Геоинформационная система оценки влияния инженерно-геологических факторов на возникновение коррозионных дефектов газопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ГАЗОПРОВОДОВ ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ ЕКАТЕРИНБУРГ»

РАСПУТИН АНТОН НИКОЛАЕВИЧ

Екатеринбург 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет.

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Мухаметшин Анатолий Матвеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тагильцев Сергей Николаевич кандидат технических наук

Ратушняк Александр Николаевич Ведущая организация:

ЗАО НПО «Спецнефтегаз», г. Москва

Защита состоится « 28 » апреля 2011 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.04 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, д. 30, ауд. 3336.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 25 » марта 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета О.М. Гуман

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выполненных исследований. Современная газотранспортная система должна соответствовать таким критериям, как качество, надежность, долговечность и безопасность эксплуатации. Поставленные критерии достигаются за счет повышения требований к достоверности применяемых технологий диагностики и возможности разработки новых способов эксплуатации и обследования объектов газотранспортной системы. Однако рост объемов и видов диагностической информации о техническом состоянии газопровода приводит к необходимости совмещения в едином координатном пространстве различных видов обследований. Соответственно, появляется необходимость применения программных инструментов для систематизации диагностических данных нескольких временных периодов. Поэтому в последнее десятилетие геоинформационные системы (ГИС) и соответствующие технологии активно используются не только как средство визуализации и подготовки к печати электронного картографического материала, но и для прогноза и комплексного анализа технического состояния газопроводов. Информация, получаемая при диагностических обследованиях газопровода, имеет по определению пространственно-распределенный характер, где каждой фиксируемой точке присвоена пространственная составляющая и полезная характеристика (атрибутивные данные), например, значение электрического потенциала, сопротивление грунта или степень износа трубы.

Подземные газопроводы располагаются в динамических, разнообразных инженерно-геологических и природно-климатических условиях, с влиянием физико-химических и биологических факторов, определяющих скорость и интенсивность коррозии. Максимально учесть все факторы и условия возможно только в системах, направленных на обобщение разнородной комплексной информации. Систематизировать диагностические данные, выявить тенденции негативного влияния инженерно-геологических факторов на состояние газопровода, а также закономерности развития коррозионных дефектов возможно с помощью специализированной ГИС, предназначенной для анализа природно-техногенных условий эксплуатации газопровода. Применение ГИС позволяет учесть пространственные отношения между территориально распределенными газотранспортными объектами и инженерно-геологическими условиями пролегания газопровода. Сделать же это в реляционных базах данных достаточно проблематично.

ГИС позволяет в доступной для конечного пользователя форме визуализировать объекты и события, определить наиболее значимые факторы влияния на коррозионные процессы и, как следствие, помогает принять сбалансированные управленческие решения. Среди множества инженерно-геологических факторов, оказывающих наибольшее влияние на протекание коррозионных процессов, выделяют наличие субвертикальной литологической границы и активных зон дифференциальной аэрации, которые способствуют формированию макрокоррозионных гальванических пар. Определение таких участков возможно при совмещении различных видов диагностики, геолого-геофизической и инженерно-геологической информации.

Диссертационная работа посвящена изучению и анализу возможностей применения геоинформационных технологий для локализации участков коррозионных дефектов, определяемых инженерно-геологическими факторами, а также формированию методики прогноза коррозионного состояния газопроводов на других, не диагностируемых традиционными способами участках.

Объект исследования. Система магистральных газопроводов, располагающихся в динамической геологической среде.

Предмет исследования. Распределение коррозионных дефектов на поверхности газопровода в зависимости от инженерно-геологических факторов.

Идея работы заключается в использовании инженерно-геологических данных в составе аналитической геоинформационной системы для обоснования причин возникновения коррозионных дефектов газопроводов.

Цель работы. Разработка геоинформационной системы для оперативной оценки технического состояния коррозионного участка магистрального газопровода с учетом влияния инженерно-геологических факторов на примере ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», а также разработка методики прогнозирования коррозионно-опасных участков газопровода.

Основные задачи работы. Поставленная цель достигается решением следующих взаимосвязанных задач:

- анализ динамики развития и современного состояния геоинформационных технологий в газотранспортной отрасли;

- сбор и систематизация инженерно-геологической информации по территории исследования;

- разработка структуры геоинформационной системы газотранспортного предприятия, направленной на выполнение комплексного анализа диагностической и инженерно-геологической информации;

- исследование инженерно-геологических факторов, определяющих формирование пар дифференциальной аэрации и размещение коррозионных дефектов в связи с неоднородностью грунтов;

- апробирование методики обработки данных диагностических обследований вдоль линейной части магистрального газопровода;

- создание технологии прогнозирования участков газопровода, подверженных образованию коррозионных дефектов, обусловленных инженерно-геологическими условиями строения геологической среды.

Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы получены на основе анализа современных геоинформационных методов и технологий обработки диагностических обследований газопровода. Разработка геоинформационной системы осуществлялась в программном комплексе ArcGis 9.3.1. Первичная обработка исходных данных внутритрубной дефектоскопии (ВТД) проводилась в программе IRView. Построение модели геообработки данных ВТД проводилось в модуле ModelBilder. Экспериментальное подтверждение результатов геодезической привязки данных внутритрубной диагностики осуществлялось с применением навигационного оборудования Trimble GeoExplore 2005 Series.

Исходные материалы. В процессе подготовки диссертационной работы использовались результаты диагностических обследований газопровода. Большое внимание уделялось обработке результатов прямого метода диагностирования - внутритрубной дефектоскопии, а также данным электрометрических измерений. В работе применяются геологические карты четвертичных образований масштаба 1:200000, топографические карты, цифровая модель рельефа, космические снимки высокого пространственного разрешения, данные инженерно-геологических изысканий. Для обработки пространственных данных и диагностических обследований использовалась система ArcGis 9.3.1.

Основные защищаемые положения:

1. Геоинформационная система, разработанная для анализа природно-техногенных условий эксплуатации газопровода, позволяет установить пространственное распределение коррозионных дефектов и их взаимосвязь с инженерно-геологическими факторами, основными из которых являются литологические контакты.

2. Алгоритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефектоскопии позволяет целенаправленно определять участки плотности коррозионных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами прохождения трассы газопровода.

3. Методика прогнозирования коррозионных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами, позволяет выявлять на необследованных частях газопровода вероятные участки возникновения коррозионных дефектов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- впервые показано формирование пар дифференциальной аэрации вдоль газопровода в зависимости от реальных инженерно-геологических условий прохождения трассы;

- разработана геоинформационная модель системы «труба-грунт» для оперативного анализа коррозионного состояния газопроводов;

- разработан алгоритм трансформации линейных координат результатов внутритрубной дефектоскопии без использования гироскопических систем, проведена оценка точности результатов работы данного алгоритма.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- выбор и постановка задач исследований, анализ результатов;

- разработка структуры пространственных данных и принципиальной модели системы «труба-грунт»;

- разработка и практическая реализация алгоритма обработки результатов диагностических обследований с линейными системами измерений;

- разработка рекомендаций по выявлению пар дифференциальной аэрации в реальных природно-техногенных условиях;

- разработка Концепции и Регламента эксплуатации геоинформационной системы магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»;

- организация WEB-доступа к картографическим данным и результатам пространственного анализа.

Практическое значение диссертации. Установленная зависимость образования коррозионных дефектов газопровода по результатам анализа полного комплекса диагностических и инженерно-геологических обследований позволяет определять участки с потенциально высокими скоростями коррозии на тех газопроводах, где затруднительно, а часто и невозможно проведение всего комплекса исследований. Разработанная методика трансформации линейных измерений диагностических обследований в координаты геоинформационной системы применяется в производственной деятельности ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Результаты работы методики используются для анализа коррозионного состояния, а также для обоснования и планирования капитального ремонта объектов газотранспортной системы.

В соответствии с моделью ГИС на территорию ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» разработан аналитический геоинформационный пакет, включающий в себя результаты внутритрубной дефектоскопии за несколько временных периодов, электрометрические измерения, инженерно-геологические изыскания, топографические и кадастровые карты, данные дистанционного зондирования Земли. Доступ к геоинформационному пакету реализован через WEB-интерфейс информационно-управляющей системы.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на региональных и всероссийских научно-практических конференциях: в ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» в 2005-2010 гг.; на седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии газовой промышленности», 2007 г.; на IV Научно-практической конференции молодых специалистов ООО «Севергазпром» в 2007 г.; на конференции молодых ученых и специалистов Института горного дела УрО РАН в 2007 г.; на отраслевых совещаниях ОАО «Газпром» и его дочерних обществ в период с 2006 по 2010 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 142 страницах, содержит 50 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.

Автор выражает признательность и глубокую благодарность научному руководителю д.г.-м.н. А.М. Мухаметшину за консультации и своевременную помощь при постановке и проведении исследований. Диссертант благодарен коллективам кафедры геоинформатики и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ за полезные советы и замечания. Сотрудникам ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» - филиал Инженерно-технический центр автор выражает признательность за конструктивные предложения и предоставленные материалы, в особенности В.А. Желобецкому за обсуждения и консультации по отдельным вопросам диссертации, а также близким за постоянную поддержку.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели и предмет исследований, показана актуальность темы, определены цели и основные задачи работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу текущего состояния геоинформационных технологий на газотранспортных предприятиях. В главе рассматриваются современные методы диагностики коррозионного состояния магистральных газопроводов, а также конкретизирована и раскрыта цель проведения исследований по теме диссертации, сформулированы методы и способы пространственного анализа.

Ключевые понятия и теоретические основы геоинформационных систем применительно к системам комплексного анализа на газотранспортных предприятиях изложены в работах Т.А. Трифонова, М. ДеМерс, Н.В. Мищенко, А.М. Берлянт, А.Н. Краснощекова, Ю.К. Королева, А.Д. Иванникова, Г.В. Шилиной, Р. Томлинсона, А.В. Кадетовой, Я.Б. Радзиминовича и др. Разрабатываемая ГИС относится к аналитическим системам с функцией пространственного анализа и прогноза геоситуаций, а так же к информационно-поисковым системам с функцией обеспечения задач мониторинга.

Существует несколько определений термина «геоинформационные системы». Например, М. ДеМерс проводит сопоставление синонимичных названий и определения ГИС. Стоит обратить внимание, на то, что М. ДеМерс не разделяет понятие «геоинформатика» как научную дисциплину и геоинформационные системы как программные продукты, используя в обоих случаях термин «ГИС». Несмотря на это, ГИС рассматривается как система, имеющая дело с пространственно-временной информацией и часто, но не обязательно, использующая компьютерную технику. Коллектив авторов в составе А.Д. Иванников, В.П. Кулагин и В.Я. Цветков определяет ГИС как «интегрированную информационную систему, предназначенную для обработки пространственно-временных данных, в которых основой интеграции является географическая информация, а основой интеграции технологий обработки являются технологии САПР».

Основной задачей газотранспортных предприятий Группы «Газпром» является безаварийная и своевременная доставка газа и газового конденсата конечному потребителю. Для реализации этих условий существуют различные инструменты, одним из которых являются геоинформационные системы и технологии. Изначально ГИС на газотранспортных предприятиях использовались преимущественно для просмотра и составления кадастровых карт района прохождения газопровода. В дальнейшем ГИС стали использоваться в разработке систем прогноза аварийности и расчете зон поражения при разрыве на магистральном газопроводе, что отражено в работах С.Г. Павлова, С.И. Долгова, Г.С. Ракитиной, Л.В. Шершневой и др. Такая система позволяет оперативно оценить на региональном уровне наличие опасностей для газотранспортной системы геологического характера (оползни, тектонические проявления, карстовые провалы), зоны термического и осколочного поражения при разрыве газопровода.

Для обоснованного выбора способов пространственного анализа выполнен обзор существующих методов диагностики магистрального газопровода. Основным прямым методом неразрушающего контроля является внутритрубная дефектоскопия (ВТД) - пропуск инспектирующего снаряда внутри трубы. В основе метода ВТД лежит фиксация рассеяния магнитного потока в металле трубы. Данный метод широко реализован в снарядах-дефектоскопах с продольной и поперечной системой намагничивания и представлен в работах В.А. Канайкина, В.Е. Лоскутова, Д.П. Варламова, А.Ф. Матвиенко и др. В первой главе также приведено описание геоинформационной системы, эксплуатируемой немецкой компанией E.ON Ruhrgas и ее сравнение с разрабатываемой ГИС. Информация по данной системе собрана автором в период прохождения стажировки в E.ON Ruhrgas в 2008 г.

Из рассмотренных геоинформационных систем автором рекомендуются следующие определения термина «ГИС».

ГИС как сфера информационных технологий - комплекс технических и программных средств, оперирующих пространственными данными, позволяющий получать информацию об объекте и проводить ее пространственный анализ, имеющий интеграционные возможности с другими IT-системами предприятия и системами сбора данных. Комплекс, как правило, подразделяется на справочные, экспертные, аналитические и интегрированные ГИС.

ГИС как процесс - получение новой информации, основанный на обработке пространственной и атрибутивной составляющих в результате анализа первичных данных, их обобщения и систематизации.

Во второй главе диссертации приводятся геоморфологические характеристики исследуемой газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Проведен анализ инженерно-геологических факторов, влияющих на техническое состояние среды, рассмотрены виды коррозии и механизмы ее возникновения. Детально рассмотрен механизм образования макрокоррозионных пар по совокупности анодных и катодных участков вдоль трассы газопровода. Специфической особенностью предприятия является меридиональное расположение основной газоперекачивающей системы, которая практически на всём протяжении идёт вдоль восточного склона Уральских гор, являющиеся естественным водоразделом между реками, текущими на Русскую и Западно-Сибирскую равнины. В результате этого, реки протекают вкрест магистральных газопроводов, эксплуатируемых организацией.

Хозяйственная деятельность в регионе в основном сосредоточена в городах по берегам рек и обеспечивается газом через систему распределительных газопроводов и газопроводов-отводов, пролегающих в большей части параллельно рекам и железным дорогам, многие из которых электрифицированы. Предприятие осуществляет свою деятельность в четырех областях Уральского региона: Свердловской, Курганской, Челябинской и Оренбургской (рис. 1). Соответственно, на всем протяжении трассы газопровода существенно меняются природно-техногенные условия, а также инженерно-геологические факторы, влияющие на образование коррозионных дефектов. Магистральные газопроводы предприятия к настоящему времени представляют собой сложную систему, состоящую из участков, различающихся по сроку эксплуатации, типу изоляции и состоянию этой изоляции.

Рис. 1. Обзорная карта газопроводов и болотные провинции Урала

Отличительной особенностью предприятия от других организаций Группы Газпром являются протяженные отводы к крупным городам, вблизи которых они подвержены усиленному техногенному воздействию, например, блуждающим токам и агрессивным отходам производства. Результатом комплексного воздействия неблагоприятных факторов является ускоренная коррозия подземной металлической части газопроводов, успешная борьба с ней возможна при совмещении в пространстве и во времени всех неблагоприятных факторов, что позволяет понять причины коррозионных процессов и выработать рекомендации по борьбе с ней.

Согласно С.Г. Дубейковскому, Ю.В. Михайлову, А.Я. Гаеву, и др., долины рек на исследуемой территории имеют от двух до пяти террас, ширину до 10-70 км и среднюю мощность аллювия 10-30 м при максимальной до 100 м. Аллювий, как правило, представлен песками, гравием, галечником, переслаивающимся с суглинками и глинами. На территории исследования выделяют шесть болотных провинций: Камско-Ветлужскую, Провинцию южных степей и пустынь Казахстана, Средневолжско-Закамскую, Горно-Уральскую, Западносибирскую провинцию южной тайги, Западносибирская провинция северных разнотравных степей. Часть газопроводов (около 30 %) пролегает в Западносибирской провинции, характеризуется гидрокарбонатно-хлоридным и гидрокарбонатно-сульфатным составом болот и озер. Около 30 % газопроводов пролегают по провинции южных степей и пустынь Казахстана, характеризующейся соленым и гидрокарбонатно-сульфатного составом болот. Около 25 % газопроводов пролегают по Средневолжско-Закамской провинции с сульфатно-гидрокарбонатным составом болот с высокой степенью минерализации. Часть газопроводов (15 %) пересекает Горно-Уральскую провинцию, со смешанным составом болот и наличием высокоомных грунтов (рис. 1).

Вклад в анализ инженерно-геологических факторов, способствующих развитию коррозии и возникновению аварийных ситуаций на газопроводе, внесли Л.В. Власова, С.П. Лебедич, Г.С. Ракитина и др., проанализировавшие фактические данные о влиянии на устойчивость Единой системы газоснабжения последствий аварий, вызванных инженерно-геологическими процессами различной повторяемости. Среди причин аварийности на линейной части газопровода значительную часть (27,6 %) составляет коррозионное растрескивание магистральных трубопроводов под напряжением (КРН) Коррозионное растрескивание под напряжением - это разрушение металла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды.. КРН характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла. По данным Ростехнадзора, КРН является главной причиной катастрофического разрушения газопроводов больших диаметров. . Геодинамические аспекты образования дефектов КРН также подробно рассмотрены в работах Р.Х. Султангареева, С.К. Рафикова, А.М. Шаммазова и др. Особой группой факторов выделяется неоднородность грунтов с различной влажностью и неравномерной электрической проводимостью, что приводит к появлению участков с недостаточной защитой от коррозии.

Основными инженерно-геологическими факторами, влияющими на грунтовую коррозию, являются: а) структура и гранулометрический состав грунтов; б) удельное электрическое сопротивление грунта, в) изменение температурного режима; г) переменная влажность; д) наличие блуждающих токов; е) наличие контактных границ; ж) открытое поровое пространство и некоторые другие.

Одной из значимых причин образования коррозионных дефектов является процесс возникновения макрокоррозионных пар или пар дифференциальной аэрации (ПДА) в околотрубном пространстве газопровода.

ПДА представляют собой совокупность катодных и анодных зон по трассе газопровода, образующихся при следующих основных причинах: смена разнородных грунтов, различная степень аэрации соседних участков грунтов, изменение температуры среды (Н.Д. Томашев, Ф.М. Мустафин, Н.Н. Глазов и др.). Расстояния между катодными и анодными участками могут достигать от нескольких десятков до сотен метров. Исходя из предполагаемых размеров ПДА (20-500 м) и локализации дефектов (150-700 м) возможно выявление участков неоднородности грунтов по картам четвертичных образований масштаба 1:200000, на которых высока вероятность образования коррозии газопровода. Соответственно, в рамках точности масштаба 1:200000 карт четвертичных образований ПДА могут быть идентифицированы.

Неоднородность грунтов зачастую приводит к образованию гальванических пар с различными потенциалами U1, U2 и разностью потенциалов U. На участках с большим потенциалом образуются анодные зоны, на участках с меньшим потенциалом - катодные. При наличии разности потенциалов возникает движение электрического тока (Io) по металлу газопровода в направлении от анода к катоду, способствуя коррозионному разрушению газопровода в анодной зоне в местах нарушения изоляции.

Аэрация грунтов зависит от их влажности, пористости, гранулометрического состава и т.д. Кислород из атмосферы попадает на поверхность сооружения через поры в грунте, а также посредством просачивания грунтовой влаги, что обуславливает образование ПДА. Участок газопровода, к которому затруднен доступ кислорода, становится анодом макрокоррозионной пары. Тот участок газопровода, к которому имеется доступ достаточного количества воздуха, становится катодом. При этом происходит процесс восстановления кислорода (O2) с образованием ионов ОН- на катодном участке. В случае прохождения газопровода, например, последовательно в глинистых и песчаных грунтах, возникают макрокоррозионные зоны: на глинистом участке - анодная, на песчаном - катодная (рис. 2).



Рис. 2. Образование ПДА в условиях неоднородности и различной аэрации грунтов

Глинистые породы обладают в среднем более высокой плотностью (1,75-2,12 г/см3) и естественной влажностью (30-40 %) по сравнению с песками (1,5-1,7 г/см3 и 5-10 % соответственно). Важным параметром на проникновение кислорода к поверхности газопровода является плотность сложения частиц грунта и заполнение водой порового пространства. Очевидно, что в случае большого размера пор и отсутствия в них влаги, кислород легче проникнет через слой грунта и процесс образования ионов ОН- проходит активнее, чем при малом размере пор. Для характеристики степени насыщения грунта водой, в исследуемой части инженерно-геологического разреза, применяется коэффициент водонасыщения, выражающий отношение влажности пород к их полной влагоемкости. Чем больше коэффициент водонасыщения, тем поровое пространство более заполнено влагой, соответственно сильнее затруднено проникновение кислорода к поверхности трубы. При достижении естественной влажности в 30-40 % для тяжелых глинистых грунтов и 25 % для песчаных процесс аэрации замедляется, за счет уменьшения свободного порового пространства, что приводит к заметному торможению анодного и катодного процессов.

В третьей и четвертой главах приводится структура пространственных данных разрабатываемой геоинформационной системы, обосновывается алгоритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефектоскопии, а также предлагается технология прогнозирования участков газопровода, подверженных образованию коррозионных дефектов, обусловленных инженерно-геологическими условиями строения геологической среды.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение: геоинформационная система, разработанная для анализа природно-техногенных условий эксплуатации газопровода, позволяет установить пространственное распределение коррозионных дефектов и их взаимосвязь с инженерно-геологическими факторами, основными из которых являются литологические контакты.

Эффективный геоинформационный анализ пространственных данных строится по соответствующей поставленным задачам модели. Структура модели должна быть легко расширяемой, включать в себя как существующие виды диагностических обследований, так и предусматривать появление новых. Цель разработки модели: оптимизация процесса принятия управленческих решений, повышение качества и эффективности работы организации в области комплексного анализа, снижение финансовых затрат на обслуживание газотранспортной системы, структурирование разнородной инженерно-геологической информации.

В качестве основы геоинформационной системы предлагается модель данных, состоящая из двух основных частей: базового блока и динамического блока информации (рис. 3).

Базовый блок модели геолого-геофизическое воздействие на магистральный газопровод характеризует расположение и свойства грунтов на основе четвертичных образований, цифровой модели рельефа, описание геоморфологических особенностей местности, тектонических нарушений, общее сейсмическое и геодинамическое районирование и т.д. Важной составляющей в данном классе являются инженерно-геологические данные. Сюда включены данные по физико-механическим свойствам грунтов и профиль трассы. Данный класс объектов является универсальным в качестве основы для анализа технического состояния как протяженных, так и площадных промышленных объектов.

Антропогенное воздействие на магистральный газопровод отражает техногенную нагрузку на геологическую среду по системе «труба-грунт». В этот класс входит инфраструктура газопровода, промышленные объекты, а также потенциальные источники блуждающих токов.

Динамический блок модели состоит преимущественно из специфических для газопровода диагностических обследований: внутритрубной дефектоскопии, электрометрических обследований, дистанционного зондирования Земли, дистанционного контроля утечек газа при вертолетных обследованиях, системы коррозионного мониторинга.

Рис. 3. Структура пространственных данных

Стоит отметить, что базовый блок информации более статичен, чем динамический, мало подвержен изменениям. Базовый блок формируется единожды и может быть использован на протяжении периода эксплуатации газотранспортной системы. Периодическим изменениям в базовом блоке подвергается инфраструктура газопровода преимущественно за счет введения новых участков газопроводов или его модернизации. При необходимости в расширении модели необходимо пропорционально добавить в базовый блок данные по объекту обследования, а в динамический - специфический вид диагностики, свойственный данному объекту.

На территории исследования определены участки газопровода с повышенной плотностью коррозии, сформирован аналитический геоинформационный пакет, проведено пространственное совмещение результатов ВТД, карт четвертичных образований, инженерно-геологических разрезов и данных космической съемки. Для дальнейшего анализа принимается во внимание пространственное положение дефектов: коррозия, язвенная коррозия, каверна. После необходимых преобразований проведена градация дефектов в соответствии с нормативной документацией: а) докритические дефекты, с глубиной коррозии до 20 %; б) критические дефекты, от 20 до 40 %; в) закритические дефекты, свыше 40 %.

На основе геоинформационного пакета, определены ключевые участки, по следующим инженерно-геологическим условиям пролегания трассы газопровода: а) сходный геоморфологический уровень; б) типовой инженерно-геологический разрез; в) однородность разреза по физико-химическим свойствам; г) сходные условия увлажнения околотрубного пространства; д) равномерная плотность и протяженность коррозионных дефектов; е) отсутствие регулярных источников блуждающих токов.

На обзорной карте видно, что участок «Челябинск-47 км» характеризуется сменой суглинков и заторфованных илистых глин (рис. 4, а). Космический снимок на эту территорию подтверждает наличие торфяников по характерному для заболоченных территорий фототону, отсутствующей или поникшей растительности (рис. 4, б). Инженерно-геологический профиль, взятый с проектной документации, подтверждает наличие песков, заторфованых глин, а также показывает литологические границы смены грунтов (рис. 4, в). По коэффициентам водонасыщения видно, что пески на катодном участке маловлажные (Kw=0,5) и соответственно проникновение кислорода проходит более активно, чем на влажных заторофованных глинах (Kw=0,7). В соответствии с условиями формирования макрокоррозионных пар, направление движения тока в грунте происходит от анодного к катодному участку. В данном случае анодный участок находится между двумя катодными, в результате чего наблюдается образование дефектов в торфах и частично на суглинках и песках.

Согласно Руководству по эксплуатации систем противокоррозионной защиты для оценки коррозионного состояния, применяется показатель интенсивности дефектов: ид=Nкд/Lку, шт/м, где Nкд - общее количество выявленных дефектов; Lку - протяженность контролируемого участка. Общее количество дефектов вдоль газопровода составило 192 шт, протяженность контролируемого участка - 385 метров, соответственно ид=0,498, или 49,8 шт/100 м. Данный показатель соответствует высокому уровню коррозионной интенсивности.

Рис. 4. Ключевой участок «Челябинск - 47 км» (синим цветом, показана область развития дефектов): а) обзорная карта четвертичных образований; б) данные космической съемки; в) инженерно-геологический разрез.

На втором ключевом участке - «р. Габиевка» наблюдается неоднородность глин, суглинков и аллювиальных полимиктовых песков, располагающихся в русле реки (рис. 5, а). По результатам спектрального анализа космических снимков выделены проявления торфов и обводненность вдоль трассы газопровода (рис. 5, б). На инженерно-геологическом профиле в дополнение к космической съемке и обзорной карте четвертичных отложений также показаны незначительной мощности торфяные образования (рис. 5, в). геоинформационный газотранспортный коррозионный грунт

На данном участке через реку проложено два параллельных газопровода. Внутритрубные обследования проводились на них в разные годы. По их результатам видно образование дефектов на параллельных нитках, что свидетельствует об общей природе возникновения коррозии. Это является важным фактом в прогнозе коррозионного состояния, особенно в многониточном коридоре, где достаточно определить области дефектов на крайних нитках в коридоре и перенести результаты на параллельные нитки, на которых не было внутритрубной дефектоскопии. Протяженность области дефектов вдоль газопровода составила 360 м (334 дефекта, Lку=101 м) и 422 м (126 дефектов, Lку =43,8 м), следовательно, ид=0,302 (30,2 шт/100 м) и ид=0,298 (29.8 шт/100 м) соответственно. Данные показатели также соответствуют высокому уровню интенсивности коррозионных повреждений.

Из приведенного сопоставления карт четвертичных образований, космической съемки и инженерно-геологических профилей можно сделать вывод о возможности использования карт четвертичных образований для определения закономерностей распространения коррозионных дефектов в зависимости от изменения качественного состава и смены грунтов и последующего оперативного выделения данных участков.



Рис. 5. Ключевой участок «р. Габиевка»: а) обзорная карта четвертичных образований; б) данные космической съемки; в) инженерно-геологический разрез Kw - коэффициент водонасыщения; - плотность, г/см3; ро - уд. эл. сопротивление.

Использование карт четвертичных образований обусловлено еще и тем, что области дефектов могут достигать до 300-400 м по газопроводу. Оптимальным условием для оперативного анализа является применение более детальных карт грунтов, например масштабного ряда 1:10000 - 1:50000, однако в этом случае отсутствует их полное покрытие на районы прохождения газопровода. В случае же, когда необходима оперативность оценки коррозионного состояния газопровода, допустимо применение менее детальных карт, позволяющих определять причины образования коррозионных дефектов. Условием использования карт масштаба 1:200000 является уточнение их достоверности по инженерно-геологическим профилям на ключевых участках.

Второе защищаемое положение: алгоритм геоинформационной обработки данных внутритрубной дефектоскопии позволяет целенаправленно определять участки плотности коррозионных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами прохождения трассы газопровода.

Необходимой составляющей геоинформационной модели является использование результатов (ВТД). Этот основной вид диагностического обследования магистрального газопровода традиционно представляется значениями какого-либо параметра с указанием расстояния по трубе от начала измерений. Для использования в геоинформационной системе необходимо трансформировать отсчеты одометра снаряда-дефектоскопа из линейных систем измерений в геодезические системы координат с последующим их занесением в структуру модели.

Последовательность трансформации данных ВТД.

Первый этап: подготовительный, из отчетов диагностических организация формируются файлы в формате TXT - журнал дефектов, трубный журнал по ВТД, журнал маркеров, элементы обустройства, раскладка трубопровода. Проводится первичная обработка таблиц: редактируются названия полей, из них удаляются пробелы, знаки пунктуации заменяются на знак «подчеркивание», формируется база данных Access или dBASE IV.

Второй этап: расстановка маркеров на цифровой карте. Это наиболее трудоемкий и ответственный этап, занимает до 70 % времени от всего процесса нанесения ВТД. В качестве первичных маркеров используется журнал элементов обустройства магистрального газопровода, объектами которого являются: краны, патроны на переходах через дороги, тройники (перемычки, отводы), их местоположение определяется по геодезической съемке МГ. Каждому маркеру присваивается значение расстояния по одометру.

Третий этап: геодезическая привязка журналов ВТД. Этап осуществляется в программном комплексе ArcGis 9.3.1. Для автоматизации процесса в ModelBuilder разработана модель геообработки (рис. 6). Инструмент для работы с системой линейных координат (Linear Referencing Tools) является универсальным и может быть использован в различных сферах деятельности, поэтому трасса, по которой наносятся данные, носит унифицированное название маршрут (Route, I), а сами данные называют - событиями (Events). По ранее установленным маркерам производится калибровка маршрута (II) - расстояние между маркерами интерполируется и за их пределами экстраполируется. Затем производится нанесение событий (дефектов) из журналов ВТД - Добавить события на маршрут (III). После этого модель геообработки автоматически создает файловую базу геоданных (IV), в которую и экспортируется временный слой (V). В дальнейшем определяются области плотности дефектов (VI).

Рис. 6. Модель геообработки геодезической привязки данных ВТД

Оптимальное расстояние между маркерными пластинами автором рекомендуется 100 м, однако, исходя из технических возможностей проведения ВТД, используется полтора-два километра. В этом случае точность геодезической привязки результатов ВТД достигает 3-4 м. Если расстояние между маркерами 5-7 км, то точность привязки составит 7-10 м.

Такая точность вполне приемлема для дальнейшего пространственного анализа, так как используются карты четвертичных образований масштаба 1:200000, точность которых 40 м. В полевых условиях точность привязки измерялась при помощи навигационного оборудования ГИС-класса Trimble Geo Explorer. Координаты рассчитанных дефектов загружались в навигационный приемник, затем осуществлялся поиск на трассе с последующим проведением шурфовочных работ. Области применения алгоритма обработки данных ВТД:

- расчет плотности распределения дефектов вдоль оси трубы;

- определение километража в любой точке газопровода;

- быстрый поиск на местности дефекта на газопроводе, за счет использования систем GPS и/или ГЛОНАСС;

- определение типа трубы в любом месте газопровода.

Для подсчета статистики и как следствие зависимости распределения дефектов произведен анализ по следующему алгоритму.

1. Определение участков образования дефектов коррозии по результатам ВТД проводится на основе расчета растра плотности точек (Point Density) с параметрами: размер ячейки - 100 м, радиус поиска - 300 м. В качестве поля численности выступает параметр «глубина дефекта», который в данном случае является весом объекта.

2. Сопоставление с картой четвертичных образований и выделение ключевых участков.

3. Подтверждение литологического контакта на ключевых участках по данным инженерно-геологических изысканий, расчет коэффициента водонасыщения.

4. Определение вероятных причин образования коррозии с учетом инженерно-геологических факторов.

Для статистического анализа совпадения областей дефектов с грунтами выбраны несколько участков газопровода, на которых выполнялась ВТД. Статистика приуроченности образования дефектов к различным инженерно-геологическим условиям приведена в таблице.

Участок газопровода	Длина участка, км	Количество пересечений с литологическими неоднородностями	Количество участков повышенной плотности дефектов	ПДА	% от общего количества участков
Челябинск-Петровск	76	44	22	18	81
Полевской	46	25	6	5	83
Свердловск-Сысерть:	86	45	19	15	79
- приуроченность к биогенным образованиям, шт			4
- зоны переменного увлажнения (смачивания), шт			4
- ПДА, шт			5
- контактная граница, шт			6

Третье защищаемое положение: методика прогнозирования коррозионных дефектов, связанных с инженерно-геологическими факторами, позволяет выявлять на необследованных частях газопровода вероятные участки возникновения коррозионных дефектов.

Методика выделения потенциально опасных участков следующая:

1. По картам четвертичных образований масштаба 1:200000 осуществляется выборка типов грунтов в соответствии с их генезисом, составом и взаимным расположением, а так же в местах подъема уровня грунтовых вод до глубины не менее двух метров от поверхности земли на участках резкого изменения удельного сопротивления грунтов (не менее чем в 3 раза) при < 100 Ом·м.

2. Уточнение по ключевым участкам наличие контактных границ и зон дифференциальной аэрации с привлечением инженерно-геологических данных и результатов космической съемки.

3. Привлечение дополнительных методов диагностики, таких как электрометрические обследования, инженерная сейсморазведка, георадарные обследования с целью выявления границ смены грунтов. Например, при проведении детальных электрометрических измерений качественные формы графика разности и градиента потенциала вдоль трубы при наличии границы смены грунтов будут выглядеть следующим образом (рис. 7). Разность потенциалов по системе измерений «труба-грунт» находится в пределах 750-850 мВ для анодной части, представленной глинами и в пределах 450-580 мВ - для катодной части, представленной песком. Градиент потенциала по системе измерений «грунт-грунт» будет иметь максимум над границей смены грунтов.

Рис. 7. Качественные графики разности и градиента электрического потенциала на границе смены грунтов

Подробно методика электрометрических обследований изложена в Руководстве по эксплуатации систем противокоррозионной защиты трубопроводов или в методике проведения электроразведочных работ.

4. Определение места установки изолирующих вставок (ИВ), которые устанавливаются в разрыв трубы газопровода и обеспечивают нейтрализацию пар дифференциальной аэрации за счет размыкания электрической цепи.

На основе ключевых участков МГ, на которых присутствует ВТД, карты грунтов и космической съемки, спрогнозированы участки высокой плотности дефектов и выявлены с возможными причины их образования. В качестве прогнозного газопровода выбран газопровод к г. Полевской. Здесь выделены два ключевых участка: первый с 19 по 21 км и второй 39 км (пересечение с р. Чусовая). На первом участке преобладают торфяники и заболоченные территории, подтверждаемые данными космосъемки, которые расположены между плотными глинами и суглинками, что затрудняет циркуляцию влаги.

Вторым из возможных опасных участков является пересечение с р. Чусовая. Здесь располагается симметричная неоднородность грунтов «делювиальный суглинок - аллювиальный песок - делювиальный суглинок». Кроме того, аллювиальные образования разделены по возрастному признаку. Согласно теории образования макрокоррозионных пар, а также с учетом схожих ключевых участков на «родительском» магистральном газопроводе можно предположить, что высокая плотность дефектов будет на входе и выходе в русло реки. Но по данным космосъемки на входе в русло наблюдается обильная растительность, что свидетельствует о повышенной влажности. Таким образом, на входе в русло возможна более высокая плотность дефектов.

Позднее на этом участке газопровода проводилась внутритрубная диагностика и автором проведена проверка прогнозных данных.

В результате геодезической привязки ВТД и совмещения с космосъемкой подтвердился первый прогнозный участок. Это участок газопровода с 20 по 22 км. Причем распределение дефектов разделилось на две группы на границах смены грунтов «торф-суглинок». Хотя дефекты и не являются закритическими (глубина не более 20 %), общая тенденция к образованию дефектов на данном участке прослеживается. На втором прогнозном участке предположения о наличии дефектов не подтвердились, так как система электрохимической защиты газопровода работала в штатном режиме и обеспечивала необходимую защищенность и, следовательно, не происходило развития коррозии. Кроме того, последующие контрольные шурфы выявили более качественную изоляцию на данном участке. При дальнейшей эксплуатации газопровода необходимо учитывать этот участок как потенциально опасный для возможного развития пар дифференциальной аэрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, предложено решение актуальной научно-практической задачи по определению и прогнозу участков газопровода с локализацией дефектов общей коррозии на основе пространственного моделирования в геоинформационных системах. Предложена технология, позволяющая переносить результаты анализа на участках МГ, где возможно проведение полного перечня диагностики, на те газопроводы, где невозможны прямые методы обследования с высокой степенью достоверности. Из полученных результатов выполненных исследований вытекают следующие выводы.

1. Анализ современного состояния геоинформационных технологий в газотранспортной отрасли показал тенденции развития ГИС от справочно-информационных до аналитических систем с функциями трехмерного моделирования и преимущественным доступом к пространственным данным на основе WEB-технологий. Накопленный мировой и отечественный опыт интеллектуальных информационных технологий позволяет с уверенностью говорить о потенциальных возможностях ГИС стать основой корпоративной системы управления предприятием с развитым аналитическим аппаратом и функциями принятия управленческих решений.

2. Принципиальная модель геоинформационной системы позволяет структурировать пространственные данные газотранспортного предприятия и выступать основой разработки ГИС для проведения прогноза коррозионного состояния газопровода в соответствии с действующими нормативными документами. Модель ГИС является расширяемой и при необходимости может быть использована на других обследуемых промышленных объектах. Для этого необходимо дополнить динамический блок соответствующими диагностическими обследованиями.

3. Предложенный алгоритм геодезической привязки диагностических обследований на примере результатов внутритрубной дефектоскопии, позволяет проводить трансформацию любых данных диагностики, имеющих линейные системы измерений, в координаты геоинформационной системы для последующих оверлейных операций. Данный алгоритм геодезической привязки экономически выгоден по сравнению с обработкой ВТД, выполняемой специализированной организацией. Положительный эффект от внедрения алгоритма на производстве складывается из снижения временных затрат на анализ диагностической информации, а также повышения эффективности защиты газопровода при обследовании его технического состояния. Время привязки и анализа по сравнению с традиционной технологией при использовании дорогостоящих гироскопических инерциальных систем навигации сокращается не менее чем в 6 раз.

4. Выявленные закономерности распределения дефектов общей коррозии от изменения качественного состава грунтов показывают достаточность карт четвертичных образований масштаба 1:200000 для прогнозирования коррозионно-опасных участков газопровода и моделирования инженерно-геологических процессов. Для детального выявления причин образования дефектов с точки зрения механизма образования макрокоррозионных пар необходимо привлечение на ключевых участках дополнительных инженерно-геологических изысканий, например профиля трассы газопровода, построенного на этапе формирования проектно-изыскательской документации.

5. По результатам анализа ключевых участков с привлечением данных диагностики методом внутритрубной дефектоскопии отработана технология переноса сходных параметров инженерно-геологических факторов для оценки технического состояния газопроводов, тех участков, где отсутствует техническая возможность проведения внутритрубной дефектоскопии. Технология позволяет по результатам косвенных методов диагностики, таких как электрометрические обследования, космическая съемка, карты четвертичных образований и инженерно-геологических изысканий, определить потенциальные участки образования макрокоррозионных пар и участки сезонного увлажнения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. К вопросу разработки геоинформационных систем (ГИС) для анализа данных о состоянии магистральных газопроводов. Мухаметшин А.М., Распутин А.Н., Попов А.В., Николаенко А.Ю. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 8. - С. 116-119.

2. Распутин А.Н. Разработка методики оценки влияния природных факторов на техническое состояние магистральных газопроводов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 10. - С. 74-78.

3. Применение геоинформационных систем для оценки влияния природных факторов на техническое состояние магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Распутин А.Н., Желобецкий В.А., Куимов С.Н., Постаутов К.В. // Газовая промышленность. - 2009. - № 11. - С. 81-83.

4. Распутин А.Н. Экспериментальные материалы проверки разработанной методики на тестовых участках магистрального газопровода // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 11. - С. 78-82.

5. Распутин А.Н. Способ геодезической привязки результатов внутритрубной дефектоскопии на основе геоинформационных технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 11. - С. 83-86.

6. Созонов П.М., Куимов С.Н., Распутин А.Н. Способ обработки результатов внутритрубной дефектоскопии в геоинформационных системах // Газовая промышленность. - 2011. - № 2. - С. 51-54.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

7. Распутин А.Н. Системы позиционирования в геофизике // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Научно-технический журнал. - 2003. - Выпуск № 17. Материалы Уральской горнопромышленной декады 10-20 апреля 2003 г. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003. - С. 80-85.

8. Беляшов И.В., Газалеева Г.И., Распутин А.Н., Распутин Н.В. Определение влажности пробы сыпучего материала в процессе ее сушки (GravMoisture) // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610004 Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2005.

9. Распутин А.Н. Опыт эксплуатации лазерного течеискателя ДЛС Пергам в ООО «Уралтрансгаз», как источник информации для формирования базы данных геоинформационной системы // IV Научно-практическая конференция молодых специалистов ООО «Севергазпром». 26-31 марта 2006 г. Ухта, 2006. - С. 21.

...