Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЮТИКОВА МАРИНА НИКОЛАЕВНА
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ
CИСТЕМ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
ПО ДАННЫМ ТЕЛЕМЕТРИИ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка
информации (в технике и технологиях)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ставрополь - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова
Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Плонский Александр Филиппович |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, доцент убенцов Валерий Федорович, заместитель директора по научно-исследовательской работе Невиномысского технологического института (филиал) ФБГОУ ВПО СевКавГТУ, г. Невинномысск доктор технических наук, профессор Иванченко Юрий Сергеевич, профессор кафедры Электроэнергетика ФГБОУ ВПО ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск |
Ведущая организация: | Государственный научный центр ФГУГП ЮЖМОРГЕОЛОГИЯ, г. Геленджик |
Защита состоится 29 июня 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.245.09 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова 2, СевКавГТУ, ауд. 305. | |
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского | |
Автореферат разослан л22 мая 2012 года. | |
Ученый секретарь диссертационного советакандидат физико-математических наук, доцент О.С. Мезенцева | |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На протяжении всего срока службы система трубопроводного транспорта (СТТ) подвергается различным воздействиям (антропогенные и техногенные факторы, коррозия), изменяется его пространственное положение из-за подвижек, оползней грунтов, что приводит к возникновению напряжений в конструкции и в итоге потере устойчивости. Анализ устойчивости необходимо проводить для предотвращения разрушения трубопровода из-за превышения допустимых напряжений в стенке трубопровода при изгибе или возможного скидывания трубопровода со скользящих опор. Значительный износ магистральных и технологических трубопроводов (МТТ) требует системного анализа их функционирования с целью эксплуатации с рациональными технологическими режимами, т.е. с целесообразной пропускной способностью.
Получивший в последнее время широкое применение метод внутритрубной дефектоскопии позволил повысить безаварийность линейной части МТТ. Однако не все участки линейной части СТТ могут быть диагностированы с использованием внутритрубного инспекционного снаряда (ВИС). Системы контроля, основанные лишь на регистрации акустических сигналов, в том числе оптоволоконная система, не эффективны для анализа устойчивости трубопроводов из-за фоновых шумов. Применение кратномасштабного анализа (КМА), как принципиально нового метода обработки информации, позволяет решить проблему фильтрации сигналов антропогенного и техногенного характера в информационных системах мониторинга линейной части МТТ.
Однако несмотря на то, что данная методика анализа может существенно повысить эффективность обработки диагностической информации при анализе устойчивости СТТ, а следовательно, обеспечить безопасность эксплуатации МТТ, вопросы анализа устойчивости СТТ по данным телеметрии остаются не полностью решенными.
Проблеме анализа устойчивости системы трубопроводного транспорта посвящены работы ученых А.Г. Гумерова, В.В. Клюева, Р.А. Алиева, П.П. Бородавкина, Б.Е. Патана, С.И. Левина, М.Н. Мансурова, С.А. Оруджева, Р.А. Рустамова, А.М. Синюкова, П.И. Тугунова и др. Анализ опубликованных работ показал, что проблему устойчивости МТТ необходимо решать не только на стадии проектирования, но и в период эксплуатации СТТ при нарушении проектного положения участков трубопроводов или при повторной их укладке на болотистых и обводненных участках трассы. При этом решение задачи анализа устойчивости требует разрешения противоречий в практике и теории, обусловленных следующими двумя основными группами противоречивых факторов:
Ц с одной стороны, требования к максимизации рабочего давления до допустимого, определяемого конструктивными параметрами, при этом расчетные технологические параметры уточняются по данным исследованиям ВИС типа Магнескан или Ультроскан, а модель устойчивости строится на статистических оценках износа и прочности (эта группа факторов практики эксплуатации сложной СТТ);
Ц с другой стороны, требования к минимизации опасного состояния системы, возникающего вследствие износа и потери металла (эта группа факторов обусловлена несовершенством метода анализа устойчивости СТТ, вследствие недостаточной точности аналитической модели устойчивости).
Разработанные на этапе проектирования модели не позволяют судить об устойчивости трубопровода при его эксплуатации, поскольку при создании расчетной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода, не содержащую отклонений, напряжений в стенке трубопровода при изгибе и деформации, которые являются факторами возможной потери устойчивости трубопровода в реальных условиях.
Таким образом, разработка методов анализа устойчивости трубопроводов в сложных условиях эксплуатации на основе повышения точности методов диагностики сложных СТТ (в данном случае подсистем МТТ) и рекомендаций для принятия управленческих решений по реализации технологических режимов эксплуатации магистральных продуктопроводов с номинальной пропускной способностью является актуальной задачей, решение которой имеет существенное значение для обеспечения безаварийной эксплуатации МТТ и безопасности жизнедеятельности персонала.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением Инновации в транспортных системах, утвержденным научно-техническим советом ФГБОУ ВПО Государственный морской университет имени адмирала
Ф.Ф. Ушакова.
Объектом исследования являются системы трубопроводного транспорта.
Предметом исследований являются методы и алгоритмы анализа устойчивости СТТ с использованием данных телеметрии.
Целью работы является разработка методов и модели устойчивости трубопроводного транспорта, а также алгоритмов обработки диагностической информации на основе морфологического анализа параметров телеметрических сигналов и принятие решений по обеспечению устойчивости трубопроводного транспорта.
Научная задача исследований состоит в разработке методов и алгоритмов анализа устойчивости СТТ при наличии причин, осложняющих его эксплуатацию с номинальной пропускной способностью, на основе цифровой обработки данных телеметрии с использованием морфологического анализа параметров сигнала во всплесках Добеши четвертого порядка.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
Ц системный анализ и количественная оценка параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ с точки зрения устойчивости системы МТТ на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода;
Ц разработка алгоритма решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в системе МТТ и минимизации механических напряжений, возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов;
Ц разработка алгоритмов определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с учётом коррозионного износа;
Ц построение модели устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории информационных систем, теории вероятности, статистического анализа данных, исследования операций, функционально-структурный подход, методы теории линейного программирования и цифровой обработки сигналов.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате статистического анализа данных, математического программирования, кратномасштабного анализа и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов и алгоритмов подтверждена математическим моделированием.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
- Разработан метод анализа устойчивости СТТ по когнитивным признакам оценок качества системы на основе эксплуатационных, антропогенных и техногенных факторов, позволяющий выбрать оптимальные способы продления эксплуатационных сроков СТТ и снижения экологического риска.
- Впервые разработан метод определения количественных параметров формирующих признаков техногенных и антропогенных факторов путем мониторинга линейной части МТТ с помощью декомпозиции сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка как альтернатива классическому анализу Фурье, что позволяет проводить более глубокий анализ состояния СТТ во время эксплуатации за счет учета большего набора спектральных инвариантов.
- Разработана методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ как в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.
- Разработана математическая модель устойчивости магистральных и технологических трубопроводов с учетом износа стенки трубопровода и влияния динамических воздействий, которая, в отличие от известных моделей, учитывает статику и динамику МТТ. Эта модель применима для построения технической системы непрерывной диагностики состояния СТТ и системного анализа устойчивости СТТ в условиях, осложняющих режимы эксплуатации трубопроводов с номинальной пропускной способностью.
Практическая значимость. Разработанный метод анализа устойчивости на основе цифровой обработки сигналов по данным телеметрии является средством для повышения безопасности эксплуатации СТТ путем раннего обнаружения осложнений технологических режимов, а также повышения оперативности принятия решений в различных ситуациях и эффективности применяемых мер для устранения причин снижения пропускной способности участков нефтепродуктопроводов. Практические результаты диссертационной работы использованы при проектировании и реконструкции трубопроводов спецморнефтепорта (СМНП) Козьмино (морской порт Восточный), что подтверждено документально.
На защиту выносятся:
- Метод системного анализа устойчивости СТТ как сложной технической системы в период эксплуатации, учитывающий нарушения проектного положения участков трубопроводов или их повторной укладки включающий анализ влияющих факторов природного, антропогенного, эксплуатационного характера и обеспеченности инженерной инфраструктуры как альтернативы формирования когнитивных признаков устойчивости по инспекциям ВИС.
- Метод определения количественных параметров устойчивости сложной технической системы МТТ с обработкой спектров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка, как альтернатива классическому анализу Фурье, в задаче повышения точности аналитической модели устойчивости.
- Методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.
- Математическая модель устойчивости функционирования СТТ, реализующая анализ устойчивости второго рода для повышения аналитической точности.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах, Анапа, 2008; XVI Международной конференции Математика. Экономика. Образование, V Международном симпозиуме Ряды Фурье и их приложения, Абрау-Дюрсо, 2008; XVII Международной конференции Математика. Экономика. Образование, VI Международном симпозиуме Ряды Фурье и их приложения, Абрау-Дюрсо, 2010; XV региональной НТК Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону, Ставрополь, 2011; V Международной научно-технической конференции Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании, Кисловодск, 2012.
Публикации. Полученные автором результаты изложены в 10 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены в ООО ТРАНСНЕФТЬ - СЕРВИС (филиал в г. Находка) при стендовых испытаниях комплектующего оборудования системы управления технологическими процессами трубопроводов СМНП Козьмино (морской порт Восточный). Результаты исследования реализованы в учебном процессе по направлениям подготовки кафедры УСистемный анализ, управление и обработка информации на транспортеФ в ФГБОУ ВПО УГМУ имени адмирала
Ф.Ф. УшаковаФ г. Новороссийск, что подтверждено актами о внедрении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Ее содержание изложено на 155 страницах, включая 17 страниц приложений, проиллюстрировано 39 рисунками и 9 таблицами. Библиографический список содержит 105 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и основные задачи работы, аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту основные положения.
В первой главе выполнен анализ структуры СТТ как объекта системного анализа. Проведен аналитический обзор существующих и модернизируемых систем мониторинга СТТ. Рассмотрены статистические модели устойчивости, применяемые при исследованиях ВИС типа Магнескан.
Результатом формализации задачи принята модель, учитывающая разнородные по своему составу факторы, образующие полную группу совместных событий. В качестве базисного плана принимается задача максимизации рабочего давления в условиях двойственной задачи минимизации напряжений на теле трубопроводов.
Оценивание вероятности потери устойчивости, осуществляется посредством действующей модели, применяемой в системном анализе устойчивости трубопроводов на базе технологий ВИС:
, (1)
где математическая модель оценивания потери устойчивости; - факторы антропогенного воздействия; - факторы коррозионного износа; - конструктивно-технологические факторы; - переменные функций рабочего давления, износа и механических напряжений.
Влияющие факторы модели (1) сведены в таблицу 1. Исходя из назначения параметра - рабочего давления, можно записать выражение:
, (2)
удовлетворяющее линейным равенствам:
(3)
где - вектора состояния системы по параметрам рабочего давления, износа и динамики системы; - коэффициенты целевой функции , величины износа тела трубопровода, механических напряженийи , возникающих в теле трубопровода под действием рабочего давления.
Таблица 1 - Влияние значимости параметров модели на вероятность потери
устойчивости
Обозначение фактора | Наименование фактора в группе | Его доля в группе | |
Внешние антропогенные и природные факторы | |||
Степень охранных мероприятий трубопроводной системы | 0,5 | ||
Степень защищённости наземного оборудования | 0,1 | ||
Уровень антропогенной активности | 0,2 | ||
Минимальная глубина заложения подземного трубопровода | 0,2 | ||
Коррозия | |||
Качество и своевременность восстановления защитных покрытий | 0,4 | ||
Степень коррозионного износа внутренней поверхности трубопровода | 0,2 | ||
Степень влияния инженерных сооружений на уровень коррозии | 0,14 | ||
Качество мониторинга остаточных толщин стенки трубопровода | 0,26 | ||
Конструктивно-технологические факторы | |||
Степень влияния на прочность гидравлических ударов | 0,15 | ||
Обеспеченность нагрузки при усталостных процессах | 0,3 | ||
Отношение фактической толщины стенки трубы к требуемой | 0,35 | ||
Уровень автоматизации мониторинга | 0,2 | ||
С учётом анализа конструкции трубопровода каноническая задача симплекс-метода (1-3) может быть дополнена применением аппарата двойственных задач. Действительно, в (1-3) переход к двойственной задаче заключается в формировании вектора потенциалов для матрицы (1):
(4)
где - вектор оценок; - вектор коэффициентов функции базового плана ; - линейная функция базового плана (3); - функция двойственной задачи; - вектор оценок двойственной задачи.
Однако двойственность канонической задачи состоит в минимизации при ограничении где матрица решений линейных уравнений параметров , .
Расширение схемы мониторинга и обеспечивается на основе решения уравнения, причем учёт уменьшения толщины стенки можно задать в виде заранее рассчитанного вектора.
Тогда прямая функция принимает вид , а двойственная - , при и .
Необходимую толщину стенки определим по формуле, в основе которой лежит третья теория прочности:
, (5)
где - толщина стенки трубопровода; - средний диаметр трубопровода; - допускаемые напряжения; - прибавка толщины стенки на коррозионный износ; - коэффициент прочности;Ц предельное рабочее давление в трубопроводе. Для напряжений перепишем формулу (5):
, (6)
где - при неизменном давлении величина постоянная, тогда
, при . (7)
Устойчивость трубопроводной системы определим в виде неизменности геометрических форм под действием нагрузки, которая относится к методам определения устойчивости второго рода, принятой в строительной механике сложных систем. Внешняя нагрузка (обусловленная напряжением, в трубопроводе под действием внешних сил) возникает по причине сейсмических и температурных воздействий. Напряжения, возникающие в трубопроводах под действием прокачиваемого продукта, определим как внутренние. В результате анализа установлено, что устойчивость подсистемы МТТ в целом становится функцией двух связанных процессов распределения внутренних и внешних напряжений.
Из-за сложности процессов, происходящих в СТТ, алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) не может дать надежной классификации динамических воздействий на систему. Расширение возможностей телеметрии СТТ достигается применением вложенных множеств, полученных путем сжатий и отображений материнской функции. В качестве параметра анализа принята спектральная плотность мощности (СПМ) сигнала.
На основании проведенного обзора имеющихся результатов теоретического и прикладного исследований системных связей, закономерностей функционирования МТТ и характера развития процессов в трубопроводах, осложняющих технологические режимы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены теоретические аспекты системного анализа устойчивости линейной части М и ТТ. Каноническая задача максимизации целевой функции управления рабочим давлением при формировании векторов условий учитывает комплекс влияющих параметров, приведенных в таблице 1.
Прямая каноническая задача (1-4), формирующая базисный план максимизации целевой функции с учётом влияющих факторов (таблица 1), сведена к двойственной задаче путём следующих преобразований:
; (8)
, (9)
где функция - решает задачу максимизации рабочего давления при минимизации предельных напряжений в теле трубопровода, связанных с внешними и антропогенными факторами; функция - минимизирует обратную задачу по степени износа линейной части М и ТТ при тех же требованиях к прямому базисному плану.
Для максимизации целевой функции
, (10)
где - функция давления в системе; - функция механических напряжений; - вектор коэффициентов, прямая функция имеет вид:
(11)
двойственная задача:
(12)
где () Ц функция изменения степени коррозии.
Для , по частным решениям которого формируются определители факторов коррозии
, (13)
где - функция давления в системе, - функция износа, - вектор коэффициентов, прямая функция имеет вид:
(14)
двойственная задача:
(15)
Задача оценивания износа тесно связана с качеством трубной стали, степенью коррозии тела трубы в определённых геологических, природных и других условиях. Поэтому в большинстве случаев коррозия рассматривается как случайный процесс с нормальным законом распределения. Функцию изменения степени коррозии будем исследовать по трендам полиноминального приближения вида:
, (16)
где - функция параметров износа; - толщина стенки; - произвольная постоянная.
Точность аппроксимации функций случайных величин примем, исходя из степени приближения тренда распределений случайной функции к реально наблюдаемому процессу. Окончательно процесс износа записан в виде матричного уравнения:
(17)
Конструктивно-технологические факторы также описываются распределениями функций случайных величин.
Оптимизация задачи распознавания решается методом кратномасштабного анализа в пространстве всплесков. Разложения в базисе всплесков позволяют за счёт сдвигов и отображений материнской функции (маски сигнала), на основе масштабирующего уравнения добиться быстрого затухания неиспользуемых гармоник на пространственном или временном участке анализа сигнала.
Рассмотрим функцию вида:
, (18)
где - масштабирующие функции; - ортогональная система всплесков разложения функции .
Коэффициенты масштаба разложения:
. (19)
где - векторное произведение исходной функции и масштабирующей , в которой элементы - конечный набор коэффициентов.
Основой кратномасштабного алгоритма является сжатие и отображение одной единственной фиксированной, генерирующей всплеск функции. По этой причине вычисление уровня преобразования можно выполнить в виде каскадного алгоритма, как показано на рисунке 1.
На основе каскадного алгоритма достигается декомпозиция входных потоков данных в цифровых фильтрах Добеши. Данный подход позволяет получать оценки спектральной плотности, аппроксимированные значения трендов в зависимости от динамики системы.
В качестве критерия разности сигналов (их различия на основании количественных оценок СПМ) принят доверительный интервал, соответствующий степени накрытия оценки 0.8, а разность (шаг оценок) между исходной и последующей реализацией сигнала, отражающих динамику системы, зафиксируем критерием в виде неравенства:
. (20)
Таким образом, целевая функция определения устойчивости системы по давлению на основе функционального анализа осуществляется по матрицам оценок функций случайных величин, учитывающих антропогенные, техногенные и природные факторы.
Рисунок 1 - Каскадный алгоритм кратномасштабного преобразования
С помощью системного подхода исследована базисная задача с учётом балльных оценок организационных и антропогенных факторов, статистических оценок износа и интерполированных оценок телеметрии, фиксирующих потерю прочности и динамику системы по сформированным морфологическим оценкам системы, и реализована модель информационной системы мониторинга СТТ.
В третьей главе представлены результаты по обработке данных натурных измерений, исследованию основных совокупностей сигналов и соответствующих им значений СПМ по спектру. Измерения получены с системы телеметрии участка магистрального нефтепровода линейной производственно-диспетчерской станции Хадыженская (нефтебаза Заречье ОАО Транснефть). Вибрационная динамика фиксировалась виброакустическим акселерометром фирмы Брюль и Къер типа 4321.
В таблице 2 приведена сравнительная характеристика среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости сигналов, разложенных по всплескам Добеши , которая реализуется в алгоритме кратномасштабного анализа.
Декомпозиция во всплесках сигнала по коэффициентам интерполяции 64-го порядка реализует спектр наиболее мощной гармоники, относящейся к спектру роторной частоты магистрального насоса. Наиболее информативная часть спектра обрабатывается в фильтрах до четвертого порядка. Практический интерес представляет более высокочастотная часть спектра, реализующая удар или шумы несанкционированного доступа. Из проведенного численного анализа совокупностей сигналов можно сделать вывод: процедура создания фильтра не выше четвертого порядка достаточна для решаемой задачи.
Таблица 2 - Расширенный подход к формированию параметров для проведения морфологического анализа, полученных в фильтрах Добеши 4-го порядка
Сигнал | СКЗ спектра по коэффициентам разложения [мм/с] | |||
W | 0.0303 | 0.0405 | 0.0775 | |
E | 0.0063 | 0.0061 | 0.0157 | |
R | 0.0105 | 0.0045 | 0.0188 | |
Q | 0.0235 | 0.0250 | 0.0565 | |
T | 0.0246 | 0.0382 | 0.0675 | |
Y | 0.0521 | 0.0091 | 0.0765 | |
U | 0.0016 | 0.0081 | 0.0033 | |
I | 0.0099 | 0.0161 | ||
O | 0.0972 | 0.1454 | 0.02674 | |
P | 0.0177 | 0.0234 | 0.0457 | |
F | 0.0126 | 0.0158 | 0.0314 | |
Для дальнейшего анализа выявления оценок сигнала и их классификации сформирована морфологическая таблица 3, в которой параметры D2 - D4 - вычисленные значения СПМ по всплескам. Параметр вносит наименьший вклад в СМП сигнала и из анализа исключён как шум.
Таблица 3 Морфологическая таблица
Параметр | Альтернативы | |
На основании классифицированных выборок сигнала организуем процедуру морфологического анализа совокупностей полученных измерений. По принятой на основании критерия (20) классификации, совокупности оценок можно отнести к пяти группам событий, как показано в таблице 4.
Спектры всех рассмотренных совокупностей перекрываются между собой, поэтому определение принадлежности выборок сигнала осуществляется в комбинации альтернатив . Наиболее мощный акустический сигнал соответствует глухому удару по телу трубопровода.
Однако спектр этого типа сигналов также перекрывается спектрами других типов сигналов. Каждая группа оценок перекрывается с предыдущей, существует ряд сигналов, которые система воспринимает как воздушный шум, в то же время имеется сигнал, классифицируемый как признак несанкционированного доступа, типа удар металла о металл трубопровода (СКЗ Ц0,133 мм/с), эти оценки имеют границы разброса виброскорости в пределах от .
Таблица 4 - Морфологическая матрица
Параметр | Признаки | Альтернативы | |||||
А Фоновый сигнал на линейной части трубопровода | А1(W) | 0.0303 | 0.0405 | 0.0775 | |||
А2 (E) | 0.0063 | 0.0061 | 0.0157 | ||||
А3(R) | 0.0105 | 0.0045 | 0.0188 | ||||
Б Удар металл о металл | Б1 (Q) | 0.0235 | 0.0250 | 0.0565 | |||
Б2 (T) | 0.0246 | 0.0385 | 0.0675 | ||||
В Удар камнем о металл | В1(Y) | 0.0521 | 0.0091 | 0.0765 | |||
В2(U) | 0.0016 | 0.0081 | 0.0033 | ||||
Г Сейсмический сигнал | Г1(I) | 0.0099 | 0.0161 | ||||
Г2(O) | 0.0972 | 0.1454 | 0.02674 | ||||
Д Режим полной тишины | Д1(P) | 0.0177 | 0.0234 | 0.0457 | |||
Д2(F) | 0.0126 | 0.0158 | 0.0314 | ||||
В группе оценок, классифицируемой как сейсмические, непосредственно не происходит воздействие на тело трубопровода, но природа сигнала кроется в подвижках грунта, вызванных движением железнодорожного состава вблизи трассы трубопровода. СКЗ виброскорости составит величину . Значения СПМ позволяют определить группу сигналов соответствующих режиму тишины. СКЗ виброскорости, как следует из таблицы 4, находится в пределах . В этом режиме прослушиваются шумы от работающих магистральных насосов в 58 км на ЛПДС Хадыженская.
В четвертой главе рассмотрена реализация предложенного системного подхода к исследованию устойчивости МТТ, осуществлено моделирование состояния системы трубопроводов под давлением внешней динамической силы. С использованием полученной модели определены области возможных решений, соответствующих устойчивости и неустойчивости системы при заданных нормированных механических напряжений, износа и рабочего давления.
Критерием устойчивости трубопровода под действием внешней динамической силы является условие . При рабочем давлении механические напряжения в теле трубы должны быть меньше предельных.
Функция коррозионного износа определяется на основании данных телеметрии, полученных с системы мониторинга остаточной толщины трубопровода. В данной работе применялся волоконно-оптический датчик ВОД V1 10 - дюймовая линия фирмы Fox-Tex (США), а значения динамической силы взяты из таблицы 3.
На основании трендов распределения СПМ получены аппроксимирующие уравнения, соответствующие определённому типу динамики СТТ, и вычисленные СПМ акустического сигнала, которые показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Распределение СПМ акустического сигнала, вычисленного
по всплескам при аппроксимации уравнением второй степени
Совместное решение уравнений, полученных по аппроксимации оценок динамики системы , соответствующих СПМ построенных по декомпозиции во всплесках Добеши 1-4-го порядка, изображенных на рисунке 2, и износа позволяют применить геометрический критерий оценки решений, показанный на рисунке 3. Линейный участок кривой соответствует пропорциональности системы (устойчивому состоянию в рамках теории устойчивости второго рода) в виде линейного отклика на возмущение системы. Наоборот, выход кривой решений на нелинейный участок при заданном шаге уменьшения толщины стенки на 0.01 мм соответствует потере устойчивости. В этом случае устойчивость МТТ определяют связи системы (опоры, фундамент, если имеется рубашка и другие элементы строительной конструкции трубопровода).
В результате моделирования установлено, что изменение распределения сигнала вследствие коррозии соответствует практически линейной зависимости до участка сброса нагрузки (наступления предела текучести - потери устойчивости), при этом толщина стенки должна уменьшиться до 6,5 мм (при номинальном размере 10 мм).
Модель (1) с учётом значимости факторов (см. таблицу 1) принимает вид:
. (21)
где - определители, соответствующие задаче базисного плана (8-9): определитель - нормированная величина механических напряжений, определитель - нормированная величина износа.
Рисунок 3 - Моделирование состояния системы трубопровода под
действием внешней динамической силы (криволинейный участок)
Для решения задачи многомерной интерполяции совместного распределения нормированных величин необходимо задать сетку поверхности интерполяции данных функций распределений (рисунок 4). Матрица F содержит элементы, полученные моделированием нагрузок и износа ( и ).
Область возможных решений (21) при заданной сетке нормированных значений параметра выделена на рисунке 4 кружками, возможные решения, лежащие вне сетки, соответствуют неустойчивости системы. Набор решений в виде двумерной интерполяции на шаге износа и изменения напряжений, как следствие динамической силы, определяет оптимальное давление в СТТ при минимизации механических напряжений и изменении прочности вследствие коррозии.
Рисунок 4 - Двумерная интерполяция данных механических напряжений,
износа и рабочего давления
В результате моделирования определены величины износа, при которых наблюдается потеря устойчивости. Во всех моделях рабочее давление соответствовало величине 2,5 МПа.
На основе предложенной в работе концепции обеспечения устойчивости СТТ разработана схема системного анализа устойчивости систем трубопроводного транспорта. Полученные результаты согласно схеме используются для выработки и принятия управленческих решений по обеспечению номинальной пропускной способности магистральных продуктопроводов.
Заключение и основные выводы по работе
В результате проведенных исследований системных связей и закономерностей функционирования СТТ на основе реализации современных методов обработки информации, оценивания и классификации телеметрических сигналов, измеренных на теле магистральных и технологических трубопроводах при рабочих процессах и коррозионном износе, получены следующие теоретические и практические результаты:
- На основе проведенного системного анализа объектов МТТ выявлены и классифицированы факторы снижения пропускной способности МТТ, дана количественная оценка параметрам формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга устойчивости и контроля за состоянием МТТ.
- Разработаны методы анализа устойчивости МТТ по когнитивным признакам балльных и количественных оценок качества системы: влияющих эксплуатационных, антропогенных и природных факторов на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода.
- Разработан алгоритм решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в СТТ и минимизации механических напряжений, возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов, что обеспечивает эксплуатацию МТТ со стабильной пропускной способностью.
- Разработан алгоритм определения количественных характеристик механических напряжений в системе МТТ с помощью декомпозиции соответствующих сигналов по Добеши четвертого порядка в СТТ с учетом динамики системы, что учитывается в модели оценки устойчивости системы МТТ.
- Построена модель оценивания устойчивости системы МТТ на основе цифровой обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов по всплескам Добеши четвертого порядка с помощью базисного плана максимизации рабочего давления в системе и двойственной задачи минимизации напряжений в теле трубы с учётом износа.
- Определены количественные оценки параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ методом декомпозиции во всплесках Добеши четвертого порядка, что позволило добиться улучшение соотношения сигнал/шум до 6-10 дБ в сравнении с классическим спектральным анализом (10-15%).
- Разработан алгоритм классификации качественного состояния систем трубопроводного транспорта на базе метода морфологического ящика, с применением количественного сравнения альтернатив параметров во всплесках Добеши четвертого порядка.
- Разработана структура информационной системы мониторинга устойчивости и контроля за состоянием магистральных и технологических трубопроводов на базе применения метода морфологического ящика по классифицированным параметрам динамики системы и современных возможностей системы телемеханики, обеспечивающей оперативность получения, обработки, передачи и представления информации о различных аномальных ситуациях на участках МТТ диспетчеру для принятия своевременного решения, что способствует эффективности функционирования МТТ.
Полученные результаты использованы для выработки рекомендаций принятия управленческих решений по реализации технической эксплуатации магистральных продуктопроводов для обеспечения номинальной пропускной способности.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
статьи в ведущих рецензируемых журналах:
- ютикова, М.Н. Организация динамических протоколов в каналах телеметрии с использованием функций Бесселя первого рода / М.Н. Лютикова // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Спецвыпуск. Технические науки: - Ростов на Дону. РГУ, 2008. - С. 108-110.
- Данцевич, И.М. Адаптация функции Бесселя первого рода к передаче бинарных кодов в телеметрических сетях низшего уровня / И.М. Данцевич,
М.Н. Лютикова // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Спецвыпуск. Технические науки: - Ростов на Дону. РГУ, 2008. - С. 96-97. - ютикова, М.Н. Определение спектральной плотности мощности акустических сигналов по декомпозиции во всплесках Добеши / М.Н. Лютикова,
И.М. Данцевич // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Теоретические и прикладные проблемы математики, экономики, образования. Естественные науки: - Ростов на Дону. Издательство ЮФУ, 2011. -
C. 36-39. - ютикова, М.Н. Модель влияния оценки трещиноподобных дефектов на прочностные и гидравлические свойства трубопроводов / М.Н. Лютикова // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО ВНИИОЭНГ, 2012. № 2. - С. 38-40.
- ютикова, M.Н. Использование морфологического анализа в определении параметров оценивания устойчивости сложной технической системы /
М.Н. Лютикова, И.М. Данцевич // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО ВНИИОЭНГ, 2012. - С. 24 - 30.
публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций:
- ютикова, М.Н. Об уменьшении времени адаптации в вычислителях стандарта величины применением БПФ / М.Н. Лютикова // Сборник научных трудов. Выпуск 12. - Новороссийск. РИО ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова, 2007. - С 68-71.
- Данцевич, И.М. Интегральные характеристики акустических сигналов в спектральном анализе и в всплесках Баттла-Лемарье / И.М. Данцевич,
М.Н. Лютикова // XVI Международная конференция Математика. Экономика. Образование. V Международный симпозиум Ряды Фурье и их приложения. Труды. - Ростов на Дону. 2008. - С. 9-14. - ютикова, М.Н. Оценивание акустических сигналов в спектральном анализе и в всплесках Баттла-Лемарье / М.Н. Лютикова // Материалы V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов: Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах. Краснодар. ООО Просвещение-Юг, 2008. - С. 49-51.
- ютикова, М.Н. Оценивание устойчивости трубопроводов при коррозионном износе и рабочих процессах / М.Н. Лютикова, А.В. Бачище //Сборник научных трудов. Выпуск 15. - Новороссийск. РИО ГМУ им. ад. Ф.Ф. Ушакова, 2010. -
С. 103-106. - ютикова, М.Н. Модель устойчивости систем трубопроводного транспорта по данным телеметрии / М.Н. Лютикова // V Международная научно - техническая конференция Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании. Кисловодск, 2012. - С. 83-87.
ичный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: обоснование проблемы передачи телеметрической информации в сетях низшего уровня [2]; разработка метода определения количественных параметров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка [3]; разработка метода оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа по всплескам Добеши четвертого порядка [5]; построение математической модели устойчивости сложной технической системы с учетом влияния динамических воздействий [9].
Печатается в авторской редакции
_____________________________________________________________________________
Подписано в печать 23.05.2012
Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. Ц 1,25 Уч.- изд. л. - 1
Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 145. Тираж 100 экз.
ФГБОУ ВПО л Северо-Кавказский государственный технический университет
355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2
_____________________________________________________________________________
Издательство ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный
технический университет
Отпечатано в типографии СевКавГТУ
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям