Разработка системы автоматического поддержания скорости движения внутритрубного снаряда дефектоскопа
На правах рукописи
Подгорбунских Антон Михайлович
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВНУТРИТРУБНОГО СНАРЯДА ДЕФЕКТОСКОПА
Специальность 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург - 2008
Работа выполнена в Институте физики металлов
Уральского отделения РАН и в ЗАО НПО «Спецнефтегаз»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Корзунин Геннадий Семенович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, член-корреспондент РАН Щербинин Виталий Евгеньевич доктор технических наук, Смирнов Сергей Витальевич |
| Ведущая организация: | Уральский государственный технический университет УГТУ-УПИ |
Защита состоится « 27_»_марта_ 2009 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН по адресу:
620041, г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С. Ковалевской, 18
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН
Автореферат разослан «_ _»__ ____ 2009 г.
| Ученый секретарь Диссертационного совета Д 004.003.01 доктор физико-математических наук | Лошкарева Н. Н. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Повышение надёжности газотранспортных систем является важнейшим фактором для поддержания экономической стабильности и роста экономики для любого промышленно-развитого государства. Безотказная работа линейной части магистральных газопроводов достигается во многом благодаря регулярному проведению внутритрубной дефектоскопии, целью которой является выявление дефектов стенки трубы, чьё развитие приводит к разрывам газопровода. Данные, получаемые в ходе проведения внутритрубной дефектоскопии, могут быть использованы для исследования причин возникновения дефектов трубопровода и установки взаимосвязей между различными факторами и возникновением дефектов. Такая информация очень важна для совершенствования технологий всех уровней: производства труб, подбора материала изоляции и способа его нанесения, правила укладки трубопровода, обустройство электростатической защиты и пр.
Дефектоскопия магистральных газопроводов за рубежом производится уже очень продолжительное время, что позволяло зарубежным компаниям совершенствовать как оборудование, с помощью которого производится дефектоскопия, так и технологии, связанные со строительством газопроводов.
Для России, где дефектоскопия магистральных газопроводов до 1986 года отсутствовала, к началу 90-х годов прошлого столетия наиболее актуальной проблемой были дефекты общекоррозионного характера. Затем, когда проведение внутритрубной дефектоскопии вышло на уровень промышленных объёмов, и было заменено большое количество труб с коррозионными дефектами, наиболее критичными по степени своего влияния на надёжность газотранспортной системы стали дефекты типа стресс-коррозионного растрескивания стенки трубопровода. С появлением внутритрубных дефектоскопов, способных выявлять такие типы дефектов и их применением, существенно уменьшилось количество аварий, причиной которых являлась стресс-коррозия. В течении этого времени также происходило развитие вычислительных средств и сменилось несколько поколений электронного оборудования, устанавливаемого в дефектоскопы, что позволило существенно увеличить качество проведения внутритрубной диагностики за счёт увеличения количества датчиков, уменьшения шага их опроса, применения более сложных алгоритмов обработки дефектоскопической информации.
Таким образом, буквально за 2 десятилетия в России появилась целая новая отрасль - внутритрубная диагностика, результатом работы которой стало повышение надёжности газотранспортной системы России, которая включает в себя порядка 150 тысяч километров трубопроводов.
Опыт показал, что внутритрубная дефектоскопия является наиболее эффективным методом поиска дефектов магистральных трубопроводов в связи с огромной суммарной длиной этих трубопроводов. Однако достоверность такого метода до сих пор далека от методов наружного обследования: ручное сканирование ультразвуковыми установками, магнитопорошковая технология, полуавтоматическое сканирование специальными наружными дефектоскопами и пр. Все методы наружного обследования требуют непосредственный доступ к трубопроводу снаружи и не позволяют производить большой объём работ за короткое время. В связи с этим наружное обследование используется как верификация результатов внутритрубной диагностики, а также при работах по переизоляции труб.
Таким образом, для дальнейшего повышения надёжности газотранспортных систем необходимо повышение достоверности внутритрубной дефектоскопии как наиболее приемлемого метода диагностики магистральных трубопроводов.
Одним из факторов, препятствующим росту качества диагностики магнитным методом, всегда было превышение скорости движения магнитного дефектоскопа по трубопроводу, что приводит к неполному промагничиванию стенки трубы, и, соответственно, снижению достоверности. Однако влияние этого фактора на фоне большого количества обнаруживаемых дефектов было небольшим. С ростом достоверности диагностики, проводящейся магнитным методом, а также по мере ремонта трубопроводов, превышение скорости движения дефектоскопа стало препятствием для увеличения достоверности контроля.
