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;

— 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 «ГЕО-Сибирь-2010», 19−23 апреля 2010 г., г. Новосибирскна VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10−20 апреля 2012 г., г. Новосибирскна 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 144 страницы печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, 40 рисунков, 13 таблиц, 6 приложений, 63 источников использованной литературы.

Основные результаты исследований:

— в результате сравнения различных эпох наблюдений при одном и том же уровне нефти в резервуаре были обнаружены 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 тх < 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 м);

— 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 эффективности 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.