360 Ом, в результате расчета получаем следующее значение = 0,218 Ом, которое находится как разность R0 - Ro , определенных для различных соседних состояний ключей, например, 01111 и 11111. Для R, = 2,2 кОм имеем AR0 тт = 6,695 Ом\ Ri = 4,7 кОм, ARo mm = 1,72 Ом. Для этих вычислений общее сопротивление линии связи R-шл не превышало 1 к Ом.

Для надежного распознавания цифрового кода, одновременно передаваемого со всех КП„ требуется, чтобы допустимая погрешность измерений ¿¿оп не превышала минимального значения ARomm всех просчитанных разностей Ro- Ro ■ Допустимая погрешность измерений R S

равна: = " = 5 (Ом), где 5ц - погрешность измерения

сопротивления шлейфа, 5н =0,5.

Определенные допустимые значения для R, находятся в пределах 1,3 кОм - 3 кОм, а оптимум для R, составляет 1,65 к Ом, при котором AR0mn, превышает допустимую погрешность 5Д01|. Проведенные эксперименты на реальной линии связи доказали работоспособность способа. Измерения Ru, кабельной двухпроводной линии (марка кабеля ТРПКШ 30x2x0,5) длиной 3,5 км позволили определить Ru, ср = 610 0м при отклонении ARUI, равном ± 10 Ом. На основании данного алгоритма разработаны и защищены авторскими свидетельствами на изобретения устройства для сбора данных. Модификации разработанных устройств позволяют осуществлять:

1 последовательный опрос КП:А,Ш = Р(хи , х2„ .., х„„) ~ Rm, Y., i=\...N, где N -номер КП, Y. - слово-состояние КП,; 2)параллельный опрос КП: Ajn =

= р(х;/, х^, ..., х,„) ~ ,3 = 1 ... Л/, где М - номер разряда, ^/и! -

состояние всех КП в опрашиваемом разряде. Управляющая часть устройства включает микропроцессор. Опрос всех КП ведется по микропрограмме, хранящейся в ПЗУ. В качестве кодового преобразователя, корректирующего нестабильность цифрового кода от температуры, может быть использовано как однократно программируемое запоминающее устройство (ПЗУ), так и перепрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) или программируемая логическая матрица. По желанию пользователя возможна коррекция микропрограммы за счет перезаписи перепрограммируемых ПЗУ, построенных с применением современных технологий (например, флэш-память).

Пятая глава посвящена описанию возможных применений муаровых методов для контроля деформаций. При этом на окончательные результаты не влияет широкое разнообразие используемых материалов, а также возможная достаточно высокая температура изделий и агрессивная среда. Сочетание теле- и радиосистем, компьютеров позволяет дистанционно управлять различными устройствами, быстро и эффективно получать экспресс-информацию.

Описана методика определения начальных несовершенств как замкнутых цилиндрических или конических оболочек, так и панелей. При исследовании прогибов оболочек под нагрузкой измерения аналогичны.

Схема установки для обследования внутренней поверхности резервуара показана на рис. 14. На трубе 1 устанавливается площадка с проектором 2, видеокамерой 5, двумя шаговыми двигателями 3 и 4. Шаговый двигатель 4 осуществляет вращение видеокамеры для юстировки оптической системы. Второй шаговый двигатель 3 выполняет вращение площадки с аппаратурой относительно оси трубы. Кабели для питания аппаратуры и передачи информации в компьютер проходят внутри трубы. Компьютер и контроллер

располагаются в удобном для работы месте вне резервуара. Сканирование поверхности резервуара производится в полуавтоматическом режиме.

Предложен также метод контроля состояния трубопровода в период после прокладки трубопровода, а также периодически, согласно плану текущего контроля технического состояния трубопровода. Наличие полной информации позволяет следить за изменением напряжённо-деформированного состояния трубопровода как в сравнении с проектом, так и в процессе эксплуатации, что дает возможность исключить аварийные ситуации. Форма поперечного сечения трубопровода, положение его оси, наличие вмятин влияет на его пропускную и несущую способности. После прокладки трубопровода в процессе эксплуатации по различным причинам (сезонные изменения, промоины, криогенное растрескивание, пучение грунта, движение транспорта и т.д.) происходит деформация трубопровода, и возможно появление опасных напряжений. Неравномерный коррозийный износ совместно с овальностью и вмятинами существенно изменяет напряженное состояние, которое проявляется характерной деформацией.

Получаемая общая картина исследования топологии поверхности объекта в случае необходимости повышения точности контроля может быть составлена из отдельных фрагментов с большей степенью детализации.

При этом для объединения отдельных фрагментов предложен маркерный метод. На каждом изображении пользователю необходимо указать восемь областей, которые программа будет рассматривать как маркеры (рис.15). Затем для трех маркеров той стороны одного и другого снимка, по которой происходит объединение, программно вычисляется среднее положение в отношении горизонтальном (вертикальном) левого (АА)), а затем и правого края (ВВ]) маркера. Между полученными смещениями находится среднее значение (СС|), которое и будет учитываться при объединении снимков.

Для текущего контроля прогибов, деформаций, напряжения и потери устойчивости в элементах конструкций буровых вышек, стальных и железобетонных мостов в процессе их испытаний и эксплуатации предлагается использовать методы, моделирующие муаровый эффект: электронно-проекционный, муаровый и метод нанесения сетки с электронным моделированием муаровой картины. Схема расположения возможных точек контроля и установки контролирующей аппаратуры определяется отдельно для каждого конкретного случая. Программа

маркеры

Рис. 15. Схема расположения маркеров

численного дифференцирования для определения изгибных деформаций и напряжений, входящая в состав системы контроля, позволяет определить для пластин, составляющих конструкцию металлического моста, изгибающие моменты и напряжения по известным выражениям:

. . п,д2ш д2ш .

., ^ .Э2®- д2т .

+ (25)

12МХ 12М

(26)

где D - цилиндрическая жесткость пластины, (О - функция прогибов, У - коэффициент Пуассона, h - толщина пластины. При необходимости могут быть определены также и касательные напряжения.

Для определения деформаций и напряжений конструкций, работающих в условиях плоского напряженного состояния, целесообразно применить метод нанесения сетки на исследуемую поверхность. В этом случае из установки исключается видеопроектор. Сетка на исследуемой поверхности сканируется видеокамерой или цифровым фотоаппаратом и затем засылается в компьютер, где производится сложение этой объектной сетки с эталонной, и после обработки по программе получаем функции перемещений в плоскости элемента в двух ортогональных направлениях и и v.

По формулам Каши и обобщенному закону Гука определяют напряжения:

du du du ди

S, = 2fl£, + 8У = = цу ч > (28)

Е г . 2vG

гле -= л =-,e = f, +

ГДе И 2(l + v) l-2v л '

Шестая глава посвящена исследованию процесса внутренней коррозии в трубопроводах. Внутренняя коррозия стенок трубопровода, проявляющаяся преимущественно в виде язв и канавок, в настоящее время исследована недостаточно полно. Задача обнаружения внутренней коррозии в процессе эксплуатации трубопровода представляется весьма сложной, и в настоящее время можно говорить лишь об исследовании и выявлении причин внутренней коррозии, путях уменьшения и прогнозе на заданный период.

Исследованию процесса внутренней коррозии в трубопроводах посвящены работы Гоника A.A., Корнилова Г.Г., Кима С.К., Куприянова Т.А., Мингалева Э.П., Силаева A.A., Цикермана Л.Я., Павлова П.В., Сапуна A.A., Нургапиева Д.М., Киченко Д.М., Маричива Ф.Н., Гетманского М.Д., Фаритова А.Т., Рябухина В.Н., Кузьмичевой О.Н., а также ряда зарубежных

исследователей Jepson W.P., Stitzel S., Kang C., Gopal M., Efird K.D., Bongale S„ Kouba G.E., Maley L., Wilkens R., Wright T.V.

Задачи уменьшения степени влияния внутренней коррозии на стенки трубопровода и предсказание скорости ее течения могут быть успешно решены лишь при знании особенностей гидродинамики трехфазных потоков. Поэтому задание оптимального гидравлического течения многофазной среды по трубопроводу на основе исследовательских данных - вот одно из направлений эффективного воздействия на величину внутренней коррозии трубопровода.

Полученное условие существования эмульсионной структуры водонефтяного потока можно записать в следующем виде:

0.86-ire,""-Re'»

' <29)

где К, We, Re - соответственно числа Кутателадзе, Вебера и Рейнольдса,

вычисленные по приведенной скорости нефти, ßg - расходное водосодержа-ние ßH = ^ q ' где Qu' Расх°Ды соответственно воды и нефти.

