Способ увеличения ресурса безопасной эксплуатации металлических конструкций

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. Сущность: рассчитывают прочность элементов металлических конструкций, определяют размеры элементов металлических конструкций и усиливают их. Формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров. Осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным. Устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение параметров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров. Определяют величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса. При установлении нагрузок, не предусмотренных проектной документацией, дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации непрерывно и циклами, при этом определяют степень воздействия на металлическую конструкцию динамических характеристик транспортируемого продукта и внешней среды при изменении их физических параметров путем инструментального обследования. Заносят полученные результаты в карту замеров для последующей обработки, на основе которой проводят расчет остаточной прочности конструкции. Технический результат: расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения допустимого износа и ресурса.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к диагностике магистральных трубопроводов, расположенных на дне глубоководных водоемов, и прогнозированию его остаточного ресурса, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности для дистанционного обнаружения утечки транспортируемого продукта.

Известен способ оценки состояния металла, в частности ротора турбины, и прогнозирования его остаточного ресурса, заключающийся в определении величины остаточной деформации, в котором направляют поверхностную ультразвуковую волну вдоль осевого канала ротора при постоянной базе между излучателем и приемником и по периметру его поперечного сечения, измеряют время распространения этих волн на исследуемом и эталонном участках ротора посредством акустического блока, состоящего из двух датчиков, скрепленных постоянной базой, определяют скорость распространения ультразвуковых поверхностных волн, а оценку состояния металла и прогнозирование остаточного ресурса проводят по величине остаточной деформации и по зависимости изменения скорости ультразвуковых поверхностных волн от плотности микропор ползучести [1].

Ввиду того, что в известном способе используется заранее установленная зависимость скорости поверхностных волн от плотности микропор ползучести, то отсутствует необходимость выполнения оценки по скорости изменения измеряемых параметров.

Однако при этом технический результат достигается при условии, что измерение времени распространения ультразвуковых поверхностных волн вдоль осевого канала ротора и по периметру его поперечного сечения производят после удаления окалины, а в качестве эталона используется холодная часть ротора, что существенно сужает область применения способа, так как удаление окалины возможно только в статическом состоянии и при сравнительно малой длине ротора (металлической конструкции), что для металлических конструкций в виде магистрального трубопровода практически не осуществимо.

Для металлических конструкций, представляющих собой трубу, предназначенную для транспортирования жидкого или газообразного продукта на большие расстояния, помимо определения остаточного ресурса существенным является своевременное и оперативное определение мест утечек транспортируемого продукта, обусловленных как непосредственно техническим состоянием металлических конструкций, так и влиянием на них внешней среды, особенно при изменении ее физических параметров при возникновении экстремальных условий.

В известном способе дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода [2], включающем аэросъемку теплового поля трассы трубопровода, определение пороговых значений яркости, определение местоположения локальных участков с аномальной температурой, фиксирование значения яркости теплового поля локальных участков, в котором дополнительно проводят лазерное зондирование подстилающей поверхности трасс трубопровода не менее чем на трех исследуемых длинах волн поглощения излучения основными компонентами газовой фракции нефти на опорной длине волны, которая расположена в зоне, свободной от поглощения излучения этими компонентами, но достаточно близко к ним, определяют для каждой исследуемой длины волны и каждого элемента разложения изображения относительно яркости подстилающей поверхности как отношение яркости подстилающей поверхности для каждой длины волны к яркости подстилающей поверхности на опорной длине волны, затем определяют логарифмы относительных яркостей и их средние значения; а место утечки определяют по местоположению участка с аномальной температурой, для которого логарифм относительной яркости изображения для первой длины волны отличается от среднего значения для всего контролируемого участка на заданное пороговое значение и логарифмы относительных яркостей изображений для трех длин волн составляют пропорцию (1±0,2):(1,4±0,2):(1,2±0,2).

Благодаря тому, что помимо определения местоположения локальных участков с аномальной температурой дополнительно проводят лазерное зондирование подстилающей поверхности трассы трубопровода не менее чем на трех исследуемых длинах волн, обеспечивается возможность диагностики состояния трубопровода по изменению отношений яркости на опорной длине волны.

