Способ и система мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением
Изобретение может быть использовано для управления изменением свойств в результате старения трубопроводов, выполненных из железобетона, с доступной наружной поверхностью (или в туннеле, или при очистке). Осуществляют статический мониторинг предварительно определенного количества особых зон трубопровода (опоры, изгибы) для получения информации кругового расширения, вычисляют действительную жесткость K(ti) трубопровода и остаточное сечение арматуры As(ti) с использованием вышеупомянутой информации кругового расширения. Дополнительно осуществляют динамический мониторинг трубопровода для получения информации, относящейся к режиму собственных колебаний и частотам колебаний трубопровода. Изобретение позволяет управлять риском разрыва трубопровода. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Настоящее изобретение относится к способу мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, а также к системе, использующей указанный способ.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение используется для управления изменением свойств в результате старения трубопроводов, в частности, выполненных из железобетона или предварительно напряженного железобетона, которые содержат текучую среду под давлением, и наружная поверхность которых является доступной (или в туннеле, или при очистке).
Указанные трубопроводы из железобетона или предварительно напряженного железобетона оборудованы стальными стержнями, которые могут подвергаться воздействию коррозии, которая через какое-то время приводит к уменьшению их поперечного сечения. Далее будет упомянута известная в этой области техники концепция остаточного поперечного сечения арматуры.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и системы мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, которые позволят операторам систем транспортировки текучей среды под давлением управлять риском разрыва трубопроводов, содержащих указанные текучие среды под давлением.
Поставленная задача решена путем создания способа мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, причем трубопровод содержит по меньшей мере одну зону непрерывной работы и особые зоны.
Способ, согласно изобретению, заключается в том, что:
осуществляют статический мониторинг предварительно определенного количества особых зон и/или зон непрерывной работы трубопровода для получения информации кругового расширения,
вычисляют действительную жесткость K(ti) трубопровода и его измеряемое остаточное поперечное сечение арматуры As(ti) с использованием упомянутой информации кругового расширения.
Изобретение касается также способа мониторинга, который содержит динамический мониторинг трубопровода для получения информации, относящейся к режиму собственных колебаний и частотам колебаний трубопровода. Указанную информацию, относящуюся к собственным волнам и частотам колебаний, используют совместно с информацией кругового расширения для вычисления действительной жесткости и остаточного поперечного сечения арматуры трубопровода.
Способ, согласно изобретению, предпочтительно может также включать:
предсказание развития во времени А's(t>ti) оценочной функции А's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры, это предсказание делается на основе модели коррозии и механической характеристики трубопровода,
сравнение между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры As(ti) и оценочной функцией А's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры, и
обновление модели коррозии, когда разность между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры As(ti) и оценочной функцией остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) превышает предварительно заданную погрешность.
В предпочтительном варианте изобретения процесс предсказания организован так, чтобы интегрировать на фазе обновления модели коррозии информацию от внешнего источника.
Способ мониторинга, согласно изобретению, также может включать сравнение измеренного значения As(ti) остаточного поперечного сечения арматуры с предельным критерием для механической прочности (ПК, CL), после чего
либо передают информацию для немедленной замены секции трубопровода, соответствующей зонам мониторинга, когда измеренное значение As(ti) меньше предельного критерия для механической прочности (CL),
либо вычисляют оставшийся срок эксплуатации D(ti) трубопровода.
Способ, согласно изобретению, может также включать сравнение измеренного значения As(ti) остаточного поперечного сечения арматуры с аварийным критерием (АК, CA), ассоциированным с механической прочностью трубопровода, после чего
либо передают информацию для укрепления и последующей замены секции трубопровода, соответствующей зонам мониторинга, когда измеренное значение As(ti) меньше аварийного критерия (AC),
либо вычисляют время работы до приведения в действие аварийной сигнализации Da(ti) трубопровода.
Согласно другому аспекту изобретения предложена система мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, причем трубопровод содержит по меньшей мере одну зону непрерывной работы и особые зоны, система характеризуется тем, что содержит
устройство для статического мониторинга предварительно определенного количества особых зон для получения информации кругового расширения,
средство вычисления действительной жесткости K(ti) трубопровода и измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) с использованием информации кругового расширения.
В дополнительном варианте осуществления изобретения система также содержит устройство для динамического мониторинга трубопровода для получения информации, касающейся режима собственных колебаний и частот колебаний трубопровода, и которая используется средством вычисления действительной жесткости и остаточного поперечного сечения арматуры трубопровода.
Система, согласно изобретению, предпочтительно содержит
средство предсказания развития во времени А's(t>ti) оценочной функции А's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры, это предсказание делается на основе модели коррозии и механической характеристики трубопровода,
средство сравнения измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) с оценочной функцией A's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры,
средство обновления модели коррозии, когда разность между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры As(ti) и оценочной функцией остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) превышает предварительно заданную погрешность.
Устройство статического мониторинга содержит средство измерения продольных деформаций секции трубопровода и средство измерения круговых деформаций этой секции.
Устройство динамического мониторинга содержит средство сейсмометрии для измерения скоростей смещения в предварительно заданном количестве точек на трубопроводе.
Система согласно изобретению также может содержать средство предварительной обработки исходных данных, представленных устройством статического мониторинга и устройством динамического мониторинга, средство предварительной обработки предназначено для вычисления средней деформации по заданному периоду и средних собственных частот за время работы.
Настоящее изобретение объединяет способы постоянного мониторинга рабочих характеристик при эксплуатации этого вида трубопровода и моделирования с предсказанием изменения его свойств в результате старения для управления риском разрыва трубопроводов и оптимизации периодов между их заменой.
Как представлено в таблице 1, долгосрочное функционирование особых зон (например, проходов над блоками опоры, изгибов, конических сужений и т.д.) трубопровода должно различаться с долгосрочным функционированием зоны непрерывной работы. Следовательно, интеллектуальная система мониторинга, согласно изобретению, должна интегрировать это различие в функционировании и приоритетности в мониторинге.
| Таблица 1 | ||
| Особые зоны | Зоны непрерывной работы | |
| Общая внутренняя коррозия | + | + |
| Внешняя коррозия | + | |
| Исходные неисправности | ++ | + |
| Приоритет | +++ | + |
| "Статический" мониторинг | ХХ | |
| "Динамический" мониторинг | Х (другие режимы колебаний) | ХХ (I-режим колебаний) |
Соответственно, способ, согласно изобретению, в полном варианте заключается в том, что:
используют контрольно-измерительные средства, использующие "статический" мониторинг предварительно заданного ограниченного количества особых зон (опоры, изгибы, и т.д.),
дополняют эти средства измерительными средствами, использующими "динамический" мониторинг, для секции трубопровода, содержащей зоны непрерывной работы и особые зоны.
Следует отметить, что способ, согласно изобретению, может хорошо функционировать с использованием только статического мониторинга.
Существенное преимущество, обеспечиваемое способом и системой, согласно изобретению, в полном варианте связано с объединением двух видов мониторинга (статического и динамического), новизна заключается в обеспечении возможности постоянного мониторинга механической характеристики зоны непрерывной работы и особых зон.
Второе преимущество, обеспечиваемое способом и системой, согласно изобретению, состоит в обеспечении решения, объединяющего способы мониторинга - мониторинга круговых и продольных деформаций, мониторинга собственных волн и частот - секции трубопровода и предварительной обработки измеряемых данных. Это решение позволяет косвенно определять остаточное поперечное сечение арматуры секции, оснащенной контрольно-измерительными средствами.
Третье преимущество состоит в использовании данных, сформированных при мониторинге, в модели, предсказывающей динамику коррозии металлических частей трубопроводов. Это дополнение моделирования обеспечивает возможность предсказания достижимого срока эксплуатации, что минимизирует любую неопределенность и позволяет в соответствующее время проводить техническое обслуживание.
В заключение, три указанных преимущества обеспечивают возможность оптимизации периодов между заменой трубопроводов, оснащенных контрольно-измерительными средствами, при этом осуществляя управление риском разрыва этих структур.