В программном пакете Mathcad 7.0 были построены зависимости устовия эмульсионности водонефтяного потока USL от общего расхода Q, при разных значениях обводненности нефти ßB. Исходные данные для расчета: рв = 1000 кг/м\ рн= 870 кг/м3, vh= 20 сСт = 0,00002 м2/сек, D = 1220 мм - 12,5 мм - =1,195 м. Анализ построенных графиков показал, что полученные зависимости прямо пропорциональные, USL > 0, при Q=Qmin, при ßB=l% Qmin=4500, ßB=5% Qmin=5500, ßB=50% Qmin= 10400. Это подтверждает высказанное ранее утверждение, что для перекачки нефти с минимальным уровнем внутренней коррозии нефтепровода необходимо поддерживать скорость перекачки не ниже определенного значения, которое зависит от состава нефти и, в частности, от процентного содержания в ней воды. Это также согласуется с результатами проведенных экспериментальных исследований на физической модели горизонтального трубопровода, в ходе которых была установлена связь скорости коррозии с перепадом давления, температурой, парциальным давлением углекислого газа и содержанием воды.

На основании выполненного теоретического анализа существующих математических моделей скорости коррозии и на примере конкретного участка нефтесборного коллектора Барсуковского месторождения была разработана математическая модель для расчета скорости коррозии в горизонтальном многофазном потоке. Для учета влияния концентраций НС03, CL", Са2+ и pH в формулу введены поправочные коэффициенты Кисо3, КС|, Кса, Крн- Тогда итоговое уравнение имеет вид

( ир vй í—1

= U/5 j * Г" * Peo*T* (г T * К} (30)

где К - KHC0¡ * KCL * КCn * Kpll, CHo> - нормирующий фактор (от 0 до1),

учитывающий частоту водяной пробки FBn; л P/L - перепад давления поперек зоны смешения водяной пробки; v - содержание воды; Pqo¡ - парциаль- > ное давление углекислого газа; Т- температура в многофазной среде; VKop -скорость коррозии. С учетом базовой модели были разработаны линейная модель расчета скорости коррозии VKO/M„„, построенная по методу наимень- t ших квадратов, и рекуррентная модель УкорреК

v«oP,u„(v,ÚP/L) = 0,05 + 0,037 * v + 2,404 * АР/L , (31) VK0HXJv,AP / L) = 0,184 + 0,051 *v+1,079* АР / L . (32)

Было показано, что рекуррентная модель наиболее точно отображает реальный процесс в том случае, когда информация, связанная с данным процессом, постоянно обновляется.

На основании полученных математических моделей была разработана программа расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе, содержащая удобный пользовательский интерфейс, позволяющий корректно вводить необходимые для вычислений параметры.

На основании выполненного теоретического анализа была разработана система идентификации вида многофазного потока, представленная на рис.16.

Рис. 16. Ультразвуковая система идентификации типа смеси

Система содержит один излучатель И, а также ряд приемников ПГП7, расположенных на стенках трубопровода по его диаметру. Выходы приемников п|-п7 подключены к входам блока аналоговой памяти и таймеров АП-Т, выходы которого соединены с входами коммутатора К, один

выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя АЦП, а другой к входу оперативной памяти ОЗУ, микропроцессорный модуль МП, выходы которого соединены с входами блока аналоговой памяти и таймеров АП-Т, коммутатора К, аналого-цифрового преобразователя АЦП, оперативной памяти ОЗУ и генератора ультразвуковых сигналов ГУС, который под управлением микропроцессорного модуля МП генерирует электрические импульсы с частотой (1 - 2,5) МГц. Эти импульсы поступают на излучатель И, который формирует ультразвуковые колебания, распространяющиеся через стенки трубопровода и контролируемую среду. С помощью приемных датчиков П)-П7 осуществляется прием ультразвуковых колебаний, прошедших через контролируемую среду, которые подаются на входы аналоговой памяти АП, где происходит фиксация максимальных амплитуд и времен приема сигналов по управляющим сигналам синхронизации с микропроцессорного модуля МП. Коммутатор К позволяет последовательно опросить блок аналоговой памяти - таймеров АП-Т с целью преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП аналоговых сигналов в пропорциональный цифровой код, а также последовательно передать цифровые коды таймеров, пропорциональные временным задержкам принятых сигналов, в оперативную память ОЗУ.

Идентификация режима течения и его особенностей осуществляется микропроцессорным модулем МП по программе, хранимой во флэш-памяти модуля. При идентификации руководствуются значениями амплитуд принятых ультразвуковых импульсов, как прошедших через контролируемую среду, так и отраженных от границы (границ) раздела фаз, а также значениями измеренных времен пробега этих сигналов.

Эталонные значения параметров, установленные ранее эмпирически, отмечены в зависимости от режима многофазного потока (пузырькового, расслоенного, кольцевого, обращенно-кольцевого, снарядного) и хранятся во флэш-памяти микропроцессорного модуля МП.

По указанным материалам, описывающим данную систему, получен патент на изобретение.

Седьмая глава содержит разработку принципов построения экспериментальной системы для исследования процесса коррозии в трубопроводе. Система содержит емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и БСАВА-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу.

Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой. К этим функциям можно отнести следующие: приём и обработку информации о контролируемых технологических параметрах от датчиков и вторичных показывающих приборов; сохранение принятой информации в архивах; вторичную обработку принятой информации; графическое представление как

хода технологического процесса, так и принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме; приём команд оператора и передачу их в адрес контроллера и далее на исполнительные механизмы; регистрацию событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы; формирование отчётных документов на основе архивной информации; обмен информацией с системой баз данных для создания документации по проведенным исследованиям; непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Проведенный анализ инструментальных средств разработки SCADA-систем показал, что оптимальным для региона является выбор программного продукта Trase Mode отечественной фирмы AdAstra Research Group, Ltd (г. Москва), характеризующегося встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и другими инновационными технологиями.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Выполненный теоретический анализ основных видов повреждений объектов транспорта и хранения нефти показал, что деформационные и коррозионные процессы оказывают значительное влияние на эксплуатационную надежность сооружений, а доля коррозионного фактора по отношению к общему числу действующих факторов (к ним относят как факторы внешних техногенных воздействий случайного характера, так и факторы, связанные с протеканием различных физико-геологических и физико-химических процессов) составляет примерно 0,35.

2. На основании проведенного анализа существующих муаровых методов исследования и контроля топологии поверхности установлено, что наиболее эффективными по своему применению являются методы, моделирующие муаровый эффект: электронно-проекционный, отражательно-электронный и дифференциальный, в которых второй растр, накладываемый на спроецированную на поверхность объекта сетку, является мнимым, то есть виртуальным.

3. Определены основные факторы, влияющие на точность муаровых методов, к которым можно отнести следующие: величину угла между объективами проектора и камеры, расстояние от поверхности объекта до проектора, шаг проецируемой и виртуальной сеток, их соотношение в виде i нормировочного коэффициента, масштаб проецирования исходного (базового) растра, масштаб сканирования объектного растра, угол между

осью объектива проектора и нормалью к исследуемой поверхности.

Выполненный подробный анализ основных погрешностей метода позволил дать рекомендации по их уменьшению. Установлено, что наибольшее влияние на точность измерений оказывают погрешности, связанные с особенностями работы проецирующей и сканирующей аппаратуры, со степенью освещенности объекта и отражательными

свойствами исследуемои поверхности, шагом проецируемой сетки и расстоянием от видеосистемы до объекта.

4. Впервые установлено, что точность измерений при применении дифференциального метода будет выше за счет учета фиктивного перемещения, реализованного посредством поворота объектного (рабочего) и мнимого растров относительно друг друга.

5. Разработан способ измерения и контроля деформаций поверхности объекта, основанный на использовании электронно-проекционного дифференциального муарового метода.

6. Сформулированы требования, предъявляемые к средствам автоматизированного контроля топологии поверхности и возникающих деформаций. Обоснованы принципы построения системы для исследования и контроля топологии поверхности объекта с использованием электронно-проекционного дифференциального метода и выбор устройства управления (контроллера) позиционированием видеосистемы при сканировании заданной поверхности.

7. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методические основы исследования и контроля поверхности объекта с использованием муарового метода.

8. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для выполнения основных этапов исследования и контроля состояния поверхности объекта с результирующим получением координат узловых точек поверхности и построением ее трехмерного изображения.

