Разработка методики и анализ деформаций результатов геодезического мониторинга резервуаров для хранения сырой нефти на примере терминала Форкадос-Нигерия

Эхигиатор Иругхе Рафаел

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики и анализ деформаций результатов геодезического мониторинга резервуаров для хранения сырой нефти на примере терминала Форкадос-Нигерия"

На правах рукописи

Эхигиатор Ирупсе Рафаел

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРОЙ НЕФТИ НА ПРИМЕРЕ ТЕРМИНАЛА ФОРКАДОС - НИГЕРИЯ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ДЕК 2012

Новосибирск - 2012

005057223

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская го сударственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Середович Владимир Адольфович.

Официальные оппоненты: Мазуров Борис Тимофеевич,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «СГГА», профессор кафедры высшей геодезии;

Козориз Михаил Дмитриевич, кандидат технических наук, Филиал «Новый Порт» ООО « Газпромнефть - Развитие», главный маркшейдер-начальник Управления маркшейдерско-землеустроительных работ.

Ведущая организация - ОАО «Роскартография», г. Москва.

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 12-00 час. на заседании диссертаци онного совета Д 212.251.02 в ФГБОУ ВПО «СГГА» по адресу: 630108, Новоси бирск, ул. Плахотного, 10, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 26 ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета &./■ Трубина Л.К.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 26.05.2012. Формат 60 х 84 1/16 Печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 7 ¿Г Редакционно-издательский отдела СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Сохранность инженерных сооружений гражданского назначения требует проведения периодического мониторинга. Для таких инженерных сооружений, как вертикальные резервуары для хранения нефти, деформации являются существенными параметрами, которые необходимо контролировать. Такие резервуары требуют периодических геодезических измерений для мониторинга их формы, размеров и деформаций.

Несмотря на то, что Нигерия является крупным экспортером нефти, а для ее хранения построено много резервуаров, начиная с 1970 г. вплоть до 2000 г. никаких исследований в этом направлении не проводилось. Всесторонний мониторинг начался лишь с 2000 г., но анализ результатов, необходимый для определения характера деформации резервуара, был недостаточным либо совсем отсутствовал.

Поэтому в диссертации выполнены исследования с целью определения фактических деформаций резервуаров терминала Форкадос (Нигерия). Данные, использованные автором для анализа, относятся к 2000, 2003, 2004 и 200В гг. В связи с социальными волнениями в этом регионе наблюдения не выполнялись в 200}, 2002, 2005,2006 и 2007 гг.

Степень разработанности проблемы

Исследования методов и средств геодезического мониторинга инженерных сооружений, в том числе резервуаров для хранения нефтепродуктов проводились многими учеными (Михелев Д. Ш., Рунов И. В., Голубцов А. И., Зайцев А. К., Пискунов М. Е., Gikas V., Pytharouli S., Szostak-Chrzanowski А., Самойленко А. Н.).

История катастроф, связанных с нефтяными резервуарами по всему миру, показывает, что критические деформации зачастую остаются невыявленными из-за ошибочной оценки дефектов фундамента и численных показателей деформации. Наблюдения за строительством и продолжительной эксплуатацией (загрузка и разгрузка) резервуаров прекращаются зачастую задолго до окончания жизненного цикла резервуара. Иногда недочеты в разработке проекта производства работ приводят к полному разрушению таких сооружений, как резер-

вуары. Исследования разрушенных резервуаров показали, что если бы проводился геодезический мониторинг, аварии могли бы быть предотвращены.

В связи с этим требуется выполнить анализ методов геодезического мониторинга резервуаров для того, чтобы разработать рекомендации по исследованию их деформаций в процессе эксплуатации.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики наблюдений за вертикальными стальными цилиндрическими резервуарами (РВС) и исследование их деформаций в процессе эксплуатации с точки зрения их статических и динамических характеристик.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- анализ существующих методов геодезического мониторинга стальных резервуаров, имеющихся средств -измерений и нормативно-технической документации;

- разработка оптимальной методики геодезических измерений и обработки их результатов;

- разработка методики исследования величины и характера деформаций резервуаров в зависимости от их наполняемости.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования служат вертикальные стальные цилиндрические резервуары. Предметом исследования является методика геодезического мониторинга состояния резервуаров для оценки их статических и динамических характеристик.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

В работе используются методы инженерной геодезии, математической обработки измерений.

Базой для исследования являются выполненные измерения деформации резервуаров терминала Форкадос на территории Нигерии.

При выполнении исследований использовались программные комплексы Carlson, Mathcad и MATLAB.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- методика геодезических измерений деформаций цилиндрических стальных резервуаров;

- методика анализа и моделирования результатов измерений при определении деформаций цилиндрических сооружений.

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна заключается в следующем:

- определение координат центральной точки и присущего резервуару искажения с использованием классического метода наименьших квадратов (МНК) при анализе деформаций внешней поверхности резервуаров для хранения нефти в Нигерии;

- методика измерений и анализа деформаций стальных цилиндрических резервуаров;

- реализация метода наименьших квадратов для уравнивания координат внешней поверхности резервуара, измеренных при помощи линейно-угловой засечки, который является сложным анализом деформаций;

- прогноз деформаций с использованием полиномиальных методов и определение их скорости и ускорения с использованием фильтра Калмана.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что на основе результатов исследований деформаций резервуаров для хранения сырой нефти рекомендуется методика геодезического мониторинга с использованием современных геодезических средств измерений, которая является экономически эффективной и соответствующей стандартам. Эта методика может быть использована для мониторинга других терминалов и резервуаров в Нигерии.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 -«Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по соответствующей позиции:

- п. 6 - «Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений, атомных и тепловых электростанций, промышленных предприятий, линейных сооружений. Геодезический контроль ведения технического надзора при строительстве и эксплуатации нефтегазодобывающих комплексов».

Апробация и реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на VI Международном научном конгрессе «ГЕС)-Сибирь-2010» 19-23 апреля 2010 г., г. Новосибирск; на VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., г. Новосибирск; на международной инженерной конференции (AMR 2011), университет Бенин, Нигерия. Результаты внедрены в компанию Shell Nigeria.

Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 16 опубликованных статьях, одна из которых издана в рецензируемом научном журнале.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 135 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, содержит 43 рисунка, 12 таблиц, 6 приложений, 66 источников использованной литературы.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первом разделе выполнен анализ существующих методов и средств измерений при выполнении геодезического мониторинга резервуаров. Существует ряд серьезных последствий, к которым могут привести ошибки при строительстве и эксплуатации стальных цилиндрических резервуаров, в том числе риску причинения вреда здоровью и безопасности граждан и загрязнению окружающей среды и значительным экономическим убыткам для крупных предприятий. На этих основаниях любое крупное сооружение, потенциально склонное к деформациям, должно подвергаться мониторингу для выявления возможных разрушений на ранней стадии. Даже незначительное изменение формы объекта или изменения окружающей территории вследствие воздействия внешних факторов (например изменения уровня грунтовых вод или явления тектонического характера) независимо от того, насколько значительно их проявле-6

ние, могут подвергать опасности целостность экологически опасного сооружения и привести к возникновению чрезвычайной ситуации.

Использование комбинации безотражательного тахеометра для угловых (со средней квадратической ошибкой 1") и линейных (со средней квадратиче-ской ошибкой 3 мм) измерений и автоматического нивелира с большим увеличением и инварными рейками для измерения превышений (со средней квадратической ошибкой ть < 0,1 мм) является экономически выгодным, обеспечивает достаточную точность и удовлетворяет требованиям геодезического контроля состояния РВС.

Полученные результаты исследований будут играть немаловажную роль для мониторинга таких сооружений, как резервуары в Нигерии.

Для геодезического мониторинга деформаций крупных сооружений используются различные методы и средства измерений. Современные методики мониторинга разрабатываются в соответствии с совершенствованием и созданием новых методов и средств геодезических измерений, например использование электронных тахеометров, фотограмметрических методов, лазерного сканирования, лазерных трекеров и т. п. и измерений по снимкам или лазерным сканированием.

Во втором разделе «Разработка методики измерений и обработки данных для моделирования конструкции резервуара» используются контрольные точки, расположенные на поверхности сооружения на разных уровнях, которые, будучи правильно расположены, адекватно описывают характеристики сооружения.

Круговое поперечное сечение нефтяного резервуара должно быть разделено на несколько точек мониторинга, распределенных таким образом, чтобы покрыть периметр сечения, как показано на рисунке 1. Эти точки мониторинга расположены на одинаковых расстояниях на внешней поверхности резервуара и на некоторой высоте от основания резервуара.

Для определения координат станций вокруг хранилища был проложен тахеометрический ход от известной точки для связи реперов, координаты которых неизвестны. Для каждого исследуемого резервуара был проложен отдельный ход (рисунок 2).

В. М.! о и

▲

Рисунок 1 - Система геодезического мониторинга деформации цилиндрических нефтяных резервуаров

РЕйЗ

Рисунок 2 - Тахеометрический ход для определения координат станций

Для достижения требуемого определения координат контрольных точек на внешней поверхности нефтяного резервуара и во время процесса мониторинга деформаций сооружений рекомендуется использовать линейно-угловую засечку. В этом случае выполняются четыре наблюдения с двух станций (два расстояния и два угла). В угловой засечке или линейной засечке, как представлено выше, число измерений соответствует числу неизвестных (координаты точки Р,), но в случае линейно-угловой засечки число наблюдений больше, чем

число неизвестных и, следовательно, для определения координат точки Р, необходимо использовать метод наименьших квадратов (рисунок 3).

<х,Л>

Рисунок 3 - Геометрия линейно-угловой засечки для точек поверхности резервуара'

Длины двух линий (51, 52) в горизонтальной проекции могут быть записаны в координатной форме:

Я^^Хр-Х^НГР-УА)2, 52 = ^(Хр-Хв)2+(Ур-Ув)2.

(1)

Горизонтальные углы (а] и а2) могут быть вычислены следующим образом:

а] = со б '(■

АР2 + АВ2-РВ2 2.АР.АВ

-\.ВА2 +ВР2 - АР2. Й2 = соб (--).

(2)

2.ВА.ВР

С использованием координат точек можно записать уравнения в следующем виде:

-ХА? НУр-УА)2 +АВ2 ~{Хр-Хв)2-(Ур-Гв?} (3)

ОС] =соэ

2 АВ фхР-ХА)2+(УР-ГА)2

а, = со:-1[(Хр~Хв)2 -{ХР-ХА)2 ~{УР-УА?] (4)

2 АВ \](Хр-Хв)2 + (Ур-Ув)2

Приближенные значения координат точки Р (вектор Л!0) могут быть получены путем линейно-угловой засечки соответствующих уравнений:

о XAcot а2 + ХвтХ ax-YA + YB

Лр —-,

cot а] + cot а2 ^^

Yo_YAcot а2 + YBcot щ-Хл+Хв р cot а| + cot а2

Путем подстановки этих приближенных значений в уравнения (1) могут быть вычислены приближенные значений измерений (Z,0), и затем можно вычислить вектор невязок (L) следующим образом:

L = 1° - Lo6i. (6)

Зная координаты нескольких точек (более трех) на линии кругового сечения, можно определить радиус резервуара г и координаты центра (Хс, Ус) с использованием метода наименьших квадратов. Для любой наблюдаемой точки на круговом сечении поверхности резервуара (X, У) должно выполняться уравнение окружности:

(ХгХс)2 + (УгУс)2-г\ (7)

где I = 1, 2, З...и;

Хс, Ус - координаты центра кругового сечения; г — исправленная величина радиуса.

Согласно теории МНК, приближенные величины неизвестных (радиус г0 и координаты центра Y0) должны быть заданы или вычислены. Для достижения этой цели выполнено следующее.

Координаты центра могут быть приближенно заданы как среднее арифметическое координат:

п п

Т.Х, S Y,

= &—, Ус=М—• (8)

п п

Приближенная величина радиуса г0 может быть получена из руководства эксплуатации резервуара или с использованием трех точек его периметра.

Матрицы могут быть сформированы следующим образом:

А = (О)

dfx A/j дХс дУс дг 3/2 Э/j а/2

6 X д Y с

дг

э/п 3/П а/^ дХ q дУ^

дг

-2(Х, --2(Х2 - X¿)

-2(Хп-Х°)

2 (r¡-yc°)

■2 (У2

2 г

Гс°) - 2г

-2 (Г„-Ус°) -2л

(9)

¿ =

(Xj - + (У, - У^)2 - (г0)2

+ 'с0)2 -(г0)2

О ч2

(10)

Затем уравнения решаются по МНК, чтобы определить исправленные величины радиуса, координаты центра, их точность и искажения оболочки резервуара. С использованием представленной методики вычисления радиуса и координат центра кругового сечения, были определены величины радиусов, координаты центральной точки и искажения резервуара № 9 терминала Форкадос для трех уровней нефти из трех периодов наблюдений в программе MATLAB.

Методика высокоточного нивелирования обычно используется для определения превышений точек мониторинга на поверхности нефтяного резервуара относительно опорных точек, имеющих известные координаты (реперов), расположенных вокруг резервуаров (см. схему на рисунке 4). Уравнивание каждой сети нивелирования вокруг каждого резервуара было сделано с использованием метода наименьших квадратов.

На основе полученных результатов была построена трехмерная модель дна резервуара (рисунок 5).

На рисунке 6 показаны изменения осадки резервуара по результатам измерений, выполненных в 2008 г.

Рисунок 4 - Запроектированная сеть нивелирования для определения высот точек мониторинга на поверхности резервуара № 6

Рисунок 5 - Трехмерное представление дна резервуара

У ✓ ^ * ✓ ✓ * / ^ у ¿г ^ ¿Г ^ ^ ^ ^ Рисунок 6 - График осадок резервуара в 2008 г.

Определение вертикальности нефтяных резервуаров с использованием безотражательного тахеометра выполняется по степени отклонения цилиндрических резервуаров от отвесной линии.

В любом сечении (г) резервуара отклонение Д; может быть определено как: Д,- = соэ у,- - ¿о созу0, (П)

где ¿о - наклонное расстояние от инструмента до основания резервуара; I, - наклонное расстояние от инструмента до сечения ¿; у0, Yi - вертикальный угол у основания и секции / соответственно. Расстояние по горизонтали (рисунок 7):

£„=/„( 1-со5у„), (12)

где п = 0, г. Угол наклона 1§(ф) =

Н

Рисунок 7 - Определение наклона цилиндрического резервуара с постоянным диаметром

В третьем разделе дается анализ измерений по контролю над объектом, подверженном деформациям, осуществляется моделирование этого объекта и процесса его деформации. Геодезическое моделирование объекта и его поверхности требует размещения дискретных точек таким образом, чтобы они характеризовали объект, а их перемещения отображали бы движения и искажения объекта. Это означает, что моделируется только геометрия объекта. Кроме того, моделирование процесса деформации означает наблюдение за характерными точками через заданные интервалы времени для надлежащего мо-

ниторинга за перемещениями во времени. Это означает, что моделируется только временная составляющая процесса.

В настоящее время разработаны различные модели для анализа и интерпретация деформаций сооружений. Эти модели включают статические, кинематические и динамические модели. Статическая модель не зависит от времени, но обеспечивает характеристику деформации точек в исследуемой области или сооружении.

Тем не менее, большинство современных инженерных приложений (объектов) требует мониторинга поведения перемещений. Кинематическая модель деформации зависит от времени и определяет смещения, скорость и ускорение.

В динамической модели в дополнение к кинематической модели принимаются в рассмотрение зависимость между деформациями и факторами, влияющими на нее. Различные алгоритмы анализа деформации показаны на рисунке 8. Характеристика этих моделей приведена в таблице 1.

Рисунок 8 - Иерархия моделей в геодезическом анализе деформации

Таблица 1 - Характеристика и классификация моделей деформаций

Модель деформации Согласованная модель Кинематическая модель Статистическая модель Динамическая модель

Время не моделируется перемещения как функция времени не моделируется перемещения как функция времени и нагрузок

Действующая сила не моделируется не моделируется сдвиг как функция нагрузки

Положение объекта полностью в равновесии постоянно в движении полностью в равновесии под нагрузкой постоянно в движении

Статистические модели широко используются для определения деформации, если заданная величина (разность) совместима или значительно отличается от некоторых других величин (например среднее или разность набора остаточных величин). При выполнении теста проверяется, совпадает ли одиночное измерение со средним значением или оно должны быть удалено из уравнивания как грубая ошибка, определенная на основе статистического тестирования остаточных величин. Статистические тесты показывают, следует ли принимать

или отвергать нулевую гипотезу.

Эта модель для анализа наблюдений не рассматривает явно ни временные интервалы между наблюдениями, ни факторы, влияющие на деформацию. Тем не менее, подразумевается, что некоторые данные о возможном поведении объекта и деформации в пространстве и времени должны поступать в соответствии

с порядком проекта мониторинга деформаций.

На первом этапе в статистическом тестировании формируется вектор расхождений координат в двух различных точках времени 4 и 1т и алгебраические дополнения. Смещения точек Д, вычисляются с помощью разности уравненных координат этой точки .Г для разных циклов измерений (к + 1) и координат, полученных во время (к), следующим образом:

(13)

~АХ/

II УК+1 1J -г? =

где - координаты точки /во время <ж; .

- координаты точки 3 во время 4; К =1,2, ..., / (/-количество циклов наблюдений); У= 1, 2, ..., п (п - номер точки мониторинга на внешней поверхности резервуара).

Вектор средних квадратических ошибок (ЯМЕ) расхождений координат может быть вычислен с использованием матрицы следующей формы:

V

+т2хк О О и£х+1 +»1к

О

г7 V

О

где - точность координат точки Уво время

тхх, тг<, т2с — точность координат точки J во время 4.

Статистический анализ для исследования деформаций сооружений может быть выполнен с использованием нескольких моделей и критериев в соответствии с теорией закона распределения геодезических измерений. В работе рекомендуется применять критерий Фишера для статистической проверки движения точек мониторинга на внешней поверхности резервуара.

Анализ результатов измерений при строительстве необходим для установления, имели ли место значительные смещения наблюдаемых точек между циклами мониторинга. Геометрическое моделирование используется для анализа пространственных горизонтальных и вертикальных смещений наблюдаемых точек на внешней поверхности резервуара.

Смещение точки А] вычисляется путем дифференцирования уравненных координат точки У для самого последнего цикла мониторинга (к+1), по координатам, полученным к данному времени (к) с использованием уравнений.

Каждый вектор смещений имеет размеры и направление, выраженные как разность координат точки смещения. Эти векторы описывают смещения поля за данный интервал времени. Смещения, превышающие ожидаемую величину движения при нормальных условиях функционирования, будут свидетельствовать об аномальном поведении резервуара. Сравнение величины вычисленного смещения и соответствующей точности свидетельствует о том, является ли выявленное смещение следствием ошибок измерений.

|д/| <т

(15)

где Д- - величина смещения для точки У, которая может быть вычислена

М^хР-х^-кгГ-ЯГ+^-г'?, (16)

а £у — максимальный размер доверительного эллипса 95 % для точки ./, который может быть вычислен следующим образом:

EJ=l.9^xE, (18)

где - стандартная ошибка в положении для последнего измерения; тЧ1 _ стандартная ошибка в положении для первого измерения.

Тогда если | Д, | < £/ - точка не переместилась; иначе | Д/1 > £/ - точка переместилась.

Результирующие координаты наблюдаемых точек должны быть переведены в значащие значения при помощи предложенного метода анализа. Смещения точек по горизонтали и вертикали вычисляются индивидуально путем дифференцирования уравненных координат между двумя циклами мониторинга резервуара № 2 (между 2003 и 2004; между 2003 и 2008). Сравнение величины вычисленного смещения и соответствующей точности измерений будет выполнено для обоих периодов (один год и 5 лет). Сравнение показывает, вызвано ли смещение исследуемых точек резервуара ошибками измерений или это деформации резервуара.

Каждая точка в периметре поперечного сечения нефтяных резервуаров должна удовлетворять уравнению круга. Используя вычисленные величины радиуса гаа И координаты центра (Хс, *с), искажение каждой точки мониторинга может быть определено с использованием формулы:

= ^(Х1-Хс)1+(У,-Ус)г -гас1. (19)

Деформация формы поперечного сечения может быть найдена с помощью определения искажений каждой точки в круговом поперечном сечении.

Одним из основных вопросов мониторинга деформаций сооружений является прогноз величин деформаций. Время наблюдений для целей мониторинга деформаций и частота циклов (повторных наблюдений) может изменяться от нескольких часов, дней до нескольких месяцев или даже лет. Важно, что не только определение изменений в сооружении, но и сами изменения представляют статистическую ценность, на основе которой можно сделать прогноз, который поможет избежать несчастных случаев.

Деформация сооружений может быть полностью определена по смещениям точек, которые измерены на сооружении. Допустим вектор, определяющий положение точки Р в трёхмерной системе координат (X, У, 2), до и после деформации равен гр и соответственно. Тогда ^р может быть выражен как:

г'р=/(.хр,ур,1р,0, (20)

где / - изменение времени между двумя циклами наблюдений.

Из уравнения (20) положение точек объекта зависит от их начального положения и времени. Таким образом, вектор смещений ф для точки Р определяется как:

¿р=г'-гр=/{хр,ур,гр,{)-/{х0,у0,10Л0). (21)

В данной работе представлено несколько функций для определения величин деформаций наблюдаемых точек на внешней поверхности исследуемого нефтяного резервуара.

Полиномиальные функции могут быть использованы для определения предрассчитанных значений деформаций наблюдаемых точек нефтяных резервуаров. Линейная математическая модель для трехмерной системы координат может быть представлена следующим образом:

У} II у!

+ а (г,- -/0) + г>,

(22)

где Х^, У^ - координаты наблюдаемой точки У во время

Х]1, У]*у ,2)1 - координаты той же самой точки в начальное время а,Ь- коэффициенты;

7 = 1,..., п ил - число наблюдаемых точек; 1 = 1, ...,т и т — число циклов наблюдений. Математическая модель функции квадратного многочлена в трехмерной системе координат для целей мониторинга деформаций сооружений представлена в следующем виде:

Гд4

= а ы} + Ъ А/,- +с.

(23)

Важно отметить, что скорость деформации любой точки между двумя периодами наблюдений может быть определена по формулам:

„АГ+1 _

■х*

,К +1

к + \.к -г?

7К +1 7К

(24)

и ускорение - в виде:

к+1 _ л J ах, = —

хк+1_хк

Д(1+\,к

+1 _ ^

К+1

-Г?

-К +1

1к\\,к

2К+ \_гк

Л(

к + \.к

(25)

Вычисленные значения скорости и ускорения для величин горизонтальной и вертикальной деформаций для резервуара № 6 представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Скорость деформации резервуара № 6

На рисунке 9 показаны результаты прогнозирования деформации резервуара № 6 для точки 1 б.

Рисунок 9 - Прогноз изменения точки 16 резервуара № б Результаты, полученные в ходе экспериментальных

тельствуют о том, что:

исследований, свиде-

- при увеличении уровня не<Ьти с 3 пп ш .. .

Р ефти с -3 до 10 м име'от место вертикальные

смещения (осадки);

при увеличении уровня нефти с 3 до 10

м происходило соответственное

расширение резервуара (увеличение диаметра на 0,23; 0,22 и 0 20 мУ 20 ' ''

- при увеличении уровня нефти от 10 до 19 м в результате анализа были выявлены вертикальные и горизонтальные смещения;

- на каждом периоде возрастания уровня нефти диаметр резервуара увеличивается (в 2003 г. наблюдалось увеличение на 0,24 м, в 2004 г. - на 0,26 м и в 2008 г.-на0,268 м);

- были отмечены трещины в основании резервуара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований:

- в результате сравнения различных эпох наблюдений при одном и том же уровне нефти в резервуаре была обнаружена значительная осадка, нарушение округлости резервуара, деформация и вертикальное отклонение;

- всесторонний анализ доступных измерительных инструментов и нормативно-технической документации показал, что использование высокоточных безотражательных электронных тахеометров со средней квадратической ошибкой угловых измерений 1" и средней квадратической ошибкой линейных измерений 3 мм и автоматических нивелиров с большим увеличением и инварных реек, обеспечивающих ть < 0,1 мм, является экономически выгодным, удовлетворяет требованиям нормативно-технической документации Нигерии;

- разработана методика измерений и обработки данных при проведении геодезического мониторинга нефтяных резервуаров для хранения нефти, позволяющая проводить исследование их деформаций в процессе эксплуатации с точки зрения динамических характеристик;

- в результате исследования динамики деформаций резервуара в зависимости от его наполненности было обнаружено, что резервуар подвержен изменению объема из-за загрузки и разгрузки (объем изменяется в пределах 64 м3);

- разработана технология определения вертикальности резервуаров путем измерений, выполненных безотражательным электронным тахеометром, которая включает методику определения его геометрических параметров (радиус и координаты центра). Результаты измерений показали высокую степень эффек-

21

тивности использования безотражательных электронных тахеометров для мониторинга геометрических параметров резервуаров и внешней поверхности;

- разработана и исследована программа наблюдений на станции для определения деформации внешней и внутренней поверхности резервуаров с использованием электронных тахеометров. Также представлен метод определения радиуса и координат центра цилиндрического резервуара посредством выбора пространственных точек на его поверхности;

- разработана методика статистического и кинематического анализа результатов наблюдений деформаций цилиндрических резервуаров. Использован фильтр Калмана для определения скорости и ускорения;

- выполнен прогноз изменений с использованием полиномиальных функций.

На основе результатов исследований определения анализа деформаций резервуаров для хранения сырой нефти с использованием безотражательного тахеометра и нивелира, которое является экономически эффективным и соответствующим стандартам, рекомендуется использование данной технологии и методики в Нигерии. Эти методики могут быть использованы для мониторинга других резервуаров в Нигерии. Результаты свидетельствуют о том, что поставленная цель была достигнута.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1 Середович, В. А. Разработка методики исследования деформаций резервуаров в зависимости от их заполняемое™ [Текст] / В. А. Середович, Р. И. Эхи-гиатор // Геодезия и картография. - 2012. - № 5. - С. 9-11.

2 Прогноз деформаций с использованием функций показательного многочлена [Текст] / В. А. Середович, Р. Эхигиатор-Иругхе, О. М. Эхигиатор, X. Ориахки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г, Новосибирск: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т.- Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. -С. 148-154.

22

3 Анализ структурной деформации цилиндрических резервуаров для хранения нефти с использованием геодезических измерений [Текст] / В. А. Сере-дович, Р. Эхигиатор-Иругхе, О. М. Эхигиатор, Ашраф А. А. Бешр // ГЕО-Сибирь-2010: VI Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2010», 19-23 апр. 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2010. - Т. 1, ч. 1. - С. 38-43.

4 Ehigiator, I. R. Methods of Verticality Measurement of Crude Oil Storage Tanks [Текст] / R. Ehigiator-Irughe // International Journal of Pure and Applied Sciences. A Pan - African Journal Series, 2010. - pp. 92-96.

5 Ehigiator, I. R. Estimation of the Centre Coordinates and Radius of Forcados Oil Tank from Total Station Data using Least Square Analysis [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, M.O. Ehigiator // International Journal of Pure and Applied Sciences. Pan -African Journal Series. 2010. -Vol.3 no 5. - pp. 133-141.

6 Ehigiator, I. R. Analysis of the Accuracy of Terrestrial Laser Scanner and its Potential for Determining the Radius and Centre Coordinates of Vertical Circular Oil Tanks [Текст] / I R. Ehigiator-Irughe, Ashraf A. A. Beshr, J. O. Ehiorobo, A. V. Ivanov II International Journal of Engineering, 2010. - Vol.4, N0.3 pp. 461^170.

7 Ehigiator, I. R. Geospatial Settlement Monitoring of above Oil Storage Tank. [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, J. O. Ehiorobo, О. M. Ehigiator // Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS), 2010. - pp. 48-51.

8 Ehigiator, I. R. Distortion of Oil and Gas Infrastructure from Geomatics Support View [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, J. O. Ehiorobo, О. M. Ehigiator // Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS), 2010. -pp. 14-23.

9 Ehigiator, I. R. Development of Methods for Determining the Lateral Surface of Tank View [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, О. M. Ehigiator // Nigeria Association of Mathematical Physics, 2011. - Vol. 18. - pp. 165-174.

10 Ehigiator, I. R. Design and Methods of Geolnformatics Analyses of Engineering Structure According to Loading [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, О. M. Ehigia-

tor // African Journal of Engineering Research and Development (AJENG), 2011. -Vol. 6,No 2.-pp. 152-159.

11 Ehigiator, I. R. Determination of the Ovality of Crude Oil Storage Tanks using Least Squares [Текст] / R. Ehigiator-Irughe // Advanced Material Research, 2011. - Vol.367. - pp. 475 - 483.

12 Ehigiator, I. R. Determining the Subsidence of Oil Tank Walls from Geodetic Levelling [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, J. O. Ehiorobo, О. M. Ehigiator, Ash-raf A. A. Beshr // Advanced Material Research, 2011. - Vol. 367. - др. 467^74.

13 Ehigiator, I. R. Modification of Geodetic Methods for Determining the Monitoring Station Coordinates on the Surface of Cylindrical Oil Storage Tank [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, Ashraf A. A. Beshr, J. O. Ehiorobo, О. M. Ehigiator // Research Journal of Engineering and Applied Sciences (RJEAS), 2011. - pp. 58-63.

14 Ehigiator, I. R. Determination of Velocity and Acceleration of Structural Deformation using Kaiman Filter [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, О. M. Ehigiator, Uzoekwe // Nigeria Association of Mathematical Physics, 2012. - pp. 213-222.

15 Ehigiator, I. R. Deformation Prediction Using Linear Polynomial Functions [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, О. M. Ehigiator, Uzoekwe // Nigeria Association of Mathematical Physics, 2012. - pp. 223-230.

16 Ehigiator, I. R. Deformation Prediction using Quadratic Polynomial Functions [Текст] / R. Ehigiator-Irughe, О. M. Ehigiator // Nigeria Association of Mathematical Physics, 2012. - Vol. 21 - pp. 213-222.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Эхигиатор Иругхе Рафаел

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ НАБЛЮДЕНИИ ЗА РЕЗЕРВУАРАМИ.

1.1 Обоснование выбора темы исследования. Рекомендации выполнения мониторинга в Нигерии.

1.2 Методика выбора средств контроля резервуаров.

1.2.1 Утечка нефти.

1.2.2 Ограждения резервуаров.

1.2.3 Дренаж ограждения.

1.3 Обзор современных методов измерений, используемых для мониторинга деформаций.

1.3.1 Измерение углов и расстояний.

1.3.2 Цифровое нивелирование.

1.3.3 Электронные тахеометры для тригонометрического нивелирования.

1.3.4 Глобальные навигационные спутниковые системы.

1.3.5 Фотограмметрические методы.

1.3.6 Наземный лазерный сканер.

1.3.7 Точность определения расстояний наземным лазерным сканером.

1.3.8 Применение ПО Carlson, MathCAD и MATLAB при мониторинге деформаций сооружений в Нигерии.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.

2.1 Понятие геодезических измерений и ошибок. Предрасчет точности геодезических измерений.

2.2 Точность современных средств измерений.

2.3 Определение координат станций мониторинга. Применение

Carlson Software для уравнивания сети.

2.4 Предварительный анализ и методика геодезических измерений.

2.4.1 Точность математической модели и координат.

2.4.2 Определение координат точек поверхности резервуара методом угловой засечки.

2.4.3 Определение координат точек поверхности резервуара методом линейной засечки.

2.4.4 Двухмерное сечение линейно-угловым методом.

2.4.5 Математическая модель для определения линейно-угловой засечки.

2.4.6 Решение линейно-угловой засечки в MathCAD.

2.4.7 Определение радиуса резервуара и координат его центра.

2.4.8 Анализ характеристик резервуара вследствие его загрузки и разгрузки.

2.4.9 Определение деформаций кругового поперечного сечения резервуаров.

2.5 Определение геометрических параметров цилиндрических нефтяных резервуаров.

2.6 Осадки точек мониторинга на поверхности резервуаров.

2.6.1 Методика высокоточного нивелирования.

2.6.2 Уравнивание нивелирной сети в ПО Carlson.

2.7 Вертикальность цилиндрических нефтяных резервуаров.

2.7.1 Определение вертикальности с использованием приборов вертикального проектирования.

2.7.2 Определение вертикальности нефтяных резервуаров с использованием безотражательного тахеометра.

2.7.2.1 Резервуары с постоянным диаметром.

2.7.2.2 Резервуары с изменяемым диаметром.

2.8 Определение высоты цилиндрических нефтяных резервуаров.

2.8.1 Применение безотражательного тахеометра.

2.8.2 Применение теодолита.

2.8.3 Влияние кривизны на точность определения расстояния между точками.

2.9 Определение радиуса цилиндра по трем точкам.

3 АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

3.1 Модели для анализа деформаций.

3.2 Использование мультипараметрического преобразования для исследования деформаций сооружений.

3.3 Статистические тесты для определения деформаций нефтяных резервуаров. Определение величин деформации с использованием анализа данных строительства.

3.4 Прогнозирование деформаций цилиндрических нефтяных резервуаров

3.4.1 Функции для определения величин деформаций.

3.4.2 Линейные полиномиальные функции.

3.4.3 Функция квадратного многочлена.

3.4.4 Прогноз с помощью экспоненциальной функции.

3.5 Кинематический анализ деформаций сооружений с использованием фильтра Калмана.

3.6 Результаты исследований.

3.7 Описание эксперимента по исследованию деформаций резервуаров.

3.8 Методы мониторинга деформаций.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики и анализ деформаций результатов геодезического мониторинга резервуаров для хранения сырой нефти на примере терминала Форкадос-Нигерия"

Актуальность темы исследований. Сохранность инженерных сооружений гражданского назначения требует проведения периодического мониторинга. Для таких инженерных сооружений, как вертикальные резервуары для хранения нефти, деформации являются существенными параметрами, которые необходимо контролировать. Такие резервуары требуют периодических геодезических измерений для мониторинга их формы, размеров и деформаций.

Несмотря на то, что Нигерия является крупным экспортером нефти, а для ее хранения построено много резервуаров, начиная с 1970 г. вплоть до 2000 г. никаких исследований в этом направлении не проводилось. Всесторонний мониторинг начался лишь с 2000 г., но анализ результатов, необходимый для определения характера деформации резервуара, был недостаточным либо совсем отсутствовал.

Поэтому в диссертации выполнены исследования с целью определения фактических деформаций резервуаров терминала Форкадос (Нигерия). Данные, использованные автором для анализа, относятся к 2000, 2003, 2004 и 2008 гг. В связи с социальными волнениями в этом регионе наблюдения не выполнялись в 2001, 2002, 2005, 2006 и 2007 гг.

Степень разработанности проблемы

Исследования методов и средств геодезического мониторинга инженерных сооружений, в том числе резервуаров для хранения нефтепродуктов, проводились многими учеными (Михелев Д. Ш., Рунов И. В., Голубцов А. И., Зайцев А. К., Пискунов М. Е., 01ка5 V., РуЛагоиН 8., 82оз1ак-СЬггапо\¥з1а А., Самойленко А. Н.).

История катастроф, связанных с нефтяными резервуарами по всему миру, показывает, что критические деформации зачастую остаются невыявленными из-за ошибочной оценки дефектов фундамента и численных показателей деформации. Наблюдения за строительством и продолжительной эксплуатацией (загрузка и разгрузка) резервуаров прекращаются зачастую задолго до окончания жизненного цикла резервуара. Иногда недочеты в разработке проекта производства работ приводят к полному разрушению таких сооружений, как резервуары. Исследования разрушенных резервуаров показали, что если бы проводился геодезический мониторинг, аварии могли бы быть предотвращены.

В связи с этим требуется выполнить анализ методов геодезического мониторинга резервуаров для того, чтобы разработать рекомендации по исследованию их деформаций в процессе эксплуатации.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики наблюдений за вертикальными стальными цилиндрическими резервуарами (РВС) и исследование их деформаций в процессе эксплуатации с точки зрения их статических и динамических характеристик.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- анализ существующих методов геодезического мониторинга стальных резервуаров, имеющихся средств измерений и нормативно-технической документации;