Однако достижение технического результата при использовании данного способа возможно только при диагностике магистральных трубопроводов, уложенных по суше и при наличии утечек.

Для магистральных трубопроводов, уложенных по дну глубоководных водоемов, данный способ практически не эффективен из-за наличия существенных погрешностей, обусловленных влиянием внешней среды.

Известен способ обнаружения утечек в трубопроводе [3], в котором для обнаружения утечек используют прибор наблюдения, выполненный в виде оптико-гидроскопического блока, соединенного с тепловизионным и телевизионным каналами обработки. При этом прибор наблюдения выполнен двухканальным и состоит из оптико-гидроскопического блока, содержащего блок силовых и измерительных катушек, внутри которого размещены карданов подвес и установленные вдоль одной оптической оси, соосной с осью карданова подвеса, призма БР-180, малая корригирующая линза, пластина и двухспектральное фотоприемное устройство, подсоединенное к усилителю, а также большая корригирующая линза и рефлектор, являющийся зеркалом-магнитом, при этом призма БР-180 и малая корригирующая линза закреплены на внешнем кольце карданова подвеса, на котором также установлены большая корригирующая линза и рефлектор, а пластина и фотоприемное устройство с усилителем закреплены во внутреннем кольце карданова подвеса, причем в опоре гироскопа установлен микрохолодильник.

Комплексирование оптико-гироскопического канала с тепловизионным и телевизионным каналами, основанными на разных физических принципах, повышает эффективность обнаружения утечек локальных трубопроводов преимущественно с внешней стороны трубопровода при транспортировке продукта в виде жидкой массы, однако использование данного способа ограничено из-за необходимости учета влияния внешних факторов, которое может быть существенным, особенно для трубопроводов, расположенных на дне водоемов с неблагоприятными физико-географическими и гидрологическими условиями.

Известен также способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающийся в обзоре трубопровода трассоискателем, одновременным сканированием трубопровода телевизионным датчиком, с помощью которого определяют место утечки, в котором обзор трубопровода осуществляют облетом на маловысотном летательном аппарате с использованием в качестве трассоискателя метрового локатора, а для определения места утечки дополнительно используют тепловизионный датчик, сьюстированный с тепловизионным датчиком, и осуществляют совместную цифровую фильтрацию сигналов локатора, телевизионного и тепловизионного датчика [4].

Данный способ имеет ограниченное применение, т.к. его использование возможно только для определения утечки в трубопроводах, уложенных на поверхности суши или уложенных в грунте, и при благоприятных погодных условиях для выполнения полетов и отсутствии навигационных опасностей.

Известен также способ контроля магистрального трубопровода посредством обнаружения с вертолета облака метана над трубопроводом с использованием лазерного локатора, сканирующего атмосферу вдоль газопровода тремя разностными лучами [5].

Данный способ имеет ограничения по использованию, обусловленные благоприятными погодными условиями для выполнения полетов.

Известен также способ определения координат места повреждения изоляции подземного трубопровода путем измерения разности потенциалов, в котором определяют координаты центра дефектных мест изоляции трубопровода по оси и периметру его сечения в горизонтальных и вертикальных плоскостях по максимальному значению разности потенциалов в этих координатах посредством шагового перемещения датчика по оси трубопровода перпендикулярно оси и по глубине залегания трубопровода [6].

Данный способ благодаря возможности шагового перемещения датчика по оси трубопровода перпендикулярно оси и по глубине залегания трубопровода позволяет производить диагностику по результатам измерений, полученных по шаговому принципу. Однако данный способ имеет положительный эффект при контроле локальных участков трубопровода из-за низкой производительности. Использование его для контроля магистральных трубопроводов, имеющих длину 1000 км и более, потребует применения существенного количества датчиков, что повлечет за собой существенное увеличение трудовых и материальных затрат.

Известен также способ диагностики трубопроводов, имеющих большую протяженность, в основу которого положен метод акустической эмиссии [7].