9. В ходе проведенного теоретического анализа характерных особенностей объекта контроля (размеров, удаленности от средств коммуникаций, степени агрессивности среды, температурного режима, наличия вредных факторов, воздействующих на организм человека, числа контролируемых точек и пространственного их расположения, степени их труднодоступное™, динамики процесса деформаций во времени и др.) было показано, что на основании их детальной проработки необходимо осуществлять оптимальный выбор как самого метода контроля, так и номенклатуры и типа технических средств для его реализации, считая, что в качестве целевой функции выступает повышение эксплуатационной надежности объекта.

10. Исследование емкостных преобразователей с плоскопараллельным типом электродов позволило разработать оригинальное устройство двухкоординатного емкостного преобразователя перемещений, функция преобразования которого свободна от влияния внешних дестабилизирующих факторов на результаты измерений.

11. Выполненное экспериментальное исследование электрических характеристик разработанного индуктивного преобразователя перемещений позволило установить оптимальный частотный диапазон опорного гармонического сигнала, который составил 200-300 Гц. Установлено влияние температуры на выходные характеристики индуктивного преобразователя со

библиотека 3

стальным сердечником, а для компенсации

С.Петербург 08 300 акт 1

использование дифференциального метода при измерении перемещения. Предложено также использовать собственную индуктивную обмотку преобразователя для измерения температуры при погрешности не более 3%.

12. В ходе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был разработан оптоэлектронный датчик и соответствующее микропроцессорное устройство для контроля угловых перемещений или линейных перемещений по нескольким координатам.

13. Обоснованы принципы построения и созданы вторичные приборы для разработанных первичных преобразователей на базе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров.

14. В результате теоретических исследований и выполненного математического моделирования разработаны оригинальные алгоритмы сбора данных с труднодоступных точек контроля. Предложены принципы построения цифровых устройств, позволяющих реализовать указанные алгоритмы, с одновременной компенсацией влияния температуры на омическое сопротивление линии связи, выступающей в качестве главного дестабилизирующего фактора.

15. Установлено оптимальное значение длины линии связи, а также число одновременно опрашиваемых точек контроля. Дана оценка допустимой погрешности преобразования цифрового параллельного кода, образованного идентичными весовыми разрядами одновременно опрашиваемых датчиков, в эквивалентное значение тока измерительной линии связи.

16. На основе выполненного теоретического анализа причин образования внутренней коррозии в промысловых трубопроводах Западной Сибири получено условие водоэмульсионности многофазного потока для различных значений степени обводненности нефти.

17. В ходе проведенного анализа использования ультразвуковых колебаний для контроля вида многокомпонентной среды, протекающей по трубопроводу, была предложена структура ультразвуковой системы идентификации типа многофазной смеси и алгоритм работы такой системы.

18. На основании выполненного теоретического анализа существующих математических моделей расчета скорости коррозии была предложена базовая математическая модель для расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе, которая позволяет учесть как тип режима перекачки многофазной среды по трубопроводу, так и основные гидродинамические и физико-химические показатели многофазной смеси для конкретного месторождения. На основе базовой модели были разработаны оптимизированные прогнозные модели, для которых показано, что преимущество в использовании полученных оптимизированных моделей для мониторинга процесса коррозии участка нефтесборной сети заключается в возможности учета погрешностей измерительных приборов и значений установленных диапазонов изменения технологических параметров, а также в повышении точности вычисления скорости коррозии в соответствие с

заданными гидродинамическими параметрами и физико-химическими свойствами многофазной смеси.

19. Разработано программное обеспечение для расчета скорости коррозии в трубопроводе и предложен удобный пользовательский интерфейс.

20. На основании выполненного теоретического анализа существующих видов исследований по изучению процесса коррозии в трубопроводах и приобретенного практического опыта при непосредственном участии в научных экспериментах в зарубежном исследовательском центре были сформулированы требования, предъявляемые к лабораторно-исследовательскому комплексу по изучению внутренней коррозии в трубопроводах.

21. Обоснована структура исследовательской системы, содержащей емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и SCADA-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу. Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой.

22. Показано, что оптимальным решением при разработке системы мониторинга для Западной Сибири является использование отечественного инструментального пакета Trase Mode 5.1х фирмы AdAstra Research Group, Ltd., характеризующегося единой линией программирования операторских станций и контроллеров, встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и некоторыми другими инновационными технологиями.

Основные результаты исследований изложены в следующих работах:

1. Цибульский В.Р., Крамнюк А.И., Кузяков О.Н. Разработка устройства долговременного контроля раскрытия криогенных трещин «Пингвин -TP 12» // Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири: Тезисы докл. всесоюзной научно-практической конференции. - Тюмень, 1987.-С. 141-142.

2. Кузяков О.Н., Колесов В.И. Обоснование номенклатуры технических средств для моделирования систем мониторинга нефтегазопромысловых объектов Ямала //Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования: Тезисы докл. всесоюзн. школы-семинара. - Ростов-на-Дону - Новороссийск, 1991.-С. 105.

3. Гохберг Ж.Л., Кузяков О.Н., Карашк В.П. SCADA-системы в нефтяной и газовой промышленности: опыт внедрения и перспективы применения в масштабах области // Известия вузов. Нефть и газ, 1997, № 1. -С. 107-112.

4. Кузяков О.Н., Пальянов А.П. Оптимизация выбора промышленных контроллеров с использованием новых программных продуктов // Известия вузов. Нефть и газ, 1998, №1. - С. 102-106.

5. Кузяков О.Н., Макаров A.B. Система контроля перемещений // Известия вузов. Нефть и газ, 2000, № 6. - С. 87-89.

6. Кузяков О.Н., Кучергок В.И. Система для измерения деформаций поверхности объекта муаровым методом // Актуальные проблемы состояния

и развития нефтегазового комплекса России: Тезисы докл. 4-ой научно- '

технической конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001.-С. 133.

7. Эксплуатация магистральных нефтепроводов. Трубопроводный транспорт нефти: Учеб. пособие / Авторы-составители: В.Н. Антипьев, Ю.Д. Земенков, С.И. Перевощиков, О.Н. Кузяков и др. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.-264 с.

8. Кузяков О.Н., Кучерюк В.И., Попов А.Н. Система мониторинга объектов транспорта нефти с использованием электронно-проекционного муарового метода // Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Материалы международного совещания. - Тюмень, 18-19 сентября 2001. - С. 147-155.

9. Кузяков О.Н., Пирогов A.C. Программный синтез и поворот решеток Френеля для муарового электронно-проекционного метода // Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России: Материалы международного совещания. - Тюмень, 18-19 сентября 2001.-С. 190-200.

10. Кузяков О.Н., Пирогов A.C., Попов А.Н. Система мониторинга состояния поверхности нефтегазовых объектов с использованием электронно-проекционного муарового метода // Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири на современном этапе: Материалы всероссийской научно-технической конференции. -Тюмень: Вектор Бук, 2001. - С. 102 - 103.

11. Кузяков О.Н., Попов А.Н. Система мониторинга состояния поверхности нефтегазовых объектов с использованием электронно-проекционного муарового метода //Наука и образование XXI века: Тезисы докл. Второй окружной конференции ХМАО. - Сургут, 2001. - С. 72.

12. Кузяков О.Н. Исследование условий образования водоэмульсионного потока // Известия вузов. Нефть и газ, 2001, №3. - С. 42 - 46.

13. Эксплуатация магистральных нефтепроводов. Техника безопасности • и охрана окружающей среды: Учеб. пособие / Авторы-составители: В.Н. Антипьев, Ю.Д. Земенков, С.И. Перевощиков, О.Н. Кузяков и др. - Омск:

Изд-во ОмГТУ, 2001. - 344 с.

14. Кузяков О.Н., Головина Н.Я. Система контроля состояния объектов и конструкций с использованием муарового эффекта // Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки: Материалы научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко. - Тюмень, 2002. - С. 221.

15. Кузяков О.Н. Использование инструментального пакета Metso DNA для разработки систем АСУ ТП // Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике: Тезисы докл. V международной научно-технической конференции. - Петрозаводск, 2002. -С.38-39.

16. Кузяков О.Н., Кучерюк В.И. Методы и средства измерения топологии поверхности, перемещений и деформаций. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002,- 172 с.

17. Кузяков О.Н., Кучерюк В.И. Устройство для измерения деформаций поверхности объекта электронно-проекционным муаровым методом // Известия вузов. Нефть и газ, 2002, № 1. - С. 69-75.

18. Кузяков О.Н. Использование инструментальных пакетов для проектирования АСУ ТП в учебном процессе // Информационные технологии в образовательном процессе: Материалы областной межвузовской научно-методической конференции. - Тюмень: Изд-во Вектор Бук, 2002.-С. 117-121.