Способ мониторинга, согласно изобретению, обеспечивает возможность:
постоянного косвенного определения остаточного поперечного сечения арматуры в железобетонном трубопроводе;
сравнения измеренных значений с оценочными функциями, сформированными из достоверных физических моделей;
использования данных, полученных при мониторинге для предсказания долгосрочного развития остаточного поперечного сечения арматуры при минимизации источников неопределенности;
сравнения измеренных значений с критериями механической прочности;
определения глобальной стратегии для управления системой трубопроводов только посредством оснащения контрольно-измерительными средствами ограниченного количества особых секций;
проведения соответствующего технического обслуживания при ухудшении состояния трубопроводов (по стоимости и времени);
минимизации расходов, связанных с поддержанием надлежащего состояния трубопроводов;
управления риском разрыва трубопроводов;
гарантии для персонала центров мониторинга и общественности посредством обеспечения постоянного и активного управления с использованием интеллектуального устройства мониторинга.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает блок-схему последовательности операций способа, согласно изобретению;
фиг.2 - общий вид трубопровода и точки размещения устройства статического мониторинга, согласно изобретению;
фиг.3 - диаграммы функционирования трубопровода под давлением, для которого может быть обеспечено решение (случай железобетонного трубопровода), согласно изобретению;
фиг.4 - диаграммы различных стадий предварительной обработки исходных данных, обеспечивающей возможность достижения определенного значения остаточного поперечного сечения арматуры (для статического мониторинга), согласно изобретению;
фиг.5 - диаграммы процесса обновления, используемого в способе, согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объединение способов постоянного мониторинга и инструментального средства предсказания составляет интеллектуальное устройство мониторинга (ИУМ, IMD), составляющее систему согласно изобретению.
Предварительная обработка данных, сформированных при постоянном мониторинге, необходима для поддержания только ограниченного количества данных (жесткость трубопровода K(ti) и остаточное поперечное сечение его арматуры As(ti), синтезирующие измерения за определенный период).
Инструментальное средство предсказания строится по физическим законам (моделирование коррозии и механической характеристики трубопровода), позволяющим определять посредством вычисления оценочную функцию остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) и ее развитие за какое-то время А's(t>ti).
Затем остаточное поперечное сечение арматуры, полученное при мониторинге, As(ti) сравнивают в регулярные интервалы с оценочной функцией A's(ti). Если разность между этими двумя значениями превышает погрешность E, фиксированную заранее, то для обновления модели коррозии используют значение измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti). Указанный процесс обновления обеспечивает возможность повторного вычисления оценочной функции остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) и ее развитие за какое-то время A's(t>ti). Инструментальное средство предсказания разработано так, чтобы обеспечивать возможность интегрирования в фазе обновления модели коррозии информации, исходящей из источника, отличного от статического или динамического мониторинга (лабораторные испытания, визуальный контроль, количество неисправностей и т.д.).
При получении требуемой погрешности значение измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) сравнивают с предельным критерием для механической прочности CL. Если измеренное значение меньше критерия, то может быть принято решение, например, о немедленной замене секции трубопровода, оснащенной измерительно-контрольными средствами.
Если измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) больше предельного критерия, то определяют остаточный срок эксплуатации трубопровода D(t) с использованием развития остаточного поперечного сечения арматуры, вычисленного инструментальным средством предсказания.
На следующей стадии сравнивают значение измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) с аварийным критерием CA, ассоциированным с механической прочностью. При этом, если измеренное значение меньше аварийного критерия, может быть, например, осуществлено укрепление секции трубопровода, оснащенной контрольно-измерительными средствами, для отсрочки замены.
Если измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) больше аварийного критерия, то определяется наработка до приведения в действие аварийной сигнализации Da(ti) с использованием остаточного поперечного сечения арматуры, вычисленного инструментальным средством предсказания. При этих условиях техническое обслуживание должно состоять, например, в отсутствии действий, и трубопровод должен быть оставлен в этом состоянии.
Устройство статического мониторинга используется в ограниченном количестве особых зон, определенных заранее. Задача этого устройства состоит в мониторинге в особых зонах долговременного развития продольных и круговых деформаций трубопроводов.
Чтобы сделать этот статический мониторинг надежным, должны быть обеспечены два вида датчиков. Например, возможна комбинация обычных датчиков тензометрии (индукционных датчиков) и волоконно-оптических датчиков, осуществляющих измерение на основе различных длин.
Продольные деформации служат, в основном, для проверки механической прочности трубопроводов (риск разрыва) в случае случайных напряжений (землетрясения, избыточные давления). Круговые деформации используются при нормальных условиях эксплуатации в контексте решения, обеспечивающего возможность мониторинга долговременного развития остаточного поперечного сечения арматуры (фиг.3).
Устройство динамического мониторинга использует собственное колебание трубопроводов под давлением. Оно разработано для измерения скоростей смещения в заданном количестве точек с использованием сейсмометров. Задачей устройства динамического мониторинга является определение собственных волн колебаний трубопровода (волновой деформации) и ассоциированных частот.
Объем исходных данных, собранных устройством мониторинга, увеличивается в соответствии с частотой измерения. В регулярные интервалы требуется совершать предварительную обработку этих данных для получения ограниченного количества значений, обеспечивающих возможность измерения остаточного поперечного сечения арматуры.
Указанная предварительная обработка состоит в вычислении с использованием исходных данных (деформаций, давления, собственных частот, деформаций волн):
- средней деформации за заданный период (например, до, в течение и после цикла нагнетания давления);
- средних собственных частот во время работы;
- жесткости K секции трубопровода за заданный период (фиг.3 и 4);
- соответствующего остаточного поперечного сечения арматуры As.
На диаграмме фиг.4 представлены различные стадии предварительной обработки в случае статического мониторинга. Законы, определяющие зависимости между деформациями и жесткостью и между жесткостью и остаточным поперечным сечением арматуры, являются внутренними характеристиками трубопровода, оснащенного контрольно-измерительными средствами.
Для динамического мониторинга построена диаграмма, аналогичная диаграмме на фиг.4. В этом случае используемые законы позволяют определять зависимости между собственной частотой, потерей жесткости рассматриваемой зоны (это зависит от режима колебаний) и остаточным поперечным сечением арматуры. Эти законы также являются внутренними характеристиками трубопровода, оснащенного контрольно-измерительными средствами, и существенно зависят от состояния поверхности трубопровода.
Различные стадии предварительной обработки исходных данных обеспечивают возможность достижения определенного значения остаточного поперечного сечения арматуры (фиг.4), как для случая статического мониторинга.
Следующая стадия состоит в сравнении в регулярные интервалы времени остаточного поперечного сечения арматуры, полученного системой мониторинга, As(ti) с оценочной функцией A's(ti). Если разность между этими двумя значениями больше погрешности, установленной заранее, измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) используется для обновления модели коррозии.
Это обновление основано, кроме прочего, на байсовской логике, которая обеспечивает возможность улучшения разброса модели с предсказанием, когда доступны основные данные.
Процесс обновления обеспечивает возможность повторного вычисления оценочной функции остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) и ее развития за какое-то время A's(t>ti).
Инструментальное средство предсказания разработано с возможностью интегрирования в фазе обновления модели коррозии информации от источника, отличного от статического или динамического мониторинга (лабораторные испытания, визуальный контроль, количество неисправностей и т.д.).
При получении требуемой погрешности измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) сравнивают с предельным критерием для механической прочности CL. Если измеренное значение меньше критерия, то может быть принято решение, например, совершить немедленную замену секции трубопровода, оснащенной контрольно-измерительными средствами.
Следующая стадия состоит в сравнении измеренного значения остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) с аварийным критерием CA, связанным с механической прочностью. В это время, если измеренное значение меньше аварийного критерия, например, может быть осуществлено укрепление секции трубопровода, оснащенной инструментальными средствами, для отсрочки замены.
Если измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) больше предельного критерия, то определяют оставшийся срок эксплуатации трубопровода с использованием развития остаточного поперечного сечения арматуры, вычисленного инструментальным средством предсказания, следующим образом (фиг.5)
D(ti)=t(As=CL)-ti
Если измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) больше аварийного критерия, то определяют время работы до аварийной сигнализации Da(ti) с использованием развития остаточного поперечного сечения арматуры, вычисленного инструментальным средством предсказания, следующим образом:
Da(ti)=t(As=CA)-ti
Когда измеренное значение остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) больше аварийного критерия, техническое обслуживание должно состоять, например, в отсутствии каких-либо действий, и трубопровод должен быть оставлен в этом состоянии.
1. Способ мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, причем трубопровод содержит по меньшей мере одну зону непрерывной работы и особые зоны, такие, как проходы над блоками опоры, изгибы и конические сужения, отличающийся тем, что
осуществляют статический мониторинг предварительно определенного количества особых зон и/или зон непрерывной работы для получения информации кругового расширения и
вычисляют действительную жесткость K(ti) трубопровода, используя информацию измеренного кругового расширения и остаточное поперечное сечение арматуры As(ti).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют динамический мониторинг трубопровода для получения информации, относящейся к режиму собственных колебаний и частотам колебаний трубопровода, затем эту информацию, относящуюся к режиму собственных колебаний и частотам колебаний, используют для вычисления жесткости K(ti) и остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) трубопровода.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют предсказание развития во времени A's(t>ti) оценочной функции A's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры, причем предсказание осуществляют на основе модели коррозии и механической характеристики трубопровода,
осуществляют сравнение между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры Аs(ti) и оценочной функцией A's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры,
обновляют модель коррозии, когда разность между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры As(ti) и оценочной функцией остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) больше предварительно заданной погрешности.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что шаг предсказания осуществляют для интеграции информации из внешнего источника в фазе обновления модели коррозии.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют сравнение измеренного значения As(ti) остаточного поперечного сечения арматуры с предельным критерием механической прочности (CL) и затем либо передают информацию для немедленной замены секции трубопровода, соответствующей зонам мониторинга, когда измеренное значение As(ti) меньше предельного критерия для механической прочности (CL),
либо вычисляют оставшийся срок эксплуатации D(ti) трубопровода.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют сравнение измеренного значения As(ti) остаточного поперечного сечения арматуры с предельным критерием механической прочности (CL) и затем либо передают информацию для немедленной замены секции трубопровода, соответствующей зонам мониторинга, когда измеренное значение As(ti) меньше предельного критерия для механической прочности (CL),
либо вычисляют оставшийся срок эксплуатации D(ti) трубопровода.
7. Способ по любому из пп.5 и 6, отличающийся тем, что осуществляют сравнение измеренного значения As(ti) остаточного поперечного сечения арматуры с аварийным критерием (СА), ассоциированным с механической прочностью трубопровода, а затем
либо передают информацию для укрепления и последующей замены секции трубопровода, соответствующей зонам мониторинга, когда измеренное значение As(ti) меньше аварийного критерия (СА), либо вычисляют время работы до приведения в действие аварийной сигнализации Da(ti) трубопровода.
8. Система мониторинга рабочих характеристик трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, причем трубопровод содержит по меньшей мере одну зону непрерывной работы и особые зоны, такие, как проходы над блоками опоры, изгибы и конические сужения, отличающаяся тем, что содержит устройство статического мониторинга предварительно определенного количества особых зон и/или зон непрерывной работы для получения информации кругового расширения, средство вычисления действительной жесткости K(ti) трубопровода с использованием измеренной информации кругового расширения и остаточного поперечного сечения арматуры As(ti).
9. Система по п.8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство динамического мониторинга трубопровода для получения информации, касающейся режима собственных колебаний и частот колебаний трубопровода, которая используется средством вычисления действительной жесткости K(ti) и остаточного поперечного сечения арматуры As(ti).
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что устройство динамического мониторинга содержит средство сейсмометрии для измерения скоростей смещения в предварительно заданном количестве точек на трубопроводе.
11. Система по п.8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство предсказания развития во времени A's(t>ti) оценочной функции A's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры на основе модели коррозии и механической характеристики трубопровода, средство сравнения измеренного остаточного поперечного сечения арматуры As(ti) и оценочной функции A's(ti) остаточного поперечного сечения арматуры, средство обновления модели коррозии, когда разность между измеренным остаточным поперечным сечением арматуры As(ti) и оценочной функцией остаточного поперечного сечения арматуры A's(ti) больше предварительно заданной погрешности.
12. Система по п.8, отличающаяся тем, что устройство статического мониторинга содержит средство измерения продольных деформаций секции трубопровода и средство измерения круговых деформаций указанной секции.
13. Система по любому из пп.8-12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство предварительной обработки исходных данных, обеспечиваемых устройством статического мониторинга, предназначенное для вычисления средней деформации за заданный период времени.
14. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство предварительной обработки исходных данных, обеспечиваемых устройством динамического мониторинга, предназначенное для вычисления средних значений собственных частот в фазе работы.