При этом процедура тестирования заключается в изменении уровня давления в трубопроводе для стимуляции акустической эмиссии источников, связанных с наличием дефектов. Регистрация уровня сигналов акустической эмиссии осуществляется в реальном масштабе времени, начиная с момента изменения уровня давления на 5-10% от рабочего в сторону его увеличения или уменьшения. При этом локация производится с учетом всех реальных сочетаний сигналов и характера их затухания путем фильтрации шумов с последующей автоматической кластеризацией и определением характеристик кластеров.

Применение данного способа позволяет за один цикл, составляющий приблизительно 40-60 минут, охватить 500 м трубопровода. Недостатками способа является выполнение контроля только по зонному принципу с размещением датчиков на расстоянии друг от друга до 100 м. При выполнении линейной локации увеличивается вероятность одновременного срабатывания нескольких источников акустической эмиссии и, как следствие этого, определение координат с большими ошибками, а также должен быть обеспечен доступ к поверхности трубопровода, что в условиях эксплуатации трубопроводов, расположенных на дне водоемов, не всегда может быть обеспечено из-за наличия донных отложений. Кроме того, зонная локация с размещением датчиков на расстояниях более 100 м друг от друга приводит к неоднозначности результатов диагностики, так как точность локации зависит от размеров базы. Вследствие этого получение результатов измерений с необходимой точностью возможно только путем корреляционной обработки сигналов локации, который должен быть адаптирован к решению задачи локации отраженных во времени сигналов переходного типа для удаления шумов, в том числе и шумов электромагнитного происхождения.

Известны также способы локального контроля участков подводных трубопроводов путем визуального обследования водолазами или телевизионного обследования с подводных аппаратов [8], которые при сравнительно низкой производительности и эффективности являются трудоемкими и дорогостоящими операциями и практически не являются средствами объективного контроля для трубопроводов большой протяженности, так как они могут использоваться только при благоприятных гидрометеорологических условиях.

Известен также способ для измерения механической деформации в элементах конструкции, в котором используют материал, который изменяет свою фазу под действием деформации так, что измерение фазового изменения показывает деформацию. При этом материал должен представлять собой преобразованную легированную сталь с улучшенной пластичностью. Указанные элементы могут быть выполнены как элементы, закрепленные на поверхности конструкции, так и представлять часть конструкции [9].

Так как указанные элементы могут быть закреплены на трубопроводе только посредством сварки, то это приводит к развитию дополнительных сварочных напряжений и деформаций, а с учетом того, что пластичность зависит от условий деформирования (скорость нягружения, температура, давление и т.д.), то при использовании данного способа для магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов, необходимо учитывать изменения, обусловленные влиянием внешней среды, что существенно снижает эффективность данного способа.

Известен также способ контроля трубопровода путем измерения в двух сечениях и сравнения между собой уровня ультразвуковых колебаний, генерируемых транспортируемой средой, в котором с целью возможности контроля качества изготовления и монтажа путевых соединений трубопроводов уровень ультразвуковых колебаний измеряют за путевым соединением в сечениях, расположенных на расстоянии меньше одного диаметра и более двух диаметров ниже по потоку [10]. Данный способ имеет положительный эффект при использовании его для диагностики локальных трубопроводов, проложенных по суше, но практически не эффективен при размещении трубопроводов по дну водоемов, особенно на сравнительно больших глубинах, когда ультразвуковые колебания будут отражаться от реверберационных слоев.

Отмеченных недостатков частично лишен способ экстренной диагностики трубопроводов высокого давления, заключающийся в том, что измеряют ковариационную функцию r_ij(f) дисперсии δ_ij и среднее значение амплитуды а_j виброакустического шума в начальный период трубопровода и через заданный период наработки, а о состоянии изделия судят по результату сравнения измеряемых величин, в котором измерения производят несколькими датчиками, расположенными по всей длине трубопровода, причем измеряются все значимые ковариационные функции, а также бактеровские и логарифмические функционалы, при этом производят сравнения вновь полученных функционалов с полученными в стационарных условиях в течение достаточно большого интервала времени, а о наличии дефекта судят по невыполнению следующих соотношений [11]:

где Т - длительность измерения параметров виброакустического шума в стационарных условиях;

Λ - полоса пропускания,

r_ij(t) - оценка взаимной ковариационной функции в начальный период наблюдения;

r_ij(t)=cov(ξ_i(1+s), ξ_i(s)) - i-го и j-го сигналов;

а_i - стационарное значение среднего i-го сигнала

d_i - логарифмический функционал, полученный в стационарных условиях:

β_ij - взаимный бактеровский функционал i-го и j-го сигналов:

Λ - интервал сканирования;

- текущие значения тех же параметров.

Основным недостатком данного способа является то, что для сравнения вновь полученных функционалов, представляющих собой переменную величину, зависящую от выбора одной или нескольких функций (функционал логарифмический), и оператор, отображающий бесконечномерное пространство в множестве действий или комплексных чисел (функционал бактеровский) с полученным в стационарных условиях, требуется достаточно большой интервал времени для выбора однозначного достоверного критерия при определении критических параметров, что не позволяет использовать его для экстренной диагностики трубопроводов высокого давления.

Кроме того, для получения достаточной оценки необходимо выполнить объемные измерения для набора статистических данных с последующей их обработкой с использованием сложного математического аппарата (ковариационные функции, бактеровские и логарифмические функционалы), что в сочетании с отсутствием в известном способе (как и аналогах) учета условий влияния внешней среды, обусловленных литодинамическими процессами, придонными течениями, волнением и ледовыми нагрузками в прибрежной зоне, не позволяет оперативно оценить степень воздействия внешних факторов. При диагностике по виброакустическим шумам для трубопроводов, размещенных на дне водоема, акустические шумы внешней среды при экстремальных условиях вносят дополнительную погрешность при измерениях, что существенно снижает эффективность экстренной диагностики магистральных трубопроводов высокого давления и сужает область применения известных способов, особенно в зонах, подверженных динамическому изменению физико-географических и гидрологических факторов.

Известные способы диагностики трубопроводов обеспечивают решение задач, направленных на выявление мест утечек транспортируемого продукта или связанных с обнаружением дефектов механического происхождения (вмятины, нарушение целостности сварных соединений и изоляции), вызванных питинговой и общей коррозией на теле трубы и потерей металла вследствие вмятин и заливов, преимущественно путем измерения сигналов по виброакустическим шумам или изменением давления с использованием зонного принципа. Использование известных способов для экстренной диагностики магистральных трубопроводов, уложенных по дну водоемов (морей и заливов) и имеющих длину сотни километров, практически неэффективно по причине их низкой производительности.

Для диагностики трубопроводов большой протяженности, уложенных по дну водоемов, помимо решения задач внутренней и внешней дефектоскопии на локальных участках, необходимо и решение задачи по определению проблемных участков трубопровода на ранних стадиях развития предаварийной ситуации одновременно по всей длине трубопровода, что может быть достигнуто при обеспечении непрерывного контроля технического состояния трубопровода с обеспечением синхронизации измеряемых параметров по всей длине трубопровода от единой системы часов реального времени и календаря. Необходимость решения данной задачи обусловлена тем, что собственная динамика таких трубопроводов подвержена существенному влиянию внешних факторов. Так элементы трубопроводов, лежащих над разломами или каньонами морского дна, под воздействием морских течений и движением песчаных волн испытывают как стационарные, так и пульсирующие нагрузки большой интенсивности. Эти нагрузки помимо статических деформаций трубопровода вызывают и их вибрацию. Последняя в процессе эксплуатации в экстремальных условиях может сравнительно за короткое время привести к появлению в материале трубопровода усталостных напряжений и как следствие этого к его преждевременному разрушению. Низкочастотные пульсации давления перекачиваемого продукта оказывают влияние на значения перерезывающих сил и изгибающих моментов, возникающих на изогнутых участках трубопровода. Возникающие нагрузки зависят от геометрии изогнутых участков и условий их закрепления и в определенной степени определяют ресурс изогнутых участков. И если при использовании известных способов диагностики локальных участков трубопровода, включающих критические узлы и элементы, обеспечивается возможность по измеренным посредством датчиков сигналов с последующей их обработкой по статистическим характеристикам, таким как спектры мощности и корреляционные функции, с последующим сравнением с эталонными значениями выполнить анализ возможных последующих повреждений, то обеспечить контроль технического состояния по всей длине трубопровода одновременно посредством известных способов практически невозможно ввиду того, что известные способы диагностики по набору измеряемых физических параметров не позволяют определить степень воздействия на трубопровод изменяющихся во времени таких факторов, как увеличение статических нагрузок на трубопровод вследствие его деформации, вызванной планово-высотным перемещением конструкций вследствие заглубления в грунт морского дна, возникновением свободных пролетов, влиянием морских отложений, ввиду изменчивости критических элементов гидрометеорологических факторов, таких как ледяной покров, абразия, в том числе ледовая в прибрежной зоне, литодинамические процессы, поверхностное волнение в прибрежной зоне, подводные течения, колебания уровня моря, скорость и направление ветра в прибрежной зоне, температура воздуха и морской воды в прибрежной зоне, рост морских отложений, влияние ингибиторов, движение песчаных волн.