19. Кузяков О.Н., Головина Н.Я. Устройство для измерения деформаций поверхности объекта по методу муара //Динамика систем, механизмов и машин: Материалы IV международной научно-технической конференции. -Омск, 2002. - С. 300 - 302.

20. A.c. 1102948 СССР МКИ (3)Е 21 С 39/00 Способ измерения ширины раскрытия трещин в массиве / Кузяков О.Н. и Цибульский В.Р. - № 3525727/22-03. Заявл. 21.12.82. Опублик.15.07.84, Бюл. № 26. -4 с.

21. A.c. 1226017 СССР, МКИ(3) G01B7/00 Емкостной преобразователь перемещений / Кузяков О.Н., Цибульский В.Р. и Китаев В.В.- №3767791/2528. Заявл. 05.07.84. Опубл. 23.04.86, Бюл. №15. - 3 с.

22. A.c. 1249560 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Способ сбора телеметрической информации и устройство для его осуществления / О.Н.Кузяков, В.В. Китаев, А.П. Свяжин и В.Р. Цибульский - № 3832921. Заявл. 02.01.85. Опубл. 07.08.86, Бюл. №29. - 3 с.

23. A.c. 1339617 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство для сбора телеметрической информации / Кузяков О.Н., Китаев В.В. и Цибульский В.Р.

- № 4074267/24-24. Заявл. 07.04.86. Опубл. 23.09.87, Бюл. №35. - 3 с.

24. A.c. 1448352 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство для сбора телеметрической информации / Кузяков О.Н., Китаев В.В. и Цибульский В.Р.

- № 4197232/24-24. Заявл. 19.02.87. Опубл. 30.12.88, Бюл. № 48. - 4 с.

25. A.c. 1714660 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство контролируемого пункта для системы сбора телеизмерений / Кузяков О.Н. и Китаев В.В.- № 4807165/24. Заявл. 08.02.90. Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7.- 3 с.

26. Патент на изобретение к A.c. RU 2150086 С1, 7 G 01 С 9/00, 9/12,9/18 Устройство для контроля перемещений / Макаров A.B. и Кузяков О.Н. №2150086/Заявл. 16.11.98. Опубл. 27.05.2000, Бюл. №15. - 4 с.

27. Патент на изобретениё к A.c. RU 2198397 С2, 7G 01 N 29/02 Способ контроля многофазного потока в трубопроводе / Кузяков О.Н. и Дудко С.А. №2198397/ Заявл. 28.02.2001. Опубл. 10.02.2003, Бюл. №4. - 3 с.

Подписано к печати 0% Д Бум. писч. №1

Заказ Уч.-изд.л. 2

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 2

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального

образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38

I

4

2ooj- д P12 44 5

) *

\

í

i ¡

i I

i l

i i

i

i

)

i

'i

(i í*

i )

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕМЕЩЕНИЯХ, ДЕФОРМАЦИЯХ

И НАПРЯЖЕНИЯХ.

1.1. Системы координат, перемещения и деформации

1.2. Напряженное состояние в окрестности точки.

1.3. Связь между напряжениями и деформациями.

1.4. Элементы деталей машин и конструкций сооружений.

1.5. Деформации и напряжения в пластинах и оболочках.

1.6. Повышение надежности объектов транспорта и хранения жидких углеводородов.

Выводы по главе.

2. МУАРОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ.

2.1. Природа муарового эффекта.

2.2. Математический анализ муаровых полос.

2.3. Классификация муаровых методов.

2.4. Метод нанесения сетки.;.

2.4.1. Нанесение сеток и растров на образцы деталей.

2.4.2. Точность метода нанесения сетки на деталь.

2.5. Теневой муаровый метод.

2.5.1. Точность теневого муарового метода.

2.6. Отражательный муаровый метод.

2.6.1. Точность метода отражающей сетки.

2.7. Проекционный муаровый метод.

2.8. Методы, моделирующие муаровый эффект.

2.8.1. Электронно-проекционный муаровый метод.

2.8.2. Метод нанесения сетки с электронным моделированием муаровой картины.

2.8.3. Отражательно-электронный муаровый метод.

2.9. Дифференциальный метод.

Выводы по главе.

3. АППАРАТУРА И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ МЕТОДОВ, РЕАЛИЗУЮЩИХ МУАРОВЫЙ ЭФФЕКТ.

3.1. Компоновка и юстировка технической системы

3.1.1. Дифференциальный способ определения топологии поверхности объекта.

3.2. Характеристика технических средств для компоновки системы.

3.2.1. Обоснование выбора и разработка устройства (контроллера) для управления пространственной ориентацией видеосистемы.

3.2.2. Характеристика аппаратуры, используемой для реализации метода.

3.3. Программа для управления шаговыми двигателями.

3.4. Синтез решеток Френеля и реализация поворота растра.

3.4.1. Синтез решеток Френеля.

3.4.2. Поворот синтезированных решеток.

3.4.3. Экспериментальная апробация метода и выявленные особенности

3.5. Разработка программного обеспечения.

3.5.1. Программы синтеза и поворота решеток Френеля.

3.5.2. Программа обработки принятого изображения

3.6. Исследование чувствительности метода и анализ основных погрешностей.

Выводы по главе.

4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИИ И

ДЕФОРМАЦИЙ.

4.1. Разработка первичных преобразователей для контроля перемещений

4.1.1. Емкостные преобразователи перемещений.

4.1.2. Индуктивные преобразователи перемещений.

4.2. Разработка приборов для контроля относительных перемещений

4.2.1. Прибор «ПингвинТР-12».

4.2.2. Прибор ТС-06.

4.2.3. Устройство дистанционного контроля перемещений на базе микроконтроллера с использованием оптоэлектронного преобразователя

4.3. Алгоритм сбора телеметрической информации с рассредоточенных объектов контроля.

4.3.1. Устройство сбора данных с рассредоточенных объектов.

Выводы по главе.

5. ПРИМЕНЕНИЕ МУАРОВЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

ДЕФОРМАЦИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

5.1. Определение начальных несовершенств геометрической формы цилиндрических малогабаритных изделий.

5.2. Натурные измерения несовершенств геометрической формы цилиндрических резервуаров, деформаций и напряжений.

5.3. Сканирование геометрической формы магистральных трубопроводов, определение изменения деформаций и напряжений в процессе их эксплуатации.

5.4. Панорамное сканирование поверхности объекта

5.5. SCADA-система для управления обследованием резервуаров использованием муарового метода.

5.6. Контроль деформаций стальных конструкций и несущих частей.

5.7. Контроль качества дорожного покрытия и диагностика мостов методом муаровых полос.

5.8. Диагностика позвоночного столба человека.

Выводы по главе.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ В

ТРУБОПРОВОДАХ.

6.1. Причины и механизм внутренней коррозии.

6.2. Математическое моделирование и методики расчета скорости коррозии в горизонтальных нефтепроводах

6.3. Ультразвуковая система идентификации типа смеси.

6.4. Математическое моделирование и методики расчета скорости коррозии в горизонтальных нефтепроводах.

6.5. Построение математических моделей расчета скорости коррозии .237 ц Выводы по главе.

7. СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ В ТРУБОПРОВОДЕ.

7.1. Разработка системы для проведения комплекса исследований процесса внутренней коррозии.

7.2. Оборудование экспериментальной установки.

7.3. Функциональная структура DCS-системы.

7.4. Программирование контроллера.

7.5. Разработка интерфейса оператора.

Выводы по главе.

Актуальность работы. Приоритетными в XXI веке являются проблемы экологической безопасности и экологического мониторинга как объектов нефтяного профиля, так и территорий, связанных с эксплуатацией и разработкой нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири, при этом решение задач эффективной разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа - важная составляющая успешного развития экономики России и выхода ее из кризисного состояния.

В этой связи надежная и безаварийная работа объектов добычи, транспорта и хранения нефти и газа во многом зависит от своевременного контроля их технического состояния, проведения планово-предупредительных профилактических мероприятий и ремонтов.

Поэтому для успешного решения этих задач целесообразно использовать современные системы автоматизированного контроля и управления, диагностики и обследования состояния промышленных объектов, основанные на применении новых и эффективных методов, а также с применением оригинальных методик, позволяющих получить не только качественные, но и количественные результаты о текущем состоянии контролируемого объекта.

Таким образом, в диссертационной работе представлено решение крупной народно-хозяйственной проблемы повышения надежности функционирования объектов нефтяной и газовой промышленности за счет применения новых методов контроля деформационных и коррозионных процессов, возникающих на этих объектах в ходе их строительства и эксплуатации.

Цель работы. Разработка методов, аппаратных и программных средств долговременного контроля деформаций и коррозионных процессов применительно к объектам транспорта и хранения жидких углеводородов для повышения надежности их функционирования.