Целью настоящей работы являлось создание устройства автоматического регулирования скорости движения внутритрубного магнитного дефектоскопа, позволяющего поддерживать скорость не выше заранее установленного значения вне зависимости от скорости потока газа, рельефа местности и прочих факторов.
Личный вклад автора. Конкретное личное участие автора состоит в самостоятельном решении сформулированных задач, формулировке технических требований к устройству, разработке электронных блоков и программного обеспечения, отладке, тестировании отдельных узлов и модулей и системы в целом, участии в проведении теоретических и экспериментальных работ, произведённых в ходе разработки устройства, непосредственном участии в подготовке к испытаниям и их проведению, в обработке результатов испытаний и опытно-промышленной эксплуатации дефектоскопов, оснащённых устройством автоматического регулирования скорости движения.
Научная новизна:
- сформулированы требования для устройства автоматического регулирования скорости движения внутритрубного снаряда дефектоскопа на основе результатов расчётов, полученных в ходе моделирования газового потока в трубопроводе при прохождении по нему внутритрубного снаряда;
- разработаны и реализованы алгоритмы регулирования скорости движения внутритрубного снаряда по трубопроводу, определения достоверной скорости движения по показаниям нескольких датчиков, управления заслонками устройства регулирования;
Практическая ценность работы:
- создано устройство автоматического регулирования скорости движения внутритрубного снаряда, что позволило обеспечить качественную диагностику отрезков газопроводов, на которых ранее это было невозможно, позволило обеспечить возможность проводить диагностику без уменьшения объёмов транспортировки газа, уменьшить влияние «человеческого фактора» на качество проведения внутритрубной диагностики, повысить удобство эксплуатации оборудования;
- подтверждена правильность моделирования условий движения снаряда под воздействием потока газа и расчётов, сделанных на основе моделей, что позволяет использовать эти модели и расчёты при проектировании устройств автоматического регулирования скорости движения снарядов любого типа для всех диаметров труб, используемых при постройке магистральных газопроводов;
- подтверждена работоспособность и ресурс механической части устройства автоматического регулирования скорости, которая являлась первой управляемой механической системой на внутритрубном снаряде. Опыт эксплуатации дал информацию, необходимую для проектирования других типов механических приводов устройства регулирования;
- в ходе опытной эксплуатации получены эмпирические данные, позволяющие совершенствовать как систему в целом, так и каждый её модуль в частности;
- применение устройства автоматического регулирования скорости позволило перевести внутритрубную магнитную дефектоскопию на новый качественный уровень, обеспечивающий более высокое качество диагностики.
Автор защищает разработку устройства автоматического регулирования скорости движения внутритрубного снаряда дефектоскопа, предназначенного для диагностики магистральных газопроводов, которая включает:
- разработку механического узла устройства регулирования;
- разработку электронного оборудования устройства автоматического регулирования скорости движения;
- алгоритмы регулирования скорости движения и вспомогательные алгоритмы;
- опыт эксплуатации внутритрубных снарядов на действующих участках газопровода и анализ эффективности применения устройства автоматического регулирования на основе результатов пропуска снарядов с устройством регулирования и без оного по одним и тем же участкам газопроводов.
Апробация работы
Работа обсуждалась на 5-ой международной выставке и конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 21-26 мая 2001г.), XVI Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Санкт-Петербург, 9-12 сентября 2002 г.), XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г.), XXIII Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Курган, 1-2 июня 2006 г.), 6-ой международной выставке и конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 15-18 мая 2007 г.).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 4 статьях в ведущем рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК, и 5 тезисах докладов на конференциях.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и общего заключения. Изложена на 130 страницах, включая 55 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 57 наименований статей отечественных и зарубежных авторов.
Содержание работы.
Во введении кратко описана история дефектоскопии, уровень современного диагностического оборудования и обоснована актуальность проблемы регулирования скорости движения внутритрубного снаряда.
Первая глава содержит общий обзор современного состояния газотранспортной системы России, СНГ и Северной Америки. Приведена статистическая информация по протяжённости газопроводов, динамика изменения уровня надёжности газопроводов за последнее десятилетие на основе данных организаций, эксплуатирующих газопроводы и государственных органов, осуществляющих контроль в области технического надзора.
Приведён пример экономического влияния аварий, происходящих на газопроводах, построенный на основе макроэкономического исследования.
Сделан обзор современного состояния уровня внутритрубной диагностики магистральных газопроводов на основании как отечественного, так и зарубежного опыта проведения работ по дефектоскопии. Приведён анализ факторов, препятствующих повышению достоверности контроля.
Одним из мешающих факторов является превышение скорости движения, влияние которого можно снизить за счёт применения устройств автоматического регулирования скорости движения внутритрубных снарядов. Для изучения этой проблемы был сделан исторический обзор развития таких устройств, рассмотрены различные виды заслонок, изменяющих переток газа через снаряд, при помощи которых и осуществляется регулирование скорости движения, приведены достоинства и недостатки каждой конструкции.
Приведены некоторые результаты теоретических работ, проведённых в ЗАО «НПО Спектр», в области разработки различных видов заслонок устройства автоматического регулирования скорости движения и примерные нагрузки, воздействующие на механизм.
Глава заканчивается постановкой задачи.
Вторая глава содержит основные параметры, необходимые для разработки устройства автоматического регулирования скорости движения внутритрубного снаряда. Таковыми являются физические параметры газопровода, режимы транспортировки газа, технические характеристики магнитных дефектоскопов, общие требования к оборудованию, эксплуатируемых в газопроводах.
Более подробно рассмотрены вопросы регулирования скорости при запуске снаряда в газопровод, так как при этом всегда возникает превышение скорости движения и в этой ситуации регулирование скорости является одним из самых сложных. Также приведено обоснование возможности обеспечения регулирования скорости байпасным устройством на основе электродвигателя за счёт встроенных в снаряд источников питания.
В заключении главы рассмотрен принцип регулирования скорости движения внутритрубного снаряда.
На момент начала работ по разработке байпасного устройства в ЗАО «НПО Спектр» были разработаны и изготовлены комплексы внутритрубной диагностики серии КВД-1 для магистральных газопроводов диаметром 1420мм, 1220мм и 1000мм, которые использует для проведения дефектоскопии ЗАО «НПО Спецнефтегаз» на магистральных газопроводах в России и за рубежом. Технические характеристики этого оборудования во многом одинаковы, приведём те из них, которые необходимо учитывать при разработке байпасного устройства:
- оптимальная скорость движения внутритрубного снаряда 1.5-2.5м.сек;
- скорость движения, при при которой дефектоскопия возможна, но достоверность её снижена 2.5-3 м/сек;
- скорость движения, при которой обеспечивается полный ресурс механической части снаряда менее 5 м/сек;
- максимальная кратковременная скорость движения снаряда, при которой обеспечивается регистрация данных не менее 40м/сек;
- время автономной работы снаряда без подзарядки до 40 часов;
- обеспечение герметичности при давлении газа до 8 МПа.
Принцип действия системы автоматического поддержания скорости внутритрубного снаряда дефектоскопа таков: штатные одометры, которыми оборудован снаряд при его движении выдают информацию о пройденном пути, которая поступает на вычислитель, расположенный в герметичной аппаратурной секции снаряда. Вычислитель производит преобразование информации о пути в скорость движения снаряда, затем производит анализ этой информации по специальному алгоритму для определения необходимости изменения положения заслонок и величины этого изменения. В случае, если необходима коррекция скорости движения, вычислитель при помощи электропривода приводит в движение заслонки, изменяющие переток газа через снаряд, и перемещает их на необходимую величину. В результате изменения перетока газа через снаряд происходит изменение скорости его движения, вычислитель снова определять необходимость изменения положения заслонок. Этот процесс повторяется периодически на всём пути движения снаряда, что обеспечивает поддержание необходимой скорости его движения по газопроводу.
Третья глава содержит описание разработки отдельных элементов устройства автоматического регулирования скорости движения от механических узлов для алгоритмов, реализованных во встроенном программном обеспечении.
Проектирование первого действующего байпасного механического узла внутритрубного снаряда было выполнено для магнитного очистного поршня ПМО-1200. Этот снаряд до появления байпасного механизма не обладал собственной электроникой, однако механически был практически идентичен дефектоскопу ДМТ1-1200, что позволило выполнить механическую часть устройства автоматического поддержания скорости снаряда выполнить одинаковой для всех типов снарядов комплекса КВД-1-1200.
Устройство снаряда, оснащённого байпасным устройством, показано на рис. 1.
Рис. 1. Устройство внутритрубного магнитного снаряда дефектоскопа ДМТ-1200Б
1 - ярмо снаряда;
2 - передний фланец;
3 - привод байпасного механизма;
4 - байпасный механизм.
Для регулирования потока газа, проходящего через снаряд, между ярмом 1 и передним фланцем 2 установлен байпасный механизм 4 с приводом 3. Такая конструкция байпасного механизма позволила свести увеличение длины снаряда к минимуму, которая ограничена в связи с условием проходимости поворотов газопровода. Также не была нарушена силовая конструкция снаряда, так как аппаратурная секция передней своей частью осталась соединена с передним фланцем через неподвижную часть байпасного механизма.
Байпасный механизм внутритрубного снаряда представляет собой устройство, состоящее из подвижных заслонок, установленных на неподвижном пилоне и вспомогательных элементов, обеспечивающих движение заслонок и формирование газового потока в области заслонок. Части, из которых состоит байпасный механизм, показаны на рис.2.
Рис.2. Устройство байпасного механизма.
1 - неподвижный пилон
2 - заслонки
3 - обтекатели
4 - фланец пилона
Байпасный механизм смонтирован на неподвижном пилоне 1, который своим фланцем 4 крепится на ярмо снаряда. С двух сторон пилона установлены заслонки 2, со стороны набегающего потока газа на пилоне устанавливаются обтекатели 3.
Пилон 1 служит основой силовой конструкции байпасного механизма и устанавливается между передним фланцем внутритрубного снаряда (см. рис. 3.3), также пилон соединяется с аппаратурной секцией снаряда, что придаёт общую жёсткость конструкции байпасного механизма. Вращение заслонок байпасного механизма и из удержание от самопроизвольного вращения обеспечивает привод байпасного механизма, смонтированный в центральной части неподвижного пилона.
Электронное оборудование системы автоматического регулирования было спроектировано для работы как в автономном режиме так и для работы совместно с регистраторами серии СОРД-6, которыми оснащаются внутритрубные магнитные дефектоскопы производства ЗАО «НПО Спектр». Особым требованием к этому оборудованию является высокая степень надёжности и предусмотрение аварийных режимов работы в случае отказа различных систем, так как снаряд с незакрытыми заслонками байпасного устройства почти всегда невозможно извлечь из газопровода (доставить в камеру приёма) за счёт создания перепада давления газа.
При проектировании электронного оборудования байпасного устройства использовались различные микроконтроллеры, микросхемы программируемой логики и другие элементы, требующие создания программного обеспечения. Также были использованы блоки и модули системы питания, которые уже были для регистратора дефектоскопа, что потребовало доработки программного обеспечения для введения новых функций в логику работы электронного оборудования внутритрубного снаряда в целом.
Для электронного оборудования внутритрубного снаряда разработано программное обеспечение, которое распределено по различным блокам и модулям. Для создания встроенного ПО создана единая структурная схема функциональности, которую обеспечивает программное обеспечение, при этом разнесение ПО по блокам и выбор аппаратной платформы для обеспечения работы этого ПО может меняться в зависимости от конфигурации снаряда. Общая структурная схема встроенного ПО внутритрубного снаряда показана на рис.3.
Рис.3. Структурная схема встроенного ПО внутритрубного снаряда.
Программное обеспечение внутритрубного снаряда представляет собой ПО реального времени, то есть обработка каждого события заканчивается до поступления ближайшего следующего события того же типа. Для обеспечения функционирования ПО в реальном времени, оно разделено на:
- модули работы с аппаратным обеспечением;
- распределитель потоков данных;
- система управления и синхронизации;
- алгоритм регулирования.
Первичная информация для обеспечения общей работоспособности системы получается от датчиков, одометров и внутреннего таймера, что позволяет системе управления и синхронизации обеспечивать связь всех данных и событий через время. Данные от всех систем поступают в систему распределения данных, откуда они становятся доступными для алгоритма регулирования и системы управления, также все данные сохраняются при работе снаряда и считываются, а затем передаются в терминал пользователя.
Алгоритм регулирования - это часть системы автоматического регулирования (САР), который был разработан на основании эмпирических данных, теоретической газодинамической модели и компьютерного симулирования поведения снаряда в газопроводе.
В САР используется метод регулирования по отклонению текущего значения скорости от номинального. Самый распространённый вид регулятора для такого метода - ПИД-регулятор, выходной сигнал которого складывается из линейной, интегральной и дифференциальной составляющих:
где e=Vсн-V0 - разность между текущей и оптимальной скоростью.
Самой трудоёмкой частью при разработке ПИД-регулятора является подбор весовых коэффициентов k, а в нашем случае, ввиду дискретности системы, сложность состоит ещё и в подборе пределов интегрирования и способов дифференцирования.
Определение достоверной мгновенной скорости движения снаряда - это отдельный алгоритм, т.к скорость вычисляется по датчикам пройденного расстояния. Для проверки правильности работы этого алгоритма была использована информация, полученная в ходе эксплуатации внутритрубных снарядов на участках суммарной длиной около 1000км, обрабатываемая на программном симуляторе. Наиболее достоверным оказался алгоритм доверительных интервалов, основанный на сравнении разности показаний четырёх датчиков пути с величиной доверительного интервала. Также в результате этой работы был получен оптимальный способ фильтрации входного сигнала скорости:
Для использования интегральной составляющей уравнения ПИД-регулятора были опробованы различные временные интервалы и весовые коэффициенты, но все они не давали необходимого сочетания скорости реакции с отсутствием перерегулирования, связанного с большим временем реакции системы снаряд-газопровод на управляющее воздействие. В результате экспериментов было решено ввести величину задержки между последовательными регулированиями, которая является функцией скорости по закону, близкому к экспоненте:
Дифференциальная часть ПИД-регулятора, отвечающая за реакцию на быстроизменяющиеся возмущения, оказалась самой проблемной. В результате исследований на симуляторе не удалось найти метод вычисления производной по дискретным значениям скорости, который бы не давал большого количества ложных выбросов. Связано это как с характером движения снаряда, так и с особенностями работы датчиков расстояния. Таким образом, реакция на быстрые изменения внешних условий легла на линейную часть ПИД регулятора через подстройку его весового коэффициента. Для введения в алгоритм быстродействующей составляющей было решено сделать весовые коэффициенты зависимыми от скорости движения.
В результате проведённой на программном симуляторе исследовательской работы по проверке качества работы регулятора из уравнения ПИД-регулятора мы получаем совершенно другой тип регулирования, который учитывает не только текущую разность, но скорость и наличие регулирующего воздействия на предыдущем этапе регулирования. В общем виде функцию регулятора путём подстановок для каждого момента времени можно записать в простой линейной форме, нелинейность зависимости заложена в коэффициенте:
Эта зависимость справедлива при условии, что от предыдущего регулирующего воздействия прошло время, определяемое вычисляемой величиной задержки.
Для уравнений величины временной задержки и управляющего воздействия при помощи симулятора были выбраны оптимальные коэффициенты, на этом адаптация САР при помощи симулятора, основанного на газодинамической модели, была завершена.
Затем была произведена работа по практической реализации САР в виде создания программного обеспечения СУРД, основной частью которого является алгоритм регулирования. Полученная модель САР воплощена в виде программы микроконтроллера, суть работы которой приведена в виде блок-схемы на рис.4.
Рис.4. Определение необходимости регулирования.
Цикл работы алгоритма запускается раз в кадр. Кадр - это отрезок времени 0.131072сек. В начале каждого кадра происходит обновление состояния привода байпасного механизма и фактического угла открытия заслонок, затем вычисляется величина отклонения текущей средней за кадр скорости движения снаряда от оптимальной. После этого по значению статусного слова байпасного устройства определяется остановлен ли электродвигатель, в случае если он вращается алгоритм завершает свою работу, т.к. ещё не закончено предыдущее регулирование. Затем определяется прошло ли время реакции системы на предыдущее воздействие, которое было вычислено при предыдущем регулировании системы. В случае, если это время не прошло, новое регулирование не происходит, т.к. скорость движения снаряда по трубопроводу ещё возможно изменится в связи с предыдущим регулированием.
Далее происходит определение необходимости регулирования и его величины а именно: сравнение текущей усреднённой за кадр скорости движения Vср с заданным допустимым диапазоном от Vмин до Vмакс. Затем производится определение необходимого угла открытия заслонок байпасного устройства а1 как функции от усреднённой за кадр текущей скорости движения снаряда, отклонения текущей скорости от оптимальной dV и текущего угла открытия заслонок а.
Для обеспечения паузы после движения заслонок, за время которой гарантированно закончатся переходные процессы изменения скорости. связанные с изменением угла открытия заслонок, производится определение её величины как функции от усреднённой за кадр текущей скорости движения снаряда, отклонения текущей скорости от оптимальной dV и текущего угла открытия заслонок а.
По завершению всех этих вычислений выполняется проверка необходимости регулирования, которая зависит от величины отклонения текущей скорости от оптимальной, текущего положения заслонок и прочих факторов. В случае, если регулирование необходимо, производится отправка команды на вращение вала электродвигателя и величина угла поворота, вычисляемого из величины необходимого угла открытия a1 с использованием известного передаточного отношения привода байпасного устройства.
Описанное функционирование алгоритма регулирование скорости происходит всегда, пока снаряд находится в трубопроводе и давление газа превышает пороговую величину, что позволяет обеспечить поддержание скорости движения снаряда в необходимом диапазоне.
Устройством автоматического поддержания скорости движения для осуществления пробных запусков был оборудован магнитный очистной поршень ПМО-1200Б, предназначенный для очистки от магнитного мусора трубопроводов диаметром 1220 мм. Краткие технические характеристики байпасного устройства, установленного на этот снаряда, приведены в табл.1.
Табл.1. Краткие технические характеристики байпасного устройства
| № | Наименование | Значение | Ед. изм |
| 1 | Типы снарядов, на которые устанавливается байпасное устройство | ПМО-1200 ДМТ-1200 ДМТП-1200 | - |
| 2 | Номинальная скорость движения снаряда | 2 (*) | м/сек |
| 3 | Допустимый диапазон скорости движения снаряда | 1.5-2.5 (*,**) | м/сек |
| 4 | Максимальная скорость потока газа, при которой обеспечивается поддержание скорости | 12 (***) | м/cек |
| 5 | Максимальная пиковая скорость движения снаряда | 40 | м/сек |
| 6 | Максимальная относительная площадь сечения газового канала байпасного устройства | 0.27 | - |
| 7 | Максимальная мощность электродвигателя, не менее | 0.6кВт | |
| 8 | Температура срабатывания тепловой защиты обмоток электродвигателя | 90 | град С |
| 9 | Максимальный угол открытия заслонок | 30 | град |
| 10 | Минимальная дискретность поворота заслонок, не хуже | 0.1 | град |
| 11 | Скорость вращения заслонок | 7.5 | град/сек |
| 12 | Максимальное непрерывное время работы привода байпасного устройства | 8 | сек |
| 13 | Напряжение питания системы | 12 | В |
| 14 | Максимальное время автономной работы, не менее | 40 | час |
(*) возможно программирование перед запуском
(**) допустим кратковременных выход скорости за пределы диапазона
(***) зависит от характера загрязнения газопровода, особенностей режима транспортировки газа, рельефа местности.
Четвёртая глава посвящена анализу работы устройства автоматического регулирования скорости движения внутритрубного снаряда по данным, полученным в ходе опытной эксплуатации снарядов на действующих участках газопровода.
Для проверки работоспособности системы автоматического поддержания скорости движения был выбран очистной магнитный поршень ПМО-1200. Это было сделано с целью выявления возможных слабых мест конструкции, алгоритмов работы и регулирования и проверки правильности выбранного способа построения байпасного устройства в целом. Конструктивно такой снаряд очень близок к дефектоскопу продольного намагничивания ДМТ-1200, что, в случае положительных результатов испытаний, давало возможность быстрого оснащения байпасным устройством всех снарядов, предназначенных для трубопроводов диаметром 1220 мм. Разработанный в ЗАО «НПО Спектр» магнитный очистной поршень ПМО-1200 из комплекса КВД-1 был оснащён устройством автоматического поддержания скорости движения. Новый снаряд получил обозначение ПМО-1Б-1200 и стал родоначальником целой серии снарядов, способных самостоятельно поддерживать скорость своего движения.
За ходом первого этапа испытаний велось наблюдение на всех уровнях от разработчиков оборудования до руководства газотранспортных предприятий. Для помощи в контроле прохождения снаряда по участку газопровода был составлен график его движения исходя из того, что он сам должен был поддерживать скорость движения в диапазоне от 1.5 до 2.5 м/c с точкой стабилизации скорости равной 2 м/c. По этим данным для всех постов контроля, расположенных на опытном участке газопровода был указан диапазон времени, в течении которого снаряд должен был пройти точку расположения конкретного поста. По мере прохождения снарядом постов этот график уточнялся.
По сообщениям постов, расположенных в начале участка уже стало ясно, что средняя скорость движения снаряда составляет от 1.9 до 2.1 м/c, что подтверждало нормальную работу байпасного устройства.
Весь участок длиной 119 км снаряд прошёл со средней скоростью 2.1 м/c, прибыл на камеру приёма, где был извлечён из газопровода.
В целом первый этап испытаний прошёл успешно - устройство автоматического регулирования обеспечило заданную скорость движения снаряда по трубопроводу, механическая часть оставалась работоспособной на протяжении всего участка и после извлечения снаряда из камеры приёма.
Также первый этап испытаний показал, что не было допущено серьёзных упущений при расчёте диапазонов изменения значений всех величин, влияющих на скорость движения снаряда.
Ещё один важный результат первого этапа испытаний - реальный расход электроэнергии, который подтвердил, что имеющихся аккумуляторов достаточно для работы байпасного устройства и регистратора дефектоскопа вместе с датчиковой системой, требующей достаточно большого запаса электроэнергии.
По данным, полученным в ходе проведения второго этапа испытаний, был проведён детальный анализ работы байпасного устройства.
В ходе второго этапа испытаний системы автоматического поддержания скорости движения внутритрубного снаряда, проходившего на участке КС-3 «Алгасово» - КС-4 «Чаплыгин» газопровода «Петровск-Елец» протяжённостью 145 км время движения снаряда по трубопроводу составило 19 часов 24 минуты, то есть средняя скорость снаряда была 2.076 м/сек. В алгоритм управления байпасного устройства заложена точка стабилизации 2.0 м/сек при допустимом диапазоне изменения от 1.5 до 2.5 м/сек. Таким образом, второй этап испытаний прошёл успешно.
Также целями второго этапа испытаний были определения максимальной скорости потока газа, при которой возможно удержание скорости снаряда до 2.5м/сек и качество работы алгоритма регулирования скорости при открытии заслонок, близкого к максимальному. Анализ данных, полученных в ходе второго этапа показал, что при средней скорость потока газа в 8.3 м/cек (от начала участка до его конца она меняется примерно на 20%) в конце участка заслонки байпасного механизма оказались полностью открыты. То есть байпасное устройство обеспечивает снижение скорости движения снаряда до 2.5 м/сек при скоростях потока газа до 10м/c.
Таким образом, все задачи, поставленные перед проведением второго этапа, были успешно выполнены.
По результатам испытаний были проведены работы по установке устройства автоматического поддержания скорости движения на снаряды дефектоскопы, предназначенные для трубопроводов диаметром 1200мм и приняты меры по улучшению характеристик байпасного устройства, его конструкции и совершенствованию электронного оснащения. Также результаты испытаний дали большое количество эмпирических данных, использованных при проектировании байпасных устройств для снарядов других диаметров.
С середины 2004 года все комплексы внутритрубной диагностики, предназначенные для магистральных газопроводов, вновь разрабатываемые и модернизируемые в ЗАО “НПО Спектр“, стали оснащаться устройствами автоматического регулирования скорости (байпасными устройствами). Представители заказчика - газотранспортные предприятия, входящие в ОАО “Газпром“, очень быстро оценили по достоинству новые типы снарядов и стали подавать заявки на дефектоскопию с обязательным требованием оснащенности дефектоскопов байпасными устройствами даже для тех участков, где можно использовать обычные дефектоскопы.
С 2004 по 2007 годы практически все внутритрубные снаряды, ранее изготовленные ЗАО “НПО Спектр“, эксплуатируемые ЗАО “НПО Спецнефтегаз“ в России и за рубежом, были дооснащены устройствами автоматического регулирования скорости.
За эти 3 года накопилось большое количество информации о работе байпасных устройств, появился опыт эксплуатации многосекционных снарядов с устройствами автоматического регулирования скорости, снарядов малых диаметров. Некоторые эксплуатационные проблемы, возникающие при внутритрубной диагностике магистральных газопроводов, удалось решить в результате оснащения дефектоскопов устройствами автоматического регулирования скорости. Наиболее эффективно рассматривать их на примере проведения дефектоскопии на одних и тех же участках газопровода с применением байпасных дефектоскопов и, ранее, традиционных средств диагностики.
Были рассмотрены самые тяжёлые, с точки зрения регулирования скорости движения на первых километрах участка газопровода, примеры работы снарядов дефектоскопов с применением байпасных устройств и без них. При дефектоскопии магистральных газопроводов диаметром 1440 мм, протяжённость которых составляет не одну тысячу километров, скорость движения газа по ним 5-10м/c при давлении 55-65 кг/см2 проблем с плавным набором скорости снарядом не возникает серьёзных проблем ни с автоматической регулировкой скорости, ни при регулировки скорости движения снаряда диспетчером компрессорной станции.
Таким образом, применение байпасного устройства на внутритрубном снаряде-дефектоскопе позволило снизить длину начального участка, на котором снаряд движется со скоростью, не позволяющей произвести оценку дефектов с необходимой достоверностью. В одном случае длина участка, на котором скорость была превышена, снизилась с 700 метров до 80 метров, причём эти 80 метров не непрерывного превышения скорости, а участки не более 10-20 метров. Во втором случае расстояние снизилось с 2000 м до 90 метров. На фоне общего положительного результата работы байпасного устройства мы обнаруживаем проблемы с регулированием скорости при наложении двух событий - изменение перепада давления на начальном отрезке участка газопровода и одно из следующих:
- изменение толщины стенки трубопровода (и, соответственно, внутреннего диаметра газопровода);
- конструкционные элементы трубопровода (краны, отводы и пр.)
- изменение типа трубы (спиралешовная, с продольным сварным швом, цельнотянутая);
- изменение рельефа местности или укладка отдельных частей трубопровода с большим отклонением от горизонтали.
Анализ результатов испытаний, проведённых с использованием снаряда ПМО-1Б-1200 показал что устройство автоматического поддержания скорости работоспособно, также были намечены пути совершенствования этого устройства. По результатам этих испытаний был проведён большой объём работ, которые позволили оснастить байпасными устройствами снаряды для трубопроводов диаметров 1220, 1420 мм, а позже и для всех остальных снарядов, разработанных в ЗАО «НПО Спектр».
Анализ эффективности применения байпасного устройства, который основан на данных о скорости движения обычных снарядов и снарядов с байпасным устройством по одним и тем же участкам газопроводов, показал существенное уменьшение суммарного пути, на котором происходит превышение скорости движения величины 2.5 м/сек. Также необходимо отметить, что на газопроводах, где с регулированием скорости справлялись и диспетчеры компрессорных станций, за счёт применения байпасного устройства удалось сократить до минимума влияние «человеческого фактора» на результаты диагностики.
Таким образом, можно сделать вывод, что разработка устройства, которое автоматически поддерживает скорость движения снаряда не выше 2.5 м/сек, позволила решить одну из проблем, мешающих росту достоверности контроля.
Общие выводы.
В результате проведённой работы создана система автоматического регулирования (поддержания) скорости движения снарядов дефектоскопов и очистных средств, другое название которой байпасное устройство. В ходе работы было сделано следующее:
1. Сформулированы исходные данные для проектирования устройства автоматического поддержания скорости движения внутритрубного снаряда на основании как эмпирических данных, таких как ограничения по допустимой скорости движения дефектоскопа по участку газопровода, физические параметры транспортируемого газа, режимы его транспортировки, так и формализованных в виде стандартов на взрывобезопасное оборудование, различных технических условий на внутритрубные снаряды и газопроводы;
2. Разработан механический узел устройства автоматического поддержания скорости движения снаряда в виде неподвижного пилона, установленных на нём подвижных заслонок и их привода, состоящего из электродвигателя с редуктором;
3. Разработано электронное оборудование байпасного устройства, названное системой управления и регистрации данных ( сокращённо СУРД), которое обеспечивает управление заслонками байпасного устройства посредством электромотора, сохранение данных от одометров и датчиковых систем во время пропуска снаряда по участку газопровода, связь с терминалом пользователя для подготовки и проверки байпасного устройства, а также для передачи данных, полученных в ходе пропуска.
5. Разработано и отлажено программное обеспечение, включающее в себя алгоритм регулирования скорости движения внутритрубного снаряда по газопроводу, который использует минимальные вычислительные мощности и обеспечивает высокую степень отказоустойчивости системы в целом за счёт поддержки работы в аварийных режимах при отказе отдельных блоков, модулей и систем.
6. Произведена опытно-промышленная эксплуатация снарядов, оснащённых устройством автоматического поддержания скорости движения в виде испытаний снаряда, оснащённого устройством поддержания скорости в два этапа и последующей опытной эксплуатации диагностических комплексов, все магнитные очистные поршни и магнитные дефектоскопы которых оснащены устройством поддержания скорости движения. Все испытания и последующая эксплуатация производились на участках действующих газопроводов. Получено разрешение на промышленную эксплуатацию разработанного оборудования в виде сертификатов соответствия.
7. Выполнен анализ эффективности применения байпасного устройства, который показал высокую отказоустойчивость байпасного устройства в целом и отдельных его частей, повышение общего уровня качества диагностики за счёт сокращения длины участков газопроводов, на которых скорость превышает порог достоверного распознавания дефектов. В результате анализа подтвердились результаты математического моделирования движения снаряда по газопроводу за счёт давления газа. Выявлены недостатки в работе системы регулирования и намечены пути по их устранению.
Основное содержание диссертации изложено в работах:
1. Подгорбунских А.М., Лоскутов В.Е., Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Автоматическое регулирование скорости движения средств диагностики магистральных газопроводов. I. Разработка, изготовление и принцип работы байпасного устройства // Дефектоскопия. 2007. №9. С.26-36.
2. Подгорбунских А.М., Лоскутов В.Е., Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Автоматическое регулирование скорости движения средств диагностики магистральных газопроводов. II. Электронное оборудование байпасного устройства // Дефектоскопия. 2007. №11.
С.88-94.
3. Подгорбунских А.М. Устройства для автоматического регулирования скорости движения внутритрубных снарядов дефектоскопов (обзор) // Дефектоскопия. 2008. №5. С.43-53.
4. Подгорбунских А.М., Лоскутов В.Е. Повышение качества диагностики магистральных газопроводов при использовании устройства автоматического регулирования скорости движения в снарядах дефектоскопах // Дефектоскопия. 2008. №5. С.54-65.
Отпечатано на ризографе ИФМ УрО РАН тираж 100 экз. заказ №____
Объем __ печ.л. формат 60х84 1/16
620041 г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С. Ковалевской, 18
