Геоинформационная система оценки влияния инженерно-геологических факторов на возникновение коррозионных дефектов газопроводов ооо газпром трансгаз екатеринбург

На правах рукописи

РАСПУТИН АНТОН НИКОЛАЕВИЧ

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ

КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ГАЗОПРОВОДОВ

ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ ЕКАТЕРИНБУРГ»

Специальность 25.00.08 – «Инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург

2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет.

Научный руководитель:	доктор геолого-минералогических наук Мухаметшин Анатолий Матвеевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Тагильцев Сергей Николаевич кандидат технических наук Ратушняк Александр Николаевич
Ведущая организация:	ЗАО НПО «Спецнефтегаз», г. Москва

Защита состоится « 28 » апреля 2011 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.04 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, д. 30, ауд. 3336.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 25 » марта 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета О.М. Гуман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выполненных исследований. Современная газотранс­портная система должна соответствовать таким критериям, как качество, на­дежность, долговечность и безопасность эксплуатации. Поставленные критерии достигаются за счет повышения требований к достоверности применяемых тех­нологий диагностики и возможности разработки новых способов эксплуатации и обследования объектов газотранспортной системы. Однако рост объемов и видов диагностической информации о техническом состоянии газопровода приводит к необходимости совмещения в едином координатном пространстве различных видов обследований. Соответственно, появляется необходимость применения программных инструментов для систе­матизации диагностических данных нескольких временных периодов. Поэтому в последнее десятилетие геоинформационные системы (ГИС) и соответствую­щие технологии активно используются не только как средство визуализации и подготовки к печати элек­тронного картографического материала, но и для про­гноза и комплексного ана­лиза технического состояния газопроводов. Информа­ция, получаемая при диаг­ностических обследованиях газопровода, имеет по определению пространст­венно-распределенный характер, где каждой фикси­руемой точке присвоена пространственная составляющая и полезная характе­ристика (атрибутивные данные), например, значение электрического потенциала, сопротивление грунта или степень износа трубы.

Подземные газопроводы располагаются в динамических, разнообразных инженерно-геологических и природно-климатических условиях, с влиянием физико-химических и биологических факторов, определяющих скорость и ин­тенсивность коррозии. Максимально учесть все факторы и условия возможно только в системах, направленных на обобщение разнородной комплексной ин­формации. Систематизировать диагностические данные, выявить тенденции не­гативного влияния инженерно-геологических факторов на состояние газопро­вода, а также закономерности развития коррозионных дефектов возможно с помощью специализированной ГИС, предназначенной для анализа природно-техногенных условий эксплуатации газопровода. Применение ГИС позволяет учесть пространственные отношения между территориально распределенными газотранспортными объектами и инженерно-геологическими условиями проле­гания газопровода. Сделать же это в реляционных базах данных достаточно проблематично.

ГИС позволяет в доступной для конечного пользователя форме визуали­зировать объекты и события, определить наиболее значимые факторы влияния на коррозионные процессы и, как следствие, помогает принять сбалансирован­ные управленческие решения. Среди множества инженерно-геологических фак­торов, оказывающих наибольшее влияние на протекание коррозионных процес­сов, выделяют наличие субвертикальной литологической границы и активных зон дифференциальной аэрации, которые способствуют формированию макро­коррозионных гальванических пар. Определение таких участков возможно при совмещении различных видов диагностики, геолого-геофизической и инже­нерно-геологической информации.

Диссертационная работа посвящена изучению и анализу возможностей применения геоинформационных технологий для локализации участков корро­зионных дефектов, определяемых инженерно-геологическими факторами, а также формированию методики прогноза коррозионного состояния газопрово­дов на других, не диагностируемых традиционными способами участках.

Объект исследования. Система магистральных газопроводов, распола­гающихся в динамической геологической среде.

Предмет исследования. Распределение коррозионных дефектов на по­верхности газопровода в зависимости от инженерно-геологических факторов.

Идея работы заключается в использовании инженерно-геологических данных в составе аналитической геоинформационной системы для обоснования причин возникновения коррозионных дефектов газопроводов.

Цель работы. Разработка геоинформационной системы для оперативной оценки технического состояния коррозионного участка магистрального газо­провода с учетом влияния инженерно-геологических факторов на примере ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», а также разработка методики прогнозирова­ния коррозионно-опасных участков газопровода.

Основные задачи работы. Поставленная цель достигается решением следующих взаимосвязанных задач:

• анализ динамики развития и современного состояния геоинформацион­ных технологий в газотранспортной отрасли;
• сбор и систематизация инженерно-геологической информации по террито­рии исследования;
• разработка структуры геоинформационной системы газотранспортного предприятия, направленной на выполнение комплексного анализа диаг­ностической и инженерно-геологической информации;
• исследование инженерно-геологических факторов, определяющих форми­рование пар дифференциальной аэрации и размещение коррози­онных дефектов в связи с неоднородностью грунтов;

• апробирование методики обработки данных диагностических обследова­ний вдоль линейной части магистрального газопровода;
• создание технологии прогнозирования участков газопровода, подвержен­ных образованию коррозионных дефектов, обусловленных инженерно-геологическими условиями строения геологической среды.

Методы исследований. Основные положения и выводы диссертацион­ной работы получены на основе анализа современных геоинформационных ме­тодов и технологий обработки диагностических обследований газопровода. Разработка геоинформационной системы осуществлялась в программном ком­плексе ArcGis 9.3.1. Первичная обработка исходных данных внутритрубной де­фектоскопии (ВТД) проводилась в программе IRView. Построение модели гео­обработки данных ВТД проводилось в модуле ModelBilder. Экспериментальное подтверждение результатов геодезической привязки данных внутритрубной ди­агностики осуществлялось с применением навигационного оборудования Trimble GeoExplore 2005 Series.

Исходные материалы. В процессе подготовки диссертационной работы использовались результаты диагностических обследований газопровода. Боль­шое внимание уделялось обработке результатов прямого метода диагностиро­вания – внутритрубной дефектоскопии, а также данным электрометрических измерений. В работе применяются геологические карты четвертич­ных образований масштаба 1:200000, топографические карты, цифро­вая модель рельефа, космические снимки высокого пространственного разре­шения, данные инженерно-геологических изысканий. Для обработки пространственных данных и диагностических обследований использовалась система ArcGis 9.3.1.

Основные защищаемые положения:

1. Геоинформационная система, разработанная для анализа природно-техно­генных условий эксплуатации газопровода, позволяет установить пространст­венное распределение коррозионных дефектов и их взаимосвязь с инженерно-геологическими факторами, основными из которых являются литологические контакты.

2. Алгоритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефек­тоскопии позволяет целенаправленно определять участки плотности коррози­онных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами прохож­дения трассы газопровода.

3. Методика прогнозирования коррозионных дефектов, связанных с инже­нерно-геологическими факторами, позволяет выявлять на необследованных частях газопровода вероятные участки возникновения коррозионных дефектов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

• впервые показано формирование пар дифференциальной аэрации вдоль га­зопровода в зависимости от реальных инженерно-геологических условий прохождения трассы;
• разработана геоинформационная модель системы «труба–грунт» для опе­ративного анализа коррозионного состояния газопроводов;

• разработан алгоритм трансформации линейных координат результатов внутритрубной дефектоскопии без использования гироскопических систем, проведена оценка точности результатов работы данного алгоритма.

Личный вклад автора заключается в следующем:

• выбор и постановка задач исследований, анализ результатов;
• разработка структуры пространственных данных и принципиальной мо­дели системы «труба–грунт»;
• разработка и практическая реализация алгоритма обработки результатов диагностических обследований с линейными системами измерений;
• разработка рекомендаций по выявлению пар дифференциальной аэра­ции в реальных природно-техногенных условиях;
• разработка Концепции и Регламента эксплуатации геоинформационной системы магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Екате­ринбург»;
• организация WEB-доступа к картографическим данным и результатам пространственного анализа.

Практическое значение диссертации. Установленная зависимость обра­зования коррозионных дефектов газопровода по результатам анализа полного комплекса диагностических и инженерно-геологических обследований позво­ляет определять участки с потенциально высокими скоростями коррозии на тех газопроводах, где затруднительно, а часто и невозможно проведение всего ком­плекса исследований. Разработанная методика трансформации линейных изме­рений диагностических обследований в координаты геоинформационной сис­темы применяется в производственной деятельности ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Результаты работы методики используются для анализа корро­зионного состояния, а также для обоснования и планирования капитального ремонта объектов газотранспортной системы.

В соответствии с моделью ГИС на территорию ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» разработан аналитический геоинформационный пакет, вклю­чающий в себя результаты внутритрубной дефектоскопии за несколько времен­ных периодов, электрометрические измерения, инженерно-геологические изы­скания, топографические и кадастровые карты, данные дистанционного зонди­рования Земли. Доступ к геоинформационному пакету реализован через WEB-интерфейс информационно-управляющей системы.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты работы докла­дывались, обсуждались и были одобрены на региональных и всероссийских на­учно-практических конференциях: в ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» в 2005-2010 гг.; на седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, спе­циалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии газовой промышленности», 2007 г.; на IV Научно-практической конференции молодых специалистов ООО «Севергазпром» в 2007 г.; на конфе­ренции молодых ученых и специалистов Института горного дела УрО РАН в 2007 г.; на отраслевых совещаниях ОАО «Газпром» и его дочерних обществ в период с 2006 по 2010 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе­ния, четырех глав и заключения, изложенных на 142 страницах, содержит 50 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.

Автор выражает признательность и глубокую благодарность научному руководителю д.г.-м.н. А.М. Мухаметшину за консультации и своевременную помощь при постановке и проведении исследований. Диссертант благодарен коллективам кафедры геоинформатики и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ за полезные советы и замечания. Сотрудникам ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» – филиал Инженерно-технический центр автор выражает признательность за конструктивные предложения и пре­доставленные материалы, в особенности В.А. Желобецкому за обсуждения и консультации по отдельным вопросам диссертации, а также близким за посто­янную поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели и предмет исследований, показана актуальность темы, определены цели и основные задачи работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу текущего состояния гео­информационных технологий на газотранспортных предприятиях. В главе рас­сматриваются современные методы диагностики коррозионного состояния ма­гистральных газопроводов, а также конкретизирована и раскрыта цель прове­дения исследований по теме диссертации, сформулированы методы и способы пространственного анализа.

Ключевые понятия и теоретические основы геоинформационных систем применительно к системам комплексного анализа на газотранспортных предприятиях изложены в работах Т.А. Трифонова, М. ДеМерс, Н.В. Мищенко, А.М. Берлянт, А.Н. Краснощекова, Ю.К. Королева, А.Д. Иванникова, Г.В. Шилиной, Р. Томлинсона, А.В. Кадетовой, Я.Б. Радзиминовича и др. Разраба­тываемая ГИС относится к аналитическим системам с функцией пространст­венного анализа и прогноза геоситуаций, а так же к информационно-поисковым системам с функцией обеспечения задач мониторинга.

Существует несколько определений термина «геоинформационные сис­темы». Например, М. ДеМерс проводит сопоставление синонимичных названий и определения ГИС. Стоит обратить внимание, на то, что М. ДеМерс не разде­ляет понятие «геоинформатика» как научную дисциплину и геоинформацион­ные системы как программные продукты, используя в обоих случаях термин «ГИС». Несмотря на это, ГИС рассматривается как система, имеющая дело с пространственно-временной информацией и часто, но не обязательно, исполь­зующая компьютерную технику. Коллектив авторов в составе А.Д. Иванников, В.П. Кулагин и В.Я. Цветков определяет ГИС как «интегрированную информа­ционную систему, предназначенную для обработки пространственно-времен­ных данных, в которых основой интеграции является географическая информа­ция, а основой интеграции технологий обработки являются технологии САПР».

Основной задачей газотранспортных предприятий Группы «Газпром» яв­ляется безаварийная и своевременная доставка газа и газового конденсата ко­нечному потребителю. Для реализации этих условий существуют различные инструменты, одним из которых являются геоинформационные системы и тех­нологии. Изначально ГИС на газотранспортных предприятиях использовались преимущественно для просмотра и составления кадастровых карт района про­хождения газопровода. В дальнейшем ГИС стали использоваться в разработке систем прогноза аварийности и расчете зон поражения при разрыве на магист­ральном газопроводе, что отражено в работах С.Г. Павлова, С.И. Долгова, Г.С. Ракитиной, Л.В. Шершневой и др. Такая система позволяет оперативно оце­нить на региональном уровне наличие опасностей для газотранспортной системы геологического характера (оползни, тектонические проявления, карстовые провалы), зоны термического и осколочного поражения при разрыве газопровода.

Для обоснованного выбора способов пространственного анализа выпол­нен обзор существующих методов диагностики магистрального газопровода. Основным прямым методом неразрушающего контроля является внутритруб­ная дефектоскопия (ВТД) – пропуск инспектирующего снаряда внутри трубы. В основе метода ВТД лежит фиксация рассеяния магнитного потока в металле трубы. Данный метод широко реализован в снарядах-дефектоскопах с продоль­ной и поперечной системой намагничивания и представлен в работах В.А. Канай­кина, В.Е. Лоскутова, Д.П. Варламова, А.Ф. Матвиенко и др. В первой главе также приведено описание геоинформационной системы, эксплуатируе­мой немецкой компанией E.ON Ruhrgas и ее сравнение с разрабатываемой ГИС. Информация по данной системе соб­рана автором в период прохождения стажировки в E.ON Ruhrgas в 2008 г.

Из рассмотренных геоинформационных систем автором рекомендуются следующие определения термина «ГИС».

ГИС как сфера информационных технологий – комплекс технических и программных средств, оперирующих пространственными данными, позволяю­щий получать информацию об объекте и проводить ее пространственный ана­лиз, имеющий интеграционные возможности с другими IT-системами предпри­ятия и системами сбора данных. Комплекс, как правило, подразделяется на справочные, экспертные, аналитические и интегрированные ГИС.

ГИС как процесс – получение новой информации, основанный на обра­ботке пространственной и атрибутивной составляющих в результате анализа первичных данных, их обобщения и систематизации.

Во второй главе диссертации приводятся геоморфологические характе­ристики исследуемой газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Ека­теринбург». Проведен анализ инженерно-геологических факторов, влияющих на техническое состояние среды, рассмотрены виды коррозии и механизмы ее возникновения. Детально рассмотрен механизм образования макрокоррозион­ных пар по совокупности анодных и катодных участков вдоль трассы газопро­вода. Специфической особенностью предприятия является меридиональное расположение основной газоперекачивающей сис­темы, которая практически на всём протяжении идёт вдоль восточного склона Уральских гор, являющиеся естественным водоразделом между реками, текущими на Русскую и Западно-Сибирскую равнины. В результате этого, реки протекают вкрест магистральных газопроводов, эксплуатируемых организацией.

Хозяйственная деятельность в регионе в основном сосредоточена в горо­дах по берегам рек и обеспечивается газом через систему распределительных газопроводов и газопроводов-отводов, пролегающих в большей части парал­лельно рекам и железным дорогам, многие из которых электрифицированы. Предприятие осуществляет свою деятельность в четырех областях Уральского региона: Свердловской, Курганской, Челябинской и Оренбургской (рис. 1). Со­ответственно, на всем протяжении трассы газопровода существенно меняются природно-техногенные условия, а также инженерно-геологические факторы, влияющие на образование коррозионных дефектов. Магистральные газопро­воды предприятия к настоящему времени представляют собой сложную сис­тему, состоящую из участков, различающихся по сроку эксплуатации, типу изоляции и состоянию этой изоляции.

Рис. 1. Обзорная карта газопроводов и болотные провинции Урала

Отличительной особенностью предприятия от других организаций Группы Газпром являются протя­женные отводы к крупным городам, вблизи которых они подвержены усиленному техногенному воздейст­вию, например, блуждающим токам и агрессивным отходам производ­ства. Результатом комплексного воз­действия неблагоприятных факторов является ускоренная коррозия под­земной металлической части газо­проводов, успешная борьба с ней возможна при совмещении в про­странстве и во времени всех небла­гоприятных факторов, что позволяет понять причины коррозионных про­цессов и выработать рекомендации по борьбе с ней.

Согласно С.Г. Дубейковскому, Ю.В. Михайлову, А.Я. Гаеву, и др., долины рек на исследуемой территории имеют от двух до пяти террас, ширину до 10-70 км и среднюю мощность аллювия 10-30 м при максимальной до 100 м. Аллювий, как правило, представлен песками, гравием, галечником, переслаивающимся с суглинками и глинами. На террито­рии исследования выделяют шесть болотных провинций: Камско-Ветлужскую, Провинцию южных степей и пустынь Казахстана, Средневолжско-Закамскую, Горно-Уральскую, Западносибирскую провинцию южной тайги, Западносибир­ская провинция северных разнотравных степей. Часть газопроводов (около 30 %) пролегает в Западносибирской провинции, характеризуется гидрокарбо­натно-хлоридным и гидрокарбонатно-сульфатным составом болот и озер. Около 30 % газопроводов пролегают по провинции южных степей и пустынь Казахстана, характеризующейся соленым и гидрокарбонатно-сульфатного со­ставом болот. Около 25 % газопроводов пролегают по Средневолжско-Закам­ской провинции с сульфатно-гидрокарбонатным составом болот с высокой сте­пенью минерализации. Часть газопроводов (15 %) пересекает Горно-Уральскую провинцию, со смешанным составом болот и наличием высокоомных грунтов (рис. 1).

Вклад в анализ инженерно-геологических факторов, способствующих развитию коррозии и возникновению аварийных ситуаций на газопроводе, вне­сли Л.В. Власова, С.П. Лебедич, Г.С. Ракитина и др., проанализи­ровавшие фактические данные о влиянии на устойчивость Единой системы га­зоснабжения последствий аварий, вызванных инженерно-геологическими про­цессами различной повторяемости. Среди причин аварийности на линейной части газопровода значительную часть (27,6 %) составляет коррозионное рас­трескивание магистральных трубопроводов под напряжением (КРН)^[1]

. Геодинами­ческие аспекты образования дефектов КРН также подробно рас­смотрены в работах Р.Х. Султангареева, С.К. Рафикова, А.М. Шаммазова и др. Особой группой факторов выделяется неоднородность грунтов с различной влажностью и неравномерной электрической проводимостью, что приводит к появлению участков с недостаточной защитой от коррозии.

Основными инженерно-геологическими факторами, влияющими на грун­товую коррозию, являются: а) структура и гранулометрический состав грунтов; б) удельное электрическое сопротивление грунта, в) изменение температурного режима; г) переменная влажность; д) наличие блуждающих токов; е) наличие контактных границ; ж) открытое поровое пространство и некоторые другие.

Одной из значимых причин образования коррозионных дефектов явля­ется процесс возникновения макрокоррозионных пар или пар дифференциаль­ной аэрации (ПДА) в околотрубном пространстве газопровода.

ПДА представляют собой совокупность катодных и анодных зон по трассе газопровода, образующихся при следующих основных причинах: смена разнородных грунтов, различная степень аэрации соседних участков грунтов, изменение температуры среды (Н.Д. Томашев, Ф.М. Мустафин, Н.Н. Глазов и др.). Расстояния между катодными и анодными участками могут достигать от нескольких десятков до сотен метров. Исходя из предполагаемых размеров ПДА (20-500 м) и локализации дефектов (150-700 м) возможно выявление уча­стков неоднородности грунтов по картам четвертичных образований масштаба 1:200000, на которых высока вероятность образования коррозии газопровода. Соответственно, в рамках точности масштаба 1:200000 карт четвертичных об­разований ПДА могут быть идентифицированы.

Неоднородность грунтов зачастую приводит к образованию гальваниче­ских пар с различными потенциалами U1, U2 и разностью потенциалов U. На участках с большим потенциалом образуются анодные зоны, на участках с меньшим потенциалом – катодные. При наличии разности потенциалов возни­кает движение электрического тока (Io) по металлу газопровода в направлении от анода к катоду, способствуя коррозионному разрушению газопровода в анодной зоне в местах нарушения изоляции.

Аэрация грунтов зависит от их влажности, пористости, гранулометриче­ского состава и т.д. Кислород из атмосферы попадает на поверхность сооруже­ния через поры в грунте, а также посредством просачивания грунтовой влаги, что обуславливает образование ПДА. Участок газопровода, к которому затруд­нен доступ кислорода, становится анодом макрокоррозионной пары. Тот уча­сток газопровода, к которому имеется доступ достаточного количества воздуха, становится катодом. При этом происходит процесс восстановления кислорода (O2) с образованием ионов ОН– на катодном участке. В случае прохождения га­зопровода, например, последовательно в глинистых и песчаных грунтах, возни­кают макрокоррозионные зоны: на глинистом участке – анодная, на песчаном – катодная (рис. 2).

Рис. 2. Образование ПДА в условиях неоднородности и различной аэрации грунтов

Глинистые породы обладают в среднем более высокой плотностью
(1,75-2,12 г/см3) и естественной влажностью (30-40 %) по сравнению с песками (1,5-1,7 г/см3 и 5-10 % соответственно). Важным параметром на проникновение кислорода к поверхности газопровода является плотность сложения частиц грунта и заполнение водой порового пространства. Очевидно, что в случае большого размера пор и отсутствия в них влаги, кислород легче проникнет через слой грунта и процесс образования ионов ОН– проходит активнее, чем при малом размере пор. Для характеристики степени насыщения грунта водой, в исследуемой части инженерно-геологического разреза, применяется коэффициент водонасыщения, выражающий отношение влажности пород к их полной влагоемкости. Чем больше коэффициент водонасыщения, тем поровое пространство более заполнено влагой, соответственно сильнее затруднено проникновение кислорода к поверхности трубы. При достижении естественной влажности в
30-40 % для тяжелых глинистых грунтов и 25 % для песчаных процесс аэрации замедляется, за счет уменьшения свобод­ного порового пространства, что приводит к заметному торможению анодного и катодного процессов.

В третьей и четвертой главах приводится структура пространственных данных разрабатываемой геоинформационной системы, обосновывается алго­ритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефектоскопии, а также предлагается технология прогнозирования участков газопровода, под­верженных образованию коррозионных дефектов, обусловленных инженерно-геологическими условиями строения геологической среды.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение: геоинформационная система, разработанная для анализа природно-техногенных условий эксплуатации газопровода, позволяет установить пространственное распределение коррозионных дефектов и их взаимосвязь с инженерно-геологическими факто­рами, основными из которых являются литологические контакты.

Эффективный геоинформационный анализ пространственных данных строится по соответствующей поставленным задачам модели. Структура мо­дели должна быть легко расширяемой, включать в себя как существующие виды диагностических обследований, так и предусматривать появление новых. Цель разработки модели: оптимизация процесса принятия управленческих ре­шений, повышение качества и эффективности работы организации в области комплексного анализа, снижение финансовых затрат на обслуживание газо­транспортной системы, структурирование разнородной инженерно-геологиче­ской информации.

В качестве основы геоинформационной системы предлагается модель данных, состоящая из двух основных частей: базового блока и динамического блока информации (рис. 3).

Базовый блок модели геолого-геофизическое воздействие на магист­ральный газопровод характеризует расположение и свойства грунтов на основе четвертичных образований, цифровой модели рельефа, описание геоморфоло­гических особенностей местности, тектонических нарушений, общее сейсмиче­ское и геодинамическое районирование и т.д. Важной составляющей в данном классе являются инженерно-геологические данные. Сюда включены данные по физико-механическим свойствам грунтов и профиль трассы. Данный класс объ­ектов является универсальным в качестве основы для анализа технического со­стояния как протяженных, так и площадных промышленных объектов.

Антропогенное воздействие на магистральный газопровод отражает тех­ногенную нагрузку на геологическую среду по системе «труба–грунт». В этот класс входит инфраструктура газопровода, промышленные объекты, а также потенциальные источники блуждающих токов.

Динамический блок модели состоит преимущественно из специфиче­ских для газопровода диагностических обследований: внутритрубной дефектоскопии, электрометрических обследований, дистанцион­ного зондирования Земли, дистанцион­ного контроля утечек газа при вертолетных обследованиях, системы коррозионного мониторинга.

Рис. 3. Структура пространственных данных

Стоит отметить, что ба­зовый блок информации более статичен, чем динамический, мало подвержен изменениям. Базовый блок формируется единожды и может быть ис­пользован на протяжении пе­риода эксплуатации газо­транспортной системы. Пе­риодическим изменениям в базовом блоке подвергается инфраструктура газопровода преимущественно за счет вве­дения новых участков газо­проводов или его модерниза­ции. При необходимости в расширении модели необходимо пропорционально добавить в базовый блок данные по объекту обследования, а в динамический – специфический вид диаг­ностики, свойственный данному объекту.

На территории исследования определены участки газопровода с повышенной плотностью коррозии, сформирован аналитический геоинфор­мационный пакет, проведено пространственное совмещение результатов ВТД, карт четвертичных образований, инженерно-геологических разрезов и данных космической съемки. Для дальнейшего анализа принимается во внимание про­странственное положение дефектов: коррозия, язвенная коррозия, ка­верна. После необходимых преобразований проведена градация дефектов в соответствии с нормативной документацией: а) докритические дефекты, с глубиной коррозии до 20 %; б) критиче­ские дефекты, от 20 до 40 %; в) закритические дефекты, свыше 40 %.

На основе геоинформационного пакета, определены ключевые участки, по следующим инженерно-геологическим условиям пролегания трассы газо­провода: а) сходный геоморфологический уровень; б) типовой инженерно-гео­логический разрез; в) однородность разреза по физико-химическим свойствам; г) сходные условия увлажнения околотрубного пространства; д) равномерная плотность и протяженность коррозионных дефектов; е) отсутствие регулярных источников блуждающих токов.

На обзорной карте видно, что участок «Челябинск–47 км» характеризу­ется сменой суглинков и заторфованных илистых глин (рис. 4, а). Космический снимок на эту территорию подтверждает наличие торфяников по характерному для заболоченных территорий фототону, отсутствующей или поникшей расти­тельности (рис. 4, б). Инженерно-геологический профиль, взятый с проектной документации, подтверждает наличие песков, заторфованых глин, а также по­казывает литологические границы смены грунтов (рис. 4, в). По коэффициентам водонасыщения видно, что пески на катодном участке маловлажные (Kw=0,5) и соответственно проникновение кислорода проходит более активно, чем на влажных заторофованных глинах (Kw=0,7). В соответствии с условиями формирования макрокоррозионных пар, направление движения тока в грунте происходит от анодного к катодному участку. В данном случае анодный участок находится между двумя катодными, в результате чего наблюдается образование дефектов в торфах и частично на суглинках и песках.

Согласно Руководству по эксплуатации систем противокоррозионной за­щиты для оценки коррозионного состояния, применяется показатель интенсив­ности дефектов: ид=Nкд/Lку, шт/м, где Nкд – общее количество выявленных де­фектов; Lку – протяженность контролируемого участка. Общее количество де­фектов вдоль газопровода составило 192 шт, протяженность контролируемого участка – 385 метров, соответственно ид=0,498, или 49,8 шт/100 м. Данный по­казатель соответствует высокому уровню коррозионной интенсивности.

На втором ключевом участке – «р. Габиевка» наблюдается неоднород­ность глин, суглинков и аллювиальных полимиктовых песков, располагаю­щихся в русле реки (рис. 5, а). По результатам спектрального анализа космиче­ских снимков выделены проявления торфов и обводненность вдоль трассы га­зопровода (рис. 5, б). На инженерно-геологическом профиле в дополнение к космической съемке и обзорной карте четвертичных отложений также показаны незначи­тельной мощности торфяные образования (рис. 5, в).

а	б
в
Рис. 4. Ключевой участок «Челябинск - 47 км» (синим цветом, показана область раз­вития дефектов): а) обзорная карта четвертичных образований; б) дан­ные космической съемки; в) инженерно-геологический разрез. Kw – коэффициент водонасыщения; – плотность, г/см3; ро – уд. эл. сопротивление.

На данном участке через реку проложено два параллельных газопровода. Внутритрубные обследования проводились на них в разные годы. По их ре­зультатам видно образование дефектов на параллельных нитках, что свидетель­ствует об общей природе возникновения коррозии. Это является важным фак­том в прогнозе коррозионного состояния, особенно в многониточном коридоре, где достаточно определить области дефектов на крайних нитках в коридоре и перенести результаты на параллельные нитки, на которых не было внутритруб­ной дефектоскопии. Протяженность области дефектов вдоль газопровода со­ставила 360 м (334 дефекта, Lку=101 м) и 422 м (126 дефектов, Lку =43,8 м), следо­вательно, ид=0,302 (30,2 шт/100 м) и ид=0,298 (29.8 шт/100 м) соответственно. Данные показатели также соответствуют высокому уровню интенсивности кор­розионных повреждений.

а	б
в
Рис. 5. Ключевой участок «р. Габиевка»: а) обзорная карта четвертичных образова­ний; б) данные космической съемки; в) инженерно-геологический разрез Kw – коэффициент водонасыщения; - плотность, г/см3; ро – уд. эл. сопротивление.

Из приведенного сопоставления карт четвертичных образований, косми­ческой съемки и инженерно-геологических профилей можно сделать вывод о возможности использования карт четвертичных образований для определения закономерностей распространения коррозионных дефектов в зависимости от изменения качественного состава и смены грунтов и последующего оператив­ного выделения данных участков.

Использование карт четвертичных образований обусловлено еще и тем, что области дефектов могут достигать до 300-400 м по газопроводу. Оптималь­ным условием для оперативного анализа является применение более детальных карт грунтов, например масштабного ряда 1:10000 – 1:50000, однако в этом случае отсутствует их полное покрытие на районы прохождения газопровода. В случае же, когда необходима оперативность оценки коррозионного состояния газопровода, допустимо применение менее детальных карт, позволяющих оп­ределять причины образования коррозионных дефектов. Условием использова­ния карт масштаба 1:200000 является уточнение их достоверности по инже­нерно-геологическим профилям на ключевых участках.

Второе защищаемое положение: алгоритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефектоскопии позволяет целенаправленно определять участки плотности коррозионных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами прохождения трассы газопровода.

Необходимой составляющей геоинформационной модели является ис­пользование результатов (ВТД). Этот основной вид диагностического обследо­вания магистрального газопровода традиционно представляется значениями какого-либо параметра с указанием расстояния по трубе от начала измерений. Для использования в геоинформационной системе необходимо трансформиро­вать отсчеты одометра снаряда-дефектоскопа из линейных систем измерений в геодезические системы координат с последующим их занесением в структуру модели.

Последовательность трансформации данных ВТД.

Первый этап: подготовительный, из отчетов диагностических организа­ция формируются файлы в формате TXT – журнал дефектов, трубный журнал по ВТД, журнал маркеров, элементы обустройства, раскладка трубопровода. Проводится первичная обработка таблиц: редактируются названия полей, из них удаляются пробелы, знаки пунктуации заменяются на знак «подчеркива­ние», формируется база данных Access или dBASE IV.

Второй этап: расстановка маркеров на цифровой карте. Это наиболее трудоемкий и ответственный этап, занимает до 70 % времени от всего процесса нанесения ВТД. В качестве первичных маркеров используется журнал элемен­тов обустройства магистрального газопровода, объектами которого являются: краны, патроны на переходах через дороги, тройники (перемычки, отводы), их местоположение определяется по геодезической съемке МГ. Каждому маркеру присваивается значение расстояния по одометру.

Третий этап: геодезическая привязка журналов ВТД. Этап осуществля­ется в программном комплексе ArcGis 9.3.1. Для автоматизации процесса в ModelBuilder разработана модель геообработки (рис. 6). Инструмент для ра­боты с системой линейных координат (Linear Referencing Tools) является уни­версальным и может быть использован в различных сферах деятельности, по­этому трасса, по которой наносятся данные, носит унифицированное название маршрут (Route, I), а сами данные называют – событиями (Events). По ранее установленным маркерам производится калибровка маршрута (II) – расстояние между маркерами интерполируется и за их пределами экстраполируется. Затем производится нанесение событий (дефектов) из журналов ВТД – Добавить со­бытия на маршрут (III). После этого модель геообработки автоматически соз­дает файловую базу геоданных (IV), в которую и экспортируется временный слой (V). В дальнейшем определяются области плотности дефектов (VI).

Оптимальное расстояние между маркерными пластинами автором рекомендуется 100 м, однако, исходя из технических возможностей проведения ВТД, исполь­зуется полтора-два километра. В этом случае точность геодезической привязки результатов ВТД достигает 3-4 м. Если расстояние между маркерами 5-7 км, то точность привязки составит 7-10 м.

Рис. 6. Модель геообработки геодезической привязки данных ВТД

Такая точность вполне прием­лема для дальнейшего пространственного анализа, так как используются карты четвертичных образований масштаба 1:200000, точность которых 40 м. В поле­вых условиях точность привязки измерялась при помощи навигацион­ного оборудования ГИС-класса Trimble Geo Explorer. Координаты рассчитан­ных дефектов загружались в навигационный приемник, затем осуществлялся поиск на трассе с последующим проведением шурфовочных работ. Области применения алго­ритма обработки данных ВТД:

• расчет плотности распределения дефектов вдоль оси трубы;
• определение километража в любой точке газопровода;
• быстрый поиск на местности дефекта на газопроводе, за счет использова­ния систем GPS и/или ГЛОНАСС;
• определение типа трубы в любом месте газопровода.

Для подсчета статистики и как следствие зависимости распределения де­фектов произведен анализ по следующему алгоритму.

1. Определение участков образования дефектов коррозии по результатам ВТД проводится на основе расчета растра плотности точек (Point Density) с параметрами: размер ячейки – 100 м, радиус поиска – 300 м. В качестве поля численности выступает параметр «глубина дефекта», который в данном случае является весом объекта.
2. Сопоставление с картой четвертичных образований и выделение ключе­вых участков.
3. Подтверждение литологического контакта на ключевых участках по дан­ным инженерно-геологических изысканий, расчет коэффициента водонасыщения.
4. Определение вероятных причин образования коррозии с учетом инже­нерно-геологических факторов.

Для статистического анализа совпадения областей дефектов с грунтами выбраны несколько участков газопровода, на которых выполнялась ВТД. Ста­тистика приуроченности образования дефектов к различным инженерно-геоло­гическим условиям приведена в таблице.

Участок газопровода	Длина участка, км	Количество пере­сечений с литоло­гическими неодно­родностями	Количество участков по­вышенной плотности де­фектов	ПДА	% от об­щего коли­чества уча­стков
Челябинск-Петровск	76	44	22	18	81
Полевской	46	25	6	5	83
Свердловск-Сысерть:	86	45	19	15	79
- приуроченность к биоген­ным образованиям, шт			4
- зоны переменного увлаж­нения (смачивания), шт			4
- ПДА, шт			5
- контактная граница, шт			6

Третье защищаемое положение: методика прогнозирования коррозион­ных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами, позволяет выявлять на необследованных частях газопровода вероятные участки возник­новения коррозионных дефектов.

Методика выделения потенциально опасных участков следующая:

1. По картам четвертичных образований масштаба 1:200000 осуществля­ется выборка типов грунтов в соответствии с их генезисом, составом и взаимным расположением, а так же в местах подъема уровня грунтовых вод до глубины не менее двух метров от поверхности земли на участках рез­кого изменения удельного сопротивления грунтов (не менее чем в 3 раза) при < 100 Ом·м.
2. Уточнение по ключевым участкам наличие контактных границ и зон диф­ференциальной аэрации с привлечением инженерно-геологических данных и результатов космической съемки.
3. Привлечение дополнительных методов диагностики, таких как электро­метрические обследования, инженерная сейсморазведка, георадарные обследования с целью выявления границ смены грунтов. Например, при проведении детальных электрометрических измерений качественные формы графика разности и градиента потенциала вдоль трубы при на­личии границы смены грунтов будут выглядеть следующим образом (рис. 7). Разность потенциалов по системе измерений «труба–грунт» находится в пределах 750-850 мВ для анодной части, представленной глинами и в пределах 450-580 мВ – для катодной части, представленной песком. Градиент потенциала по системе измерений «грунт-грунт» бу­дет иметь максимум над границей смены грунтов.

Рис. 7. Качественные графики разности и градиента электрического потенциала на границе смены грунтов

Подробно методика электрометрических обследований изложена в Руко­водстве по эксплуатации систем противокоррозионной защиты трубопроводов или в методике проведения электроразведочных работ.

4. Определение места установки изолирующих вставок (ИВ), которые устанавли­ваются в разрыв трубы газопровода и обеспечивают нейтра­лизацию пар дифференциальной аэрации за счет размыкания электри­ческой цепи.

На основе ключевых участков МГ, на которых присутствует ВТД, карты грунтов и космической съемки, спрогнозированы участки высокой плотности дефектов и выявлены с возможными причины их образования. В качестве прогнозного газопровода выбран газопровод к г. Полевской. Здесь вы­делены два ключевых участка: первый с 19 по 21 км и второй 39 км (пересече­ние с р. Чусовая). На первом участке преобладают торфяники и заболоченные территории, подтверждаемые данными космосъемки, которые расположены между плотными глинами и суглинками, что затрудняет циркуляцию влаги.

Вторым из возможных опасных участков является пересечение с р. Чусовая. Здесь располагается симметричная неоднородность грунтов «делю­виальный суглинок – аллювиальный песок – делювиальный суглинок». Кроме того, аллювиальные образования разделены по возрастному признаку. Согласно теории образования макрокоррозионных пар, а также с учетом схожих ключе­вых участков на «родительском» магистральном газопроводе можно предполо­жить, что высокая плотность дефектов будет на входе и выходе в русло реки. Но по данным космосъемки на входе в русло наблюдается обильная раститель­ность, что свидетельствует о повышенной влажности. Таким образом, на входе в русло возможна более высокая плотность дефектов.

Позднее на этом участке газопровода проводилась внутритрубная диагно­стика и автором проведена проверка прогнозных данных.

В результате геодезической привязки ВТД и совмещения с космосъемкой подтвердился первый прогнозный участок. Это участок газопровода с 20 по 22 км. Причем распределение дефектов разделилось на две группы на границах смены грунтов «торф–суглинок». Хотя дефекты и не являются закритическими (глубина не более 20 %), общая тенденция к образованию дефектов на данном участке прослеживается. На втором прогнозном участке предположения о на­личии дефектов не подтвердились, так как система электрохимической защиты газопровода работала в штатном режиме и обеспечивала необходимую защи­щенность и, следовательно, не происходило развития коррозии. Кроме того, последующие контрольные шурфы выявили более качественную изоляцию на данном участке. При дальнейшей эксплуатации газопровода необходимо учи­тывать этот участок как потенциально опасный для возможного развития пар дифференциальной аэрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную ра­боту, предложено решение актуальной научно-практической задачи по опреде­лению и прогнозу участков газопровода с локализацией дефектов общей корро­зии на основе пространственного моделирования в геоинформационных систе­мах. Предложена технология, позволяющая переносить результаты анализа на участках МГ, где возможно проведение полного перечня диагностики, на те га­зопроводы, где невозможны прямые методы обследования с высокой степенью достоверности. Из полученных результатов выполненных исследований выте­кают следующие выводы.

1. Анализ современного состояния геоинформационных технологий в газо­транспортной отрасли показал тенденции развития ГИС от справочно-информационных до аналитических систем с функциями трехмерного моделирования и преимущественным доступом к пространственным дан­ным на основе WEB-технологий. Накопленный мировой и отечественный опыт интеллектуальных информационных технологий позволяет с уве­ренностью говорить о потенциальных возможностях ГИС стать основой корпоративной системы управления предприятием с развитым аналити­ческим аппаратом и функциями принятия управленческих решений.
2. Принципиальная модель геоинформационной системы позволяет структу­рировать пространственные данные газотранспортного предпри­ятия и выступать основой разработки ГИС для проведения прогноза кор­розионного состояния газопровода в соответствии с действующими нор­мативными документами. Модель ГИС является расширяемой и при не­обходимости может быть использована на других обследуемых промыш­ленных объектах. Для этого необходимо дополнить динамический блок соответствующими диагностическими обследованиями.
3. Предложенный алгоритм геодезической привязки диагностических обсле­дований на примере результатов внутритрубной дефектоскопии, по­зволяет проводить трансформацию любых данных диагностики, имею­щих линейные системы измерений, в координаты геоинформационной системы для последующих оверлейных операций. Данный алгоритм гео­дезической привязки экономически выгоден по сравнению с обработкой ВТД, выполняемой специализированной организацией. Положительный эффект от внедрения алгоритма на производстве складывается из сниже­ния временных затрат на анализ диагностической информации, а также повышения эффективности защиты газопровода при обследовании его технического состояния. Время привязки и анализа по сравнению с тра­диционной технологией при использовании дорогостоящих гироскопиче­ских инерциальных систем навигации сокращается не менее чем в 6 раз.
4. Выявленные закономерности распределения дефектов общей коррозии от изменения качественного состава грунтов показывают достаточность карт четвертичных образований масштаба 1:200000 для прогнозирования коррозионно-опасных участков газопровода и моделирования инженерно-геологических процессов. Для детального выявления причин образования дефектов с точки зрения механизма образования макрокоррозионных пар необходимо привлечение на ключевых участках дополнительных инже­нерно-геологических изысканий, например профиля трассы газопровода, построенного на этапе формирования проектно-изыскательской докумен­тации.
5. По результатам анализа ключевых участков с привлечением данных диагно­стики методом внутритрубной дефектоскопии отработана техноло­гия переноса сходных параметров инженерно-геологических факторов для оценки технического состояния газопроводов, тех участков, где от­сутствует техническая возможность проведения внутритрубной дефекто­скопии. Технология позволяет по результатам косвенных методов диаг­ностики, таких как электрометрические обследования, космическая съемка, карты четвертичных образований и инженерно-геологических изысканий, определить потенциальные участки образования макрокорро­зионных пар и участки сезонного увлажнения.

Основные публикации по теме диссертации.

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. К вопросу разработки геоинформационных систем (ГИС) для анализа данных о состоя­нии магистральных газопроводов. Мухаметшин А.М., Распутин А.Н., Попов А.В., Нико­лаенко А.Ю. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2006. – № 8. – С. 116-119.
2. Распутин А.Н. Разработка методики оценки влияния природных факторов на техниче­ское состояние магистральных газопроводов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – № 10. – С. 74-78.
3. Применение геоинформационных систем для оценки влияния природных факторов на техническое состояние магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Екатерин­бург». Распутин А.Н., Желобецкий В.А., Куимов С.Н., Постаутов К.В. // Газовая про­мышленность. – 2009. – № 11. – С. 81-83.
4. Распутин А.Н. Экспериментальные материалы проверки разработанной методики на тесто­вых участках магистрального газопровода // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – № 11. – С. 78-82.
5. Распутин А.Н. Способ геодезической привязки результатов внутритрубной дефектоско­пии на основе геоинформационных технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – № 11. – С. 83-86.
6. Созонов П.М., Куимов С.Н., Распутин А.Н. Способ обработки результатов внутритруб­ной дефектоскопии в геоинформационных системах // Газовая промышленность. – 2011. - № 2. – С. 51-54.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

7. Распутин А.Н. Системы позиционирования в геофизике // Известия Уральской государст­венной горно-геологической академии. Научно-технический журнал. – 2003. – Выпуск № 17. Материалы Уральской горнопромышленной декады 10-20 апреля 2003 г. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003. – С. 80-85.
8. Беляшов И.В., Газалеева Г.И., Распутин А.Н., Распутин Н.В. Определение влажности пробы сыпучего материала в процессе ее сушки (GravMoisture) // Свидетельство об офи­циальной регистрации программы для ЭВМ №2005610004 Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2005.
9. Распутин А.Н. Опыт эксплуатации лазерного течеискателя ДЛС Пергам в ООО «Урал­трансгаз», как источник информации для формирования базы данных геоинформацион­ной системы // IV Научно-практическая конференция молодых специалистов ООО «Се­вергазпром». 26-31 марта 2006 г. Ухта, 2006. – С. 21.
10. Распутин А.Н. Оценка влияния природных факторов на физико-техническое состояние магистральных газопроводов ООО «Уралтрансгаз» // Инновационный потенциал моло­дых ученых и специалистов ОАО «Газпром»: Материалы научно-технических конферен­ций молодых ученых и специалистов ОАО «Газпром» - призеров 2007 г. В 2 т. Т 2. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007.– С. 119-127.
11. Распутин А.Н. Инфраструктура пространственных данных в геоинформационной сис­теме магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» // Материалы II конференции «Информационные технологии ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Екатеринбург, 2010.

Подписано в печать 21.03.2011 Формат 60х84 1/16

Бумага писчая Печать офсетная

Печ. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ № 328

Полиграфический участок Управления "Энергогазремонт",

филиал ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»

620049 г. Екатеринбург, ул. Первомайская, д. 122.

---

^[1] Коррозионное растрескивание под напряжением – это разрушение металла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды..
КРН характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла. По данным Ростехнадзора, КРН является главной причиной катастрофического разрушения газопроводов больших диаметров.