Основные задачи.

1. Исследовать факторы, влияющие на формирование муаровой картины, связанной с характеристиками видеосистемы и особенностями контролируемых участков объекта, обосновать оптимальные параметры для структурных компонентов видеосистемы.

2. Исследовать основные погрешности, влияющие на точность измерений и преобразований, при использовании электронно-проекционного муарового метода.

3. Разработать и исследовать первичные преобразователи перемещений, обосновать принципы построения и разработать вторичные устройства на базе микропроцессорной техники.

4. Исследовать влияние процесса внутренней коррозии на промысловые нефтепроводы, разработать математическую модель расчета скорости коррозии для конкретных условий эксплуатации и систему для проведения исследований на физических моделях участков трубопровода.

5. Использовать результаты проведенных исследований, методические рекомендации и разработанные аппаратные и программные средства в производственных условиях, научных исследованиях и в учебном процессе.

Научная новизна:

1. В результате экспериментальных и теоретических исследований установлены основные закономерности и параметры формируемой муаровой картины для контролируемой поверхности объекта.

2. На основе теоретического анализа и проведенных экспериментов впервые разработан дифференциальный электронно-проекционный муаровый метод контроля с использованием в качестве эталонной сетки синтезируемого в компьютере виртуального растра для получения муаровой картины.

3. На основе анализа инструментальных и программных погрешностей муарового метода обоснованы принципы построения устройств контроля и разработано соответствующее программное и методическое обеспечение.

4. Исследованы и разработаны первичные преобразователи перемещений индуктивного, емкостного и оптического типа, обоснованы принципы построения микропроцессорных устройств в качестве вторичных приборов.

5. Установлена взаимосвязь между видом передаваемой цифровой информации с объектов контроля и величиной полного сопротивления измерительной линии связи, на основании чего предложен оригинальный способ опроса контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на линию связи.

6. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса внутренней коррозии нефтепромысловых трубопроводов предложена математическая модель расчета и прогноза скорости коррозии, учитывающая особенности гидродинамического режима, состава и свойств многофазной смеси конкретного трубопровода.

7. Разработаны способ и устройство для идентификации типа смеси в трубопроводе.

8. Обоснованы принципы построения и разработана экспериментальная SCADA-система для исследования внутренней коррозии на реальной физической модели трубопровода.

Методы исследований содержат методы математической статистики при обработке экспериментальных данных, методы математического моделирования, использованы классические положения теории упругости и деформаций, теории вероятностей и передачи сигналов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечивающим погрешность определения параметров не более 5%; хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов и лабораторных исследований; положительными результатами применения разработанных методов контроля, аппаратных и программных средств в производственных условиях, научных исследованиях и учебном процессе.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании проведенных автором исследований разработаны и внедрены оригинальные методики контроля и соответствующие им аппаратные средства, а также программные продукты. Это позволяет сократить число аварийных ремонтов и простоев оборудования, получать качественную и количественную информацию о параметрах контролируемого объекта, сократить трудоемкость работ в 3-4 раза за счет автоматизации процесса измерения и обработки данных, осуществлять сбор данных с разноудаленных и труднодоступных точек.

Разработанные средства позволяют обеспечить мониторинг объектов транспорта и хранения нефти и газа с созданием временного архива, содержащего информацию о техническом состоянии объекта.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при создании методических рекомендаций и устройств, внедренных в Главтюменьгеологии (трест Уренгойгеолстрой), во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), Гипротюменнефтегазе, и Сургутнефтегазе.

Автор защищает: способ измерения топологии поверхности и деформаций объекта с использованием дифференциального электронно-проекционного муарового метода; принципы построения средств автоматизированного контроля деформаций и перемещений; математическую модель расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе; принципы построения SCADA-системы для исследования процесса внутренней коррозии в трубопроводе; устройство идентификации многофазного потока в трубопроводе; способ и устройство для передачи информации одновременно с нескольких контролируемых пунктов с компенсацией влияния температуры на приемной стороне.

Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:

1. Республиканской научно-технической конференции «Моделирование в задачах радиолокации и интроскопии неоднородных сред» (Свердловск, 1983).

2. Всесоюзной научно-практической конференции «Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

3. Второй зональной научно-технической конференции по программе Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983).

4. Республиканской научно-технической конференции «Цифровые методы обработки сигналов в задачах радиолокации, связи и управления» (Свердловск, 1984).

5. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Благовещенск, 1986).

6. Всесоюзной научно-практической конференции «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья» (Чита, 1987).

7. Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Ростов-на-Дону Новороссийск, 1991).

8. Межгосударственной научно-практической конференции "Нефть и газ Тюмени. Проблемы добычи и транспортировки" (Тюмень, 1993).

9. Четвертой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» ( Москва, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2001).

10. Международном совещании «Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России» (Тюмень, 18-19 сентября 2001).

11. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири на современном этапе», (Тюмень, 2001).

12. . Второй окружной конференции ХМАО «Наука и образование XXI века» (Сургут, 2001).

13. Областной межвузовской научно-методической конференции «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, 2002).

14. VIII международной конференции «Разработка АСУТП в системе ТРЕЙС МОУД: задачи и перспективы» (Москва, 2002).

15. Международном семинаре компании METSO Automation (Москва, 2002).

16. Республиканской научно-технической конференции «Нефть и газ» (Тюмень, 2002).

17. V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2002).

18. IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2002).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 27 печатных работах, в том числе одной монографии, двух учебных пособиях, 6 авторских свидетельствах СССР и 2 патентах РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 302 страницах машинописного текста, содержит 107 иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 130 наименований, приложения на 4 страницах.

Выводы по главе

Сформулированы требования, предъявляемые к лабораторно-исследовательскому комплексу по изучению внутренней коррозии в трубопроводах.

Обоснована структура исследовательской системы, содержащей емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и SCADA-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу.

Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой.

Выполненный анализ инструментальных средств разработки SCADA-систем показал, что оптимальным для региона является выбор программного продукта Trase Mode отечественной фирмы AdAstra Research Group, Ltd (г. Москва), характеризующийся встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и другими инновационными технологиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании проведенных автором исследований решена крупная научная проблема повышения эксплуатационной надежности объектов транспорта и хранения жидких углеводородов, которая имеет важное хозяйственное значение.

Утечки углеводородов на стадии их хранения по причине образования различных дефектов в резервуарах, аварийные разливы при авариях трубопроводов способны существенно повлиять на экологическую обстановку в регионе, а причиненный ущерб составляет сотни миллионов рублей.

1. Выполненный теоретический анализ основных видов повреждений объектов транспорта и хранения нефти показал, что коррозионные процессы оказывают значительное влияние на эксплуатационную надежность сооружений, а доля коррозионного фактора по отношению к общему числу действующих факторов (к ним относят как факторы внешних техногенных воздействий случайного характера, так и факторы, связанные с протеканием различных физико-геологических и физико-химических процессов) составляет примерно одну треть.

2. На основании проведенного анализа существующих муаровых методов исследования и контроля топологии поверхности установлено, что наиболее эффективными по своему применению являются методы, моделирующие муаровый эффект: электронно-проекционный, отражательно-электронный и дифференциальный, в которых второй растр, накладываемый на спроецированную на поверхность объекта сетку, является мнимым, то есть виртуальным.

3. Определены основные факторы, влияющие на точность муаровых методов, к которым можно отнести следующие: величину угла между объективами проектора и камеры, расстояние от поверхности объекта до проектора, шаг проецируемой и виртуальной сеток, их соотношение в виде нормировочного коэффициента, масштаб проецирования исходного (базового) растра, масштаб сканирования объектного растра, угол между осью объектива проектора и нормалью к исследуемой поверхности.

Выполненный подробный анализ основных погрешностей метода позволил дать рекомендации по их уменьшению. Установлено, что наибольшее влияние на точность измерений оказывают погрешности, связанные с особенностями работы проецирующей и сканирующей аппаратуры, со степенью освещенности объекта и отражательными свойствами исследуемой поверхности, шагом проецируемой сетки и расстоянием от видеосистемы до объекта.

4. Впервые установлено, что точность измерений при применении дифференциального метода будет выше за счет учета фиктивного перемещения, реализованного посредством поворота объектного (рабочего) и мнимого растров относительно друг друга.

5. Разработан способ измерения и контроля деформаций поверхности объекта, основанный на использовании электронно-проекционного дифференциального муарового метода.

6. Сформулированы требования, предъявляемые к средствам автоматизированного контроля топологии поверхности и возникающих деформаций. Обоснованы принципы построения системы для исследования и контроля топологии поверхности объекта с использованием электронно-проекционного дифференциального метода и выбор устройства управления (контроллера) позиционированием видеосистемы при сканировании заданной поверхности.

7. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методические основы исследования и контроля поверхности объекта с использованием муарового метода.

8. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для выполнения основных этапов исследования и контроля состояния поверхности объекта с результирующим получением координат узловых точек поверхности и построением ее трехмерного изображения.

9. В ходе проведенного теоретического анализа характерных особенностей объекта контроля (размеров, удаленности от средств коммуникаций, степени агрессивности среды, температурного режима, наличия вредных факторов, воздействующих на организм человека, числа контролируемых точек и пространственного их расположения, степени их труднодоступности, динамики процесса деформаций во времени и др.) было показано, что на основании их детальной проработки необходимо осуществлять оптимальный выбор как самого метода контроля, так и номенклатуры и типа технических средств для его реализации, считая, что в качестве целевой функции выступает повышение эксплуатационной надежности объекта.

10. Исследование емкостных преобразователей с плоскопараллельным типом электродов позволило разработать оригинальное устройство двухкоординатного емкостного преобразователя перемещений, функция преобразования которого свободна от влияния внешних дестабилизирующих факторов на результаты измерений.

11. Выполненное экспериментальное исследование электрических характеристик разработанного индуктивного преобразователя перемещений позволило установить оптимальный частотный диапазон опорного гармонического сигнала, который составил 200-300 Гц. Установлено влияние температуры на выходные характеристики индуктивного преобразователя со стальным сердечником, а для компенсации этого влияния предложено использование дифференциального метода при измерении перемещения. Предложено также использовать собственную индуктивную обмотку преобразователя для измерения температуры при погрешности не более 3%.

12. В ходе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был разработан оптоэлектронный датчик и соответствующее микропроцессорное устройство для контроля угловых перемещений или линейных перемещений по нескольким координатам.

13. Обоснованы принципы построения и созданы вторичные приборы для разработанных первичных преобразователей на базе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров.

14. В результате теоретических исследований и выполненного математического моделирования разработаны оригинальные алгоритмы сбора данных с труднодоступных точек контроля. Предложены принципы построения цифровых устройств, позволяющих реализовать указанные алгоритмы, с одновременной компенсацией влияния температуры на омическое сопротивление линии связи, выступающей в качестве главного дестабилизирующего фактора.

15. Установлено оптимальное значение длины линии связи, а также число одновременно опрашиваемых точек контроля. Дана оценка допустимой погрешности преобразования цифрового параллельного кода, образованного идентичными весовыми разрядами одновременно опрашиваемых датчиков, в эквивалентное значение тока измерительной линии связи.

16. На основе выполненного теоретического анализа причин образования внутренней коррозии в промысловых трубопроводах Западной Сибири получено условие водоэмульсионности многофазного потока для различных значений степени обводненности нефти.

17. В ходе проведенного анализа использования ультразвуковых колебаний для контроля вида многокомпонентной среды, протекающей по трубопроводу, была предложена структура ультразвуковой системы идентификации типа многофазной смеси и алгоритм работы такой системы.

18. На основании выполненного теоретического анализа существующих математических моделей расчета скорости коррозии была предложена базовая математическая модель для расчета скорости внутренней коррозии в трубопроводе, которая позволяет учесть как тип режима перекачки многофазной среды по трубопроводу, так и основные гидродинамические и физико-химические показатели многофазной смеси для конкретного месторождения. На основе базовой модели были разработаны оптимизированные прогнозные модели, для которых показано, что преимущество в использовании полученных оптимизированных моделей для мониторинга процесса коррозии участка нефтесборной сети заключается в возможности учета погрешностей измерительных приборов и значений установленных диапазонов изменения технологических параметров, а также в повышении точности вычисления скорости коррозии в соответствие с заданными гидродинамическими параметрами и физико-химическими свойствами многофазной смеси.

19. Разработано программное обеспечение для расчета скорости коррозии в трубопроводе и предложен удобный пользовательский интерфейс.

20. На основании выполненного теоретического анализа существующих видов исследований по изучению процесса коррозии в трубопроводах и приобретенного практического опыта при непосредственном участии в научных экспериментах в зарубежном исследовательском центре были сформулированы требования, предъявляемые к лабораторно-исследовательскому комплексу по изучению внутренней коррозии в трубопроводах.

21. Обоснована структура исследовательской системы, содержащей емкости для предварительного хранения компонентов, измерительную тест-секцию, устройства для сепарации многофазной смеси, комплекс исполнительных механизмов (насосы, нагревательная установка, электромагнитные клапаны и др.) и SCADA-систему, предназначенную для управления оборудованием и обработкой данных о состоянии процесса транспортировки двухфазной трехкомпонентной смеси по трубопроводу. Сформулированы основные функции, реализуемые такой системой.

22. Показано, что оптимальным решением при разработке системы мониторинга для Западной Сибири является использование отечественного инструментального пакета Trase Mode 5.1 х фирмы AdAstra Research Group, Ltd., характеризующегося единой линией программирования операторских станций и контроллеров, встроенной технологией адаптивного управления, процедурой автопостроения системы, GSM-телемеханикой, Web-управлением и некоторыми другими инновационными технологиями.

1. Айвазян С.А. Статистические исследования зависимостей. М.: Металлургия, 1968. - 227 с.

2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. Для вузов. — М.: Высш. шк., 1995. — 560 с.

3. Анзимиров Л., Айзин В., Фридлянд А. Новая версия TRACE MODE для Windows NT // Современные технологии автоматизации, 1998, №3. С. 56-59.

4. Анзимиров JI.B. Интегрированная SCADA и Softlogic система TRACE MODE в 2002 году //Приборы и системы управления, 2002, №1. С. 7-13.

5. Антипьев В.Н., Земенков Ю.Д. Контроль утечек при трубопроводном транспорте жидких углеводородов. — Тюмень: ТюмГНГУ, 1999.-326 с.

6. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. М.: Энергия, 1966.-227 с.

7. Бесконтактное определение форм поверхности методом муаровых полос. Методика, 1 редакция. Горький, Г.Ф.ВНИИНМаш, 1977, С. 25.

8. Бессонов А.А., Мороз А.В. Надежность систем автоматического регулирования. Л.: Энергоатомиздат, Ленигр. отд-е, 1984. — 216 с.

9. Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др. Однокристальные микроЭВМ: Справочник. М.: МИКАП, 1994 . - 400 с.

10. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. — М.: Наука, 1989.- 416 с.

11. Бугай Д.Е и др. Прогнозирование коррозионного разрушения нефтепромысловых трубопроводов. Сер. Борьба с коррозией и защита окружающей среды. М., вып. 7, 1989. - 64 с.

12. Внутренняя коррозия и защита трубопроводов на нефтяных месторождениях Западной Сибири / Маричев Ф.Н., Гетманский М.Д.,

13. Тетерина О.П. и др. -М.: ВНИИОЭНГ. Обзорн. Информация. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1981.-С. 44.

14. Гетманский М.Д., Рождественский Ю.Г., Калимуллин А.А. Предупреждение локальной коррозии нефтепромыслового оборудования. -М.: ВНИИОЭНГ. Обзорн. Информация. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1980. — С. 57.

15. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 524 с.

16. Голографические неразрушающие исследования: Пер. с англ./Пер. В.А. Егоров, В.А. Карасев; Под ред. В.А. Карасева. — М.: Машиностроение, 1979.-448 с.

17. Гоник А.А., Корнилов Г.Г. Причины и механизм локальной коррозии внутренней поверхности нефтесборных трубопроводов на месторождениях Западной Сибири // Коррозия нефтепромыслового оборудования. — 1997, №2. С. 2-6.

18. Гоник А.А. Коррозия нефтепромыслового оборудования и меры ее предупреждения. М.: Недра, 1976. - 256 с.

19. Гохберг Ж.Л., Кузяков О.Н., Карашк В.П. SCADA-системы в нефтяной и газовой промышленности: опыт внедрения и перспективы применения в масштабах области // Известия вузов. Нефть и газ, 1997, № 1. -С. 107-112.

20. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980. - 383 с.

21. Григорьев В.Л. Программирование однокристальных микропроцессоров. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 288 с.

22. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. — СПб.: Издательство «Питер», 2000. — 816 с.

23. Гук М. Интерфейсы ПК: справочник. — СПб.: ЗАО «Издательство «Питер», 1999.-416 с.

24. Гук М., Юров В. Процессоры Pentium III, Athlon и другие. — СПб.: Издательство «Питер», 2000. 480 с.

25. Домаркас В.Й., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1988. - 276 с.

26. Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие/В.Г.Домрачев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 392 е.: ил.4

27. Дьяконов В. Mathcad 2000: учебное пособие. СПб.: Питер, 2000. -592 с.

28. Дюрелли А., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара. /Пер. с англ. Ушакова Б.Н. М.: Мир, 1974. — 360 с.

29. Заякин В.В., Кучерюк В.И., Гребенщикова М.А., Мурахина Е.М. Об определении прогибов методами голографии и муаровых полос // Проблемы прочности, 1979, №3, С. 70-73.

30. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973.

31. Казьмин А.И., Кон Н.И., Беленький В.Е. Сколиоз. М.: Медицина, 1981.-272 с.

32. Кайно Г. Акустические волны. — М.: Мир, 1990. 656 с.

33. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б. и др. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справочное пособие. — Киев: «Наукова думка», 1981. — 584 с.

34. Клингман Э. Проектирование специализированных микропроцессорных систем: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 363 с.

35. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. М.: НОЛИДЖ, 1998. - 240 с.

36. Кузяков О.Н. Исследование условий образования водоэмульсионного потока // Известия вузов. Нефть и газ, 2001, №3. — С. 42-46.

37. Кузяков О.Н. Разработка электрических способов и средств долговременного контроля процесса криогенного растрескивания грунтов при строительстве. Автореф. Дис. канд. техн. наук, М., 1989. — 19 с.

38. Кузяков О.Н. Разработка электрических способов и средств долговременного контроля процесса криогенного растрескивания грунтов при строительстве: Дисс. канд. техн. наук. — М., 1989. 192 с.

39. Кузяков О.Н., Кучерюк В.И. Методы и средства измерения топологии поверхности, перемещений и деформаций. Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.- 172 с.

40. Кузяков О.Н., Кучерюк В.И. Устройство для измерения деформаций поверхности объекта электронно-проекционным муаровым методом // Известия вузов. Нефть и газ, 2002, № 1. С. 69-75.

41. Кузяков О.Н., Макаров А.В. Система контроля перемещений // Известия вузов. Нефть и газ, 2000, № 6. С. 87-89.

42. Кузяков О.Н., Пальянов А.П. Оптимизация выбора промышленных контроллеров с использованием новых программных продуктов // Известия вузов. Нефть и газ, 1998, №1. С. 102-106.

43. Кузяков О.Н., Попов А.Н. Система мониторинга состояния поверхности нефтегазовых объектов с использованием электронно-проекционного муарового метода //Наука и образование XXI века: Тезисы докл. Второй окружной конференции ХМАО. Сургут, 2001. - С. 72.

44. Кузяков О.Н., Головина Н.Я. Устройство для измерения деформаций поверхности объекта по методу муара //Динамика систем, механизмов и машин: Материалы IV международной научно-технической конференции. — Омск, 2002. С. 300 - 302.

45. Кучерюк В.И., Лобанок И.В., Чурилов В.А. Метод муаровых полос в исследовании прочности и устойчивости конструкций. Тюмень, Тюменский индустриальный институт, 1978. — 64 с.

46. Кучерюк В.И., Попов A.M., Колесников А.В. Электронно-прекцион-ный муаровый метод//Заводская лаборатория, 1993, № 5. С. 26-30.

47. Кучерюк В.И., Скрябин Е.Г., Кудин С.А. Устройство для диагностики заболеваний позвоночника у беременных. Свидетельство на полезную модель № 11461 от 16 октября 1999 г.

48. Кучерюк В.И., Сысоев Ю.Г., Иванов В.А., Белова О.Ю., Чемакин М.П. Расчет тонкостенных конструкций объектов нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1996. — 288 с.

49. Кучерюк В.И., Якубовский Ю.Е. Определение начальной погиби оболочек теневым муаровым методом // Заводская лаборатория, 1983, №2. -С. 77- 80.

50. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи): Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

51. Лисин Ю.В. Совершенствование системы управления и контроля технического обслуживания и ремонта нефтепроводов с целью повышения надежности их эксплуатации //Трубопроводный транспорт нефти, № 8 , 1997.

52. Логачев В.Г. Разработка средств автоматического контроля линейных размеров движущихся заготовок с неустойчивыми и сложными геометрическими формами. Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2001. -312с.

53. Логачев В.Г. Исследование емкостного преобразователя с непараллельными пластинами / Исследование элементов и устройств железнодорожной автоматики // Научн. труды Омского института инж. ж.-д. транспорта. Омск, вып. 176. — С. 13-15.

54. Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды к транспорту. -М.: Недра, 1979.-319 с.

55. Маричев Ф.Н., Гетманский М.Д. Внутренняя коррозия и защита трубопроводов на нефтяных месторождениях Западной Сибири. М., 1981 -63с. (Обзорная информация/ВНИИОЭНГ Сер. "Коррозия и защита окружающей среды", вып.8).

56. Маркин А.Н. // Защита металлов. 1995. -Т.31, №4; 1996. - Т32, №5.

57. Мингалев Э.П., Кузьмичева О.Н., Маланичев Г.Д. Проблемы коррозии и защиты трубопроводов на нефтяных месторождениях Тюменской области. М.: ВНИИОЭНГ. РНТС Транспорт и хранение нефти и нефтепродутков, 1983, № 10, С. 20-30.

58. Мингалев Э.П., Маланичев Г. Д., Борисенко А .Я., Филимонова Л.В. Защита нефтепромысловых систем от коррозии. // Сборник научных трудов: Обустройство нефтяных месторождений Западной Сибири. Тюмень, Гипротюменнефтегаз, 1999. — С. 72-76.

59. Мингалев Э.П., Силаев А.А. К вопросу о механизме коррозионного разрушения нефтесборных коллекторов. М.: ВНИИОЭНГ. РНТС Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1981, № 4, С. 18-20.

60. Мироненко А.В. Фотоэлектрические измерительные системы. М.: Энергия, 1967.

61. Моисеева А.С., Кузнецов Ю.И. // Защита металлов. 1995. - Т.32,

62. Новицкий В.В. Новые исследования по методу муаров. В сб.: Расчет пространственных конструкций. — М., Стройиздат, вып. 11, 1967.

63. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов / Б. А. Агранат, М. Н. Дубровин, Н. Н. Хавский и др. — М.: Высш. шк., 1987. — 352 с.

64. Павлов П.В. Влияние гидродинамических режимов на коррозию нефтесборных трубопроводов. // Сборник научных трудов: Обустройство нефтяных месторождений Западной Сибири. Тюмень, Гипротюменнефтегаз, 1999. - С. 76-85.

65. Павлов П.В. Методика оценки надежности трубопроводов при проектировании систем сбора и транспорта нефти // Сборник научных трудов: Обустройство нефтяных месторождений Западной Сибири. — Тюмень, Гипротюменнефтегаз, 1999. — С. 62-72.

66. Перекупка А.Г., Павлов П.В. и др. Инструкция по проектированию и эксплуатации антикоррозионной защиты трубопроводов систем нетегазосбора на месторождениях Западной Сибири //Гипротюменнефтегаз, 1989,39 с.

67. Половко A.M. Основы теории надежности. М.: Наука, 1964. — 446 с.

68. Пуртов А.В., Симонов В.В. Методы сканирования геометрической формы оболочки магистрального трубопровода //Известия вузов. Нефть и газ, 1998. С.67-70.

69. Разработка АСУТП в системе ТРЕЙС МОУД: задачи и перспективы //Тезисы докл. Восьмой международной конференции. — Москва, 2002. — 179 с.

70. РД 39-0147323-339-89-Р Инструкция по проектированию и эксплуатации антикоррозионной защиты трубопроводов систем нефтегазосбора на месторождениях Западной Сибири. — Тюмень, 1989. — 40 с.

71. Ржаницин А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. — М.: Стройиздат, 1978. 239 с.

72. Саакиян JI.C., Соболева И.А. Защита нефтегазопромыслового оборудования от разрушения, вызываемого сероводородом. Сер.: Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1981. — С.74.

73. Самофалов К.Г. и др. Микропроцессоры / К.Г. Самофалов, О.В. Викторов, А.К. Кузняк. К.: Техника, 1986. - 278 с.

74. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под ред. Г.С. Варданяна. М.: Издательство АСВ, 1995.-568 с.

75. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. JL: Энергоатомиздат, 1987. — 320 с.

76. Сташин В.В. и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 224 с.

77. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: Машиностроение, 1987. — 216 с.

78. Сухарев И.П., Ушаков Б.Н. Исследования деформаций и напряжений методом муаровых полос. М.: Машиностроение, 1969. 208 с.