Известен также способ увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов строительных металлических конструкций [12], основанный на проведении расчетов прочности элементов металлических конструкций, инструментальном определении размеров элементов металлических конструкций и последующем их усилении, в котором сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки - постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение размеров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют размеры усиливающих элементов, используемых для последующего усиления тех элементов металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения превышают допустимые, и, наконец, определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса. Кроме того, в процессе анализа проектной документации на металлические конструкции в виде ферм присваивают номера узлам - местам пересечения стержней и рассчитывают их координаты в прямоугольной системе координат, при этом начало координат помещают в узле с номером 1, ось Х направляют вдоль фермы, а ось У помещают в плоскости фермы, а при обработке данных анализа проектной документации рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций - площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций, а в качестве постоянных нагрузок используют весовые нагрузки от слоев покрытия элементов металлических конструкций, а в качестве временных - весовые нагрузки от снегового покрова на покрытие и от подвижного подъемно-транспортного оборудования, а отношение допустимых и эксплуатационных напряжений для элементов, у которых осуществляют инструментальное определение размеров, находится в пределах 1-1,5, а максимальный износ, определяемый при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, выражают в процентах к проектной толщине полки профиля, а при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций - площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций с использованием максимальных износов, а ресурс определяют из допущения, что в течение допустимого срока эксплуатации скорость коррозии элементов металлических конструкций постоянна и не превысит равномерную вероятную максимальную скорость коррозии соответствующего элемента металлической конструкции, определяемую при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, а величину ресурса определяют в годах.

По сравнению с известными способами [1-11] в данном способе благодаря тому, что сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки - постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, обеспечивается возможность определения для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса.

