Министерство науки и высшего образования РФ Волгоградский государственный технический университет Институт архитектуры и строительства Кафедра Нефтегазовые сооружения Техническая диагностика и мониторинг Лектор к.т.н., доцент Томарева Инесса Александровна Техническая диагностика — молодая наука, возникшая в последние десятилетия в связи с потребностями современной техники. Все возрастающее значение сложных и дорогостоящих технических систем, применяемых при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа, требования их безопасности, безотказности и долговечности делают весьма важной оценку состояния системы, ее надежности. Целью технической диагностики являются определение возможности и условий дальнейшей эксплуатации диагностируемого оборудования и в конечном итоге повышение промышленной и экологической безопасности. Задачами технической диагностики, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются: • обнаружение дефектов и несоответствий, установление причин их появления и на этой основе определение технического состояния оборудования; • прогнозирование технического состояния и остаточного ресурса (определение с заданной вероятностью интервала времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние оборудования). ВИДЫ ДЕФЕКТОВ, КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ ТЕХСИСТЕМ Дефектом называют каждое отдельное несоответствие детали или технической системы требованиям, установленным технической документацией. По расположению дефекты подразделяют на наружные и внутренние (скрытые). Наружные дефекты чаще всего обнаруживают визуально, скрытые — посредством различных методов неразрушающего контроля. По форме дефекты бывают объемные и плоскостные. Объемные проявляются в виде изменения (искажения) начальной формы или размеров объекта, плоскостные — в виде трещин или полос скольжения. По происхождению дефекты подразделяют на производственные и эксплуатационные. По степени опасности дефекты разделяют на критические, значительные и малозначительные. При определении степени опасности дефекта учитывают напряженное состояние контролируемого объекта, вид дефекта, его размеры и ориентацию относительно действующих напряжений. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ, КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ ТЕХСИСТЕМ Надежность эксплуатируемого объекта определяется в первую очередь его техническим состоянием. Надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Надежность оценивается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, ресурсом, а также сочетанием или совокупностью этих свойств. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ, КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ ТЕХСИСТЕМ Безотказность — свойство объекта сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность — свойство оборудования сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации вплоть до наступления предельного состояния. Ремонтопригодность — способность оборудования к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и повреждений при проведении технических обслуживании и ремонтов. Ресурс — наработка оборудования от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. Надежность можно оценить только приближенно путем расчета с использованием теории вероятностей и математической статистики или специально организованных испытаний, а также сбора эксплуатационных данных об отказах. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ, КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ ТЕХСИСТЕМ На основе анализа количественных показателей надежности принимается решение о необходимости проведения диагностики объекта (оборудования), его ремонта или замены. Уровень количественных оценок различается в зависимости от типа оборудования. Так, для магистральных насосно-перекачивающих станций при снижении величины средней наработки на отказ на 10 %, вероятности безотказной работы на 3 % оборудование, независимо от выработки назначенного ресурса, подлежит техническому освидетельствованию. Снижение коэффициента технического использования оборудования на 3...5 % свидетельствует о необходимости проведения экономической оценки целесообразности его дальнейшей эксплуатации. Надежность объекта (оборудования) зависит не только от качества его изготовления, но и от своевременности технического диагностирования и обнаружения дефектов, полноты и качества производимых ремонтов. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Системой технического диагностирования (контроля технического состояния) называют совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимую для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации. Объектами технической диагностики являются технологическое оборудование или конкретные производственные процессы. Параметры объекта, используемые при его диагностировании (контроле), называются диагностическими (контролируемыми) параметрами. Количественные и качественные характеристики диагностических параметров являются признаками того или иного дефекта. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ По способу получения диагностической информации техническую диагностику разделяют на тестовую и функциональную. В тестовой диагностике информацию о техническом состоянии получают в результате воздействия на объект соответствующего теста. Тестовая диагностика основана на использовании различных методов неразрушающего контроля. Контроль при этом осуществляется, как правило, на неработающем оборудовании. Функциональную диагностику проводят только на работающем оборудовании в собранном состоянии. Функциональную диагностику в свою очередь подразделяют на вибрационную и параметрическую диагностики. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ТИПОВАЯ ПРОГРАММА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВИДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Неразрушающий контроль требует применения специальных и дорогостоящих приборов и оборудования и привлечения высококвалифицированных аттестованных специалистов. Он может осуществляться как дискретно, так и путем постоянного мониторинга на сложных и дорогостоящих опасных производственных объектах. Для получения информации в неразрушающем контроле (далее НК) используют все виды физических полей и излучений, химических взаимодействий и процессов. Зарождение НК обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновских лучей, которые позволили обнаружить металлический предмет в закрытой деревянной коробке. За прошедший после этого период разработано большое число различных видов и методов НК. ВИДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВИДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВИДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВИДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Ни один из методов НК не является универсальным. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов в заданных условиях. Чувствительность соответствующего метода НК оценивается наименьшими размерами выявляемых дефектов: для поверхностных — шириной раскрытия на поверхности объекта, а также протяженностью и глубиной развития; для скрытых — размерами дефекта и глубиной его залегания. Средства неразрушающего контроля разделяют на индикаторные и измерительные. Индикаторными называют средства контроля, не имеющие измерительных узлов и предназначенные лишь для индикации дефектов. Средства контроля, оснащенные измерительными узлами, подлежат периодической метрологической поверке. Периодичность поверки указывается в паспортах средств измерений и обычно составляет один год. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Для достижения безопасной эксплуатации трубопроводных систем нефтегазового комплекса (НГК) разрабатывается система контроля технического состояния. Одной из основных составляющих системы — техническое диагностирование, как долгосрочное прогнозирование безопасной работы трубопроводов, выявление дефектов и определение остаточного ресурса безопасной работы объекта в целом. Методы технического диагностирования разделяют на два вида: разрушающие, неразрушающие. Метод разрушающего контроля включает в себя предпусковые или периодические испытания, а также механические испытания образцов металла элементов. Методы неразрушающего контроля предполагают использование физических методов, не влияющих на работу диагностируемого объекта. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Контроль неразрушающими методами подразделяются: − пассивные (интегральные); − активные (локальные). Активными методами являются: − визуальный и измерительный контроль (ВИК); − ультразвуковая дефектоскопия (УЗД); − магнитные (например, метод магнитной памяти ММП); − радиографические; − капиллярные; − метод вихревых токов; − электрический. К пассивным относятся: − тепловизионный метод; − виброакустические методы; − метод акустической эмиссии (метод АЭ). МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Визуально-измерительный контроль является необходимым условием контроля качества при изготовлении и во время эксплуатации. При данном контроле выявляются следующие дефекты наружной поверхности трубопровода: − трещины; − свищи и пористости шва; − подрезы; − наплывы, поджоги, незаплавленные кратеры; − несоответствие геометрии швов. Для определения внутренних дефектов металла и сварных соединений (трещин, непроваров, включений) трубопроводов в основном применяются ультразвуковой контроль или радиационный, в редких случаях используют магнитный метод контроля. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК В основе радиационного метода лежит ионизирующее излучение в форме рентгеновских лучей и гамма-излучения. С одной стороны объекта устанавливают источник излучения — рентгеновскую трубку, с другой — детектор, фиксирующий результаты просвечивания (рентгеновские пленки). Ультразвуковой метод основан на анализе процесса распространения упругих колебаний в диагностируемом объекте. Ультразвуковые колебания способны отражаться от внутренних неоднородностей среды, что и является основой для данного метода. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Испытаниям на прочность и плотность подвергаются все трубопроводы. Чаще это гидравлическое испытание, реже — пневматическое. При оценке технического состояния трубопровода, в соответствии с требованиями НТД, проведение испытания на прочность и плотность трубопроводов является основным этапом технического диагностирования, особенно для трубопроводов отработавших нормативный срок службы и подлежащие проведению экспертизы промышленной безопасности, с целью продления срока безопасной эксплуатации. Пневматическое испытание проводят в случаях: − если трубопровод или опоры не рассчитаны на заполнение водой; − если температура окружающей среды отрицательная, а также отсутствие средств, предотвращающие замораживание системы; − если гидравлическое испытание недопустимо или невозможно по технологическим требованиям. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Контроль за напряженным состоянием отдельных участков трубопроводов в особо сложных условиях (участки повышенной опасности) возможен с использованием: − шурфования участков трубопровода; − акустико-эмиссионного метода. Проведение шурфования и акустико-эмиссионного метода — определяет необходимость доступа к трубопроводу и непосредственному контакту с элементами трубопровода. Данные методы контроля являются основными в проведении технического диагностирования подземных трубопроводов, в местах с наиболее интенсивным накоплением повреждений, обусловленным агрессивным воздействием грунта. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Проанализировать динамику изменения свойств металла и изоляционного покрытия на подземных участках трубопровода, необходимого для оценки остаточного ресурса, можно только при наличии шурфов. Поэтому на первом этапе технического диагностирования максимальную информацию получают без вскрытия грунта, анализируя техническую документацию и применения активных методов неразрушающего контроля. Шурфование проводят в местах выявления наиболее значительной аномалии металла или сквозного повреждения изоляции, определенной при неразрушающем контроле, и однозначно в случае их совпадения. При необходимости проводится дополнительное шурфование в местах утечки транспортируемой среды, в местах определенных при анализе технической документации и в местах при совпадении повреждений изоляционного покрытия с местами высокой агрессивности грунта, а так же в местах, где наблюдается наличие блуждающих токов. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК При диагностике методом акустической эмиссии (АЭ) контроль направлен на выявление состояния предразрушения элементов трубопровода с помощью определения и анализа шумов, сопровождающих процесс образования и роста трещин. При проведении контроля возникает акустический сигнал в зоне предразрушения. Анализ полученной информации является основанием для заключения о природе, месте расположения и росте дефекта. Метод АЭ позволяет контролировать весь трубопровод в целом. Для проведения контроля необходим непосредственный доступ к участкам трубопровода для установки датчиков. При отсутствии такой возможности, например при проведении периодического или постоянного контроля подземных магистральных трубопроводов без освобождения их от грунта и изоляции, могут быть использованы волноводы, укрепленные постоянно на контролируемом объекте. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Контроль проводится при создании в трубопроводе напряженного состояния, для этого он подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т. д. Основным недостатком метода является сложность выделения полезного сигнала из помех, когда дефект мал. Другим недостатком метода наряду с высокой стоимостью аппаратуры является необходимость высокой квалификации оператора АЭ контроля. При техническом диагностировании трубопроводов применяется комплекс методов контроля. Необходимый объем контроля для достоверной оценки технического состояния трубопровода обуславливается рядом факторов и согласуется с владельцем технического устройства на этапе планирования работ. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Вибрационный контроль (ВК) или вибродиагностика – одна из эффективных разновидностей неразрушающего контроля. Она базируется на мониторинге и анализе ключевых показателей вибрации (колебаний), которую создает функционирующий исследуемый объект. Причинами возникновения вибрации в промысловых и магистральных трубопроводах является пульсация давления перекачиваемой технологической среды. Частота собственных колебаний трубопроводов определяется целым рядом факторов: геометрией трубопроводов (наличием вертикальных, наклонных и горизонтальных участков), диаметром и толщиной стенки трубы, расстоянием между опорами и способом закрепления (защемления) трубопровода на опорах, наличием сосредоточенных масс на различных участках трубопровода (затворов, клинкетов и т. п.). МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК В настоящее время разработаны программные средства, позволяющие рассчитывать c учетом всех возможных влияющих факторов. C течением времени величина может меняться из-за различных причин: отложения парафинов из нефти, скопления газового конденсата на низких участках газопроводов, износа трубопроводов, сезонных колебаний грунтов, просадки опор и др. Для предупреждения преждевременного разрушения трубопроводов необходимо в самом первом приближении соблюдать условие, чтобы отношение частоты возмущающего импульса главной гармоники fвоз к частоте свободных колебаний трубопроводов fтр соответствовало условиям f воз / fтр < 0,75 или fвоз /fтр > 1,3 МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Пульсация давления технологической среды, вызывающая вибрацию трубопроводов, обусловливается рядом причин. Наиболее частой причиной пульсации давления являются колебания технологической среды, возмущаемые работой поршневого или роторно-лопаточного агрегата нагнетателя. Пульсация давления может возникать и в линейной части трубопроводов из-за турбулизации потока технологической среды на стенках труб и различных неоднородностях (отводах, трубопроводной арматуре и др.). Вибрация трубопроводов изменяет их напряженное состояние. В дополнение к действующим статическим нагрузкам (весовым, температурным, нагрузкам от внутреннего давления и монтажных натягов) при вибрации возникают циклические напряжения, величина которых определяется амплитудой виброперемещений и формой изгибных колебаний трубопровода. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Современные программные средства расчета позволяют определять виброперемещения трубопроводов c учетом их реальных характеристик (геометрических размеров, условий закрепления на опорах, наличия сосредоточенных масс, конструкции стыков и др.) и на этой основе устанавливать допустимое значение амплитуды виброперемещений исходя из условия, что фактические напряжения не будут превышать предел выносливости материала трубопровода. Таким средством является, например, универсальный программновычислительный комплекс ANSYS (США), разработанный на основе метода конечных элементов (МКЭ) и нашедший наиболее широкое распространение. Могут применяться и другие коммерческие универсальные программы (ABAQUS, LS-DYNA, MARC и др.). МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Магнитный снаряд-дефектоскоп: 1 – труба; 2 - внутритрубный снаряддефектоскоп; 3 – гермоконтейнермагнитопровод; 4, 5 – передние и задние манжеты; 6 - дефектоскопические датчики; 7 - блок электроники с приборами ориентации и навигации, источником питания; 8 – колеса одометра; 9 – рычаги; 10 – опоры; 11, 12 – пружины и устройство демпфирования МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК Внутритрубный крот для контроля качества сварных торцевых соединений Содержит самоходное шасси с платформой 1, на которой размещены источник электрического питания 3, собранный на основе аккумуляторных батарей, источник панорамно-направленного потока рентгеновского излучения 4 с кольцевой головкой 5, расположенный в плоскости поперечного сечения трубопровода, блок камер 6, первый и второй датчики позиционирования 7 и 8, генератор высокой частоты 9, блок управления 10, процессор 11, габаритные датчики 12, установленные на передней и задней частях крота, и устройство возврата крота на исходную позицию МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НГК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ НГК На предприятиях добычи, хранения, транспортировки, раздачи и переработки нефти, газа и нефтепродуктов обычно имеют место безвозвратные потери, обусловленные утечками, разлива ми, прорывами и авариями, а также другими источниками, что приводит к загрязнению окружающей среды. При этом нефть и нефтепродукты являются одними из наиболее опасных видов загрязнения. Это связано с тем, что они представляют собой смесь органических соединений, содержащих большое количество химически активных веществ, которые изменяют состав объектов окружающей среды, преобразуя естественные компоненты в токсичные формы. Имеется множество случаев аварий в местах добычи и транспортировки нефти и газа. Для мониторинга экологического состояния территорий суши и морских акваторий, где расположены предприятия нефтегазового комплекса, могут с успехом использоваться современные аэрокосмические методы и средства. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Важнейшими преимуществами космических методов и систем мониторинга являются: • большая обзорность; • возможность работы в любых труднодоступных районах, получение информации практически в любом масштабе, с различным пространственным и временным разрешением; широкий спектр регистрируемых параметров; • высокая достоверность и оперативность получения данных; • возможность многократно наблюдать исследуемые районы и работать при частичном или полном отсутствии топографической основы; • относительная дешевизна информации (особенно при работе на больших площадях). МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Для аэрокосмического мониторинга объектов нефтегазового комплекса уже в настоящее время используются различные методы ДЗ, в том числе методы, основанные на регистрации характеристик электромагнитного поля, прежде всего: • оптикоэлектронные сканерные методы; • тепловизионные методы; • методы ИКиСВЧрадиометрии; • гиперспектральные методы; • лидарные методы; • РЛметоды - радары с синтезированной апертурой (РСА) и радары бокового обзора (РЛСБО); • магнитометрические методы; • гравиметрические методы; • пассивные методы, основанные на регистрации потоков частиц (гаммаспектрометрия). МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Применением аэрокосмических методов и технологий можно решать множество задач в интересах нефтегазовой отрасли, прежде всего, таких, как: • мониторинг текущего состояния нефте-, газо- и продуктопроводов для выявления утечек, нарушений технического состояния и др.; • определение потенциально опасных участков трубопроводов, в том числе оценка динамики мерзлотного режима грунтов и результатов ее воздействия, а также выявление наиболее благоприятных геоэкологических условий для прокладки новых трубопроводов; • мониторинг опасных природных и природно-техногенных процессов при освоении и транспортировке углеводородов, в том числе таких, как землетрясения, сели, лавины, оползни и т.д.; • дистанционный мониторинг ледовой обстановки в арктических районах; • экологический мониторинг мест добычи, транспортировки и переработки углеводородов на суше и на море для оценки последствий и снижения рисков от деятельности предприятий нефтегазовой отрасли; • и другое. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Для повышения надёжности решения задач диагностики объектов целесообразно проводить их одновременное наблюдение с помощью нескольких видов съёмки, использующих специфические свойства излучений различными длинами волн и применяемых для мониторинга магистральных трубопроводов. ВИДЕОСЪЁМКА В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА Данный вид съёмки, производимый с помощью ТВ-камер, установленных на беспилотный летательный аппарат, применяется для наиболее оперативного визуального исследования местности вдоль трассы трубопровода. По получаемому видеофайлу, не требующему специальной постобработки, можно за несколько минут просмотреть весь многокилометровый маршрут в хорошем качестве съемки. МНОГОКАНАЛЬНАЯ СЪЁМКА ЦИФРОВОЙ ФОТОКАМЕРОЙ Важным природным фактором, вызывающим преждевременную коррозию и разрушение трубопроводов, является избыточная увлажнённость (подтопление) грунта. Наличие коррозии объекта может быть обнаружено специальной спектрометрической обработкой снимка по наличию спектральных компонентов оксидов железа. Избыточная увлажнённость хорошо фиксируется в коротковолновом участке видимого диапазона (0,4 – 0,5 мкм). Кроме того, фотоснимки имеют неоспоримое преимущество по сравнению с обычной видеосъемкой ввиду более высокого разрешения – видео стандарт PAL поддерживает 1920*1080 пикс, в то время как разрешение фотоснимка 5184*3456 пикс. ИНФРАКРАСНАЯ СЪЕМКА Причинами возникновения температурных контрастов на земной поверхности, связанных с наличием магистральных трубопроводов и динамикой их состояния, являются различие в интенсивности поглощения солнечной радиации материалом самого зондируемого объекта и покрывающего его грунта, различие свойств грунта на трассе трубопровода или в районе расположения подземного хранилища по сравнению со смежными участками почвы, передача тепла от подповерхностного объекта поверхностному слою почвы и различие в характере растительности в районе расположения объекта техносферы. Характерной особенностью спектрального излучения нефтепродуктов является повышенная излучательная способность в дальнем инфракрасном диапазоне, связанная с нагревом углеводородов под воздействием солнечной радиации. ИНФРАКРАСНАЯ СЪЕМКА При наличии утечек перепады температуры вблизи прохождения трасс нефте- и газопроводов составляют от 2 до 2,5 К. Такие объекты, расположенные на глубине до 1 м, уверенно обнаруживаются на снимках теплового диапазона волн (10 - 12 мкм), обладающих чувствительностью около 0,2 K. При аварийном разливе нефти на акваториях температурный контраст границы "нефть - вода" достигает 1,5 K. В ночное время этот контраст отрицательный (нефть холоднее воды), а в дневное - положительный, поскольку пленка сильнее поглощает солнечное излучение и становится более теплой, чем поверхность. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Каждый из способов позволяет выявить различные свойства обследуемых объектов, комплексная обработка всей полученной первичной информации позволяет провести наиболее полную диагностику объекта и окружающей обстановки. Возможность проведения всех вышеуказанных видов съемки за короткий промежуток времени в сочетании с минимальными финансовыми затратами на выполнение всех видов работ обеспечивают беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Основными техническими параметрами БПЛА являются взлётная масса, масса груза, дальность и время полёта, тип двигателя (бензиновый или электрический), тип взлёта (с взлётно-посадочной полосы, с катапульты, с рук), тип посадки (на полосу, на парашюте, на фюзеляж, посадка в сеть или на рею). БПЛА является универсальным инструментом, целевая (полезная) нагрузка которого выбирается под определенные задачи. САМОЛЕТНЫЕ БПЛА Беспилотный авиационный комплекс "Атлас 180 Гео" Геоскан 101 Самолет с вертикальным взлетом VTOL X8 МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК Методы дистанционной диагностики трубопровода с применением БПЛА являются, по сути, частным случаем современного развития аэрокосмических методов диагностики трубопроводных систем. Данная диагностика выполняется в три этапа: а) этап предполетной подготовки, включающий в себя: • изучение проектной, строительной, эксплуатационной документации на объекты обследования; • решение вопросов подбора целевого оборудования и летательных аппаратов; • калибровка и юстировка съемочного оборудования; • подбор или создание картографической основы для полетных карт; • разработка и согласование программы практических полетов. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК б) этап натурных исследований, включающий в себя: • решение организационных вопросов в эксплуатирующих подразделениях Заказчика; • выполнение наземной рекогносцировки, уточнение точек стартов; • тестовые полеты БПЛА; • выполнение различных видов цифровой аэрофотосъемки (фото-, видеосъёмка, съёмка тепловизором); • получение и оперативная оценка качества получаемых результатов; МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК в) этап обработки данных, включающий в себя: • систематизацию данных; • интерпретацию телеметрической информации; • геопространственную привязку и геометрическую коррекцию результатов съемки; • дешифрирование полученных материалов; • в фотограмметрическом ПО Agisoft Photoscan Pro и обработка их результатов в ГИС программах для БПЛА; • создание отчетных материалов в различных форматах, в том числе оцифровка снимков в программах MapInfo, Panorama, AutoCAD. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК В процессе дистанционного мониторинга газо- и нефтепроводов могут быть выявлены дефекты следующих типов: • участки отклонения глубины заложения трубопроводов от проектного значения с потерей устойчивости (всплывшие и оголенные участки); • участки выхода труб на поверхность; • участки обводнения трубы; • места размыва и заболачивания; • негативные природные факторы гидрогеологического генезиса (карстовые формы, подземные водотоки (перетоки), обводненные участки трассы); • техногенные нарушения; • разливы нефти, нефтепродуктов и подтоварной воды; МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК • места несанкционированных врезок; • места несанкционированных подконтрольных объектах; действий третьими лицами на • возгорания лесных массивов, торфяников в районах прохождения трубопроводов; • места захламлений вдоль трассового проезда; • места несанкционированного складирования строительных материалов и труб в охранных зонах; • места нахождения посторонних лиц и транспортных средств в охранных зонах; • повреждение земляного покрова, зарастание трасс трубопроводов древесно-кустарниковой растительностью, размыв и оголение трубопроводов, участков трубопроводов с непроектной глубиной заложения. МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НГК В отличии от самолетных БПЛА вертолетные (мультироторные) БПЛА, способны при необходимости зависать над объектом, для более детального его рассмотрения или при необходимости протекания ЧС на объектах нефте-газовой отрасли. Мультироторные БПЛА способны не только горизонтально летать над объектами съемки, но и облететь их кругом, это дает более полную картину об объекте, а по полученным снимкам, можно оперативно получить 3Д модели объектов, более точные чем если бы съемка производилось просто сверху с самолетного БПЛА. Отсутствие удобных взлетно-посадочных площадок также затрудняет использование самолетных БПЛА, эти минусы отсутствуют у мультироторов, которые можно сажать и запускать буквально с рук. Надежность, сохранность и дальнейшее развитие трубопроводного транспорта и всей нефтегазовой отрасли в современном мире невозможно без применения дистанционного мониторинга с использованием, в частности, беспилотных летательных аппаратов, которые хорошо зарекомендовали себя на мировом рынке геоинформационных услуг и будут востребованы повсеместно ещё не одно десятилетие. МУЛЬТИРОТОРНЫЕ БПЛА Квадрокоптер DJI MAVIC 2 Enterprise Dual БПЛА "АТЛАС 3М ГЕО" Геоскан 401 Геодезия SeaDrone - MG МОНИТОРИНГ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Подземные магистральные трубопроводы являются протяженными объектами, трассы которых прокладываются в разнообразных топографических, геологических, гидрогеологических и климатических условиях, в зонах влияния которых происходит заметная активизация процессов, связанных с изменением свойств грунтов, деградацией многолетнемерзлых пород, изменением границ сезонно-талого слоя, режима поверхностных и грунтовых вод, потерей устойчивости грунта на склонах, что, с одной стороны, приводит к активизации опасных геологических процессов (ОГП), часто не свойственных данной территории, а с другой – обусловливает дополнительные нагрузки на трубопровод. Была разработана и внедрена система мониторинга сложных геологических процессов на участках прокладки магистрального трубопровода, включающая техническую диагностику трубопроводов, мониторинг планово-высотного положения трубопровода и параметров, характеризующих гидрогеологические условия прокладки трубопровода. МОНИТОРИНГ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Созданная система мониторинга является системой безопасности магистрального трубопровода и предназначена для управления природно-техногенными рисками на его объектах. Система позволяет проводить комплексные обследования трубопровода на участках со сложными инженерно-геологическими и природноклиматическими условиями с целью обнаружения проявлений опасных геологических процессов, дает возможность осуществлять непрерывный мониторинг этих процессов, прогнозировать динамику их развития и изучать закономерности их распространения, постоянно отслеживать температуру трубопровода и окружающего его грунта, обеспечивает контроль и прогнозирование планово-высотного положения трубопровода и т.д. МОНИТОРИНГ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Среди основных задач, решаемых с помощью рассматриваемой системы мониторинга, можно выделить следующие: • выявление нарушений технического состояния трубопровода; • непрерывный мониторинг участков трубопровода, проложенных в сложных геологических условиях; • оценка активных процессов, происходящих в земной коре, и их влияния на напряженно-деформационное состояние трубопровода (НДС); • уточнение участков многолетнемерзлых грунтов, зон высокой сейсмичности, зон подтоплений, обводненных участков, областей засолений, коррозионно-опасных сред и т.д.; • ранжирование участков по степени опасности, определение участков для первоочередного диагностического исследования; • проведение диагностических обследований; • выработка управленческих решений для предотвращения деформаций трубопровода; • планирование видов и объемов работ, необходимых для предотвращения негативного воздействия опасных геологических процессов на состояние трубопровода. МОНИТОРИНГ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Среди основных задач, решаемых с помощью рассматриваемой системы мониторинга, можно выделить следующие: • выявление нарушений технического состояния трубопровода; • непрерывный мониторинг участков трубопровода, проложенных в сложных геологических условиях; • оценка активных процессов, происходящих в земной коре, и их влияния на напряженно-деформационное состояние трубопровода (НДС); • уточнение участков многолетнемерзлых грунтов, зон высокой сейсмичности, зон подтоплений, обводненных участков, областей засолений, коррозионно-опасных сред и т.д.; • ранжирование участков по степени опасности, определение участков для первоочередного диагностического исследования; • проведение диагностических обследований; • выработка управленческих решений для предотвращения деформаций трубопровода; • планирование видов и объемов работ, необходимых для предотвращения негативного воздействия опасных геологических процессов на состояние трубопровода. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Суть инновационной системы мониторинга магистральных трубопроводов состоит в следующем: • процессы, протекающие в системе «атмосфера – грунт – трубопровод – транспортируемый продукт», имеют характерные проявления, распознаваемые по данным аэрокосмического мониторинга трассы трубопровода, аэровизуального и наземного геологического обследований, автоматизированного мониторинга параметров сложных геологических условий. Исследование указанных проявлений, анализ полученных данных совместно с результатами других видов диагностики трубопроводной системы, проектной и эксплуатационной документации позволяют оценить текущее техническое состояние трубопровода и способствуют принятию эффективных управленческих решений. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Система мониторинга включает в себя следующие этапы. Непрерывный мониторинг Периодический мониторинг Подсистема обработки данных Техническое состояние трубопровода Управленческие решения ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ 1. 2. 3. Непрерывный мониторинг с получением данных от автоматизированных постов наблюдения (датчиков) о параметрах грунта и положении трубопровода. Периодический мониторинг с получением информации по результатам аэровизуального обследования, геологического обследования, дистанционного зондирования с применением космосъемки, аэрофотосъемки и лазерного сканирования. Подсистему обработки данных (ПОД), представляющую программноаппаратное решение, интегрирующее системы сбора и обработки данных на уровне обмена информационными потоками, и предназначенную для выполнения аналитических расчетов, оценки технического состояния трубопровода, принятия управленческих решений. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Непрерывный мониторинг магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в сложных инженерно-геологических и/или природно-климатических условиях, осуществляется системой непрерывного автоматизированного мониторинга сложных геологических процессов (СНАМ СГП) на участках прокладки трубопроводов. СНАМ СГП – система наблюдений за развитием сложных геологических процессов и их влиянием на напряженно-деформированное состояние трубопровода, представляющая собой комплекс технических и программноаппаратных средств, размещенных в точках контроля вдоль трассы трубопровода и на самом трубопроводе на участках с высокой степенью геологической опасности. СНАМ СГП позволяет контролировать следующие параметры: • изменение положения трубопровода; • уровень подземных вод; • распределение температуры грунта; • смещение грунта на склонах; • ускорение грунта при сейсмических воздействиях. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Периодический мониторинг магистральных трубопроводов Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов невозможно без их периодического мониторинга. Регулярные аэровизуальные обследования, геологические обследования, дистанционное зондирование входят в состав мониторинга технического состояния трубопровода и являются основными оперативными методами, позволяющими получить информацию о распространении и развитии опасных геологических процессов, выявить нарушения технического состояния трубопровода, зафиксировать места несанкционированного доступа, определить места и объемы утечек углеводородов, областей загрязнений и др. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Оценка технического состояния трубопровода Оценка технического состояния и определение запаса прочности трубопровода осуществляется с применением программно-расчетных модулей. В случае превышения полученными напряжениями нормативных значений разрабатывается комплекс компенсирующих мероприятий, направленных на повышение безопасности эксплуатации оборудования и объектов трубопровода. Принятие управленческих решений Результаты расчетов в программно-расчетных модулях представляются в виде протокола расчета, содержащего таблицы с перечнем секций, для которых необходимо провести компенсирующие мероприятия. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Компенсирующие мероприятия включают в себя: • управленческие решения: остановить перекачку нефти, возобновить перекачку нефти, выполнить работы без остановки перекачки нефти, провести внеочередное обследование и пр.; • технологические решения: 100 % неразрушающий контроль поперечных сварных стыков секций с целью обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов типа трещин, визуально-измерительный контроль секций для выявления дефектов геометрии (вмятины, гофры), перерасчет дефектов труб и сварных соединений на прочность и долговечность с учетом рассчитанных кольцевых и продольных напряжений; • ремонтно-восстановительные работы; • организационные решения: разработка специальных инструкций по использованию результатов моделирования опасных геологических процессов, рабочей документации, технических заданий, планов-графиков работ по неразрушающему контролю по секциям трубопровода, указанным в протоколе. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Перспективы развития В рамках совершенствования проведения мониторинга магистральных трубопроводов в сложных геологических условиях запланированы следующие мероприятия. 1. Построение геодезической сети в виде автоматизированной информационной системы координатно-временного обеспечения трубопроводного транспорта с использованием глобальных навигационных спутниковых систем. Указанный метод предназначен для получения результатов обследования планово-высотного положения трубопроводов и обеспечивает оценку запаса прочности и остаточного ресурса трубопровода в режиме мониторинга его состояния. 2. Сопряжение данных мониторинга непосредственно с программнорасчетными модулями ПМО ПОД в режиме реального времени. 3. Разработка методов аэровизуального наблюдения для диагностики трубопроводных систем. МОНИТОРИНГ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МОРСКИЕ НГС Разработка нефтяных и газовых месторождений относится к сфере производственной деятельности повышенной опасности. Отличительными особенностями аварий на морских площадочных объектах являются скоротечность развития аварийных процессов, связанных с выбросом углеводородов и их горением в условиях плотного размещения оборудования. Аварии на морских буровых платформах могут сопровождаться большими человеческими жертвами, вследствие уязвимости персонала к термическому воздействию пожара и токсическому воздействию продуктов горения в силу ограниченности территории платформы и трудностей эвакуации. Еще одним опасным фактором является расположение объекта в зоне с высокой сейсмической активностью. МОНИТОРИНГ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МОРСКИЕ НГС Цель создания системы мониторинга: • контроль колебаний конструкций платформ вследствие сейсмических воздействий. Аппаратная часть системы мониторинга состоит из двух уровней. Первый уровень системы состоит из емкостных (МЭМС) акселерометров и кабельных линий. На каждой платформе предусматривалась установка девяти акселерометров: четыре датчика на опорах и пять датчиков на палубе. Такая конфигурация размещения акселерометров позволяет контролировать колебания платформы относительно опор. Второй уровень аппаратной части системы представлен регистраторами данных компании Yokogawa Electric Corporation. Система мониторинга позволяет оценивать техническое состояние морских платформ с помощью непрерывного контроля колебательных характеристик их конструкций и обеспечивать раннее оповещение при возникновении чрезвычайных ситуаций. МОНИТОРИНГ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МОРСКИЕ НГС
