искать
Геотехнический мониторинг

Новые подходы в мониторинге опасных геологических процессов на трубопроводах

Авторы
Баборыкин Максим ЮрьевичГлавный аналитик центра геоинформационных систем АНО ВО «Университет Иннополис», кандидат геолого-минералогических наук
Жидиляева Елена ВячеславовнаСтарший преподаватель кафедры нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники Института географии, геологии, туризма и сервиса ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет»

В статье рассматриваются две технологии: воздушное лазерное сканирование и внутритрубная диагностика. Обе они имеют потенциал комплексного применения для целей мониторинга трубопроводов. Кратко рассмотрены особенности применения воздушного лазерного сканирования для определения планово-высотного положения трубопровода подземной прокладки. Рассмотрена компиляция данных воздушного лазерного сканирования и внутритрубной диагностики для повышения безаварийной эксплуатации.

 

 

Введение

Бесперебойная и безопасная эксплуатация трубопроводов является приоритетной политикой нефтегазодобывающих и транспортных компаний. Однако воздействие опасных геологических процессов на трубопроводы может привести к возникновению аварийных ситуаций. Согласно нормативной документации (действующей и обязательной для применения в целях выполнения требований технического регламента ФЗ №384), опасные геологические процессы, оказывающие негативное воздействие на трубопроводы, связаны с такими компонентами геологических опасностей, как растепление многолетнемерзлых грунтов, солифлюкция, эрозия, оползни, обвалы и т.д.

Необходимость контроля активизации и развития опасных геологических процессов для обеспечения безопасной эксплуатации прописаны в ФЗ №384 [1].

 

Мониторинг на трубопроводах

Мониторинг на трубопроводе проводится с целью обеспечения его безопасной эксплуатации. В рамках мониторинга с целью своевременного обнаружения или выявления изменений, которые могут привести к риску возникновения аварийной ситуации, выполняется контроль процессов, протекающих в грунтах, и отслеживание изменений в элементах конструкции.

Учитывая, что подземная прокладка трубопроводов на пересечённой местности сопряжена с нарушением естественных природных условий (изменение теплового режима и водного режима грунтов, потеря устойчивости склонов и т.д.), она сопровождается активизацией имеющихся геологических процессов или появлением новых. При этом различные опасные геологические процессы могут воздействовать как независимо, так и в совокупности, в том числе усиливая друг друга с точки зрения воздействия на три главных элемента трубопровода – труба, траншея, засыпка траншеи.

Таким образом, получение информации о состоянии поверхности в земельном отводе и состоянии трубопровода является очень важным.

 

Технологии ВЛС и ВТД

Воздушное лазерное сканирование позволяет получить цифровую модель рельефа, передав детали, а эффективным способом контролирования технического состояния трубопровода специализированными средствами, позволяющими получить информацию о дефектах, является внутритрубная диагностика (ВТД).

Материалы, получаемые с пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, подходят для изучения земной поверхности [2, 3]. Полученная статическая модель при соблюдении технологии [4] отображает не только детали рельефа (рис. 1), но и формы (конфигурацию и расположение) опасных геологических процессов [5].

 

Рис. 1. Цифровая модель рельефа
Рис. 1. Цифровая модель рельефа

 

Информация, получаемая с цифровой модели рельефа (ЦМР) с помощью дешифрирования, упрощает задачу контроля появления и активизации опасных геологических процессов, которые могут негативно влиять на безаварийность эксплуатирующихся сооружений. Следовательно, в мониторинг входит дешифрирование, как его неотъемлемая часть, позволяющая получать качественные и количественные характеристики [5, 6, 7, 8].

Дешифрирование, как метод включает в себя:

  1. преддешифровочную проработку – сбор и обобщение доступных фондовых материалов. Данная проработка призвана ускорить само дешифрирование путём получения первичной информации: климатическая зона, инженерно-геологическая провинция и т.п.;
  2. подготовительно-технические работы – формирование ЦМР, распознавание «геоморфологических образов» опасных геологических процессов и выделение их контуров, а также их классификация (определение типа) по прямым признакам (рис. 2);
  3. определение качественных и количественных характеристик опасных геологических процессов для каталогизации и дальнейшего мониторинга.

 

Рис. 2. Цифровая модель рельефа с выделенными зонами опасных геологических процессов. 1 – термоэрозия; 2 – полигонально-жильные льды; 3 – солифлюкция
Рис. 2. Цифровая модель рельефа с выделенными зонами опасных геологических процессов. 1 – термоэрозия; 2 – полигонально-жильные льды; 3 – солифлюкция

 

Воздушное лазерное сканирование, как и любая технология, имеет ограничения к использованию. В данном случае это сезонность, погодные условия, наличие снежного покрова и т.п. Эти ограничения не позволяют проводить сканирование качественно. Учитывая, что важной составляющей мониторинга при помощи ВЛС являются структурно-текстурные особенности, как геологических процессов, так и природно-технической системы в целом, важно проводить работы в период отсутствия снега. При этом современные сканеры имеют большое количество точек лазерных отражений (ТЛО), до 80 точек на 1 м. кв., по этой причине листва древесной растительности не является ограничением для сканирования в отличие от оборудования предыдущего поколения.

Необходимо понимание применимости ВЛС для мониторинга трубопроводов по отношению показателей:

  • информативность;
  • точность определения;
  • скорость выполнения наблюдений;
  • возможность получения информации на удаленных объектах.

 

Рассматривая плюсы и минусы ВЛС и классических геодезических методов по выше перечисленным показателям, представленным в таблице 1, можно сделать вывод о том, что ВЛС является высокоинформативным и, относительно классических геодезических методов, более быстрым. Однако немаловажен тот факт, что классические геодезические методы обладают высокой точностью определения координат точки в пространстве, составляющие первые миллиметры (1-2 мм), а ВЛС на данном этапе развития способен выдавать абсолютную погрешность в условиях близких к идеальным первые сантиметры (от 4-5 см.).

 

Таблица 1. Сравнение методов ВЛС и классических геодезических наблюдений

 

Согласно СП 22.13330.2011 [9] в соответствии с постановлением Правительства РФ 1521 является обязательным в части исполнения разделов, указанных в постановлении [10], и СП 25.13330.2012 [11], необходимость проведения мониторинга зданий и сооружений является обоснованной. Учитывая, что подземная прокладка нефтепровода не имеет фундамента и в зонах отсутствия точек защемления трубопровода столь жесткие требования по классу точности определения координат в пространстве могут быть избыточными. Главную проблему появления деформации трубопровода подземной прокладки составляют перемещения под воздействием природных агентов влияющих на состояние грунтов особенно в точках защемления трубопровода. Следовательно, достаточными наблюдениями в точках защемления должны быть методы определения изменений, позволяющие получать первые миллиметры для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода. В зонах отсутствия точек защемления трубопровода подойдут методы определения изменений с погрешностью в первые сантиметры.

Учитывая сложность определения положения трубопровода подземной прокладки и дальнейшего расчета НДС за счет фиксации изменений, наиболее быстрыми средствами наблюдения становятся ВЛС и внутритрубная диагностика (ВТД).

Рассматривая первую составляющую мониторинга ВЛС, стоит отметить, что определение трубопровода в пространстве может производиться специализированными устройствами определения планово-высотного положения (рис. 3) [12]. Технология ВЛС, позволяющая получить поверхность со всеми геологическими процессами, проявившими себя на поверхности, позволяет получить с точностью 4-5 см (на данный момент развития оборудования) перемещения трубопровода, если таковые имеются.

 

Рис. 3. Цифровая модель рельефа, проведение мониторинга линейных сооружений по данным ЦАФС и ВЛС надземной и подземной прокладки
Рис. 3. Цифровая модель рельефа, проведение мониторинга линейных сооружений по данным ЦАФС и ВЛС надземной и подземной прокладки

 

Технология проведения мониторинга с применением ВЛС состоит из:

  • установки и привязки постоянно действующих опознавательных знаков для аэрофотосъемки;
  • установки на трубопровод устройств определения планово-высотного положения [Патент № 173296];
  • выявления точек защемления трубопровода то технологической схеме (элементы трубопроводов, жестко закрепленные с грунтовым основанием – фундаменты, сваи и т.п.);
  • установки в точках защемления трубопроводов деформационных марок и устройств определения планово-высотного положения для обследования классическими геодезическими методами;
  • периодического сканирования местности с аэрофотосъемкой;
  • классификацию, формирование мозаики аэрофотосъемки, камеральную обработку;
  • проведение декодирования ОГП (обнаружение) и интерпретации (классификация, описание, определение качественных и количественных характеристик);
  • каталогизация;
  • проведение режимных наблюдений;
  • прогнозирование развития ОГП и воздействия на сооружение.

 

Принимая во внимание, что при каждом ВЛС формируется статическая модель с показателями, необходимо формировать динамические модели для анализа.

Динамическая модель представляет собой ряд последовательных пролетов во времени позволяющая получить прогрессирование процесса во времени с определением смещения в точках защемления трубопровода, оборудованных опознавательными устройствами.

Следовательно, динамическая модель – это не что иное, как выстраивание статических моделей во временном ряду [13].

Главные различия статических моделей и динамических моделей состоят в том, что составная часть дешифрирования (декодирование ОГП) производится только по статическим моделям, а интерпретация присуща как статическим, так и динамическим моделям.

При проведении анализа на статических моделях помимо ОГП определяется положение трубопровода подземной прокладки по устройствам определения планово-высотного положения трубопровода по прямым признакам. Метод фиксирования  высотного положения трубопровода представлен на рисунке 4.

 

Рис. 4. Цифровая модель рельефа. Определение положения подземной части трубопровода по устройству определения планово-высотного положения
Рис. 4. Цифровая модель рельефа. Определение положения подземной части трубопровода по устройству определения планово-высотного положения

 

Однако применения одного метода определения положения трубопровода в пространстве не достаточно. Опираясь лишь на точечные измерения произвести расчет НДС трубопровода с высокой достоверностью нет возможности. Объединив две технологии – ВЛС и ВТД – получаем высокоинформативный способ проведения мониторинга. ВЛС для мониторинга является средством получения информации о дневной поверхности грунтов, протекания процессов как на земной поверхности, так и в грунтах (по прямым и косвенным признакам – например, образование просадок, появление блюдец и провалов за счет растепления грунтов).

ВТД является методом неразрушающего контроля для диагностики состояния трубопровода [14, 15]. Учитывая, что большая протяженность трубопроводов и распределительных сетей не позволяет производить непрерывное приборное освидетельствование как напряженного состояния в теле труб, так и сохранности изоляционных покрытий в процессе эксплуатации, сочетание методов ВЛС и ВТД является перспективной методикой проведения мониторинга на трубопроводах (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема проведения мониторинга на основе ВЛС и ВТД. 1. летательный аппарат с ВЛС и фотокамерой; 2. сканирующий луч; 3. устройство определения планово-высотного положения трубопровода; 4. грунты; 5. линза высоко льдистых грунтов; 6. хомут крепления устройства определения планово-высотного положения трубопровода; 7. трубопровод; 8. прибор для проведения ВТД; 9. зона растепления грунтов
Рис. 5. Схема проведения мониторинга на основе ВЛС и ВТД. 1. летательный аппарат с ВЛС и фотокамерой; 2. сканирующий луч; 3. устройство определения планово-высотного положения трубопровода; 4. грунты; 5. линза высоко льдистых грунтов; 6. хомут крепления устройства определения планово-высотного положения трубопровода; 7. трубопровод; 8. прибор для проведения ВТД; 9. зона растепления грунтов

 

Обнаружение дефектов трубопровода необходимо увязывать с их местоположением [14, 15]. Отсюда, помимо фиксирования роликами прохождения снаряда по трубе, специальные датчики определяют хомуты крепления устройств определения планово-высотного положения к трубопроводу. Сочетание измерений проходки снаряда (ВТД) производится как по количеству оборотов ролика, так и по стационарным точкам (хомутам крепления устройств определения планово-высотного положения) тем самым увеличивая надёжность измерения расстояний. Установленные устройства определения планово-высотного положения на трубопроводе делят его на секции, что упрощает ведение технической документации, в том числе в цифровом виде (геоинформационная система с данными о мониторинге и техническом состоянии трубопровода).