Однако безопасная эксплуатация элементов металлических конструкций, предназначенных для транспортирования внутри них жидких или газообразных продуктов и уложенных на дне глубоководного водоема, в значительной степени зависит от учета условий влияния внешней среды, обусловленных литодинамическими процессами, придонными течениями, волнением и ледовыми нагрузками в прибрежной зоне. Отсутствие в известных способах учета условий влияния этих условий существенно снижает эффективность диагностики металлических конструкций и как следствие этого снижает достоверность определения допустимого износа и ресурса, что сужает область применения известных способов в естественных природных условиях, особенно в зонах, подверженных динамическому изменению физико-географических и гидрологических факторов.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов металлических конструкций с одновременным повышением достоверности определения допустимого износа и ресурса.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов металлических конструкций, основанном на проведении расчетов прочности элементов металлических конструкций, инструментальном определении размеров элементов металлических конструкций и последующем их усилении, в котором сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки - постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение параметров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют элементы металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения превышают допустимые, и определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса, а в процессе анализа проектной документации на металлические конструкции в узлах сочленения присваивают номера узлам и рассчитывают их координаты в прямоугольной системе координат, при этом начало координат помещают в узле с номером 1, ось Х направляют вдоль конструкции, а ось У помещают в плоскости конструкции, а при обработке данных анализа проектной документации рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций - площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций, а в качестве постоянных нагрузок используют весовые нагрузки от слоев покрытия элементов металлических конструкций, а в качестве временных - весовые нагрузки на покрытие от транспортируемого продукта и вспомогательного оборудования, а отношение допустимых и эксплуатационных напряжений для элементов, у которых осуществляют инструментальное определение размеров, находится в пределах 1-1,5, а максимальный износ, определяемый при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, выражают в процентах к проектной толщине конструкции, а при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций - площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций с использованием максимальных износов, а ресурс определяют из допущения, что в течение допустимого срока эксплуатации скорость коррозии элементов металлических конструкций постоянна и не превысит равномерную вероятную максимальную скорость коррозии соответствующего элемента металлической конструкции, определяемую при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, а величину ресурса определяют во временных интервалах, в котором при установлении нагрузок, не предусмотренных проектной документацией, дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации непрерывно и циклами, при этом определяют степень воздействия на металлическую конструкцию динамических характеристик транспортируемого продукта и внешней среды при изменении их физических параметров путем инструментального обследования посредством датчиков, размещенных стационарно на внешней и внутренней поверхностях конструкции, перемещающихся внутри полых частей конструкции в потоке транспортируемого продукта со скоростью, равной или меньше скорости потока, и вдоль трассы размещения металлической конструкции с синхронизацией измеряемых параметров от единой системы часов реального времени и календаря с определением планово-высотных и географических координат и измерением линейного смещения, угловой скорости, частоты и амплитуды вибрации на стыковых участках, а о степени воздействия судят по сравнению данных проектной документации и измеренных физических величин посредством кластеризации и численного моделирования до и после воздействия с занесением полученных результатов в карту замеров для последующей обработки, на основе которой проводят расчет остаточной прочности конструкции.

В отличие от известных способов экстренной диагностики трубопроводов высокого давления и способа увеличения безопасной эксплуатации металлических конструкций, которые обеспечивают решение задач, направленных на выявление мест утечек транспортируемого продукта или связанных с обнаружением дефектов механического происхождения (вмятины, нарушение целостности сварных соединений и изоляции), вызванных питинговой и общей коррозией на теле трубы и потерей металла вследствие вмятин и заливов, преимущественно путем измерения сигналов по виброакустическим шумам или изменением давления, или при отклонении заданных размеров металлических конструкций с использованием зонного принципа для обеспечения решения задач внутренней и внешней дефектоскопии на локальных участках, в заявляемом техническом предложении обеспечивается решение задачи по определению проблемных участков трубопровода на ранних стадиях развития предаварийной ситуации одновременно по всей длине трубопровода, что достигается при обеспечении непрерывного контроля технического состояния трубопровода с обеспечением синхронизации измеряемых параметров по всей длине трубопровода от единой системы часов реального времени и календаря. В заявляемом техническом решении посредством датчиков измеряют конкретные физические параметры, а именно линейное смещение, угловую скорость, частоту и амплитуду вибрации на стыковых участках трубопроводов, планово-высотные и географические координаты, а сравнение результатов измерений выполняют с учетом корректирующих сигналов, обусловленных влиянием литодинамических процессов, придонных течений, волнения и ледовых нагрузок в прибрежной зоне, измерение физических величин, характеризующих состояние трубопровода и внешней среды, выполняют с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря.

Новым в заявляемом техническом решении является измерение конкретных физических величин, таких как линейное смещение, угловая скорость, частота и амплитуда вибрации на стыковых участках трубопровода, определение планово-высотных и географических координат, посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода и с внешней стороны, с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря; при установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами, n-датчиков, размещенных внутри трубопровода, перемещаются в потоке транспортируемого продукта; n-датчиков перемещаются в транспортируемом продукте со скоростью, равной скорости потока или менее скорости потока; дополнительно определяют степень воздействия на трубопровод внешней среды при изменении ее физических параметров по одновременно измеренным сигналам посредством датчиков, размещенных внутри трубопровода и с внешней стороны, о степени воздействия судят по сравнению измеренных и эталонных физических величин посредством кластеризации и численного моделирования в процессе непрерывной обработки и циклами до и после воздействия; измерение физических параметров внешней среды выполняют посредством датчиков, размещенных в точках наблюдения, расположенных на разных уровнях в горизонтальной и вертикальной плоскостях внешней среды, n-датчиков, расположенных в точках наблюдения, размещены стационарно и на подвижных морских объектах, посредством которых дополнительно регистрируют сигналы искусственных аномалий в водной среде и акустического импеданса донных слоев. Определение эталонных параметров выполняют с учетом корректирующих сигналов, обусловленных влиянием литодинамических процессов, придонных течений, волнения и ледовых нагрузок в прибрежной зоне.

