Lyapichev_D.M._i_dr._Ocenka_napryazhenno-deformirovannogo_sostoyaniya_truboprovoda
.pdf
К преимуществам данного метода следует отнести:
-возможность оперативного увеличения числа точек контроля;
-отсутствие необходимости прямой видимости между объектом контроля
ибазовой станцией;
-возможность определения абсолютных координат точки контроля.
Рис. 1.2. Переносная GNSS антенна-приемник, установленная на трубопроводе с помощью специального крепления
Недостатками данного метода являются:
-невозможность мониторинга объектов внутри укрытий, зданий и соору-
жений;
-необходимость установки дорогостоящей базовой станции;
-зависимость точности определения координат от погодных условий и видимости спутников.
Тем не менее, натурные исследования, проведенные специалистами
11
АО «Газпром оргэнергогаз» на объектах ПАО «Газпром» [10], показали, что погрешностьопределениякоординатточекповерхностинадземныхтрубопроводов даннымметодомнепревышает5 мм, чтопозволяетоценитьНДСс необходимой для практических задач точностью.
Не менее привлекательной для мониторинга изменения планово-высот- ного положения трубопровода является технология лазерной дальнометрии, реализованная в современных роботизированных тахеометрах (рис. 1.3) и лазерных сканерах.
Рис. 1.3. Роботизированный тахеометр в климатическом шкафу, установленном на крыше комплектной трансформаторной подстанции аппаратов воздушного охлаждения газа
Преимуществом данной технологии является высочайшая точность определения координат (до 1 мм), а также возможность контроля любой визуально доступной точки поверхности объекта.
Кроме того, применение лазерной дальнометрии позволяет не только оперативно увеличивать количество точек контроля, но делать это без значимого
12
увеличения стоимости всей системы. Недостатком данного метода является необходимость визуального контакта точки измерения и тахеометра (лазерного сканера), а также отсутствие на рынке приборов, стабильно работающих в условиях экстремальных температур, характерных для отдельных объектов ПАО «Газпром».
Ещеоднимметодомоценкипланово-высотногоположениятрубопроводов является контроль состояния их опорной системы, в частности углов наклона опор, с применением трёхосевых инклинометров.
На рисунке 1.4 представлен элемент такой системы, разработанной СУ «Кубаньоргэнергогаз» АО «Газпром оргэнергогаз» и успешно внедренной в производство.
Рис. 1.4. Система контроля положения опорных конструкций, установленная на действующем нефтепроводе
Переходя к рассмотрению тензометрии, нельзя не отметить, что эта технология позволяет достигнуть максимальной точности оценки деформированного состояния металла, однако и она не лишена недостатков.
13
1.2. Тензометрия трубопроводов
На объектах ПАО «Газпром» нашли применение следующие типы тензометрических датчиков:
-тензорезисторы;
-струнные датчики;
-волоконно-оптические датчики на решетках Брэгга;
-протяженные волоконно-оптические сенсоры.
Тензорезисторы (рис. 1.5) – датчики, в которых используются резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от степени их деформации.
Рис. 1.5. Тензорезистор [11]
Так, например, сопротивление металлического проводника при удлинении можно определить по формуле:
R |
SП |
l |
, |
(1.7) |
R |
|
l |
|
|
где R – изменение электрического сопротивления отрезка металлической проволоки при ее удлинении, Ом; R – исходное электрическое сопротивление отрезка металлической проволоки, Ом; SП – коэффициент тензочувствительности
14
проволоки(какправило, SП=const); l – удлинениеотрезкапроволокипридеформировании, м; l – исходная длина отрезка проволоки, м.
Тензорезисторы имеют малую базу, что позволяет монтировать розетки из трех датчиков (рис. 1.6) на площадке небольших размеров и оценивать все компонентыдеформаций, определятьвеличинуинаправлениеглавныхнапряжений.
Рис. 1.6. Розетка тензорезисторов с датчиками под углами 0°, 45°, 90° (прямоугольная розетка) [12]
Для определения модуля и направления главных напряжений по показаниям датчиков прямоугольной розетки могут быть применены следующие формулы:
max |
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
( 1 |
3 ) |
2 |
2 2 |
( 1 3 ) |
2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
||||
min |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
( 1 |
3 ) |
|
|
2 2 |
( 1 3 ) |
|
|
, |
(1.8) |
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
р |
1 arctg |
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
( 1 3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где max - максимальное (первое главное) напряжение, Па; |
min |
– минимальное |
||||||||||||||||||||||||||
(третье главное) напряжение, Па; φр – угол межу максимальным напряжением и осью тензорезистора 1; 1 , 2 , 3 – деформации по показаниям соответствую-
15
щих тензорезисторов (рис. 1.6); E – модуль Юнга материала трубы, Па; ν – коэффициент Пуассона материала трубы, безразмерная величина.
Классические тензорезистивные датчики применяются на объектах ПАО «Газпром» уже несколько десятилетий. Они использовались в первых интеллектуальных вставках [13], установленных в 2001 году на горном участке магистрального газопровода «Россия-Турция» (подробнее интеллектуальные вставки будут рассмотрены в следующем разделе).
Кнастоящему времени накоплен значительный опыт эксплуатации датчиков такого типа, однозначно свидетельствующий о том, что они обладают высокой точностью и надежностью при соблюдении технологии монтажа и системном техническом обслуживании.
Кнедостаткамтензорезистивныхдатчиковследуетотнестинеобходимость их электропитания, высокую чувствительность к внешним электромагнитным полям, необходимость защиты от внешних механических воздействий, а также вывода отдельного канала связи на каждый датчик.
