Розробка методики та пристрою для дистанційного контролю стану ізоляційного покриття підземних газопроводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка методики та пристрою для дистанційного контролю стану ізоляційного покриття підземних газопроводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Постачання газу споживачам у всьому світі має велике значення. Перерва поставок такого важливого енергоносія викликає кризові ситуації в промисловості і народному господарстві. Найбільш продуктивним шляхом транспортування газу залишається трубопровідний транспорт. Тому підвищення надійності і тривалості експлуатації магістральних газопроводів є однією з актуальних проблем у всьому світі і Україні зокрема.

Негативний вплив на надійність підземних металевих газопроводів мають корозійні пошкодження. З метою зменшення економічних затрат, спричинених корозійним руйнуванням трубопроводів їх захищають. Основними засобами комплексного захисту зовнішньої поверхні газопроводів від корозії є ізоляційне покриття (пасивний захист) та катодна поляризація (активний захист).

В процесі експлуатації ізоляційне покриття руйнується а катодний захист не завжди в змозі забезпечити захищеність поверхні газопроводу від корозії. Тому при експлуатації підземних магістральних газопроводів, довжина яких в Україні в даний час є більше 30 тис. км, важливо своєчасно оцінювати стан їх ізоляційного покриття з використанням переносних засобів контролю. Це дає змогу оптимально вибирати режими роботи засобів захисту газопроводів від корозії, правильно і своєчасно планувати проведення їх ремонтів.

Враховуючи велику загальну довжину підземних газопроводів необхідно застосовувати найоперативніші методи контролю. До таких відноситься метод безконтактного визначення струму з наступним аналізом характеру розподілу цього струму вздовж газопроводу.

На даний час існуючі засоби контролю не дозволяють одноосібно визначати струм при наявності сторонніх завад, записувати результати вимірювань для подальшого архівування, автоматично враховувати положення контролюючого пристрою відносно осі газопроводу. Виконання цих операцій за допомогою одного пристрою дозволить проводити контроль стану ізоляційного покриття підземних газопроводів більш ефективно і оперативно.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно з планами фундаментальних наукових робіт Міністерства освіти України (теми Д22/95 і Д6/98) і науково-дослідного інституту нафтогазових технологій (НДІ НГТ) Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (госпдоговірна тема №9/98 по договору з ВАТ «Укрнафта», м. Київ).

Мета роботи. Метою роботи є створення пристрою і розробка методики для безконтактного контролю ізоляційного покриття підземних магістральних газопроводів при наявності стороннього електромагнітного поля, виявлення місць пошкоджень ізоляції для корегування режимів роботи засобів захисту газопроводів від корозії та виду і термінів ремонту ізоляції.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені такі задачі:

- проаналізовано відомі методи контролю стану ізоляційного покриття підземних газопроводів та параметри, що характеризують стан цього покриття;

- досліджено вплив пошкодження ізоляційного покриття підземного газопроводу на характер протікання струму по ньому;

- проаналізовано вплив опору ґрунту, частоти досліджуваного сигналу, перехідного опору покриття на характер розподілу струму вздовж газопроводу;

- розроблено спосіб визначення струму в газопроводі на основі вимірювань напруженості магнітного поля над підземним газопроводом із виключенням впливу сторонніх однорідних завадонесучих полів;

- розроблено і виготовлено макет пристрою для безконтактного визначення струму в підземному газопроводі, який дозволяє проводити вимірювання без необхідності строгої орієнтації системи приймальних котушок відносно осі газопроводу;

- розвинуто методику оцінки стану ізоляційного покриття підземних газопроводів на основі виміряних в них струмів розробленим пристроєм шляхом обробки результатів вимірювання;

- проведено метрологічний аналіз розробленого пристрою та впливу повороту осі газопроводу на точність визначення струму в ньому.

Наукова новизна отриманих результатів:

- на основі теорії електричних кіл з використанням методу вузлових напруг теоретично оцінено залежність заникання струму підземного газопроводу від взаємного розміщення пошкоджень його ізоляції;

- розроблено спосіб визначення струму в підземному газопроводі шляхом вимірювань напруженості магнітного поля в чотирьох точках на прямій над газопроводом, що дозволяє виключити вплив положення вимірювальної системи відносно підземного газопроводу, а також вплив сторонніх однорідних магнітних полів у місці проведення контролю на результати визначення струму;

- проведено оцінку похибки вимірювання струму за допомогою розробленого пристрою поблизу повороту газопроводу та визначено межу зони коректних вимірювань.

Практичне значення отриманих результатів:

- запропоновано спосіб вимірювань напруженостей магнітного поля над тубопроводом і алгоритм розрахунку на їх основі значення струму в підземному газопроводі, який дозволяє проводити дослідження стану ізоляції при наявності сторонніх завад;

- розроблено структурну і принципові схеми, а також конструкцію переносного пристрою для дистанційного визначення струму в підземному газопроводі, на базі яких виготовлено пристрій КЗСТ-1 з можливістю запам'ятовування результатів вимірювання і подальшої (при потребі) її обробки на ПЕОМ;

- проведено контроль стану ізоляційного покриття ділянки діючого підземного газопроводу «Угерсько-Івано-Франківськ-Чернівці» УМГ «Прикарпаттрансгаз» виготовленим пристроєм КЗСТ-1. Результати оцінки стану ізоляційного покриття вказаної ділянки газопроводу узгоджуються із результатами досліджень цієї ділянки газопроводу контактним методом вимірювання потенціалу газопроводу;

- принципові схеми і конструкція пристрою КЗСТ-1 передані державному підприємству «Укроргтехдіагностика» (м. Львів) для розробки пристрою для контролю за станом ізоляційного покриття підземних газопроводів;

- результати роботи використовуються у навчальному процесі при курсовому і дипломному проектуванні в ІФДТУНГ із студентами спеціальності 7.090903 - Прилади і системи неруйнівного контролю.

Особистий внесок здобувача в наукові результати роботи полягає в наступному:

- в дослідженні впливу взаємного розташування пошкодженнь в ізоляційному покртті та характер заникання струму вздовж підземного газопроводу;

- в розробці чотирьох способів безконтактного визначення змінної складової струму в підземному газопроводі;

- в розробці способу обробки результатів визначення струму в підземному газопроводі;

- в розробці структурних і принципових схем пристрою для безконтактного визначення струму в підземному газопроводі безконтаткним способом;

- в аналізі похибок, що виникають при визначенні струму в газопроводі поблизу його повороту.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, які включені до дисертаційної роботи, оприлюднені та обговорені на: школі-семінарі «Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині», Київ, 1995; науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ, Івано-Франкіськ, 1996, 1997; науково-практичній конференції «Проблеми і перспективи науково-технічного прогресу АТ «Укрнафта» в умовах ринку», Івано-Франківськ, 1996; науково-технічній конференції «Сучасні прилади, матеріали та технології для технічної діагностики та неруйнівного контролю нафтогазового, хімічного та енергетичного обладнання. Сучасний підхід до підготовки фахівців з НК і ТД», Івано-Франківськ, 1996; другій Українській нуково-технічній конференції «Неруйнівний контроль і технічна діагностика NDT», Дніпропетровськ, 1997; міжнародній міжвузівській школі-семінарі «Методи і засоби технічної діагностики», Івано-Франківськ, 1997; науково-технічній конференції «Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів «Леотест-98», Київ-Львів, 1998; міжнародній науково-практичній конференції «Транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв», Львів, 1998; третьому науково-практичному семінарі «Протикорозійний захист трубопроводів і споруд та методи контролю «КТС-99», Львів, 1999.

Публікації. За результатами дисертації автором опубліковано 17 наукових праць, в тому числі 4 у фахових виданнях, 13 у наукових збірниках за матеріалами конференцій, а також одержано 1 позитивне рішення про видачу патента України.

Структура та обсяг дисертації. Основний зміст роботи викладений на 150 сторінках, складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літературних джерел із 136 назв, містить 70 рисунки та 9 таблиць, а також додатки на 22 сторінках. Загальний обсяг дисертації 188 сторінок.

Зміст і основні результати роботи

ізоляційний магнітний газопровід підземний

У вступі обґрунтовано актуальність наукової проблеми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено загальну характеристику роботи, а також положення, які виносяться на захист.

У першому розділі описано параметри об'єкту контролю: підземного газопроводу і оточуючого середовища. Узагальнено методи контролю стану ізоляційного покриття газопроводу за видом контрольованих параметрів. Існуючі методи умовно поділено на такі, які контролюють механічні параметри і такі, які контролюють електричні параметри ізоляційного покриття.

Методами контролю механічних параметрів ізоляційного покриття визначають товщину ізоляційного покриття, міцність зчеплення покриття з металом на відрив, міцність зчеплення покриття з металом на зсув, міцність покриття при ударі. Визначення всіх цих параметрів здійснюють при безпосередньому контакті пристроїв вимірювання з поверхнею газопроводу.

За допомогою методів контролю електричних параметрів визначають суцільність ізоляційного покриття і його перехідний опір. Вимірювання електричних параметрів можна проводити як при безпосередньому контакті з поверхнею газопроводу, так і безконтактними методами.

Серед методів, які вимагають безпосереднього контакту з поверхнею газопроводу, є: визначення суцільності покриття електро - іскровим способом, вимірювання перехідного опору методом мокрого контакту, вимірювання струму в газопроводі.

Існують методи, які дозволяють проводити вимірювання без необхідності контакту з поверхнею газопроводу, але вимагають електричного контакту з грунтом, що оточує газопровід. Є й такі, які повністю безконтактні. Методи, які не вимагають безпосереднього доступу до поверхні газопроводу, проте потребують електричного контакту з оточуючим грунтом можна поділити на методи, які основані на вимірюванні перепаду напруги на поверхні грунту над газопроводом і методи, які основані на вимірюванні перехідного опору ізоляційного покриття.

Повністю безконтактним методом контролю електричних параметрів ізоляційного покриття можна вважати визначення розподілу струму вздовж газопроводу за допомогою вимірювання напруженості магнітного поля, що створюється при протіканні по газопроводу цього струму.

Оскільки найоперативнішим способом визначення стану ізоляційного покриття є визначення розподілу струму вздовж газопроводу за допомогою вимірювання напруженості магнітного поля, то цей напрямок вибрано пріоритетним. Проаналізовано деякі способи визначення струму в газопроводі за допомогою систем приймальних котушок електромагнітним методом.

У другому розділі розглянуто методику визначення стану захисного покриття за результатами визначення коефіцієнту заникання струму вздовж газопроводу і за перехідним опором ізоляційного покриття. Запропоновано обробляти зашумлені виміри струму таким чином, щоб досягнути монотонності спадання струму при віддаленні від джерела живлення.

За допомогою електричних схем заміщення підземного газопроводу проаналізовано вплив опору ґрунту, частоти сигналу і наявності пошкодження на коефіцієнт заникання струму. Розглянуто взаємний вплив декількох пошкоджень на коефіцієнт заникання струму.

Встановлено математичні залежності для визначення змінної складової струму в газопроводі за результатами вимірювання напруженості магнітного поля над газопроводом. Дані залежності дають змогу визначати струм в газопроводі при наперед невідомій відстані до осі газопроводу по горизонталі і вертикалі. Наведено моделі, за допомогою яких можна визначити струм при неточному встановленні системи приймальних котушок.

Для спрощення формули обчислення струму залежність горизонтальної складової магнітного поля над газопроводом було апроксимовано поліномом другого степеня. Для знаходження коефіцієнтів поліному вимірюється напруженість магнітного поля в трьох точках над газопроводом. Використовуючи знайдені коефіцієнти поліному визначається віддаль від приймальної системи до осі газопроводу по горизонталі і напруженість магнітного поля над віссю газопроводу. Для визначення віддалі від приймальної системи по вертикалі до осі газопроводу додатково вимірюється вертикальна складова напруженості магнітного поля.

Визначення струму за вказаним способом можна проводити тільки при певному зміщенні вимірювальної системи від осі газопроводу. Це викликано тим, що поліном, за допомогою якого апроксимовано залежність співпадає з реальним значеннями тільки у своїй вершині.

На результати вимірювання описаних способів впливають сторонні магнітні поля. Для врахування сторонніх однорідних магнітних полів запропоновано ввести в систему з трьох котушок четверту котушку, розташувавши її на одній осі з першими трьома і на рівній віддалі від них.

Аналізуючи залежності для такої вимірювальної системи встановлено, що при симетричному положенні горизонтально встановленої системи котушок відносно осі газопроводу, коли віддалі між першою і четвертою та другою і третьою котушками відповідно рівні, результати визначення вертикальної віддалі до осі газопроводу і струму без впливу сторонніх полів є хибними. Тому четверту котушку було зміщено до третьої на половину віддалі між ними.

Таким чином отримано математичні залежності для чотирьох приймальних котушок розташованих на одній осі, які дають змогу визначати струм в газопроводі при будь-якому положенні системи приймальних котушок при умові, що їх осі розміщені в площині перпендикулярній до осі газопроводу і не перетинаються з нею.

У третьому розділі описано пристрій, який розроблений на основі математичних залежностей для системи із чотирьох рівновіддалених котушок, за допомогою якого можна проводити контроль стану ізоляційного покриття підземного газопроводу шляхом визначення розподілу струму вздовж нього. Структурна схема пристрою зображена на рис. 4.

Розроблений пристрій містить чотири однакових канали обробки. Кожна з приймальних котушок приєднана до відповідного каналу обробки (1,2,3,4), який складається з вхідного підсилювача, керованого смугового фільтра, блоку виділення абсолютної величини сигналу і інтегратора. Це дало змогу застосувати почергове опитування каналів і використати один АЦП.

З виходу каналу обробки сигнал через комутатор потрапляє на вхід АЦП 5 і після перетворення в мікропроцесорний блок 6. За допомогою блоку індикації і управління 7 здійснюється керування приладом і відображення результатів роботи.

У четвертому розділі описано аналіз вірогідності контролю стану покриття підземного газопроводу при використанні розробленого пристрою. При цьому визначається вірогідність результату визначення перехідного опору ізоляційного покриття, який є показником стану ізоляційного покриття.

Вірогідність результату визначення перехідного опору визначається вірогідністю результату струму в газопроводі і припущеннями відносно опору ґрунту, в якому знаходиться газопровід, оскільки з метою прискорення контролю опір ґрунту не вимірюється, а використовується середнє значення для даного регіону.

Схема накопичення основних похибок в результатах визначення струму представлена на рис. 5.

Проведено аналіз впливу на результати визначення струму поворотів газопроводу, наявності паралельних трубопроводів і ліній електропередач. Визначено відстані, яких необхідно дотримуватися з метою одержання результатів з відносною методичною похибкою, що не перевищує 0.4%.

Експериментально визначено похибку результатів вимірювання струму в лабораторних умовах, яка становить 0.5% по відношенню до діапазону вимірювання.

Оскільки при визначенні струму проводиться мікропроцесорна обробка великої кількості вимірів, то досягається висока вірогідність результатів визначення струму. Тому основний вплив на вірогідність визначення перехідного опору має вірогідність правильного вибору опору ґрунту, який визначається за раніше проведеними геофізичними дослідженнями в кожному конкретному випадку окремо. Для наведеного в розділі прикладу загальна вірогідність контролю стану ізоляційного покриття не менша 59%.

У п'ятому розділі описано порядок роботи з розробленим пристроєм у польових умовах.

Наведено результати проведених дослідних робіт по контролю стану ізоляційного покриття газопроводу Угерсько - Івано-Франківськ - Чернівці від 42.8 км до 46.4 км.

Наведено методику обробки результатів вимірювання струму вздовж газопроводу, яка полягає у фільтруванні записаних у польових умовах за допомогою розробленого пристрою КЗСТ-1 значень струмів методом ковзної медіани і виборі фільтрованих значень таким чином, щоб величина струму вздовж газопроводу поступово зменшувалась при віддаленні від джерела живлення. За допомогою описаної методики проведено оцінку стану покриття досліджуваного газопроводу при наявності значних похибок в результатах вимірювань.

Проведено порівняння результатів визначення коефіцієнту замикання струму з поверхні газопроводу з результатами раніше проведених досліджень електродного потенціалу цього газопроводу проведених УМГ «Прикарпаттрансгаз».

Висновки

В роботі розглянуто проблему контролю стану ізоляційного покриття підземних газопроводів безконтактним методом переносним пристроєм із зменшенням часу на проведення контролю і з врахуванням сторонніх завад.

1. Проаналізовано відомі методи і способи визначення стану ізоляційно покриття підземних газопроводів. Встановлено пріоритетний напрямок безконтактних досідженнь стану ізоляційного покриття. Розглянуто існуючі засоби контролю стану покриття і запропоновано створити спосіб і пристрій для збільшення продуктивності контролю та зменшення впливу сторонніх завад.

2. На основі аналізу електричних схем заміщення проведено дослідження впливу пошкодження ізоляційного покриття підземного газопроводу на характер протікання струму по ньому і впливу взаємного розташування пошкоджень в покритті на коефіцієнт заникання струму вздовж газопроводу.

3. Розглянуто вплив опору грунту, частоти досліджуваного сигналу, перехідного опору покриття на характер розподілу струму вздовж газопроводу, що дає можливість встановити межі зміни коефіцієнту заникання струму для справного і пошкодженого ізоляційного покриття.

4. Розроблено спосіб визначення струму в газопроводі на основі вимірювань напруженості магнітного поля в чотирьох точках на одній лінії над газопроводом, що дає можливість виключити вплив сторонніх однорідних завадонесучих полів і враховувати положення вимірювальної системи відносно осі газопроводу під час проведення контролю.

5. Розроблено і виготовлено макет пристрою для безконтактного визначення струму в підземному газопроводі, який дозволяє проводити вимірювання струму без необхідності строгої орієнтації системи приймальних котушок відносно осі газопроводу з врахуванням сторонні однорідних магнітних полів.

6. Розвинуто методику оцінки стану ізоляційного покриття підземних газопроводів на основі виміряних в них струмів розробленим пристроєм шляхом обробки результатів вимірювання з досягненням монотонності розподілу струму вздовж газопроводу, що дає можливість визначати стан ізоляційного покриття;

7. Проведено аналіз достовірності результатів контолю стану покриття та визначено вплив повороту осі газопроводу на точність визначення струму.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Стрілецький Ю.Й. Розробка удосконаленого способу безконтактного контролю змінної складової струму в підземному газопроводі // Методи та прилади контролю якості. - 1997.- №1. - C.15-18.

2. Стрілецький Ю.Й., Кісіль І.С. Визначення змінної складової струму в підземному трубопроводі за допомогою системи приймальних котушок // Методи та прилади контролю якості. - 1998.- №2.-C.69-73.

3. Стрілецький Ю.Й. Оцінка похибок пристрою для дистанційного визначення струму в підземних газопроводах електромагнітним методом. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія «Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Збірник наукових праць ІФДТУНГ. вип. 34, т. 6. - 1997

4. Стрілецький Ю.Й. Методика обробки результатів вимірюваних, електромагнітним методом, струмів у підземних трубопроводах. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія «Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Збірник наукових праць ІФДТУНГ. вип. 34, т. 6. - 1997

5. Кісіль І.С., Стрілецький Ю.Й. Контроль стану ізоляції підземних газопроводів // Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині. Тези доп. Школи-сем. - Київ. - 1995. - C.11-12.

6. Кісіль І.С, Стрілецький Ю.Й. Моделювання газопроводу в лабораторних умовах // Тези н/т конф. проф. - виклад. складу університету.-Частина 3. - Івано-Франківськ.-ІФДТУНГ. - 1996.-C. 85.

7. Стрілецький Ю.Й. Розширення можливостей контролю стану поверхні підземного газопроводу // Тези н/т конф. проф. - виклад. складу університету.-Частина 3. - Івано-Франківськ.-ІФДТУНГ. - 1996.-С. 90.

8. Кісіль І.С., Стрілецький Ю.Й. Безконтактний контроль стану ізоляції підземних нафто- і газопроводів у процесі експлуатації // Проблеми і перспективи науково-технічного прогресу АТ «Укрнафта» в умовах ринку.-матеріали н/п конф. Івано-Франківськ. - 1996.-С. 197.

9. Стрілецький Ю.Й., Кісіль І.С. Аналіз існуючих методів контролю стану ізоляційного покриття підземних газопроводів і пропозиції по їх удосконаленню // Сучасні прилади, матеріали та технології для технічної діагностики та неруйнівного контролю нафто-газового, хімічного та енергетичного обладнання. Сучасний підхід до підготовки фахівців з НК і ТД. Матеріали н/т конф. Івано-Франківськ. - 1996.-С. 12-15.

10. Стрілецький Ю.Й. Визначення напруженості магнітного поля, створеного трубопроводом // Тези н/т конф. проф.-виклад. складу університету. Частина 2. Івано-Франківськ.-ІФДТУНГ. - 1997.-с 129.

11. Стрілецький Ю.Й., Кісіль І.С. Контроль ізоляційного покриття трубопроводу індукційним методом // Неруйнівний контроль і технічна діагностика NDT. Друга Українська н/т конф. Дніпропетровськ. - 1997.-С. 189.

12. Стрілецький Ю.Й., Кісіль І.С. Характерні особливості контролю ізоляції підземних трубопроводів за допомогою електромагнітного поля // Методи і засоби технічної діагностики. Зб. праць міжн. міжвуз. школи-семінару. Івано-Франківськ.-ІФДТУНГ. - 1997. C. 197-202.

13. Кісіль І.С., Стрілецький Ю.Й. Визначення перехідного опору між підземним газопроводом і грунтом на основі результатів вимірювання струму в газопроводі // Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів «Леотест-98». Матеріали н/т конф. Київ-Львів. - 1998. - C. 11-12.

14. Кісіль І.С., Стрілецький Ю.Й. Пристрій для контролю величини змінного струму в підземному газопроводі КЗСТ-1 // Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере неразрушающего контроля и технической диагностики. Матеріали міжнар. н/т конф.-Харків. - 1998. - С. 328-331.

15. Стрілецький Ю.Й., Кісіль І.С. Система контролю струмів у підземних газопроводах // Транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв. Міжнародна н/п конф. Львів. - 1998.-С. 12-20.

16. Стрілецький Ю.Й. Методика безконтактного вимірювання струму в підземних магістральних трубопроводах // Протикорозійний захист трубопроводів і споруд та методи контролю «КТС-99». Матеріали 3-го н/п семінару. Львів. - 1999.-С. 109-111.

17. Індуктивні методи визначення величини змінного струму в підземному трубопроводі/ Стрілецький Ю.Й.; Івано-Франк. держ. техн. ун-т нафти і газу. - Івано-Франківськ, 1997. - 28 с.-Укр.-Деп. в ДНТБ України 06.04.98, №168-Ук98 // Анот. в ж. Методи та прилади контролю якості, №2, 1996.

Размещено на Allbest.ru