79. Тарасенко А.А. Напряженно-деформированное состояние вертикальных стальных резервуаров при ремонтных работах. — М.: ОАО Издательство «Недра», 1999. 270 с.

80. Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций. М.: Мир, 1972.-336 с.

81. Ульрих В.А. Микроконтроллеры PIC 16С7Х. С.-Пб.: Наука и техника, 2000. - 254 с.

82. Ультразвук: Под ред. И.П. Голяминой. М.: Сов. Энциклопедия, 1979.

83. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. Ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. - 280 с.

84. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. JI.H. Преснухина. М.: Машиностроение, 1974.

85. Хуршулов А.Г., Сабиневская И.М. Расчет технологических режимов, обеспечивающих противокоррозионную защиту нефтегазопроводов // Экспресс-информ. /ВНИИОЭНГ Сер. " Борьба с коррозией и защита окружающей среды". 1987, вып. 6, С. 14-20.

86. Эксплуатация магистральных нефтепроводов. Техника безопасности и охрана окружающей среды: Учеб. пособие / Авторы-составители: В.Н. Антипьев, Ю.Д. Земенков, С.И. Перевощиков, О.Н. Кузяков и др. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 344 с.

87. Эксплуатация магистральных нефтепроводов. Трубопроводный транспорт нефти: Учеб. пособие / Авторы-составители: В.Н. Антипьев, Ю.Д. Земенков, С.И. Перевощиков, О.Н. Кузяков и др. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.-264 с.

88. Efird K.D., Wright E.J., Boros J.A., Hailey T.G. Wall shear stress and flow accelerated corrosion of carbon steel in sweet production. — 12th International Corrosion Congress, Technical Paper TS 14 194, Houston Texas: NACE International, 1993.

89. Jepson W.P. Modelling the transition to slug flow in horizontal conduit. Can., J. Che. Engng., 67,731-740, 1989.

90. Jepson W.P. The Effect of Flow Characteristics on Sweet Corrosion in High- Pressure, Three-Phase Oil/Water/Gas Horizontal Pipelines // Proceedings of 1995 Pipeline Corrosion Conference, Houston, TX September 1995.

91. Jepson W.P., Bhongale S. Effect of Pressure, Temperature and Oil Composition on Corrosion Rate in Horizontal Multiphase Slug Flow // NACE Middle East Conference, Paper № 96006, Bahrain, February 1996.

92. Jepson W.P., Bhongale S., Gopal M. Predictive Model for Sweet Corrosion in Horizontal Multiphase Slug Flow. NACE International Annual Conference and Exhibition, Denver, CO, Paper № 96019, March 1996.

93. Jepson W.P., Bongale S., Gopal M. Predictive model for sweet corrosion in horizontal multiphase slug flow. Corrosion 96, paper no. 19, Houston Texas: NACE International, 1996.

94. Jepson W.P., Gopal M. Proposal on multiphase flow metering. NSF, IAJCRC Corrosion in multiphase system center, 1998.

95. Jepson W.P., Stitzel S., Kang C., Gopal M. Model for sweet corrosion in horizontal multiphase slug flow. Corrosion 97, paper no. 602, Houston Texas: NACE International, 1997.

96. Jepson W.P., Vuppu A.K. The Effect of Temperature in Sweet Corrosion of Horizontal Multiphase Carbon Steel Pipelines. SPE-28809, Melbourne, Australia, November 1994.

97. Kanwar S. Study and modeling of sweet corrosion of multiphase mixtures in horizontal pipeline. Master's Thesis, Ohio University, Russ College of Engineering and Technology. 1994.

98. Kanwar S., Jepson W.P. A model to predict sweet corrosion of multiphase flow in horizontal pipelines. Corrosion 94, paper no. 24. Houston, Texas: NACE International, 1994.

99. Kleppe J.A. Engineering Application of Acoustics. Artech House,1989.

100. Morris S.L., Hill A.D. Ultrasonic Imaging and Velocimetry in Two

101. Phase Pipe Flow // Energy Sources Tech. Conf. & Exhib., ASME, New Orleans, LA., Jan 14-18, 1990.

102. Rogi M. Ultrasonic Measurement for Mainline Applications // Gas Ind., 39, Nov. 1,1994, pp. 19-20.

103. Wicks M.T., Fraser J.P. Entrainment of water in floing oil/ Corrosion 93, paper 70, NACE, Houston, May 1975, pp. 9-12.115. www.adastra.ru116. www.emicon.ru

104. Warsito, Maezawa A., Uchida S., Okamura S. A Model for Simultaneous Measurement of Gas and Solid Holdups in a Bubble Column Using Ultrasonic Method. Can. J. Chem. Eng., Vol. 73, 1995.

105. Yi J., Travlarides L.L. Model for Hold-Up Measurements in Liquid Dispersions Using an Ultrasonic Technique. Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 29, № 3,1990.

106. A.c. 1043482 СССР, МКИЗ G 01 В 7/00 Емкостный преобразователь перемещений / В.Б. Снежко и B.C. Иванов (СССР) № 3444944/25-28. Заявлено 28.05.82. Опубл. 23.09.83, Бюл. № 35 - 3 е.: ил.

107. А.с. 1226017 СССР, МКИ(З) G01B7/00 Емкостной преобразователь перемещений / Кузяков О.Н., Цибульский В.Р. и Китаев В.В.- №3767791/25-28. Заявл. 05.07.84. Опубл. 23.04.86, Бюл. №15. 3 с.

108. А.с. 1249560 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Способ сбора телеметрической информации и устройство для его осуществления / О.Н.Кузяков, В.В. Китаев, А.П. Свяжин и В.Р. Цибульский № 3832921. Заявл. 02.01.85. Опубл. 07.08.86, Бюл. №29. - 3 с.

109. А.с. 1339617 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство для сбора телеметрической информации / Кузяков О.Н., Китаев В.В. и Цибульский В.Р. № 4074267/24-24. Заявл. 07.04.86. Опубл. 23.09.87, Бюл. №35. - 3 с.

110. А.с. 1448352 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство для сбора телеметрической информации / Кузяков О.Н., Китаев В.В. и Цибульский В.Р. № 4197232/24-24. Заявл.19.02.87. Опубл. 30.12.88, Бюл. № 48. -4 с.

111. А.с. 1714660 СССР, МКИ(4) G 08 С 19/28 Устройство контролируемого пункта для системы сбора телеизмерений / Кузяков О.Н. и Китаев В.В.- № 4807165/24. Заявл. 08.02.90. Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7.- 3 с.

112. А.с. 2065570 6 G 01 В 21/00 опубл. 20.08.96, Бюл. 23.

113. Кучерюк В.И., Попов A.M., Колесников А.В. Электронно-проекционный способ измерения формы и перемещений поверхности объекта.

114. А.с. 488979 СССР, МКИ2 G01B 7/08 Емкостный преобразователь перемещений/ Э.М. Бромберг и B.C. Иванов № 1991459/25-28. Заявлено 15.01.74. Опубл. 25.10.75, Бюл. №39. -3 е.: ил.

115. Патент на изобретение к А.с. RU 2150086 С1, 7 G 01 С 9/00, 9/12,9/18 Устройство для контроля перемещений / Макаров А.В. и Кузяков О.Н. №2150086/Заявл. 16.11.98. Опубл. 27.05.2000, Бюл. №15. 4 с.

116. А.с. 1102948 СССР МКИ (3)Е 21 С 39/00 Способ измерения ширины раскрытия трещин в массиве / Кузяков О.Н. и Цибульский В.Р. № 3525727/22-03. Заявл. 21.12.82. Опублик.15.07.84, Бюл. № 26. -4 с.

117. Патент на изобретение к А.с. RU 2198397 С2, 7G 01 N 29/02 Способ контроля многофазного потока в трубопроводе / Кузяков О.Н. и Дудко С.А. №2198397/ Заявл. 28.02.2001. Опубл. 10.02.2003, Бюл. №4. 3 с.• с

118. Открытое акционерное общество Тюменский проектный и научно-исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности им. В.И.Муравленко" ОАО •ТИПРОТЮМЕННЕФТЕГАЗ"•I

119. Телефона»; (3452) 24-39-46

120. Fax-(3452) 45-56-8039-61-28 Е mall: gtng@jsbtx. tmn.ru1. РЖА*??* 2002г.исх. №о внедрении (использовании) результатов докторской диссертации Кузякова Олега Николаевича

121. Использование указанных результатов позволяет повысить эффективность исследования процессов коррозии и качество проектирования, сократить затраты на проведение натурных исследований.

122. По данной работе автором получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.1. Члены комиссии:1. Председатель комиссии: