Система мониторинга состояния объекта ZETLAB

Мониторинг состояния технологических объектов является одной из важнейших задач с точки зрения обеспечения промышленной и экологической безопасности. Наиболее значимым в данном отношении является мониторинг трубопроводных систем, по которым осуществляется транспортировка продуктов добычи и переработки нефтегазовой промышленности. Существуют несколько факторов, влияющих на техническое состояние трубопроводов. Одним из таких факторов являются сейсмические воздействия, подвергающие трубопроводы сейсмическим ударам, а следовательно, и вызывающие в них напряженно-деформированное состояние (НДС).

Система мониторинга состояния объекта на основе программного обеспечения ZETLAB решает задачу измерения напряженно-деформированного состояния, возникающего в результате сейсмических воздействий. В основе работы программного обеспечения лежит методика расчета, разработанная в соответствии с документом «СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы» в пунктах 8.53 — 8.62 «Особенности расчёта трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах».

Источником данных для выполнения расчётов являются сейсмические станции с группами трехкомпонентных сейсмодатчиков. Программное обеспечение «Система Контроля Сейсмических Воздействий» (далее ПО «СКСВ») на основании данных от сейсмостанций выполняет расчёт предполагаемого эпицентра сейсмического события. Специальное программное обеспечение «Контроль трубных секций» (КТС) на основании данных от сейсмостанций и данных от СПО «СКСВ» выполняет расчёт напряжённо-деформированного состояния трубопровода и выдаёт свои результаты в виде протокола.

Рисунок 1

Схема трубопровода с сейсмостанциями

Сейсмостанции, расположенные на трубопроводе или в непосредственной близости от трубопровода, привязываются к трубопроводу определённым значением километража. Таким образом трубопровод представляет собой ось координат, на которой расположены сейсмостанции, где значением координаты является значение километра трубы.

Сейсмостанции должны фиксировать (вести непрерывную запись) и определять (различать ложные события от реальных событий, землетрясения от локальных вибраций) любое сейсмическое событие в заданном радиусе. Если, в силу технических причин или слабости события, сейсмостанция не определила сейсмическое событие, то её значения должны быть интерполированы исходя из показаний соседних сейсмостанций. Если событие определили три или более сейсмостанций, то ПО «СКСВ» должно определить эпицентр сейсмического события, и СПО «КТС» должно работать по следующему сценарию.

Если определён эпицентр, то у СПО «КТС» имеется возможность оценить уровень воздействия на трубопровод в каждой точке. Для этого СПО «КТС» должно оценить уровень вибрации на тех сейсмостанция, которые в силу разных причин не зафиксировали сейсмическое воздействие.

Все сейсмостанции упорядочиваются по их удалённости от эпицентра сейсмического события. Исходя из рассчитанного значения магнитуды в эпицентре сейсмического события и ускорений на станциях, определивших сейсмическое событие, выполняется расчёт ускорения на остальных сейсмостанциях.

Для оценки сейсмической интенсивности в точке расположения n-ой сейсмостанции в настоящей методике используется формула Шебалина в общем виде [1, 2]:

In = 1.5M — 3.5lg(Dn) + 3
An = 0.0078eInln2

где:
In – интенсивность в баллах по шкале MSK-64;
M – магнитуда землетрясения в относительных единицах по шкале Рихтера;
Dn – расстояние от сейсмостанции до гипоцентра землетрясения;
An – пиковое значение ускорения на сейсмостанции.

Зная интенсивность можно оценить величину ускорения, регистрируемого в точке расположения сейсмостанции. Для этого в методике используется формулы, обратные формулам из [3].

