Способ контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода Российский патент 2020 года по МПК F17D5/00 

Изобретение относится к способам диагностики состояния заглубленных трубопроводов.

Известен способ мониторинга напряженно-деформированного состояния потенциально-опасных участков магистрального трубопровода, заключающийся в том, что на основе предварительного обследования выявляют потенциально-опасные участки заглубленного магистрального трубопровода на которых могут произойти внешние негативные воздействия (сейсмические воздействия, движения тектонических блоков, карсты, оползни, курумы, морозное пучение, всплывание трубопровода в результате затопления местности где трубопровод походит и т.д.) приводящие к деформациям магистрального трубопровода; помещают на трубопроводе в местах опасных участков заглубленного магистрального трубопровода датчики контроля давления, которые присоединяются к информационной сети, при превышении на датчиках уровня внешнего воздействия выше порогового значения информационная система формирует сигнал опасности, который выводится на экран автоматизированного рабочего места диспетчера, который, в свою очередь, организует меры и мероприятия предотвращения негативной деформации магистрального трубопровода [Способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации, патент RU 2451874 C1 или Способ мониторинга технического состояния трубопровода и система для его осуществления, патент RU 2563419 С2].

Недостатком указанного способа мониторинга напряженно-деформированного состояния потенциально-опасных участков магистрального трубопровода является то, что при предварительном обследовании могут быть выявлены не все опасные участки заглубленного магистрального трубопровода в которых могут произойти внешние негативные воздействия, что может привезти к внезапной аварии на магистральном трубопроводе.

От данного недостатка свободен известный способ мониторинга напряженно-деформированного состояния заглубляемого трубопровода [А.Л. Ермилов, А.В. Гречанов, С.А. Щекочихин Мониторинг деформации трубопровода и подвижек грунта на объекте магистральный с газопровод «Сахалин-Хабаровск-Владивосток» // Фотон-экспресс, №5 (125), сентябрь, 2015, стр. 14-17 или С.В. Смирнов, Х.В. Иванов Волоконно-оптические технологии для создания безопасных условий эксплуатации трубопроводных систем в труднодоступных и сложных природно-климатических регионах // Безопасность Труда в Промышленности, 2017, №2, стр. 33-39, www.safety.ru] Указанный способ заключается в том, что при строительстве заглубляемого трубопровода из труб с радиусом R до его заглубления по всей длине контролируемого участка к внешней поверхности трубопровода к изоляции с первоначальным натяжением параллельно оси трубопровода прикрепляют три распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующим величине x_i погонной длины оси трубопровода, каждый j-й сенсор крепится в точке, с угловыми координатами γ_ij, у деформации ε_ij на всем протяжении каждого сенсора в каждой точке крепления к трубопроводу, а трубопровод заглубляют в среду, в которой он будет эксплуатироваться, после чего осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода путем непрерывного сравнения текущих значений продольной деформации трубопровода с соответствующими значениями продольной деформации трубопровода при первоначальном и предыдущих измерениях, и с заданными пороговыми значениями продольной деформации трубопровода, по результатам сравнения выявляют аномальные участки напряженно-деформированного состояния трубопровода с повышенной деформацией, а информация о погонной длине x_i, угловой координате γ_ij и параметрах продольной деформации трубопровода на аномальном участке выводят на экран автоматизированного рабочего места диспетчера.

Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода предполагает применение оборудования измерения распределения деформации внутри волоконно-оптического сенсора продольной деформации на всем его протяжении. Оборудование измерения распределения деформации состоит из оконечной измерительной аппаратуры, подключаемой к распределенному волоконно-оптическому сенсору продольной деформации в виде отрезка волоконно-оптического кабеля.

Физической основой функционирования распределенного волоконно-оптического сенсора продольной деформации является эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Оборудование, использующее указанный эффект подключается к одному или обоим концам кабеля и позволяет измерять распределение значений величин продольной деформации в оптическом волокне в зависимости от погонной длины кабеля. Так как все распределенные волоконно-оптические сенсоры продольной деформации прикреплены к изоляции заглубленного трубопровода (фиг. 1), а изоляция, в свою очередь закреплена на трубопроводе при помощи сил адгезии, то эти сенсоры измеряют значения продольной деформации, стенок труб заглубляемого трубопровода в местах крепления волоконно-оптических сенсоров продольной деформации к изоляции.

Трубопровод при установке на него распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации считают не напряженным и, соответственно, не деформированным. В распределенных волоконно-оптических сенсорах продольной деформации создают первоначальное натяжение для того, чтобы у заглубленного трубопровода можно было фиксировать деформации, как растяжения, так и сжатия.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является то, что в данном способе не ставятся и, соответственно, не решаются задачи определения параметров деформации на всей поверхности трубопровода (а не только в точках крепления сенсоров). В результате существует вероятность пропустить (не зафиксировать и не сообщить диспетчеру) факт появления на поверхности трубопровода механических напряжений, превышающие допустимые нормативные значения.

Это происходит потому, что считается, что величину максимального механического деформирующего воздействия на трубопровод можно определить по величине, зафиксированной одним из использованных распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации (очевидно по максимальному значению).

Но сенсор может находиться не в области максимальной деформации, соответственно не будет определена потенциальная опасность, связанная с превышением порога величиной силы, деформирующей трубопровод.

Это связано с тем, что ошибочно предполагается, что деформирующие воздействия на заглубленный трубопровод связаны исключительно с внешними сдвиговыми воздействиями вдоль его оси. Однако практика показывает, что это не так. Могут быть и сильные внешние воздействия в виде сил, приложенных поперек оси трубопровода. Классическим примером таких сил являются силы Архимеда при обводнении вешними водами заглубленного и пригруженного специальными пригрузами или якорными устройствами трубопровода. В этом случае трубопровод частично всплывает и испытывает изгибные деформации, при которых механические напряжения по периметру трубопровода не одинаковые. Как результат показания на распределенных волоконно-оптических сенсорах продольной деформации в определенном сечении могут сильно различаться, а максимальное значение может быть больше одного из измеренных значений в данном сечении.

Например, при расположении трех распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, закрепленных на поверхности изоляции трубопровода с угловыми координатами точек крепления сенсоров в поперечном сечении трубопровода равных 0 градусов (вертикально), 90 градусов и -90 градусов, как это сделано в прототипе (фиг. 1) могут быть зафиксированы малые, практически нулевые деформации в датчиках с угловыми координатами 90 градусов и -90 градусов и отрицательная деформация (деформация сжатия) в точке с угловой координатой 0 градусов, близкая к величине порога. Так как все деформации меньше определенного порогового значения, заложенного в систему, это не вызовет никакой тревожной реакции системы. На самом деле, максимальная деформация в трубопроводе будет иметь место в точке с угловой координатой 180 градусов, из-за изгибной деформации трубы, где распределенного волоконно-оптического сенсора продольной деформации нет, при этом ее значение может быть больше, порога. Хотя эта деформация и превышает предельное пороговое значение, она не будет обнаружена и, соответственно, зафиксирована системой. В результате возможен результат нанесения повреждения материалу трубы или материалу изоляции, которое не будет воспринято системой как негативное воздействие, требующее дальнейшего рассмотрения, включая мониторинг, анализ, проверку или ремонт. Незафиксированные повреждения будут в дальнейшем развиваться как коррозионные дефекты или даже дефекты материала трубопровода, в месте нахождения которых не обеспечивается паспортная прочность.

С целью увеличения надежности мониторинга напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода предлагается новое техническое решение, позволяющее контролировать напряжения на всей поверхности заглубленного трубопровода - способ контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение контроля на всей поверхности контролируемого участка заглубленного трубопровода, что позволяет выявлять участки трубопровода, где суммарное действие продольных и изгибных сил приведет к появлению предельных значений продольного напряжения тела трубопровода.

