Применение бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации на диагностических подвижных аппаратах внутритрубного контроля магистральных трубопроводов

Обширная сеть магистральных и промысловых газои нефтепроводов имеет на территории России общую протяженность около 600 ООО км. Средний срок «жизни» стальных труб, проложенных в грунте и работающих в режиме меняющихся давлений, колеблется около значения в 30 лет. За это время стенки трубы поражает коррозия, в них возникает продольное и поперечное растрескиваниемеханические примеси, находящиеся в транспортируемом продукте, вызывают эрозионный износ стенок. Транспортируемые по трубам углеводороды оседают в виде парафинов внутри трубы, снижая производительность трубопровода. Механические воздействия внешней среды на трубопровод проявляются в виде пространственных перемещений трубы, проложенной в зоне оползней, в зоне пучинистых грунтов, на дне водоемов. Трубопроводы, проложенные на болотах и в зоне пучинистых грунтов, претерпевают периодически сезонно изменяющиеся механические напряжения. Пространственные перемещения труб могут привести к резким локальным искривлениям продольной оси трубы. Периодическое повторение искривлений вызывает растрескивание металла труб. Перемещения труб в пространстве могут привести к появлению гофров, сплющиванию труб и даже их выпучиванию из грунта на несколько метров вверх. Газопровод Мессояха-Норильск проложен на опорах над вечномерзлым грунтом. Пучением грунта опору подняло на 0.5 м и в трубе Dy=720 мм образовалась поперечная трещина по стыковочному шву. Между опорами около 10 м. Критическим оказался угол изгиба 3°. Своевременное обнаружение начавшегося изгиба могло предотвратить аварию. Наблюдаются ветровые колебания труб, проложенных на эстакадах, причем амплитуда колебаний может достигать 50 мм при диаметре трубы 720 мм (О.М.Иванцов, В. В. Харионовский. Арктические газопроводы России. М. 1992 г. КИИЦ «Нефтегазстройинформреклама» 138с. ил., код по рубрикату 67.29.65.). Нарушения технического состояния труб могут быть вызваны хозяйственной деятельностью человека и браком при строительстве трубопроводов. В конце 70-х — начале 80-х годов для поддержания нормальной чистоты внутренней полости труб и выявления перечисленных нарушений их технического состояния стали применять внутритрубные подвижные объекты — очистные поршни, снаряды-коррозионные дефектоскопы (Рис. 1.), снаряды-профилометры для контроля поражений стенок труб диаметром 1220 мм.

В середине 90-х годов развитие технических средств оценки ориентации подвижных объектов позволило начать создание внутритрубных аппаратов для топографической привязки магистральных газопроводов. В настоящее время по функциональному назначению внутритрубные подвижные объекты (ВПО) можно разделить на 4 класса: профилометры, дефектоскопы-обнаружители трещин и коррозии, внутритрубные топографы, внутритрубные вспомогательные снаряды. Первые три типа ВПО будем называть диагностическими подвижными аппаратами (ДПА).

Назначение ДПА. ДПА имеют своей основной целью обнаружение и осуществление позиционирования аномалий в техническом состоянии трубопровода, то есть определение в относительных координатах положения мест, пораженных трещинами, коррозией, царапинами, вмятинами, гофрами или изменением направления продольной оси трубы при привязке к началу трубопровода или к некоторой реперной точке на нем. В случае диагностики подводных трубопроводов, проложенных по морскому дну, при их большой протяженности ДПА должен обеспечивать решение задачи навигации, то есть определения положения дефектных мест на трубе в географических координатах.

Требования к ДПА. Обязательность функций позиционирования или навигационной привязки требует наличия в аппаратном составе ДПА навигационной системы или системы позиционирования. Система определения местоположения определенных мест трубопровода должна обладать рядом важных свойств. Среди них наиболее важны минимизация абсолютной погрешности и воспроизводимость результатов, позволяющая многократно выходить в одно и то же место с гарантированной точностью. Наиболее часто используется разностное позиционирование с применением маркирующих станций, устанавливаемых в заранее оговоренных местах трубопровода с известными координатами, что позволяет вычислить ошибку бортовой системы позиционирования и провести необходимую коррекцию.

Большую проблему представляет диагностика трубопроводов малого диаметра. Здесь возникают экономические сложности, связанные с производительностью трубопровода и стоимостью его диагностики. Стоимость диагно-стичеких работ связана со стоимостью применяемых ДПА, их производительностью и запланированным сроком окупаемости затрат, понесенных службами диагностики на приобретение техники. При обследовании нефтеи газопроводов большого диаметра затраты на оплату диагностических работ окупаются за 2−3 дня. Компенсация затрат на диагностику труб малого диаметра такими же дорогими техническими средствами может быть осуществлена поставками транспортируемого продукта уже в несколько дней, что при невысокой стоимости таких труб становится нерентабельным. Это одна из причин, по которой внутритрубная диагностика мало используется на трубах малого диаметра.

Вторая причина-отсутствие, до недавнего времени, недорогой, компактной, малоэнергоемкой навигационной и электронно-вычислительной техники, способной на ДПА с требуемой точностью регистрировать координаты и не менее 256 параметров от датчиков дефектов труб в условиях воздействия как низких, так и высоких температур и сильных механических воздействий.

Стремление к удешевлению аппаратной части бортовой навигационной техники приводит к поиску новых алгоритмов, позволяющих обеспечить требуемую точность результатов при использовании аппаратуры средней и низкой точности. Одним из способов уменьшения габаритов и снижения цены навигационной аппаратуры ДПА является переход к бесплатформенным инерциаль-ным системам ориентации и навигации (БИСОН). Теория работы БИСОН базируется на уравнениях кинематики и динамики твердого тела. Современные подходы к созданию инерциальных систем ориентации и навигации (ИСОН) изложены в трудах А. Ю. Ишлинского, Д. М. Климова, Д. С. Пельпора, В. Ф. Журавлева, В. Н. Бранеца, И. П. Шмыглевского, С. С. Ривкина, А. П. Панова, И. М. Окона, В. Г. Пешехонова, С. П. Дмитриева, Г. И. Емельянцева, П. Ц. Бромберга, О. Н. Анучина, О. А. Степанова, П. К. Плотникова, Ю. Н. Челнокова, К. П. Андрейченко, С. М. Онищенко, E.H.Knickmeyer, J.S.Schwarz, G.T.Schmidt и других ученых. Анализ трудов по названному вопросу показал отсутствие решений, которые могли бы быть использованы в системах ориентации и навигации ДПА без существенных доработок и изменений в теории и практике.

Целью настоящей работы является: разработка теоретических предпосылок построения схем и алгоритмов работы интегрированной БИСОН для внутритрубных ДПА, позволяющих оценивать кривизну изгибов продольной оси трубы и определять ее пространственную ориентацию, а также производить навигационную привязку дефектных мест на магистральных трубопроводах с требуемой для практики точностью.

На защиту выносятся структура, схемы, математические модели и алгоритмы БИСОН прецизионной, средней точности и грубой акселерометрической для использования в качестве бортовых систем ориентации и позиционирования в автономных внутритрубных подвижных диагностических аппаратах, а также технические способы и алгоритмы повышения точности функционирования комплексированных систем ориентации и навигации пониженной стоимости (не более $ 20 000).

Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И КРАТКИЕ ВЫВОДЫ.

1. Выделены три типа автономных и комплексированных БИСОН: 'прецизионная, средней точности и акселерометрическая и применительно к каждому из них построены алгоритмы функционированиясоотношения (2.20), (2.22), (2.23), (2.24), (2.25), (2.27), (2.28) (2.36): (3.1), (3.2), (3.3), (3.6) и (4.8), (4.16), (4.17) соответственно.

2. Решен аппаратно путем установки трех (по периметру цилиндра корпуса ДПА) рядов микроэхолокаторов, а также обоснован алгоритмически (формулы (2.13)) способ повышения точности определения углов искривления продольной оси магистрального трубопровода (МТ) по показаниям БИСО прецизионного типа и средней точности.

3. Применены и развиты подходы к снижению погрешности БИСО средней точности:

— путем алгоритмического комплексирования в выходных сигналах ИКУ компонентов ускорения, вызванных относительным движением ДПА по МТ, за счет использования сигналов одометра и БИСОалгоритмы (3.2). В силу этого погрешности формирования заданных углов 9*, у (по формулам (3.4) снижены на порядок. Данные результаты подтверждены математическим моделированием и экспериментами.

— путем использования вращения ДПА и опрокидывания блоков ТГИУС и ТИКУ (формулы (3.25), (3.26), (3.27), (3.29), (3.30), (3.33), (3.34), (3.40), (3.50)). Сопоставительный анализ вращения и опрокидывания показал, что эти способы аналогично влияют на повышение точности приборов, приводя при стационарных параметрах вращения к снижению постоянной составляющей угловой скорости дрейфа ГИУС и постоянного сдвига нуля ИКУ.

— путем теоретического исследования влияния угловых и поступательных вибраций по дифференциальным уравнениям ошибок БИСОН. Показано, что угловые вибрации ДПА через сигналы ГИУС практически без амплитудных искажений присутствуют в выходных сигналах БИСО, в то время как поступательные вибрации ДПА через сигналы ИКУ передаются на пересчитанные к углам ориентации БИСО с большим, порядка 103 -104 ослаблением. Выведенные формулы (3.70), (3.72), (3.73) могут быть использованы на стадии проектирования БИСОН при расчете ее погрешностей.

4. Применены теоретические разработки по аппаратно-алгоритмическому обеспечению введения внешней азимутальной и по тангажу коррекций в БИСОН прецизионного, средней точности и акселерометрического типов. Разработан способ определения азимута и наклона продольной оси МТ по углу места с помощью наземных средств с привязкой пункта коррекции по маркерам таймерного типа в условиях резкой ограниченности информационной связи ДПА с наружной поверхностью.

5. Предложена, экспериментально реализована и внедрена на реальном ДПА комплексированная дешевая схема БИСОН, включающая ТИКУ и одометр. Построены алгоритмы функционирования, выведены полные и упрощенные уравнения ошибок БИСОНТИКУформулы (4.42), (4.43), (4.44). Анализ и расчет погрешностей свидетельствуют о том, что для обеспечения ошибок по (и (в 1° погрешность акселерометра должна быть не хуже 10″ 5−10'6 м/с2, а одометра 10″ от пройденного пути. Данная система может использоваться для определения радиусов искривления продольной оси трубыформулы (4.23), (4.24) и как система позиционирования на коротких до 2000 м трубопроводах.

6. Проведены экспериментальные исследования БИСОН средней точности на основе трех ВОГ, трех акселерометров (ДЛУММ) и дискретного одометра на тележке в лабораторных условиях. Параметры инерциальных приборов: дрейф ВОГ до 100°/ч, погрешность акселерометров 10″ 3g. Погрешность одометра 10″ 3 от пройденного пути при шаге дискретизации 48,6 мм. В результате исследований было показано, что углы 0, у, (определены с погрешностью не более 0.5 градуса, а декартовы коорднаты с ошибкой около 1,5% (время движения 240с), что совпадает с теоретическими результатами и с результатами моделирования.

7. Проведенные в лабораторных условиях экспериментальные исследования БИСОН ТИКУ на основе акселерометров ADXL05 с погрешностью 10″ 3g, с погрешностью одометра 0.05% при шаге 22,34 мм. БИСОН без коррекции имеет ошибку оценки азимутального угла 145° за 4.5 с работыошибка позиционирования 1.17 м на трассе 6.7 м. При использовании азимутальной коррекции и коррекции от одометра ошибка по азимуту составила 5 градусов, а ошибка позиционирования 0,4 м.

Заключение

и рекомендации.

В результате проведенного исследования можно рекомендовать два варианта систем позиционирования внутритрубного диагностического подвижного аппарата:

•для протяженных трасс трубопроводов (от 20 км и более) относительно дешевую БИСОН, выполненную на точных акселерометрах и ВОГ средней точности, например, типа КХ34−018 ПО" Корпус" [89];

•для коротких (до 1−5 км) трасс трубопроводов (газопроводов-отводов и внут-рипромысловых) — можно применить БИСОН акселерометрического типа с использованием высокоточных акселерометров, например, А-17 Раменского ПКБ. Можно рекомендовать использовать принудительные перевороты БИСОН-ВОГ относительно продольной оси ДПА с целью компенсации систематического дрейфа ВОГ, порожденного неизменно-ориентированной относительно корпуса составляющей угловой скорости дрейфа. Применительно к БИСОН-ТИКУ методикой переворотов можно улучшить точностные характеристики БИСОН за счет компенсации неизменно ориентированых относительно корпуса ДПА составляющих сдвига нуля у акселерометров. Ошибки несбалансированности акселерометров не выявляются при переворотах и не могут быть таким способом компенсированы.