 

Заключение

Применение технологий ВЛС и ВТД в комплексе при проведении мониторинга формирует новую методику этих работ. Компилирование данных ВЛС и ВТД позволяет оценить природно-техническую систему в целом. Последние исследования в применимости ВЛС для мониторинга показывают погрешность от 3 см в надире 90 град. (М.Ю. Баборыкин, А.А. Бурцев, доклад на XIV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле», МГРИ – 2019). Согласно ГОСТ Р 55999-2014 «Внутритрубное техническое диагностирование газопроводов. Общие требования», таблица А.7, погрешность определения расстояния по продольной оси от маркера (расстояние между маркерами [an error occurred while processing this directive]2000 м) составляет ±0,2%.

Исходя из выше сказанного, ВЛС и ВТД являются дополняющими друг друга технологиями в мониторинге трубопроводов, позволяющими обеспечить безаварийную эксплуатацию.


Список литературы

1. Федеральный закон «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30.12.2009 N 384-ФЗ.

2. Баборыкин М.Ю. Способ дешифрирования экзогенных геологических процессов и геологических условий. Патент на изобретение № 2655955.

3. Баборыкин М.Ю. Способ проведения геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного сканирования. Патент на изобретение № 2655956.

4. Баборыкин М.Ю. Воздушное лазерное сканирование как один из методов аэрогеологии при проведении дешифрирования опасных геологических процессов и явлений // Сборник статей. III Международная научная конференция «SCIENCE, TECHNOLOGY AND LIFE – 2016». Czech Republic, Karlovy Vary - Russia, Moscow, 24-25 December 2016.

5. Баборыкин М.Ю., Жидиляева Е.В., Погосян А.Г. Выявление опасных геологических процессов при проведении инженерно-геологических изысканий на основе цифровых моделей рельефа // Инженерные изыскания. 2015. № 2. С.30- 37.

6. Баборыкин М.Ю., Ерух В.П., Жидиляева Е.В. Методико-технические аспекты при проведении дешифрирования опасных геологических процессов по данным воздушного лазерного сканирования // Инженерная геология Северо-Западного Кавказа и Предкавказья: современное состояние и основные задачи. Сб. науч. Трудов. Краснодар: Просвещение-Юг, 2015 г. С.: 185-190.

7. Баборыкин М.Ю., Кулижников А.М., Еремин Р.А.Комплексное обследование оползней // Журнал Автомобильные дороги. Февраль 2018 №2 (1035). С. 106-113.

8. Медведев Е.М. Лазерная локация земли и леса / Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников. Учебное пособие. М.: Геолидар, Геокосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 2007 г. С.: 94-100.

9. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. Москва 2011.

10. Постановление Правительства Российской федерации № 1521. «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (в редакции, актуальной с 17 декабря 2016 г., с изменениями и дополнениями, внесенными в текст, согласно постановлениям Правительства РФ: от 29.09. 2015 г. № 1033, от 07.12.2016 г. № 1307).

11. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (с изменением №1, №2). Москва 2012.

12. Баборыкин М.Ю. Устройство определения планово-высотного положения трубопровода. Патент на полезную модель № 173296.

13. Соловьёв В.А., Соловьёва Л.П. 2005. Глобальная экология (экология геосфер земли). Краснодар: Изд-во КубГУ, 2005. СС. 26, 310-314.

14. Маджитов З.З., Каландаров Н.О. Оценка надежности магистральных газопроводов // Техника. Технологии. Инженерия. №4, 2017. С. 21-27.

15. Поезжаева Е. В., Горетова В. А. Модернизация роботизированной внутритрубной диагностической системы // Молодой ученый. №1, 2019.С. 43-46.

 

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению