Разработка методики и анализ деформаций результатов геодезического мониторинга резервуаров для хранения сырой нефти на примере терминала Форкадос-Нигерия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Эхигиатор Иругхе Рафаел

• Эхигиатор Иругхе Рафаел
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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;

- 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. 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 144 страницы печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, 40 рисунков, 13 таблиц, 6 приложений, 63 источников использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Эхигиатор Иругхе Рафаел

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 т\х < 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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Эхигиатор Иругхе Рафаел, 2012 год

1. Асташенков, Г. Г. Геодезические работы при эксплуатации крупногабаритного промышленного оборудования Текст. / Г. Г. Асташенков. М.: Недра, 1986.-150 с.

2. Большаков, В. Б. Высокоточные геодезические измерения для строительства и монтажа большого серпуховского ускорителя Текст. / В. Б. Большаков. -М.: Недра, 1968.

3. Брайт, П. И. Геодезические методы определения деформаций и сооружений Текст./ П. И. Брайт. М.: Недра, 1965. - 464 с.

4. Бугакова, Т. Ю. Оценка устойчивости состояний объектов по геодезическим данным методом фазового пространства Текст.: дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук / Т. Ю. Бугакова. Новосибирск, 2005. - 163 с.

5. Буш, В. В. Геодезические работы при строительстве сооружений башенного типа Текст./В. В. Буш, В. В. Калугин. М.: Недра, 1985. - 216 с.

6. ГОСТ 8.570-2000. Государственная система обеспечения единства измерений. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки Текст. М.: Изд-во стандартов, 2000. - 60 с.

7. Гуляев, Ю. П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений Текст./ Ю. П. Гуляев. Новосибирск: СГГА, 2008.-256 с.

8. Жуков, Б. Н. Руководство по геодезическому контролю сооружений и оборудования промышленных предприятий при их эксплуатации Текст. / Б. Н. Жуков. Новосибирск: СГГА, 2004. - 376 с.

9. Зайцев, А. К. Геодезические методы исследования деформаций сооружений Текст. / А.К. Зайцев, C.B. Марфено. М.: Недра, 1991.-272 с.

10. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов Текст. М.: Недра, 1991.- 167 с.

11. Комиссаров, А. В. Методика исследования метрических характеристик сканов Текст.: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук / А. В. Комиссаров. Новосибирск, 2007. - 201 с.

12. Левчук, Г. П. Прикладная геодезия: Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ Текст. / Г. П. Левчук, В. Е. Новак, В. Г. Конусов. М.: Недра, 1981. - 43 8 с

13. Мазуров, Б. Т. Изучение геодезических процессов на основе моделирования геодезических и гравитационных параметров Текст.: дис. на соиск. учен, степ. док. техн. наук. / Б. Т. Мазуров Новосибирск. - 2007. - 254 с.

14. Мазуров, Б. Т. Моделирование структурированных геодинамических объектов и оптимизация систем наблюдений Текст.: дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук / Б. Т. Мазуров. Новосибирск, 1996. - 107 с.

15. Михелев, Д. Ш. Геодезические измерения при изучении деформаций крупных инженерных сооружений Текст. / Д. Ш. Михелев, И. В. Рунов, А. И. Голубцов. М.: Недра, 1977. - 152 с.

16. Пискунов, М. Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений Текст./ М. Е. Пискунов. М.: Недра, 1980. - 260 с.

17. Поклад, Г. Г. Геодезия Текст./ Г. Г. Поклад, С. П. Гриднев. М.: Изд-во МИИГАиК, 2007. - 592 с.

18. Практикум по прикладной геодезии: геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений Текст. / Е. Б. Клюшин, Д. Ш. Михелев, Д. П. Барков и др. М.: Недра, 1993. - 275 с.

19. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений Текст. М.: Стройиздат, 1975. - 142 с.

20. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий Текст. -М.: ЦНИИСК, 1987. 62 с.

21. Середович, А. В. Методика создания цифровых моделей объектов неф-тегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования Текст.: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук./ А. В. Середович. Новосибирск,2007.- 165 с.

22. Соболева, Е. J1. Разработка и совершенствование методики высокоточного нивелирования I, II классов с применением цифровых нивелиров Текст.: дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук / Е. Л. Соболева. Новосибирск,2008.- 186 с.

23. Aguib, A., and М. Bahr, 2000. "Precise Surveying Control System for Monitoring Settlement Based on Soil-Site Analysis". The Scientific Bulletin of the Faculty of Engineering, Ain Shams University. Mars, 2000.

24. Allan A.L. (1988) "The Principles of Theodolite Intersection Systems" Vol. II pp. 226-234.

25. API Standard 653, 2003 .Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction, American Petroleum Institute, Third Edition September, 2003.

26. Ashraf, A. Beshr. Accurate surveying measurements for smart Structural members/ Ashraf A. Beshr// M.Sc. Thesis. Mansoura university. - Mansoura. -Egypt, 2004. - 194 pp.

27. Ayman Soliman Hassan Aguib. Procedure for Monitoring the Safety and Security of Steel Tanks Using Ground Surveying Techniques" Civil Engineering Department, College of Engineering, King Saud University.

28. Behairy A. M.(1991) "Application of First Order design problem to Building Construction Surveying networks" Journal of Engineering Sciences, Faculty of Engineering, S, Zagazig University, Shobra, Egypt.

29. Badejo, O. T. and Nwilo, P.C. (2004) "Management of Oil Spill Dispersal along the Nigerian Coastal areas". Department of Surveying and Geoinformatics, University of Lagos, Nigeria.

30. Chrzanowski A., Xiaoli D., Gethin R., and Cecilia W. "Goals And Achievements Of Fig Working Group Wg6.1- Deformation Measurements And Analysis". From internet www.fig.net/commision6/news/WG61 historyrep.pdf

31. Chrzanowski S., A. M. Massiera, A. Chrzanowski (2003), "Use of geodetic monitoring measurements in solving Geomechanical problems in Structural and mining Engineering".

32. Gairns C. (2008) "Development of semi-automated system for Structural deformation monitoring using reflectorless total station" M. Sc thesis, Department of Geodesy and Geomatics engineering , University of New Brunswick, Canada.

33. Gikas Vassilis and Sakellarion Michael (2008) "Settlement analysis of the Mornos earth dam (Greece): Evidence from Numerical modeling and geodetic monitoring" Journal of Engineering Structures Elsevier Communication pp 3074-3081.

34. Ehigiator Irughe, R. (2004) "Environmental safety and monitoring of crude Oil storage Tank at the Forcados terminal" M.Eng Thesis, Department of Civil Engineering, University of Benin, Benin City, Nigeria.

35. Ehiorobo O. J. (2002) "Evaluation of Geodetic heights for monitoring for subsidence at the Ikpoba River Dam" Journal of Engineering science and Application JESA Vol. 4(1) ppl-21.

36. Ehigiator Irughe, R. Ashraf A. A. Beshr, J.O. Ehiorobo and O.M. Ehigiator (2011) "Modification of Geodetic Methods for Determining the Monitoring Station

37. Coordinates on the Surface of Cylindrical Oil Storage Tank" Research Journal of Engineering and Applied Sciences (RJEAS) Research Journal of Engineering and Applied Sciences (RJEAS) 1 (1) pp. 58 63, USA.

38. Ehigiator Irughe, R. Ehiorobo O. J and Ehigiator M. 0.(2010) "Methods of Verticality Measurement of Crude Oil Storage Tanks" publication in International Journal of pure and Applied sciences. A pan - African Journal Series Vol. 3 no 4 pp 92-96.

39. Ehiorobo J.O. and Ehigiator Irughe, R. (2012) Application of Multiparameter transformation in deformation of Dam. Paper accepted for publication Advanced Material Research Vol. 367 pp. 484-493.Trans publication, Switzerland.

40. Ehigiator Irughe, R. Ashraf A. A. Beshr, J.O. Ehiorobo and O.M. Ehigiator (2012) "Determination of the ovality of crude oil storage tanks using least squares" Advanced Material Research Vol.367 pp 475^483. Trans publication, Switzerland.

41. Ehigiator Irughe, R. J.O. Ehiorobo, O.M. Ehigiator and Ashraf A. A. Beshr (2012) "Determining the Subsidence of oil Tank walls from Geodetic Levelling" Advanced Material Research Vol. 367 pp 467-474. Trans publication, Switzerland.

42. Ehigiator Irughe, R., Ehigiator, M.O. and Uzoekwe (2012) Deformation Prediction Using Linear Polynomial Functions Paper accepted for publication at Nigeria Association of Mathematical Physics 2012 vol. 20, pp 213-222.

43. Ehiorobo O. J. (2000) "Global satellite Systems and their impact on precise engineering survey, resource exploration and management" N I Prod E Technical transaction Journal of the Nigerian Institute of Production Engineers Vol. 5(1) pp 111-123.

44. Moss C.J., RR Griffiths, A Bishop, M Dinon, 2001. "Life Management Of Above Ground Atmospheric Storage Tanks", 10th- Asia -Pacific Conference on Non-Destructive Testing, 17-21 September, 2001 Brisbane, Australia.

45. Shell pertroleum development company (2000) http://www.nigerianoil-gas.com/industryprofilel.

46. Vanatwerp R. L (1994) "Engineering and Design deformation monitoring and control surveys" Engineers manual US Army Corps of Engineers EM 1110-lr 1004 Washington.

47. Vanatwerp, R. L. Engineering and design: deformation monitoring and control surveying/ R. L. Vanatwerp// Engineer manual. U.S Army corps of engineering. EM 1110-1-1004. - Washington. - U.S, 1994. - 141 pp.A.

48. Uren, J. and Price, W.F., (1992), "Surveying for Engineers", Second Edition, Macmillan Press, London.

49. Zvanut Pavel (2008) "Measured settlement of the pesinica High Embankment" FIG symposium on Deformation Measurement and Analysis and 4th IAG symposium on Geodesy in Geotechnical and Structural Engineering LNEC Lisbon Portugal 12-15 May 2008.