Рисунок 2

Сортировка сейсмостанций по дальности от эпицентра. Серым цветом обозначены сейсмостанции, не передавшие информацию о сейсмическом событии

Затем, для каждой трубной секции выполняется расчёт коэффициента деформации. Для каждой трубной секции выполняется линейная интерполяция значений ускорения по значениям двух соседних сейсмостанций. Основной период колебаний выбирается максимальный. Соседние сейсмостанции определяются по километражу трубопровода. Коэффициент деформации вычисляется по упрощённой формуле:

χ = acT/Cp

где:
ac – проекция вектора ускорения из предыдущей формулы на единичный вектор направления трубной секции;
T – максимальный из основных периодов по осям;
Cp – скорость распространения продольной волны (берётся из таблицы 15 СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы»)

Таблица 1
Тип грунтаСкорость распространения продольной сейсмической волны, км/с
песчаные водонасыщенные0,35
насыпные, рыхлые пески0,12
супеси и суглинки0,3
глинистые влажные, пластичные0,5
глинистые полутвёрдые и твёрдые2,0
низкотемпературные мёрзлые2,2
гравий, щебень, галечник1,1
известняки, сланцы, песчаники1,5
скальные породы (монолитные)2,2

Рисунок 3

Расчёт НДС и сравнение с порогами

В условиях реальной эксплуатации сейсмостанции могут находится в рабочем или нерабочем состоянии. Если сейсмостанция отправляет свои данные в ПО «СКСВ», то она считается рабочей, если не имеется иных программных признаков, позволяющих считать сейсмостанцию нерабочей. Если сейсмостанция не отправляет свои данные в ПО «СКСВ», то она считается нерабочей. Если причиной отсутствия данных от сейсмостанции является линия связи, то в текущих расчётах СПО «КТС» такую сейсмостанцию следует считать нерабочей. При возобновлении связи и передаче необходимых данных расчёт необходимо повторить с учётом новых данных.

Рабочие сейсмостанции могут как зафиксировать событие, то есть определить время вступления фаз, пиковое ускорение и основной период колебаний, так и не зафиксировать событие по разным причинам. СПО «КТС» должно иметь определённый заранее интервал времени, в течении которого оно должно ожидать данные от сейсмостанций. После того как ПО «СКСВ» определит, что произошло сейсмическое событие, то СПО «КТС» должно принимать данные от рабочих сейсмостанций в течении заданного времени. Рабочие сейсмостанции, не определившие параметры события, не должны ничего передавать, а СПО «КТС» должно для них взять для них “нулевые” параметры. Нерабочие сейсмостанции из расчётов должны быть исключены.

На рисунках 1 — 3 серыми кружочками обозначены сейсмостанции, не определившие параметров землетрясения. Тем не менее СПО «КТС», зная эпицентр и магнитуду землетрясения, должно провести интерполяцию параметров на сейсмостанциях не определивших параметры землетрясения. Так на рисунке 2 показана зависимость интенсивности колебаний от расстояния до эпицентра. Она построена по данным об интенсивности колебаний от сейсмостанций, которые определили параметры землетрясения, а неопределённые параметры были рассчитаны по формулам, приведённым выше.

Работа программного обеспечения

В качестве примера рассматривается система, осуществляющая мониторинг газопровода «Краснодарский край — Крым». В качестве первой модели задано землетрясение с эпицентром в точке 44.8° с.ш. 35.8° в.д. и глубиной 15 км, магнитуда 6.

Как видно из рисунка 5, смоделированное землетрясение не привело к превышению НДС над порогами.

В качестве второй модели задано землетрясение с эпицентром в точке 44.8° с.ш. 35.8° в.д. и глубиной 15 км, магнитуда 7.

Как видно из рисунка 7, смоделированное землетрясение привело к превышению НДС над порогами на различных участках, а следовательно, требуется обследование тех трубных секций, которые попали под превышение.

ЛИТЕРАТУРА
1. Шебалин Н.В. Методы использования инженерно-сейсмологических данных при сейсмическом районировании // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука, 1968. С.95-111.
2. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. Общая геология. Учебник. — Издание третье. — М.: МГУ, 1973. – 589с. 1973.
3. Методика измерений уровня сейсмического воздействия. ЗАО “ЭТМС”, 2013 г. Свидетельство об аттестации № 002-01,00260-2011-2013 от 20.12.2013 г.