Введение к работе
Актуальность темы. На протяжении всего срока службы система трубопроводного транспорта (СТТ) подвергается различным воздействиям (антропогенные и техногенные факторы, коррозия), изменяется его пространственное положение из-за подвижек, оползней грунтов, что приводит к возникновению напряжений в конструкции н в итоге потере устойчивости. Анализ устойчивости необходимо проводить для предотвращения разрушения трубопровода из-за превышения допустимых напряжений в стенке трубопровода при изгибе или возможного скидывания трубопровода со скользящих опор. Значительный износ магистральных и технологических трубопроводов (МТТ) требует системного анализа их функционирования с целью эксплуатации с рациональными технологическими режимами, т.е. с целесообразной пропускной способностью.
Получивший в последнее время широкое применение метод внутритруб-ной дефектоскопии позволил повысить безаварийность линейной части МТТ. Однако не все участки линейной части СТТ могут быть диагностированы с использованием внутритрубного инспекционного снаряда (ВИС). Системы контроля, основанные лишь на регистрации акустических сигналов, в том числе оптоволоконная система, не эффективны для анализа устойчивости трубопроводов из-за фоновых шумов. Применение кратномасштабного анализа (КМА), как принципиально нового метода обработки информации, позволяет решить проблему фильтрации сигналов антропогенного и техногенного характера в информационных системах мониторинга линейной части МТТ.
Однако несмотря на то, что данная методика анализа может существенно повысить эффективность обработки диагностической информации при анализе устойчивости СТТ, а следовательно, обеспечить безопасность эксплуатации МТТ, вопросы анализа устойчивости СТТ по данным телеметрии остаются не полностью решенными.
Проблеме анализа устойчивости системы трубопроводного транспорта посвящены работы ученых А.Г. Гумерова, В.В. Клюева, Р.А. Алиева, П.П. Бо-родавкина, Б.Е. Патана, СИ. Левина, М.Н. Мансурова, С.А. Оруджева, Р.А. Рустамова, A.M. Синюкова, П.И. Тугунова и др. Анализ опубликованных работ показал, что проблему устойчивости МТТ необходимо решать не только на стадии проектирования, но и в период эксплуатации СТТ при нарушении проектного положения участков трубопроводов или при повторной их укладке на болотистых и обводненных участках трассы. При этом решение задачи анализа устойчивости требует разрешения противоречий в практике и теории, обусловленных следующими двумя основными группами противоречивых факторов:
- с одной стороны, требования к максимизации рабочего давления до допустимого, определяемого конструктивными параметрами, при этом расчетные технологические параметры уточняются по данным исследованиям ВИС типа «Магпескан» или «Ультроскан», а модель устойчивости строится на статистических оценках износа и прочности (эта группа факторов практики эксплуатации сложной СТТ);
— с другой стороны, требования к минимизации опасного состояния сис
темы, возникающего вследствие износа и потери металла (эта группа факторов
обусловлена несовершенством метода анализа устойчивости СТТ, вследствие
недостаточной точности аналитической модели устойчивости).
Разработанные на этапе проектирования модели не позволяют судить об устойчивости трубопровода при его эксплуатации, поскольку при создании расчетной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода, не содержащую отклонений, напряжений в стенке трубопровода при изгибе и деформации, которые являются факторами возможной потери устойчивости трубопровода в реальных условиях.
Таким образом, разработка методов анализа устойчивости трубопроводов в сложных условиях эксплуатации на основе повышения точности методов диагностики сложных СТТ (в данном случае подсистем МТТ) и рекомендаций для принятия управленческих решений по реализации технологических режимов эксплуатации магистральных продуктопроводов с номинальной пропускной способностью является актуальной задачей, решение которой имеет существенное значение для обеспечения безаварийной эксплуатации МТТ и безопасности жизнедеятельности персонала.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Инновации в транспортных системах», утвержденным научно-техническим советом ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».
Объектом исследования являются системы трубопроводного транспорта.
Предметом исследований являются методы и алгоритмы анализа устойчивости СТТ с использованием данных телеметрии.
Целью работы является разработка методов и модели устойчивости трубопроводного транспорта, а также алгоритмов обработки диагностической информации на основе морфологического анализа параметров телеметрических сигналов и принятие решений по обеспечению устойчивости трубопроводного транспорта.
Научная задача исследований состоит в разработке методов и алгоритмов анализа устойчивости СТТ при наличии причин, осложняющих его эксплуатацию с номинальной пропускной способностью, на основе цифровой обработки данных телеметрии с использованием морфологического анализа параметров сигнала во всплесках Добеши четвертого порядка.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
системный анализ и количественная оценка параметров формирующих признаков природных и антропогенных факторов в информационной системе мониторинга МТТ с точки зрения устойчивости системы МТТ на базе решения задачи линейного программирования в рамках теории устойчивости второго рода;
разработка алгоритма решения двойственной задачи максимизации рабочего давления в системе МТТ и минимизации механических напряжений,
возникающих в теле МТТ при нормированных значениях износа стенки трубопроводов;
— разработка алгоритмов определения количественных характеристик ме
ханических напряжений в системе МТТ с учётом коррозионного износа;
- построение модели устойчивости системы МТТ на основе цифровой
обработки данных телеметрии методами морфологического анализа сигналов
по всплескам Добеши четвертого порядка.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории информационных систем, теории вероятности, статистического анализа данных, исследования операций, функционально-структурный подход, методы теории линейного программирования и цифровой обработки сигналов.
Достоверность И обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате статистического анализа данных, математического программирования, кратно-масштабного анализа и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов и алгоритмов подтверждена математическим моделированием.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Разработан метод анализа устойчивости СТТ по когнитивным признакам оценок качества системы на основе эксплуатационных, антропогенных и техногенных факторов, позволяющий выбрать оптимальные способы продления эксплуатационных сроков СТТ и снижения экологического риска.
-
Впервые разработан метод определения количественных параметров формирующих признаков техногенных и антропогенных факторов путем мониторинга линейной части МТТ с помощью декомпозиции сигналов во всплесках Добеши четвертого порядка как альтернатива классическому анализу Фурье, что позволяет проводить более глубокий анализ состояния СТТ во время эксплуатации за счет учета большего набора спектральных инвариантов.
-
Разработана методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ как в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.
-
Разработана математическая модель устойчивости магистральных и технологических трубопроводов с учетом износа стенки трубопровода и влияния динамических воздействий, которая, в отличие от известных моделей, учитывает статику и динамику МТТ. Эта модель применима для построения технической системы непрерывной диагностики состояния СТТ и системного анализа устойчивости СТТ в условиях, осложняющих режимы эксплуатации трубопроводов с номинальной пропускной способностью.
Практическая значимость. Разработанный метод анализа устойчивости на основе цифровой обработки сигналов по данным телеметрии является сред-
ством для повышения безопасности эксплуатации СТТ путем раннего обнаружения осложнений технологических режимов, а также повышения оперативности принятия решений в различных ситуациях и эффективности применяемых мер для устранения причин снижения пропускной способности участков неф-тепродуктопроводов. Практические результаты диссертационной работы использованы при проектировании и реконструкции трубопроводов спецморнеф-тепорта (СМНП) «Козьмино» (морской порт Восточный), что подтверждено документально.
На защиту выносятся:
-
Метод системного анализа устойчивости .СТТ как сложной технической системы в период эксплуатации, учитывающий нарушения проектного положения участков трубопроводов или их повторной укладки включающий анализ влияющих факторов природного, антропогенного, эксплуатационного характера и обеспеченности инженерной инфраструктуры как альтернативы формирования когнитивных признаков устойчивости по инспекциям ВИС.
-
Метод определения количественных параметров устойчивости сложной технической системы МТТ с обработкой спектров информационных сигналов по декомпозиции Добеши четвертого порядка, как альтернатива классическому анализу Фурье, в задаче повышения точности аналитической модели устойчивости.
-
Методика определения параметров оценивания устойчивости СТТ на основе морфологического анализа, которая использует в качестве аппарата приближения функций информацию о всплесках Добеши четвертого порядка. Методика позволяет дать оценку устойчивости СТТ в целом, так и по отдельным ее подсистемам, имеющим уникальный набор морфологических признаков.
-
Математическая модель устойчивости функционирования СТТ, реализующая анализ устойчивости второго рода для повышения аналитической точности.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: V Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах», Анапа, 2008; XVI Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», V Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау-Дюрсо, 2008; XVII Международной конференции «Математика. Экономика. Образование», VI Международном симпозиуме «Ряды Фурье и их приложения», Абрау-Дюрсо, 2010; XV региональной НТК «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону», Ставрополь, 2011; V Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании», Кисловодск, 2012.
Публикации. Полученные автором результаты изложены в 10 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены в ООО «ТРАНСНЕФТЬ - СЕРВИС» (филиал в г. Находка) при
стендовых испытаниях комплектующего оборудования системы управления технологическими процессами трубопроводов СМНП «Козьмино» (морской порт Восточный). Результаты исследования реализованы в учебном процессе по направлениям подготовки кафедры "Системный анализ, управление и обработка информации на транспорте" в ФГБОУ ВПО "ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" г. Новороссийск, что подтверждено актами о внедрении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Ее содержание изложено на 155 страницах, включая 17 страниц приложений, проиллюстрировано 39 рисунками и 9 таблицами. Библиографический список содержит 105 наименований.
