Исследование и разработка методов обеспечения надежности и долговечности систем трубопроводного транспорта нефти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Чемакин, Михаил Павлович

• Чемакин, Михаил Павлович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чемакин, Михаил Павлович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

I. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА С УЧЕТОМ ЕГО ОСОБЕННОСТЕЙ

1.1. Особенности формирования надежности линейной части магистрального трубопровода

1.2. Методы оценки надежности функционирования действующей

сети нефтепроводов

1.3. Критерии комплексной оценки надежности действующей сети нефтепроводов

II. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ РИСКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

2.1. Методология риск-анализа при оценке надежности эксплуатации магистральных нефтепроводов

2.2. Разработка методологии оценки технологического риска при эксплуатации магистральных нефтепроводов

2.3. Методология риск-анализа при оценке сопутствующих видов

риска при эксплуатации магистральных нефтепроводов

III. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

3.1. Количественная оценка функциональной надежности магистральных нефтепроводов

3.2. Модели обеспечения функциональной надежности сети магистральных нефтепроводов

3.3. Оптимизация аварийного запаса для обеспечения надежности

функционирования системы нефтепроводного транспорта

W. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПЛАНИРОВАНИЮ И ПРОВЕДЕНИЮ РЕМОНТНО - ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

4.1. Разработка методологии вывода в ремонт нефтепроводов по данным диагностики

4.2. Ликвидация последствий аварий нефтепроводов и проведение ремонтно-восстановительных работ

4.3. Разработка практических рекомендаций по планированию вывода

трубопроводов в ремонт

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов обеспечения надежности и долговечности систем трубопроводного транспорта нефти»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В период интенсивного развития нефтегазового комплекса страны добыча и реализация нефти и газа практически удваивались каждые 10 лет. Для поддержания таких темпов добычи и поставки продукции от скважин до потребителей потребовалось соответствующее ускоренное развитие системы магистральных нефтегазопроводов. Однако, ускоренное проектирование, сооружение и ввод в эксплуатацию нефтегазовых объектов не могли способствовать более глубокому изучению, апробации и принятию наиболее обоснованных технико-технологических решений, обеспечивающих действительно высокую эффективность и надежность объектов нефтегазового комплекса. В результате в течение нескольких десятилетий существенная часть нефти и газа, извлеченных из недр земли, безвозвратно теряется во всем пути движения от скважин до потребителя, загрязняя окружающую среду, нанося ощутимый урон экологии и экономике.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей работы нефтегазовых объектов предполагает в первую очередь повышение надежности магистральных трубопроводов - как одной из наиболее капитало- и металлоемкой части сооружений нефтяной и газовой отрасли, представляющей потенциальную угрозу окружающей среде на больших территориях. Проблема надежности обусловлена также жесткой зависимостью производства и сельского хозяйства от поставок нефти и обостряется усложнением структуры нефтепроводной сети, протяженностью транспортных коммуникаций и их мощностью. Существо данной проблемы состоит в обеспечении ритмичной поставки и приема нефти при поддержании технологического процесса перекачки с высокими технико-экономическими показателями и уровнем безопасности персонала и окружающей

среды. В этих условиях настоящая работа является попыткой анализа и обобщения имеющегося материала с целью разработки методов обеспечения надежности при оптимизации резервов функционирования нефтепроводной сети.

Цель работы. Разработка методов и средств для высоконадежного транспорта добытой нефти, выявление и реализация резервов повышения надежности функционирования магистральной нефтепроводной сети.

Основные задачи исследования. В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Анализ взаимосвязи факторов, влияющих на надежность функционирования магистрального транспорта нефти.

2. Разработка математической модели формирования надежности трубопроводной системы по данным исследования вероятности безотказной работы отдельных конструктивных подсистем для участков различной длины и различного времени наработки до отказа.

3. Построение количественных зависимостей надежности функционирования нефтепровода от условий размещения и использования конструктивных и технологических элементов и схем перекачки. Разработка методов расчета надежности сети магистральных нефтепроводов для определения оптимальных соотношений между резервами пропускной способности и вероятностью безотказной работы отдельных конструктивных подсистем для участков различной длины и различного времени наработки до отказа.

4. Построение модели оптимизации производственных программ технического обслуживания и ремонта нефтепроводной сети с учетом оптимальных соотношений между резервами пропускной способности по направлениям перекачки.

Научная новизна. На основе теоретического обобщения работ отечественных и зарубежных ученых, результатов работ автора, а также практики эксплуатации нефтепроводной сети :

• Исследована проблема системного анализа взаимосвязи факторов, влияющих на надежность функционирования систем магистрального транспорта нефти. Разработана и методология оценки технологического риска.

• Предложен комплекс аналитических методов оценки функциональной надежности магистральных нефтепроводов в условиях неопределенности.

• Построены модели оптимизации производственных программ технического обслуживания и ремонта нефтепроводных сетей с учетом оптимальных соотношений между резервами пропускной способности по направлениям перекачки.

• Разработан алгоритм расчета интегральной оценки целесообразности вывода трубопроводов в ремонт.

Методологическими и теоретическими основами исследования являются концептуальные положения теории систем и системного анализа, теории принятия решений, теории надежности, прикладные исследования по статистической оценке вероятности безотказной работы отдельных конструктивных подсистем для участков различной длины и различного времени наработки до отказа.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Основные результаты исследований автора внедрены и практически использованы в период с 1993 по 1998г.:

- положены в основу программ научно-технического сопровождения эксплуатации и технического обслуживания системы нефтепроводов АО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».

- использованы при разработке проектной документации по диагностике, ремонту и реконструкции нефтепроводов АО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».

- используются в качестве учебно-методических материалов в учебном процессе специальности 0908 " Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов, газохранилищ и нефтебаз".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований автора докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конгрессах, симпозиумах, конференциях:

1. На технических советах АК «Транснефть» 1995,1996,1997 годов.

2. Международный симпозиум «Workshop on Pipeline Integrity», 21 мая 1996г., г.Тюмень.

3. Международный симпозиум «Магистральные нефтепроводы. Состояние, проблемы, перспективы», 30 октября 1997 г., г.Мюнхен.

4. Всероссийская научно-практическая конференция «Тюменская нефть -вчера и сегодня», 22 декабря 1997 г., г.Тюмень.

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 5 статей, 2 авторских свидетельства.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты реализации целевых методов и моделей обеспечения надежности и долговечности систем трубопроводного транспорта нефти в процессе развития и реконструкции нефтетранспортных систем Западной и Восточной Сибири, созданных в рамках диссертационного исследования:

1. Методология системного анализа взаимосвязи факторов, влияющих на надежность функционирования магистрального транспорта нефти и идентификация моделей элементов магистральных нефтепроводов для решения задач оценки и прогнозирования динамики изменения состояния нефтепроводов,

обусловленных физическим и моральным износом технических средств и технологии, процессом адаптации нефтетранспортных систем Западной Сибири к современным техническим, технологическим, экономическим, экологическим и политическим требованиям.

2. Совокупность аналитических методов и комплекс формализованных математических моделей, методик и алгоритмов технологических расчетов, процедур анализа и синтеза процессов оптимизации параметров надежности нефтетранспортных систем, математических моделей принятия решений для оптимизации процессов технического обслуживания и ремонта нефтетранспортных систем в повышения требований к экономической эффективности, производительности и надежности нефтетранспортных систем, снижения их энергоемкости, ресурсопотребления, техногенного воздействия.

3. Операционная модель структуры и механизмов разработки, поддержки, экспериментального и опытно-промышленного внедрения результатов исследований в соответствии с основными направлениями научно-технического прогресса в области обеспечения надежности и долговечности систем трубопроводного транспорта нефти в процессе развития и реконструкции нефтетранспортных систем Западной и Восточной Сибири.

4. Проведенные исследования и разработки по сформулированным выше направлениям в совокупности представляют логически завершенную методологию решения поставленной проблемы и явились основанием для научного обоснования и практической реализации через проектные решения в производстве рекомендаций по повышению эффективности эксплуатации объектов нефтетранспортной системы АО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».

I. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА С УЧЕТОМ ЕГО ОСОБЕННОСТЕЙ

1.1. Особенности формирования надежности линейной части магистрального трубопровода

Надежность технического объекта является сложным свойством. Теория надежности рассматривает это как сочетание следующих свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости [11].

Свойство сохраняемости имеет большое значение для транспортируемых и хранящихся изделий или объектов, к числу которых магистральный трубопровод не относится. Поэтому это свойство не играет важной роли при рассмотрении надежности трубопровода. Сохраняемость может быть проанализирована лишь для исходных материалов и элементов трубопровода. При этом наибольшее значение имеет сохраняемость труб, для которых период от момента заводского изготовления до применения на трассе составляет несколько месяцев. За этот период в результате атмосферной коррозии поверхность труб, обладающих низкой сохраняемостью, повреждается.

Свойство ремонтопригодности, играющее важную роль для всех восстанавливаемых объектов, в том числе и для трубопровода, формируется при проектировании трубопровода. Для стадии строительства при условии, если проект выполняется точно, оно является фиксированным и не участвует в формировании надежности трубопровода в процессе строительства [28].

Таким образом, главными свойствами, определяющими надежность трубопровода, является долговечность и безотказность. Для анализа этих свойств установим основные особенности линейной части магистрального трубопровода, отличающие его от других технических объектов.

Собственно трубопровод является металлическим, металл защищен от коррозии изоляционным покрытием и средствами электрохимической защиты. Если защита металла достаточно эффективна, то он не корродирует. При эксплуатации металл труб существенно не изменяет свои свойства, практически не "стареет". В отличии от него, изоляционное покрытие, которое, как правило, выполняется из органических материалов, стареет и с течением времени снижает свои механические и защитные свойства. Когда эффективность изоляционного покрытия становится ниже нормативного уровня, производится капитальный ремонт трубопровода - снимается старое и наносится новое покрытие, завариваются каверны в металле труб. Если при этом обнаруживаются сильно пораженные коррозией участки трубопровода, то они вырезаются и заменяются новыми. Отсутствие "старения" (существенное изменение свойств) основного элемента трубопровода (металла труб и сварных соединений) приводит к выводу, что линейная часть трубопровода является своеобразным техническим объектом, у которого при эксплуатации не расходуется ресурс. Здесь под ресурсом подразумевается обычное в технике понятие износа изделия в процессе его эксплуатации.

Рассмотрим более подробно важный тезис об отсутствии "старения" металла труб и сварных соединений. В процессе эксплуатации в трубопроводе (особенно в гидравлических системах) возникают пульсации давления перекачиваемого продукта и соответственно пульсации напряжений в металле. В течение эксплуатации трубопровода количество таких пульсаций достигает нескольких тысяч. Это дает основание для изучения влияния малоцикловой усталости, а также коррозионной усталости, если присутствуют коррозионные среды. Образование и развитие трещин малоцикловой или коррозионной усталости может расходовать ресурс, снижать остаточную прочность, то есть в этом смысле может происходить "старение" трубопровода [28].

Основой для разработки требований к надежности линейной части трубопровода является выявление всех типов его предельного состояния.

По каждому типу предельных состояний следует определять: во-первых, показатель качества конструкции, то есть количественную меру нагрузки, которую может выдержать трубопровод; во-вторых, показатель воздействия -реальная нагрузка по данному типу предельных состояний. Оба этих показателя, как правило, имеют стохастический характер. Разница между ними определяет критерий надежности конструкции, который тоже является случайной величинои. В соответствии с системой критериев надежности формулируют систему требований к конструкции трубопровода.

Как правило, увеличение начальной надежности трубопровода ведет к его удорожанию в результате применения более дорогих материалов, повышения трудоемкости, замедления темпов строительства [29]. Поэтому выбор значения начальной надежности является технико-экономической задачей, и для обоснования такого выбора необходимо провести специальное технико-экономическое исследование. В нем экономический аспект проблемы будет определяться системой требований к конструкции. Запишем изложенные соображения в математической форме:

их =ЯХ-8Х> 0;

г=1

иI ¿-$1 > 0;

(1.1)

где Р(1) - вероятность безотказной работы; [ - тип предельных состояний; т - число типов;

Ц} - критерий надежности конструкций по ьтому типу

предельных состояний; Я; - показатель качества конструкции;

8; - показатель воздействия на конструкцию.

Решая задачу определения вероятности безотказной работы по каждому типу предельных состояний, необходимо прежде всего установить законы распределения, математические ожидания и дисперсии двух случайных величин - показателя качества и показателя воздействия, а затем перейти к закону распределения их композиции - критерия надежности. В простейшем и наиболее распространенном случае закон распределения случайных величин и соответственно их композиции является нормальным.

Уровень начальной надежности конструкций трубопроводов с учетом возможного нарушения каждого из характерных предельных состояний определяется уровнем служебных свойств материалов, изделий и конструкций сооружаемых трубопроводов. Формирование комплекса служебных свойств (прочность исходных материалов, их стойкость к воздействию активных сред, устойчивость и деформационная способность трубопроводов, способность их противостоять всплытию и ряд других) зависит от уровня нормативных расчетов, выбора инженерных решений, технологии и автоматизации, методов контроля качества. Их несовершенство является причиной отказов.

В соответствии с обычной классификацией причин отказов магистральных трубопроводов, типы предельных состояний разделены на три класса, характеризующих качество труб и сварных соединений, качество противокоррозионной защиты трубопровода и уровень напряженного состояния в результате силового воздействия на трубопровод. К каждому классу отнесены соответствующие группы требований к конструкции трубопровода. Каждая группа состоит из множества требований. Количественное значение отдельных требований рассчитывается по формулам (1.1) и является нормативной величиной.

Определение количественных требований к конструкции трубопровода является первым этапом исследования факторов, влияющих на его начальную конструктивную надежность. На втором этапе определяются требования, с

одной стороны к технологии производства работ при сооружении трубопроводов, и с другой - к качеству материалов и изделий; как технологические требования, так и требования к материалам должны иметь количественное значение, определенное инженерными расчетами, и прямую функциональную связь с соответствующими конструктивными требованиями:

Связи технологических требований с конструктивными являются многообразными и определяют различные параметры технологических процессов: геометрические, временные, температурные, электрические, силовые. Наиболее важным представляется то что, расчетные технологические параметры объединены в систему, причем системообразующим признаком является обеспечение необходимого уровня конструктивной надежности трубопровода. Расчетным путем можно определить влияние отклонений технологических параметров от нормы непосредственно на величину надежности.

Не менее сложными являются связи между требованиями к качеству материалов и конструктивными требованиями. Здесь следует учитывать, что материалы и изделия имеют начальное качество (количественное значение функциональных параметров), возникающее в момент их изготовления, которое затем изменяется на каждом технологическом переделе, включая транспортировку и хранение. Соответственно должны быть определены требования к начальному качеству (его уровень обеспечивает приемочный

(1.2)

где - нормативное требование к конструкции трубопровода;

нормативное требование к технологии строительства трубопровода;

Янм - нормативное требование к качеству материалов и изделий.

контроль и выбраковка неконструкционных материалов и изделий), технологии переделов и к качеству материалов после каждого из них.

На третьем этапе также с помощью инженерных расчетов определяются требования к средствам механизации и к организации строительного процесса. Расчеты выявляют функциональные связи, между этими требованиями и установленными ранее требованиями к качеству материалов и изделий, а также к технологии производства работ

янсм =/(янм,янтУ

/ \ Г

яно =/[янм, янт), \

где, Янсм - требования к средствам механизации и транспорта;

Кно - требования к организации строительного процесса.

После окончания строительства трубопровода в металле труб и сварных соединений остается конечное число дефектов. В процессе эксплуатации под воздействием внешних и внутренних нагрузок дефекты проявляются, увеличиваясь в размерах, и приводят к авариям. Аварии ликвидируются, и число опасных дефектов с течением времени уменьшается. Если трубопровод эксплуатируется правильно, в частности защищается от коррозионной усталости, то новые дефекты не возникают. Не возрастает и уровень внешних нагрузок - пустоты под трубопроводом заплывают грунтом, грунт засыпки уплотняется, релаксация напряжений в грунте, прилегающем к трубопроводу, позволяет ему постепенно адаптироваться, выравнивать напряжения в металле стенок труб. Все это приводит к тому, что в процессе эксплуатации трубопровода количество отказов падает, а уровень обеспечения его надежности имеет тенденцию к возрастанию [31,32].

Формулировка данной концепции особенно важна потому, что она прямо влияет на теоретические схемы расчета надежности трубопровода, а в ряде случаев разрабатываемые в настоящее время теоретические методы расчета надежности необоснованно опираются на общепринятые предпосылки без

учета указанных особенностей трубопровода как технического объекта. В фундаментальных трудах по теории надежности принято делить ресурс на периоды приработки, нормальной эксплуатации и старения. Интенсивность отказов соответственно уменьшается, поддерживается на одном уровне и увеличивается. Но это относится к типичным изделиям или объектам, которые подвергаются износу в процессе эксплуатации или изготовлены из стареющих материалов. Однако трубопровод в силу своей специфичности к таким объектам не относится. Игнорирование физической сущности процессов, происходящих в трубопроводе, приводит к неправильным представлениям при прогнозировании его работы.

В теории надежности долговечность объекта определяется его ресурсом либо сроком службы [9,10]. И то и другое определяет период от начала эксплуатации до предельного состояния. Между этими терминами та разница, что ресурс устанавливают по наработке, а срок службы - по календарной продолжительности работы объекта. Поскольку трубопровод прерывает свою работу только в периоды восстановления при авариях, а такие периоды составляют незначительную долю календарного времени, то в данном случае термины практически равнозначны.

Особенности трубопровода наглядно проявляются при определении назначенного ресурса, под ним понимается суммарная наработка (календарное время), при достижении которой применение объекта по назначению должно быть прекращено. Вопрос о назначенном ресурсе трубопровода является дискуссионным и не имеет окончательного решения. Отсутствуют даже научно обоснованные подходы к его решению. Имеются предложения считать назначенным ресурсом 33 года, поскольку амортизационные отчисления по линейной части магистральных трубопроводов составляют 3%.Однако и размер амортизационных отчислений не имеет физического обоснования, поэтому такой подход следует считать чисто формальным. Можно было бы определять назначенный ресурс расчетом по малоцикловой усталости, но как

было показано, опасность малоцикловой усталости для трубопроводов не реализуется.

Исходя из изложенной выше физической сущности правильно эксплуатируемого трубопровода, назначенного ресурса у него нет вообще, а продолжительность эксплуатации трубопровода определяется только потребностями экономики. Линейная часть магистрального трубопровода может и должна эксплуатироваться без снижения эффективности (производительности) до тех пор, пока существует потребность в транспортировании продукта в данном направлении в определенном объеме. Причем потребности экономики могут привести к перекачке продукта в обратном направлении или к изменению перекачиваемого продукта, но и при этом эксплуатация трубопровода продолжается. Существует понятие межремонтного ресурса трубопровода [25].

Особенность трубопровода как технического объекта заключается также и в том, что различные его конструктивные подсистемы в разной степени влияют на работоспособное состояние. Нарушение работоспособной линейной части трубопровода (переход в неработоспособное состояние) происходит только при потере герметичности, то есть при отказе труб или сварных соединений. Отказ этих конструктивных элементов является отказом самого трубопровода. Назовем их конструктивными подсистемами группы А.

Другие конструктивные подсистемы, а именно: изоляционное покрытие, устройства электрохимзащиты, траншея, грунтовая засыпка, балластирующие устройства (группа Б) влияют на работоспособность трубопровода только через элементы подсистемы группы А. Отказы элементов подсистемы группы Б являются для трубопровода повреждениями и переводят его из исправного в неисправное состояние, работоспособность трубопровода при этом сохраняется. В некоторых случаях повреждение может резко повысить уровень напряжения в металле труб и сварных соединений и привести их к отказу. Такой отказ является зависимым.

В других случаях, например, при отказе устройств электрохимзащиты, немедленного отказа трубопровода не наступает. Если при этом повреждение не устраняется, то неисправное состояние трубопровода усугубляется и трубопровод переходит в предельное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация трубопровода должна быть прекращена из-за отклонения заданных его параметров за установленные пределы, определяемые из условий безопасности или экономических соображений.

Примером предельного состояния трубопровода может служить значительная коррозия стенок труб и соответствующее повышение напряжений в оставшемся металле стенок. При анализе надежности конструктивных подсистем необходимо выделить их функции и определить количественные показатели выполнения функций.

Для труб и сварных соединений - это их герметичность, определяемая по отсутствию утечек. Разумеется, герметичность должна быть обеспечена достаточным уровнем прочности труб и сварных соединений.

Для изоляционного покрытия главной функцией является защита металла труб от контакта с внешней средой. Выполнение этой функции характеризует следующие параметры: тип изоляционного покрытия, его прочность, сплошность, толщина и адгезия. Но для конструктивной подсистемы в целом принято пользоваться комплексным показателем - переходным сопротивлением "труба-земля".

Функцией устройств электрохимической защиты является создание потенциала, обеспечивающего защиту металла трубопровода от почвенной коррозии. При проектировании устанавливаются зоны защиты катодными станциями. И если проект выполнен правильно, то показателем выполнения функции является выходная мощность на каждой из них [24].

Дно траншеи, как правило, является ложем трубопровода, и неровности дна служат источником напряжений в трубопроводе, не учтенных проектом. Поэтому главной функцией этой конструктивной подсистемы является

обеспечение равномерного опирания трубопровода на дно траншеи, а показателем выполнения функции - отпор грунта под нижней образующей трубопровода. Кроме того, имеет значение ширина траншеи, создающая необходимый зазор между стенкой траншеи и трубопроводом, который позволяет грунту засыпки проникать в пазухи, а также глубина, позволяющая создать необходимое заглубление трубопровода.

Грунтовая засыпка несет функцию закрепления трубопровода и защиты его от механических повреждений. Показателем выполнения функций является масса грунтовой засыпки, определяемая через геометрические размеры и плотность.

Функцией балластирующих устройств является закрепление трубопровода в заданном положении, показателем - усилие закрепления. Для железобетонных пригрузов оно определяется по их массе, для анкерных устройств - пробным выдергиванием анкеров.

Разработанная система понятий является основой для построения теоретических схем расчета надежности линейной части магистральных трубопроводов.

1.2. Методы оценки надежности функционирования действующей сети нефтепроводов

Система трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов в рамках жизненного цикла традиционно рассматривается с целью получения характеристик надежности как сеть нефтепроводов с резервуарными парками.

Исходными данными для расчетов являются [7]:

- укрупненная сеть магистрального транспорта нефти, которая характеризуется структурой, соответствующей фактическим или плановым данным исследуемого периода: пропускная способность, протяженность,

диаметры дуг сети, размещение потребителей и резервуарных парков (укрупненная сеть);

- плановая либо фактическая схема грузопотоков по дугам сети;

- характеристики безотказности и ремонтопригодности дуг сети (интенсивность отказов и среднее время восстановления однониточного нефтепровода).

В основу расчетов может быть положена схема сети магистральных нефтепроводов (рис 1.1.), которая описывает состав дуг сети, диаметр, длину, производительность ниток по установленному оборудованию.

Из общего объема емкости сети выделяется полезный объем (вп, млн.м3)

вп=вф'К> (1-4)

Средняя суммарная длительность простоев ниток дуг в течение года составит

Ц = (1.5)

Интенсивность восстановления однониточных трубопроводов дуг определяется

(1.6)

Показатель надежности д! подсчитывается

N НОЛ-

(1-7)

/ ] /¿у

где (1у - показатели безотказности и ремонтопригодности ]-го

трубопровода 1-го направления;

При этом С)у соответствует плановой перекачке нефти по трубопроводу, на котором произошел отказ, тыс.т/год.

При определении показателя по формуле (1.7) снижение подачи по ьой дуге в результате отказа ее ]-го трубопровода составит

Диаметр, мм 140 0

1200

1000

800

600

400

200

i i

1 0 1 4 1 5 1 6 1 8 21 27 49 50 54 55 56 57 58 59 60 61 67 68 69 7 1 7 3 74

№ дуг сети

Рис. 1.2.

Длина, км

1 200 -г-

1000

800

600

400

200

i

I I

1 0 1 4 1 5 1 6 1 8 2 1 2 7 49 50 54 55 5 6 5 7 5 8 59 60 6 1 6 7 68 6 9 7 1 73 74

ю ю

Рис. 1.3.

№ дуг сети

объем перекачки, млн.т./год

10 14 15 16 18 21 27 49 50 54 55 56 57 58 59 60 61 67 68 69 71 73 74

№ дуг сети

Рис. 1.4.

о

(1.8)

где Л<2г°- резерв пропускной способности направления перекачки, на

котором произошел отказ. В качестве результирующих показателей надежности сетей удобно использовать полусуммы ограничений приема и поставки нефти и соответствующие им коэффициенты надежности

где: - ограничения сдачи нефти в результате отказов;

- ограничения приема нефти. Результаты расчетов показывают незначительные компенсационные возможности резервов пропускной способности и относительно небольшие возможности резервуарных парков для снижения возникающих ограничений подачи в результате аварийных ситуаций.

Это означает, что в рассмотренной структуре сети наибольшее влияние на надежность сети оказывают показатели надежности трубопроводов больших диаметров (Бу - 1020, 1220 мм). При этом большая часть дефицитов подачи определяется емкостью линейной части, а не резервной пропускной способностью. Это обстоятельство показывает, что для оптимизации надежности нефтепроводной сети и ранжирования приоритетов обслуживания в первую очередь необходимо учитывать надежность линейного участка магистрального трубопровода.

Регистрируемые в настоящее время отказы линейного участка магистрального трубопровода являются, в основном, отказами двух его основных конструктивных подсистем - основного металла трубопровода и сварных соединений, которые возникают как в результате достижения

(1.9)

_ -е^пл

б.

(1.10)

предельных состояний непосредственно этими элементами при сохранении работоспособности других, так и вследствие отказов остальных конструктивных подсистем, влияющих на потерю работоспособности двух основных. Таким образом, следует различать отказы двух принципиально разных групп:

1. отказ линейной части трубопровода вследствие отказа собственно металла трубных секций или отказа сварных соединений (потери их герметичности) - элементы группы А;

2. отказ линейной части трубопровода вследствие отказа остальных конструктивных подсистем - изоляции, балластировки, ЭХЗ, траншей -элементы группы Б.

Приведенная в табл. 1.1. матрица состояний конструктивных элементов группы Б, рассмотренная в сочетании с возможными отказовыми состояниями конструктивных элементов группы А, является множеством отказовых состояний магистрального трубопровода, фиксируемых сегодня как аварийные ситуации при расследовании происходящих на трубопроводах отказов. Однако, как показывает практика, при существующем уровне метрологического обеспечения контроля за состоянием трубопровода, в частности контроля за параметрами функционирования в процессе эксплуатации его конструктивных элементов, оказывается возможным фиксировать в момент отказа лишь некоторые состояния из приведенных в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Наименование конст эуктивных элементов Количество

№№ I л ей отказавших

состоя -ний Изоляция эхз Баллас тировк грунт, засыпк В к а & элементов (п) и состояний (С)

1 2 3 4 5 6 7

1 - + + + +

2 + - + + +

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Чемакин, Михаил Павлович

ВЫВОДЫ

1. Осуществлена идентификация моделей элементов магистральных нефтепроводов с физическим и моральным износом технических средств и технологии применительно к решению задач оценки и прогнозирования состояния нефтегазовых систем учетом современных технических, технологических, экономических и экологических обоснований.

2. Показано, что основой для разработки рекомендаций по проведению диагностики состояния некритических дефектов магистральных нефтепроводов и мер по уменьшению и идентификации опасностей, должны быть критерии приемлемого риска.

3. Предложен критерий надежности, обеспечивающий безотказность технологического оборудования и сокращение времени аварийно-восстановительных работ нефтепроводов, повышение уровня использования резервуарных парков при выполнении плана приема и поставки нефти и учитывающий экологические требования.

4. Разработан комплекс аналитических методов и формализованных математических моделей для оптимизации надежности транспортных систем, снижения их энергоемкости, ресурсопотребления, техногенного воздействия, а также процессов технического обслуживания и ремонта нефтепроводов.

5. Обоснованы основные характеристики комплекса технических средств для оперативного и качественного осуществления всех операций технологического процесса ликвидации аварий и их последствий на магистральных нефтепроводах с применением технологии ремонта трубопроводов без опорожнения от продукта. Осуществлена соответствующая комплектация аварийно-восстановительных служб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чемакин, Михаил Павлович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Айвазян С. А. и др., Прикладная статистика. Исследование зависимостей. Статистика. 1973, 487 с.

2. Акулов Н.С. Физические основы прочности металлов // В сб.Исследование по физике металлов и неразрушающим методам контроля. Под ред. академика Н.С.Акулова. - Минск.: Наука и техника, 1968, 456 с.

3. Андерсон т., Введение в многомерный статистический анализ. ФИЗМАТГИЗ 1963.

4. Ашмарин И.П., Васильев H.H., Амбросов В.П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. - Л.: Издательство Ленинградского ун-та, 1971, 77 с.

5. Байхельт Ф, Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. Пер. с нем. - М.: Радио и связь, 1988, 92 с.

6. Белов В.М. Дефектоскопия потенциально опасных участков трубопроводов методом акустической эмиссии // Безопасность труда, 1994. -N7, 14-17 с.

7. Берман Р.Я., Панкратов B.C., Автоматизация систем управления магистральными газопроводами. М. Недра, 1978, 159 с.

8. Богданоф Дж., Конзин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений. Пер. с англ. - М.:Мир,1989, 344 с.

9. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984, 312 с.

10. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1971.

11. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1990, 448 с.

12. Бордубанов В.Г. Несущая способность трубы с поверхностным повреждением : методы оценки // Строительство трубопроводов, 1986. - N8, 36-37 с.

13. Бордубанов В.Г., Нежданов В.В. Расчетно-экспериментальный метод оценки работоспособности стальных труб с поверхностными дефектами // Газовая промышленность, 1984. - N6, 47 с.

14. Ботвина Л.Ф. Кинетика разрушения конструкционных материалов. -М.: Наука, 1989, 230 с.

15. Брянских В.Е., Ефимов В.А. О задачах потокораспределения в АСДУ ЕСГ. -М.: ВНИИЭгазпром. - 1983. -( Реферативная информ. Сер. транспорт и хранение газа; вып. 1с, 1-4 е.).

16. Валетов А.М., Шилов Г.И. Приборы и методы контроля толщины покрытий // Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1970, 120 с.

17. Вагнер Г. Основы исследования операций, в 3-х томах, М. Мир, 1972.

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Недра, 1969, 576 с.

19. Волский М.И., Аистов A.C., Гусенков А.П. Прочность труб магистральных нефте- и продуктопроводов при статическом малоцикловом нагружении. - М.: ВНИИОЭНГ, Обзорная информация, 1979.

20. Вольский М.И., Гуменный Л.К., Лаптев Т.И. К вопросу исследования причин разрушения магистральных трубопроводов // Нефтяная промышленность. - 1978. - N11, 30-31 с.

21. Воронин А.Н. О формализации выбора схемы компромиссов в задачах многокритериальной оптимизации // Изв. АН СССР. Сер. техн. киберн. -1984. -№2, 173-176 с.

22. Восстановление работоспособности труб нефтепроводов. - Уфа. Башкирское книжное из-во, 1992, 240 с.

23. Галеев В.Б., Амосов Б.В., Бобрицкий Н.В., Сащенко Е.М. Анализ причин разрушения действующих нефте- и продуктопроводов. // ВНИИОНГ. -1972, 79 с.

24. Галеев В.Б., Карпачев М.З., Харламенко В.И. Магистральные нефтепродуктопроводы. 2-е издание, переработанное и дополненное. // Недра. - 1988, 296 с.

25. Галлямов А.К., Черняев В.Д., Юкин А.Ф. Определение оптимальной периодичности осмотров линейной части нефтепроводов // Проблемы нефти и газа Тюмени. - 1979, N44, 59-63 с.

26. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965.

27. Голосовкер В.И. Анализ использования электроэнергии на магистральных нефтепроводах //РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1980. Вып. 1, 8-11 с.

28. Гусенков А.П., Аистов A.C. Исследование малоцикловой прочности труб большего диаметра магистральных газо- и нефтепроводов // Машиностроение, 1975. -N3, 61-71 с.

29. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Проблемы оценки остаточного ресурса участков магистральных нефтепродуктопроводов // Нефтяное хозяйство, 1990. - N10, 66-69 с.

30. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Гумеров P.C. Прогнозирование долговечности нефтепроводов на основе диагностической информации // Нефтяное хозяйство, 1991. - N10, 36-37 с.

31. Гумеров А.Г., Ямалеев K.M. Характер разрушения металла труб нефтепроводов при малоцикловом нагружении // Нефтяное хозяйство. - 1985. -N6, 46-49 с.

32. Гумеров А.Г., Ямалеев K.M., Костылев А.И. О процессе зарождения усталостных микротрещин в окрестностях неметаллических включений в трубной стали 17Г1С //РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1980. - Вып. 9, 26-28 с.

33. Гуссак В.Д., Алыпанов А.П. Оценка срока службы участка газопровода с коррозионной каверной // Газовая промышленность. - 1991. - N8, 14-15 с.

34. Гутман Э.М., Амосов Б.В., Худяков М.А. Малоцикловая коррозионная усталость трубной стали при эксплуатации магистральных нефтепроводов //Строительство нефтепроводов. - 1978. - №4, 27-29 с.

35. Гутман Э.М., Абдуллин И.Г., Бугай Д.Е. Механизм малоцикловой коррозионной усталости стали 17ГС при эксплуатации магистральных трубопроводов // Нефтяная промышленность. - 1981. - N5, 18-22 с.

36. Гутман Э.М., Султанов М.Х., Худяков М.А. Вероятностный подход к определению допустимого уровня концентрации напряжений в металле труб магистральных нефтепроводов // РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1981. - Вып. 2, 11-13 с.

37. Гутман Э.М., Амосов Б.В., Худяков М.А. Влияние коррозионной усталости материала нефтепроводов на их надежность // Нефтяное хозяйство. - 1977. - N8, 59-62 с.

38. Детков А.Ю., Черняев К.В., Шолухов В.И. Требования к технологии акустико-эмиссионной диагностики объектов магистральных нефтепроводов // Трубопроводный транспорт нефти. - 1994. - N5, 15-18 с.

39. Джарджиманов A.C. Внутритрубная дефектоскопия магистральных нефтепроводов // Безопасность труда. - 1994. - N7, 8-12 с.

40. Добромысов В.А., Румянцев C.B. Радиационная интроскопия. - М.: Атомиздат, 1971, 336 с.

41. Дорофеев A.JI. Электроиндуктивная дефектоскопия. - М. Машиностроение, 1967, 230 с.

42. Дорофеев A.JL, Никитин А.И., Рубин A.JI. Индукционная толщи-нометрия. - М.: Энергия, 1973, 152 с.

43. Заде JL, Беллман Р. Принятие решений в расплывчатых условиях // Вопросы анализа и процедуры принятия решений. М.: Мир, 1976, 44 с.

44. Зайченко Ю.П. Исследование операций. - Киев: Вища школа, 1979,

392 с.

45. Иванова B.C., Гуревич С.Е., Копьев И.М. и др. Усталость и хрупкость металлических материалов. - М.: Наука, 1968, 215 с.

46. Инструкция по контролю качества строительства и техническому надзору при производстве изоляционно-укладочных работ и сооружении средств электрохимической защиты на магистральных трубопроводах, ВСН 150-82. М.: ВНИИСТ, 1983.

47. Исследование операций : В 2-х томах. / Пер. с англ. / Под ред. Дж.Моузера, С.Элмагреби. - М.: Мир, 1987, 677 с.

48. Кагаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. - М. Машиностроение, 1977, 232 с.

49. Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др. Технические средства диагностики. Справочник. - М.: Машиностроение, 1989, 67 с.

50. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. - М. ¡Машиностроение, 1977, 231 с.

51. Коллинз Джек А. Повреждение материалов в конструкциях : Анализ, предсказание, предотвращение. Пер. с анг. - М. Мир, 1984, 624 с.

52. Кудрявцев И.В., Науменко Н.Е. Усталость сварных конструкций. -М.: Машиностроение, 1976, 204 с.

53. Кучерюк В.И., Сысоев Ю.Г., Иванов В.А., Белова О.Ю., Чемакин М.П. Расчет тонкостенных конструкций.-М.:Недра, 1996, 279 с.

54. Маслов JI.C., Росляков A.B. О трех уровнях надежности магистральных нефтепроводов // НТИС. Сер. нефтепромысловое дело и транспорт нефти. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1984. - Вып. 4, 30-33 с.

55. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М. Машиностроение, 1981, 272 с.

56. Махутов Н.А., Бурак М.И., Кайдалов В.Б. Анализ несущей способности сосудов давления при наличии сквозных трещин // Проблемы прочности, 1989. -N11, 20-23 с.

57. Методика оценки статической прочности и циклической долговечности магистральных нефтепроводов// Издание ВНИИСПТнефть, Уфа, 1990, 88 с.

58. Морис У. Наука об управлении. Байесовский подход: Пер. с англ. /Под ред. И.Ф.Шахнова. -М.: Мир, 1971, 304 с.

59. Мурзаханов Г.Х. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса магистральных трубопроводов // Строительство трубопроводов. -1994.-N5,31-35 с.

60. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990, 208 с.

61. Надежность и эффективность в технике : Справочник. В 10 т.// Ред. B.C. Адуевский и др. - М.: Машиностроение, 1986.

62. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976.

63. Приближенные методы решения дискретных задач оптимизации /И.В.Сергиенко, Т.Т.Лебедева, В.А. Рощин. -Киев.: Наукова думка, 1980, 275 с.

64. Рафиков С.К., Шадрин О.Б. Экспериментальное исследование усилий и перемещений в подземном трубопроводе при многократном приложении продольных нагрузок // РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1981. - Вып. 5, 16-18 с.

65. РД-39-30-107-78. Методика оценки ущерба от отказов объектов магистрального нефтепровода. - Уфа : ВНИИСПТнефть, 1981, 48 с.

66. РД-39-30-616-81. Методика распределений требований к надежности между элементами системы магистрального нефтепровода. - Уфа : ВНИИСПТнефть, 1981, 52 с.

67. Руководство по операционному контролю качества строительно-монтажных работ при сооружении линейной части магистральных трубопроводов, Р 375-79. M.: ВНИИСТ, 1980.

68. Серенсен C.B., Шнейдерович P.M., Гусенков А.П. и др. Прочность при малоцикловом нагружении.- М.: Наука,1975, 285 с.

69. СНиП Ш-42-80. Правила производства и приемки работ. Магистральные трубопроводы, М.: Стройиздат, 1981.

70. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования.

71. Сооружение и ремонт газонефтепроводов /B.JI. Березин, Н.В. Бобрицкий, П.П. Бородавкин, В.Б. Галеев, JI.C. Маслов. -М. Недра, 1972, 352 с.

72. Сопротивление деформациям и разрушению при малом числе циклов нагружения // Под ред. С.В.Серенсена. - М.: Наука, 1967, 170 с.

73. Ставровский Е.Р., Халфин C.JI. Имитационная модель для расчета показателей надежности функционирования системы транспорта нефти // РНТС. Сер. Экономика нефтяной промышленности. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1983. -Вып. 4, 26-28с.

74. Степанов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. - М.: Машиностроение, 1972.- 232 с.

75. Троицкий В.А., Валевич М.И. Неразрушающий контроль сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1988. - 112 с.

76. Финкелынтейн Ю.Ю. Приближенные методы и прикладные задачи дискретного программирования. -М.: Наука, 1976. - 264 с.

77. Фокин М.Ф., Гусенков А.П., Аистов A.C. Оценка циклической долговечности сварных труб магистральных нефте- и продуктопроводов // Машиностроение, 1984. -N6, 49-55 с.

78. Фокин М.Ф., Никитина Е.А., Трубицын В.А. Оценка работоспособности нефтепроводов с локальными поверхностными дефектами. -

М. ВНИИОЭНГ, Нефтяная промышленность, Экспресс-информация, 1987. -вып. 8, 1-5 с.

79. Фокин М.Ф., Трубицын В.А., Никитина Е.А. Оценка эксплуатационной долговечности магистральных нефтепроводов в зоне дефектов. - М. ВНИИОЭНГ, Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, Обзорная информация, 1986. - вып.5, 53 с.

80. Форд JI.P., Фалкерсон Дж. Потоки в сетях: Пер. с англ. / Под ред. Э.Э.Пейсахович. -М.: Мир, 1966, 276 с.

81. Халфин C.JL, Бряндинский А.И. Расчет объема нефти в резервуарных парках для регулирования аварийного дефицита // НТИС. Сер. нефтепромысловое дело и транспорт нефти. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1984. - Вып. 8, 40-43 с.

82. Хедли Дж., Уйтин Т. Анализ систем управления запасами: Пер. с англ. / Под ред. A.JI. Райкина. М.: Наука, 1969. - 511 с.

83. Хинсли Дж. Методы испытаний материалов без разрушений//Пер. с англ. - М. Металлургиздат, 1962. - 408 с.

84. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях: : Пер. с англ. / Под ред. А.А.Фридмана. -М.: Мир, 1974, - 520 с.

85. Черняев В.Д., Сафонов H.A., Черкасов Н.М., Эткин А.Е. Управление системой магистральных нефтепроводов в аварийных ситуациях // РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1982. -Вып. 8, 2-5 с.

86. Черняев К.В. Технология проведения работ по диагностированию действующих магистральных трубопроводов внутритрубными инспекционными снарядами // Трубопроводный транспорт нефти. - 1995. - N1, 21-31 с.

87. Черняев К.В. Оценка прочности и остаточного ресурса магистрального нефтепровода с дефектами, обнаруживаемыми внутритрубными

инспекционными снарядами // Трубопроводный транспорт нефти, 1995. - N2, 21-31 с.

88. Черняев К.В., Шолухов В.И., Детков А.Ю. Акустико-эмиссионная диагностика объектов нефтяной и газовой промышленности // Трубопроводный транспорт нефти. - 1994. - N1, 32-34 с.

89. Чемакин М.П., Конев А.В. Система переаттестации объектов транспорта нефти: Тез.докл.Всерос.научно-практ.конф. «Тюменская нефть-вчера и сегодня». Известия ВУЗов «Нефть и газ». -Тюмень: ТюмГНГУ, 1997.-№6.-с.150-151.

90. Юкин А.Ф. Определение производительности нефтепровода и объема резервуарного парка на ГПС // Вопросы нефтяной технической кибернетики. АзИНЕФТЕХИМ. - Баку, 1976, 10-14 с.

91. Ясин Э.М., Никишина Е.В. К расстановке емкостей на нефтепроводах // РНТС. Сер. транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -М.: ВНИИОЭНГ. - 1983. - Вып. 6, 1-2 с.

92. British Gas Engineering Standart BGC/PS/OLI 1. Code of practice for carrying out on-line inspection of gas transmission systems, British Gas Corporation, London, UK, 1983, p.9.

93. Coulson K.E.W., Worthinglam R.G. New guede lines promise more accurate damage assesment // Oil and Gas J., 1990, IV, - Vol. 88, N16, p. 41-44.

94. Davis M.J. Tenneco's efforts for verifying pipeline integrity // AGA Distribution Transmission Conference, Toronto, Ontario, May 1988.

95. Grady Т.О. and Hisey D Pressure calculation for corroded pip developed // Oil and Gas J., 1993, Vol.91, N42, p. 84-89.

96. John R. External pipeline rehabilitation // Pipeline, October 1990, p.4.

97. Kiefner J.F. and Eiber R.J. Study shows shift in line pipe service problems // Oil and Gas J., Mar.30, 1987.

98. Kiefner J.B., Vieth P.H. New method corrects criterion for evaluating corroded pipe // Oil and Gas J., 1990, VIII, - Vol. 88, N32, p. 57-59.

99. Kiefher J.B., Vieth P.H. PC program speeds new criterion for evaluating corroded pipe // Oil and Gas J., 1990, VIII, - Vol. 88, N34, p. 91-93.

100. Sowerby T.M. Pipeline inspection first stage in rehabilitation // Pipeline, October 1990, p.2.