Технический результат достигается тем, что в соответствии с новым способом контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода при строительстве заглубляемого трубопровода из труб с радиусом R до его заглубления по всей длине контролируемого участка к внешней поверхности трубопровода к изоляции с первоначальным натяжением параллельно оси трубопровода прикрепляют N распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующим величине x_i погонной длины оси трубопровода, каждый j-й сенсор крепится в точке, с угловыми координатами γ_ij, у деформации ε_ij на всем протяжении каждого сенсора в каждой точке крепления к трубопроводу, а трубопровод заглубляют в среду, в которой он будет эксплуатироваться, после чего осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода путем непрерывного сравнения текущих значений продольной деформации трубопровода с соответствующими значениями продольной деформации трубопровода при первоначальном и предыдущих измерениях, и с заданными пороговыми значениями продольной деформации трубопровода, по результатам сравнения выявляют аномальные участки напряженно-деформированного состояния трубопровода с повышенной деформацией, а информация о погонной длине x_i, угловой координате γ_ij и параметрах продольной деформации трубопровода на аномальном участке выводят на экран автоматизированного рабочего места диспетчера, при этом используется N≥3 распределенных волоконно-оптических сенсора продольной деформации, а при осуществлении непрерывного анализа напряженно-деформированного состояния трубопровода для каждого i-го поперечного сечения трубопровода с текущим значением погонной длины трубопровода x_i измеренные значения продольной деформации трубопровода ε_ij помещаются в систему из N уравнений:

решая в систему из N уравнений аналитическим или численным методом определяют величины: ε_0i - продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси в i-м поперечном сечении трубопровода, радиус ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода, угол γ_0i - перпендикулярный плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода, по определенным значениям величин ε_0i, ρi, γ_0i для каждого i-го поперечного сечения трубопровода вычисляют величину σ_0i продольного напряжения, связанного с растяжением или сжатием как:

σ_0i=Е ε_0i,

где Е - модуль упругости первого рода материала трубопровода, кроме того для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении вычисляют зависимость σ_1i(γ_i) величины продольных напряжений, в результате изгиба трубопровода, от углового положения γ_i как:

σ_1i(γ_i)=Е Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i;

а так же зависимость σ_i(γ_i) величины суммарного продольного напряжения, действующего на трубопровод, от углового положения γ_i как:

σ_i(γ_i)=σ_0i+σ_1i(γ_i),

а так же максимальную величину суммарного продольного напряжения σ_iмax как максимум зависимости σ_i(γ_i) величины суммарного продольного напряжения и угловое положение γ_iмax при котором это напряжение происходит, а аномальные участки напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода выявляют по результатам сравнения максимальной величины суммарного продольного напряжения с пороговой величиной.

Суть изобретения заключается в том, что при автоматизированном мониторинге напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода с помощью распределенных волоконно-оптических сенсоров данные, поступающие с каждого из сенсоров обрабатываются комплексно, на основе математической модели деформации трубы, находящейся под действием деформирующих сил, вызывающих деформации как растяжения или сжатия трубопровода вдоль оси, так и деформации изгиба оси трубопровода. При этом ставится и решается задача определения параметров деформации для каждой произвольной точки поверхности трубопровода в каждом поперечном сечении трубопровода, а не только в точках крепления сенсоров к поверхности трубопровода. При этом продольное напряжение определяется как сумма продольного напряжения, связанного с растяжением (сжатием) и продольного напряжения, связанного с изгибом. Как результат анализа для каждого сечения трубы определяется максимальное значение продольной деформации и угловое положение точки в данном сечении, где данная деформация происходит, радиус изгиба и плоскость в которой происходит изгиб трубы. В результате появляется возможность выявлять не только результат негативного внешнего воздействия на заглубленный трубопровод, но и природу этого воздействия, так как определяются и величины внешнего сдвигового воздействия вдоль оси трубопровода и параметры поперечного воздействия (величина, направление в пространстве, радиус изгиба). Это позволяет диспетчерской и эксплуатационной службам оценивать потенциальные опасности, связанные с превышением порога величиной деформирующего трубопровод напряжения и приводящего к повреждению трубопровода или его изоляции. Как следствие могут быть своевременно проведены мероприятия по анализу и ликвидации причин и последствий повреждения. Например, могут быть выполнены переукладка трубопровода в месте возникновения повышенного напряжения, водоотведение, ремонт изоляции, замена участка трубопровода, дальнейший мониторинг проблемного участка с помощью средств электрохимзащиты и т.д.

Для того, чтобы построить математическую модель деформации трубы достаточно три сенсора, прикрепленных к поверхности трубопровода и позволяющих для определенного сечения трубы составить систему из трех независимых уравнений, решение которых численным или аналитическим способом позволит определить три величины, определяющие зависимость распределения продольной деформации по периметру указанного сечения: величину ε_0i - продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси, радиус ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в данном поперечном сечении трубопровода, угол γ_0i - перпендикулярный плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации, определяющий положение плоскости изгиба в данном поперечном сечении трубопровода. Эти три величины, если известно значение модуля упругости первого рода материала трубопровода Е, составляют выражение, определяющее величину продольной деформации на поверхности трубопровода в его i-м сечении в любой точке на периметре, определяемой угловым положением γ_i:σ_i(γ_i)=ε_0i Е+Е Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i.

Точность построения модели определяется тем, насколько точно известны угловые положения γ_ij крепления сенсоров на трубопроводе в i-м сечении. Кроме того, ошибки в определении значений величин продольной деформации на основе математической модели минимизируются, если в поперечном сечении трубопровода дуги разделяющие точки крепления сенсоров к изоляции равны больше, чем 360/(N+1) градусов и меньше, чем на 360/(N-1) градусов. Естественно, что увеличение числа сенсоров приведет к увеличению точности оценок, при этом так же важно распределение сенсоров по поверхности трубопровода. Для случая использования трех сенсоров ошибки наименьшие, если сенсоры разделены дугами в 120 градусов, при этом до значений в 90 градусов указанные ошибки растут медленно. Для случая использования четырех сенсоров ошибки наименьшие, если сенсоры разделены дугами в пределах от 72 градуса до 120 градусов, при этом наименьшее значение ошибки, если сенсоры разделены дугами в 90 градусов.

Для случая использования пяти сенсоров ошибки наименьшие, если сенсоры разделены дугами в пределах от 60 градусов до 90 градусов, при этом наилучшее значение точности результатов оценок будет, если сенсоры разделены дугами в 72 градусов.

Предлагаемый способ контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода может быть реализован в системе контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, блок-схема которой представлена на фиг. 2, где:

1 - заглубляемый трубопровод

2, 4, 6 - распределенные волоконно-оптические сенсоры,

3, 5, 7 - блоки оконечного оборудования распределенных волоконно-оптических сенсоров,

8 - блок обработки информации,

9 - автоматизированное рабочее место диспетчера.

Блоки оконечного оборудования 3, 5, 7 конструктивно соединены с распределенными волоконно-оптическими сенсорами. Распределенные волоконно-оптические сенсоры 2, 4, 6 с блоками оконечного оборудования 3, 5, 7 прикреплены к изоляции трубопровода 1. Распределенные волоконно-оптические сенсоры 2, 4, 6 располагаются на поверхности заглубляемого трубопровода 1 так, чтобы в каждом поперечном сечении заглубляемого трубопровода дуги между распределенными волоконно-оптическими сенсорами составляли 120 градусов, при этом дуга между двумя нижними сенсорами так же составляет 120 градусов, см. фиг. 3.

Такое расположение сенсоров наилучшее с точки зрения обеспечения точности оценок и удобно технологически для монтажа системы, так как самые низкие сенсоры достаточно высоко приподняты над уровнем земли (до затопки).

Выходы блоков оконечного оборудования распределенных волоконно-оптические сенсоров с блоками оконечного оборудования 3, 5, 7 с помощью информационных кабелей присоединены к входу блока обработки информации 8. Выход блока обработки информации к с помощью информационной шины присоединен ко входу автоматизированного рабочего места диспетчера 9.

Система контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода реализуется следующим образом.

1. После сборки трубопровода 1 с радиусом R, до его заглубления к внешней поверхности трубопровода, к изоляции прикрепляют три распределенных волоконно-оптических сенсора 2, 4, 6 с блоками оконечного оборудования 3, 5, 7 с первоначальным натяжением каждого j-го сенсора ε_нач(x_j), где х-погонная длина оси трубопровода. Сенсор 2 прикрепляют по образующей, проходящей в верхней точке трубопровода параллельно его оси. Сенсоры 4 и 6 прикрепляют к внешней поверхности трубопровода слева и справа от сенсора 2 параллельно его оси по образующим, отстоящим на дуги в 120 градусов.

2. После прикрепления распределенных волоконно-оптических сенсоров с блоками оконечного оборудования к внешней поверхности трубопровода выполняют обмер трубопровода, при этом через определенный измерительный интервал фиксируют значения пространственных координат точек расположения сенсоров на поверхности трубопровода.

3. Выполняют калибровку системы контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода для каждого j-го сенсора и текущего i-го поперечного сечения при которой зафиксированной системой калибровочной величине продольной деформации материала сенсора ε_{ij фикс кал} ставят в соответствие известное калибровочное значение первоначального натяжения ε_нач (х_ij).

4. Заглубляют трубопровод (засыпают трубопровод грунтом).

5. При дальнейшем функционировании системы при фиксации системой для каждого j-го сенсора и текущего i-го поперечного сечения величины продольной деформации материала сенсора ε_{ij фикс} определяется измеренное значение продольной деформации трубопровода ε_ij как:

ε_ij=ε_{ij фикс}-ε_{ij фикс кал}+ε_нач(x_ij).

6. Осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода. При этом для каждого поперечного сечения текущего i-го значения погонной длины оси трубопровода измеренные значения продольной деформации трубопровода ε_ij помещаются в систему из 3-х уравнений:

7. Указанная система из 3-х уравнений решается численным методом. В результате решения определяют величины: ε_0i - продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси в i-м поперечном сечении трубопровода, радиус ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода, угол γ_0i - перпендикулярный плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода.

8. По определенным значениям величин ε_0i, ρ_i, γ_0i для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении трубопровода вычисляют зависимость ε_1i(γ_i) величины продольной деформации трубопровода, вызванной изгибом трубопровода, от углового положения γ_i как:

ε_i1(γ_i)=Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i.

9. При этом выделяют для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении трубопровода вычисляют зависимость ε_i(γ_i) величины продольной деформации трубопровода, от углового положения γ_i как:

ε_i(γ_i)=ε_0i+Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i.

10. Кроме того для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении вычисляют зависимость величины продольной деформации, ε_ij(γ_i), действующего на трубопровод, от углового положения γ_i как:

σ_i(γ_i)=σ_0i+σ_1i(γ_i).

11. Кроме того в каждом i-м поперечном сечении трубопровода вычисляют величину σ_0i продольного напряжения, связанного с растяжением или сжатием как:

σ_0i=Еε_0i,

где Е - модуль упругости первого рода материала трубопровода.

12. Кроме того для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении вычисляют зависимость σ_1i(γ_i) величины продольных напряжений, в результате изгиба трубопровода, от углового положения γ_i как:

σ_1i(γ_i)=Е Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i.

13. Кроме того для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении вычисляют зависимость величины суммарного продольного напряжения σ_i(γ_i), действующего на трубопровод, от углового положения γ_i как:

σ_i(γ_i)=σ_0i+σ_1i(γ_i).

14. Так же вычисляют максимальную величину суммарного продольного напряжения σ_iмax как максимум зависимости величины суммарного продольного напряжения σ_i(γ_i) и угловое положение γ_iмax в котором это напряжение происходит.

15. Для значений x_i погонной длины оси трубопровода вычисляют зависимости:

- максимальной величины суммарного продольного напряжения σ_iмax от x_i погонной длины оси трубопровода;

- углового положения γ_iмax максимальной величины суммарного продольного напряжения от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины σ_0i продольного напряжения, связанного с растяжением или сжатием от x_i погонной длины оси трубопровода;

- максимальной величины σ_1iмакс продольных напряжений, в результате изгиба трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины радиуса ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины ε_0i продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси от x_i погонной длины оси трубопровода;

- максимальной величины продольной деформации ε_{i1 макс}, в результате изгиба трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода.

16. Сравнивают максимальные величины суммарного продольного напряжения σ_iмax с пороговой величиной σ_ПОР.

17. Выявляют а аномальные участки напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода для которых σ_iмах>σ_ПОР.

18. На экране автоматизированного рабочего места диспетчера для значений x_i погонной длины оси трубопровода, соответствующим аномальным участкам напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода отображают зависимости:

- максимальной величины суммарного продольного напряжения σ_iмax от x_i погонной длины оси трубопровода;

- углового положения γ_iмax максимальной величины суммарного продольного напряжения от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины σ_0i продольного напряжения, связанного с растяжением или сжатием от x_i погонной длины оси трубопровода;

- максимальной величины σ_1iмакс продольных напряжений, в результате изгиба трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины радиуса ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода;

- величины ε_0i продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси от x_i погонной длины оси трубопровода;

- максимальной величины продольной деформации ε_{i1 макс}, в результате изгиба трубопровода от x_i погонной длины оси трубопровода.

Система мониторинга напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, реализующая предлагаемый способ контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода может быть реализована на основе оборудования прототипа, при этом на поверхности заглубляемого трубопровода закрепляются три, распределенных волоконно-оптических сенсора так, чтобы в каждом поперечном сечении заглубляемого трубопровода дуги между распределенными волоконно-оптическими сенсорами составляли 120 градусов.

Положение каждого распределенного волоконно-оптического сенсора на теле трубы фиксируются, например, с помощью геодезического наземного лазерный 3D сканера Leica ScanStation Р50 фирмы Leica Geosystems.

Определение уравнений пространственного положения оси трубы и сенсоров на поверхности трубопровода по результатам фиксации распределенных волоконно-оптических сенсоров на теле трубы при помощи геодезического наземного лазерного 3D сканера можно выполнить с путем решений уравнений, позволяющих найти выражение, определяющее положение кривой в пространстве по известным координатам точек, принадлежавших этой кривой. Методика решения уравнений может быть использована например, по [Д.С. Корчагин, К.Л. Панчук Восстановление кривых второго порядка по ортогональным проекциям их опорных точек // Омский научный вестник №3 (103) 2011, стр. 5-9].

Решение систем уравнений численным методом может осуществляться с помощью одного из программных моделирующих комплексов, широко представленных сегодня на рынке, в частности, например, при помощи программного моделирующего комплекса National Instruments Labview 2012.

В качестве блока обработки информации и автоматизированного рабочего места диспетчера может быть использованы персональные компьютеры, например, фирмы Hewlett-Packard.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет определять параметры продольной деформации на всей поверхности заглубленного трубопровода на участке, где к его поверхности прикрепляются распределенные волоконно-оптические сенсоры. При этом для каждой точки поверхности трубопровода на участке, где к его поверхности прикрепляются распределенные волоконно-оптические сенсоры, могут быть определены величина продольной деформации, величина деформации, связанной с воздействием вдоль оси трубопровода и вызванной изгибом трубопровода, радиус изгиба в данном сечении и направление перпендикуляра к плоскости, в которой происходит изгиб.

Все это позволяет увеличить надежность мониторинга напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, так как определяются напряжения на всей поверхности заглубляемого трубопровода на контролируемом участке и не пропускаются аномальные участки с напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода с повышенной деформацией.

Изобретение относится к способам мониторинга состояния заглубленных трубопроводов. Измеренные с помощью N>3 волоконно-оптических распределенных сенсоров продольной деформации значения деформаций в точках крепления сенсоров к поверхности трубопровода с помощью модели деформации трубопровода преобразуются в данные о продольных деформациях тела трубы по всему периметру в данном сечении на участке расположения сенсоров. Определяются параметры деформаций, связанные как с продольными напряжениями, так и с изгибными напряжениями трубопровода. Точность работы системы возрастает, если сенсоры распределены на поверхности трубопровода равномерно. Изобретение обеспечивает контроль на всей поверхности контролируемого участка заглубленного трубопровода, что позволяет выявлять участки трубопровода, где суммарное действие продольных и изгибных сил приведет к появлению предельных значений продольного напряжения тела трубопровода. 3 ил.

Способ контроля напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода, заключающийся в том, что при строительстве заглубляемого трубопровода из труб с радиусом R до его заглубления по всей длине контролируемого участка к внешней поверхности трубопровода к изоляции с первоначальным натяжением параллельно оси трубопровода прикрепляют N распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, при этом в каждом i-м поперечном сечении трубопровода, соответствующем величине x_i погонной длины оси трубопровода, каждый j-й сенсор крепится в точке, с угловыми координатами γ_ij, у деформации ε_ij на всем протяжении каждого сенсора в каждой точке крепления к трубопроводу, а трубопровод заглубляют в среду, в которой он будет эксплуатироваться, после чего осуществляют непрерывный анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода путем непрерывного сравнения текущих значений продольной деформации трубопровода с соответствующими значениями продольной деформации трубопровода при первоначальном и предыдущих измерениях и с заданными пороговыми значениями продольной деформации трубопровода, по результатам сравнения выявляют аномальные участки напряженно-деформированного состояния трубопровода с повышенной деформацией, а информация о погонной длине x_i, угловой координате γ_ij и параметрах продольной деформации трубопровода на аномальном участке выводят на экран автоматизированного рабочего места диспетчера, отличающийся тем, что используется N>3 распределенных волоконно-оптических сенсоров продольной деформации, а при осуществлении непрерывного анализа напряженно-деформированного состояния трубопровода для каждого i-го поперечного сечения трубопровода с текущим значением погонной длины трубопровода x_i измеренные значения продольной деформации трубопровода ε_ij помещаются в систему из N уравнений:

решая систему из N уравнений определяют величины: ε_0i - продольной деформации, связанной с продольным напряжением, вызванным растяжением или сжатием всего трубопровода вдоль оси в i-м поперечном сечении трубопровода, радиус ρ_i - изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода, угол γ_0i - перпендикулярный плоскости изгиба трубопровода в результате изгибной деформации в i-м поперечном сечении трубопровода, по определенным значениям величин ε_0i, ρ_i, γ_0i для каждого i-го поперечного сечения трубопровода вычисляют величину σ_0i продольного напряжения, связанного с растяжением или сжатием как:

σ_0i=Еε_0i,

где Е - модуль упругости первого рода материала трубопровода, кроме того, для каждой точки периметра трубопровода в каждом i-м поперечном сечении вычисляют зависимость σ_1i(γ_i) величины продольных напряжений, в результате изгиба трубопровода, от углового положения γ_i как:

σ_1i(γ_i)=Е Rsin(γ_0i-γ_i)/ρ_i;

а также зависимость σ_i(γ_i) величины суммарного продольного напряжения, действующего на трубопровод, от углового положения γ_i как:

σ_i(γ_i)=σ_0i+σ_1i(γ_i),

а также максимальную величину суммарного продольного напряжения σ_iмах как максимум зависимости σ_i(γ_i) величины суммарного продольного напряжения и угловое положение γ_iмах, при котором это напряжение происходит, а аномальные участки напряженно-деформированного состояния заглубленного трубопровода выявляют по результатам сравнения максимальной величины суммарного продольного напряжения с пороговой величиной.