Принцип действия струнных датчиков деформации (рис. 1.7) основан на измерении частоты резонансных колебаний отрезка металлической проволоки, натянутой между двумя опорами, закрепленными на объекте контроля. При растяжении проволоки резонансная частота меняется, что фиксируется датчиком.
Рис. 1.7. Струнный датчик деформации
Основными компонентами датчика, являются опоры, закрепляемые на конструкции, сама струна, натянутая между опорами, а также электромагнитная
16
катушка, предназначенная для возбуждения колебаний струны замера деформации, а также определения частоты возникших резонансных колебаний струны.
Струнные датчики деформации, по сравнению с тензорезисторами, имеют преимущество в том, что информативным параметром является частота колебаний, анеамплитуда некоего сигнала, что делаетих болееустойчивыми кразличного рода колебаниям и помехам.
Тем не менее, струнные датчики имеют значительную базу измерения, обладают сложной конструкцией, низкой стойкостью к воздействию влаги и грунтового электролита и характеризуются рядом других недостатков.
За рубежом струнные датчики нашли широкое применение для мониторинга продольной деформации трубопроводов на горных участках, где возможны сход лавин и оползни [14, 15].
Конструкция этих датчиков ограничивает установку их в кольцевом направлениии, как следствие, их использование непозволяетопределитьвсе необходимые компоненты деформации даже в локальном сечении трубопровода.
Недостатков тензорезистивных и струнных датчиков лишены волоконно-
оптические датчики на решетках Брэгга (рис. 1.8).
Рис.1.8. Розетка из трех волоконно-оптических датчиков на решетках Брэгга, установленных на одном волоконно-оптическом кабеле
Базой этих датчиков является регулярные периодические решетки (волоконныеоптические решетки Брэгга), реализуемыев локальнойчастиволоконно-
17
оптическогокабеля. Лазерноеизлучение, проходящеечерезоптическоеволокно, от установленной решетки частично отражается, что и фиксируется приемным устройством. Длина отраженного излучения зависит от периода решетки, а значит, что при ее деформации она будет меняться.
Такие датчики обладают точностью, соизмеримой с тензорезистивным датчиками, имеют малую базу измерений, что также позволяет делать из них розетки. Они не требуют электропитания, не чувствительны к внешним электромагнитным полям, кроме того, на один волоконно-оптический кабель может быть установлено несколько датчиков за счет возможности создания решеток с различным периодом.
Тем не менее, системы на базе волоконно-оптических технологий не лишены недостатков: при относительно низкой цене самих датчиков вторичное оборудование обладает существенной стоимостью.
Несмотря на относительную молодость данной технологии, уже имеется положительный опыт применения датчиков такого типа на объектах ПАО «Газпром» всоставесистем мониторингатехническогосостояния[7, 10], втомчисле в интеллектуальных вставках.
Наволоконно-оптическихтехнологияхтакжебазируетсяпоследнейизрас- сматриваемых типов тензометрических датчиков – протяженные волоконно-
оптические сенсоры деформаций (рис. 1.9).
Протяженныесенсорыпредставляют собой волоконно-оптическиекабели, как правило, аналогичные тем, что предназначены для передачи цифровой информации. Несмотря на предпринимаемые изготовителями меры по снижению рассеяния лазерного света, при внешнем воздействии на такой кабель (его деформация, нагрев, вибрация и т.п.) все равно имеют место различные эффекты, которые и используются для оценки степени деформации. Среди таковых – эффект обратного рассеяния света. При этом анализируется, как правило, частота Бриллюэновского рассеяния, сдвиг которой зависит от показателя преломления в кабеле (изменяется при его деформации/изменении температуры).
18
Рис. 1.9. Процесс монтажа протяженного волоконно-оптического сенсора деформации
Протяженные сенсоры не позволяют определить все компоненты деформации в точке (локальной области), так как измеряют осредненную на базе 0,5- 1 м деформацию волоконно-оптического кабеля, являющегося их основой. Датчики этого типа монтируются поверх защитного антикоррозионного покрытия труб, что может привести к возникновению значительной погрешности измерений в случае отслоения этого покрытия. Частота опроса протяженных сенсоров значительно ниже, чем у датчиков на решетках Брэгга, – это не позволяет использовать их для оценки воздействия переменных нагрузок, характерных для трубопроводов КС.
К достоинствам датчиков данного типа следует отнести отсутствие чувствительности к электромагнитным возмущениям, устойчивость их основного элемента – волоконно-оптического кабеля к почвенной коррозии, возможность контроля усредненной деформации кабеля большой протяженности.
19
1.3. Учет нагрузок и воздействий до ввода в эксплуатацию трубопровода
Как уже отмечалось, напряженно-деформированное состояния металла труб изменяется на всех этапах жизненного цикла, начиная от момента проката листа. Рассмотрим необходимость учета таких нагрузок при оценке НДС трубопроводов.
Среди этапов жизненного цикла, вносящих максимальный вклад в НДС металла трубопроводов, необходимо отметить следующие:
-формовка трубы (рис. 1.10);
-сварка продольного стыкового сварного соединения трубы (рис. 1.11);
-строительно-монтажные работы (рис. 1.12).
Как видно из рисунков 1.10 – 1.12, уровень остаточных технологических напряженийможетбытьсопоставимсуровнемнапряжений, обусловленныхэксплуатационныминагрузкамиивоздействиями, чтоподтверждаетнеобходимость их учета при оценке возможности перехода трубопровода в предельное состояние.
Рис. 1.10. Распределение остаточных напряжений после формовки трубы по технологии UOE, подсвечены зоны с уровнем остаточных напряжений до 100 МПа (адаптировано из [16])
20