Совокупность новых признаков заявляемого технического решения из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.

По длине магистрального трубопровода высокого давления на стыковых участках устанавливают датчики, представляющие собой, например, гироскоп или измеритель центростремительных сил, или акселерометр, обеспечивающий измерение более широкого спектра физических параметров по сравнению с гироскопом и измерителем центростремительных сил, позволяющих измерять только угловую скорость твердого тела, являющегося одной из величин, характеризующих его физическое состояние.

Датчики (акселерометры) крепятся на трубопроводе посредством бандажных колец и соединены с береговой станцией (станциями) волоконно-оптическим кабелем.

Посредством датчиков измеряют следующие параметры:

- линейное смещение;

- угловую скорость;

- частоту вибрации;

- амплитуду вибрации.

Диагностику трубопровода выполняют в следующей последовательности.

Посредством датчиков с чувствительным элементом, представляющим собой преобразователь инерциальной информации, измеряют параметры на стыковых участках трубопровода в течение определенных интервалов времени.

По волоконно-оптическому кабелю измеренные параметры транслируются на модуль апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенный на береговой станции.

Одновременно с этими замерами регистрируют аналогичные физические параметры посредством датчиков, расположенных внутри трубопровода, преимущественно в точках сосредоточения арматуры (компрессорные станции, температурные компенсаторы, разъемные элементы и т.д.), которые также по волоконно-оптическому кабелю транслируют на береговую станцию. Посредством датчиков, перемещающихся со скоростью или менее скорости потока транспортируемого продукта, по измеренным параметрам определяют планово-высотные и географические координаты трубопровода, а также радиусы и углы изгибов участков труб, внутренний диаметр трубопровода. Датчики представляют собой корпус торпедообразной формы, выполненный из полимерного материала высокого давления, снабженный движителем, выполненным в виде нескольких полиуретановых манжет или в виде ротора пластинчатого типа, а также поддерживающими и одометрическими колесами. На внутренней поверхности корпуса установлены бесплатформенная инерциальная навигационная система, блок центрального контроллера в памяти, одометрический блок, блок идентификации поперечных швов трубопровода, модуль управления движением при дефектоскопических измерениях, блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены модуль профилеметрических измерений, модуль магнитной дефектоскопии, акустические излучатели. Блок центрального контроллера и памяти посредством телефонной линии связи соединен с модулем апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенным на береговой станции.

Отдельные датчики, перемещающиеся в потоке транспортируемого продукта, имеют скорость, меньшую, чем скорость потока, что необходимо для регистрации физических величин, характеризующих дефекты, вызванные питинговой и общей коррозией на внутренней поверхности трубопровода, с определением пространственного положения этих дефектов. Пространственное положение перемещающихся датчиков определяется посредством бесплатформенной инерциальной навигационной системой, которая обеспечивает выработку таких параметров, как координаты, скорость, курс угловых скоростей и ускорений в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно оси трубопровода, линейных ускорений.

При установлении эталонных параметров дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении параметров внешней среды в период эксплуатации трубопровода непрерывно и циклами. Для этого размещают датчики с внешней стороны трубопровода в точках наблюдения, расположенных на разных уровнях в горизонтальной и вертикальной плоскостях внешней среды стационарно и на подвижных морских объектах. Датчики, устанавливаемые стационарно, представляют собой устройство, состоящее из герметического корпуса, внутри которого размещены блок определения ориентации датчика, включающий измерители углов наклона и азимута; блок акселерометров для измерения компонент волнового поля; блок гидроакустических датчиков давления; блок гидроакустической связи; блок синхронизации; блок питания. На внешней поверхности корпуса размещена гидроакустическая антенна и узел крепления датчика к морскому дну. Датчики размещаются вдоль трассы по обе стороны трубопровода на определенных расстояниях параллельно и перпендикулярно оси трубопровода. Аналогично располагаются и датчики, размещенные на поверхности моря, представляющие собой дрифтеры, которые дополнительно снабжены антенной и блоком связи со спутниковым навигационным аппаратом.

Датчики, размещаемые на подвижных морских объектах (суда, управляемые подводные аппараты), представляют собой многолучевой эхолот для съемки рельефа дна, гидролокатор бокового обзора, гидроакустический профилограф дна, сканирующий гидролокатор, модуль обнаружения и идентификации искусственных акустических аномалий в водной среде путем измерения скорости звука, плотности и акустического импеданса в диапазоне глубин от 0,5 до 250 м. Модуль обнаружения и индентификации искусственных аномалий может быть также размещен на дрифтерах.

При измерении посредством датчиков в том или ином сочетании выполняют с синхронизацией измеряемых величин от единой системы часов реального времени и календаря.

Измеренные посредством датчиков физические величины, характеризующие технико-эксплуатационное состояние трубопровода, внешней среды по линиям связи поступают на модуль апостериорной обработки измеренных физических величин, размещенный на береговой станции, где по результатам сравнения эталонных и измеренных физических величин посредством датчиков выполняют диагностику трубопровода и степень воздействия на трубопровод внешней среды при изменении ее физических параметров посредством кластеризации и численного моделирования посредством сеточных методов нелинейного численного анализа.

Реализация заявляемого технического предложения технической трудности не представляет, так как датчики измерения физических величин имеют промышленную применимость, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент РФ №2187101.

2. Патент РФ №2073816.

3. Патент РФ №2081369.

4. Патент РФ №2040783.

5. Патент РФ №2108597.

6. Патент РФ №2076989.

7. Сайт DIAPAC KORAL.htm.

8. Проспект завода "Марион", Ленинград, 1990 г.

9. Заявка на выдачу патента РФ №93005061 от 18.03.93, G 01 B 7/16, PCT/US 91/06757 от 18.09.91.

10. Авторское свидетельство №1227904.

11. Патент РФ №2079829.

12. Патент РФ №2073780.

Способ увеличения ресурса безопасной эксплуатации металлических конструкций магистральных трубопроводов, расположенных на дне глубоководных водоемов, основанный на проведении расчетов прочности элементов металлических конструкций, инструментальном определении размеров элементов металлических конструкций и последующем их усилении, в котором сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки, постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение параметров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют элементы металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения превышают допустимые, и определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса, отличающийся тем, что при установлении нагрузок, не предусмотренных проектной документацией, дополнительно определяют физические параметры внешней среды с последующей их коррекцией при изменении физических параметров внешней среды в период эксплуатации непрерывно и циклами, при этом определяют степень воздействия на металлическую конструкцию динамических характеристик транспортируемого продукта и внешней среды при изменении их физических параметров путем инструментального обследования посредством датчиков, размещенных на внешней и внутренней поверхностях конструкции, перемещающихся внутри полых частей конструкции в потоке транспортируемого продукта со скоростью, равной или меньше скорости потока, и вдоль трассы размещения металлической конструкции с синхронизацией измеряемых параметров от единой системы часов реального времени и календаря с определением планово-высотных и географических координат и измерением линейного смещения, угловой скорости, частоты и амплитуды вибрации на стыковых участках, а о степени воздействия судят по сравнению данных проектной документации и измеренных физических величин посредством кластеризации и численного моделирования до и после воздействия с занесением полученных результатов в карту замеров для последующей обработки, на основе которой проводят расчет остаточной прочности конструкции, при этом измерение физических параметров внешней среды выполняют посредством датчиков, размещенных в точках наблюдения, расположенных на разных уровнях в горизонтальной и вертикальной плоскостях внешней среды, размещенных стационарно и на подвижных морских объектах с дополнительной регистрацией сигналов искусственных акустических аномалий в водной среде и акустического импеданса донных слоев.