Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
УДК 622.692.4
На правах рукописи
Султанова Лилия Маратовна
Развитие методов контроля надежности магистральных нефтепродуктопроводов
на основе квалиметрического подхода
Специальность: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2012
Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР), г.аУфа
Научный руководитель | - доктор технических наук, профессор Худякова Лариса Петровна |
Официальные оппоненты: | - доктор технических наук, профессор Идрисов Роберт Хабибович |
- доктор технических наук, профессор Коробков Геннадий Евгеньевич | |
Ведущее предприятие | - ОАО Гипровостокнефть (г. Самара) |
Защита диссертации состоится 27 января 2012 г. в 1400 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов
по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.
Автореферат разослан 21 декабря 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Для современных магистральных нефтепродуктопроводов характерно объединение многих технологических процессов приема, перекачки и сдачи нефтепродуктов в единый комплекс, что требует координации диспетчеризации товаротранспортных операций и управления технической эксплуатацией нефтепродуктопроводов.
Эксплуатируемые магистральные нефтепродуктопроводы потенциально подвержены срыву из-за чувствительности к многочисленным возмущениям объективного и субъективного характера. Это внешние возмущения, связанные с отказами в подсистемах поставщика и потребителя нефтепродуктов, энергоснабжения, а также внутрисистемные возмущения, связанные с отказами конструктивных элементов системы и переходами на другие технологические режимы работы.
Поэтому на практике осуществляется контроль конструктивной и функциональной надежности нефтепродуктопроводов. Контроль надежности нефтепродуктопроводов осуществляется для целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на эффективность функционирования системы.
Под контролем надежности нефтепродуктопроводов понимается совокупность операций, включающих количественную оценку показателей надежности, оценку уровня надежности и полноты выполнения организационно-технических мероприятий и принятия управленческих решений.
В настоящее время разработаны и внедрены методы установления номенклатуры единичных и комплексных показателей надежности и их количественной оценки по статистическим данным. Разработанные методы базируются на квалиметрии, объединяющей количественные методы оценки качества, для обоснования решений, принимаемых при управлении качеством и стандартизацией.
Открытыми остаются вопросы оценки показателей конструктивной надежности магистральных нефтепродуктопроводов по результатам физико-технического анализа и диагностики собственно трубопроводов, а также показателей надежности функционирования нефтепродуктопроводов как сложных систем с учетом внутрисистемных и внешних возмущений.
Таким образом, совершенствование методов контроля надежности магистральных нефтепродуктопроводов является актуальной задачей повышения эффективности их функционирования.
Цель работы - повышение эффективности функционирования магистральных нефтепродуктопроводов путем усовершенствования методов контроля надежности на основе квалиметрического подхода.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
- Анализ современного состояния контроля конструктивной и функциональной надежности нефтепродуктопроводов;
- Совершенствование методов оценки конструктивной надежности нефтепродуктопроводов по параметру потока отказов (аварий и повреждений);
- Разработка интегрированной системы контроля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов;
- Разработка методов оценки и анализа надежности функционирования нефтепродуктопроводов.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных задач были использованы подходы и методы теории квалиметрии и надежности сложных систем, анализа физики отказов, результатов диагностики и статистических данных отказов магистральных нефтепродуктопроводов.
Научная новизна результатов работы:
- аналитическая зависимость параметра потока отказов от начального (проектного) запаса работоспособности и внутреннего давления на участке нефтепродуктопровода с учетом диагностики и ремонта;
- интегрированная система контроля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов для технического регулирования в области установления и исполнения технических требований и оценки соответствия;
- формула расчета допустимого окружного напряжения в стенке труб нефтепродуктопровода в зависимости от частоты отказов и нормативных значений коэффициентов, используемых при расчете трубопроводов на прочность;
Ц аналитическая зависимость вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродукта от резерва производительности, необходимая для оценивания надежности функционирования нефтепродуктопровода;
Ц формула расчета резерва полезной (товарной) емкости резервуарного парка в зависимости от продолжительности вывода части резервуаров из эксплуатации и показателя надежности обеспечения резервуарной емкостью для выполнения требуемого объема перекачки нефтепродукта.
На защиту выносятся:
- методы оценки конструктивной надежности нефтепродуктопроводов по параметру потока отказов;
- интегрированная система контроля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов;
- методы оценки и анализа надежности функционирования нефтепродуктопроводов.
Практическая ценность результатов работы заключается в повышении эффективности функционирования магистральных нефтепродуктопроводов путем улучшения системы контроля их надежности, а именно, методами оценки и анализа параметра потока отказов, показателей качества функционирования сложной системы и вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродукта на основе квалиметрического подхода.
Достоверность результатов исследования
Достоверность результатов работы подтверждена качественным и количественным соответствием выводов теоретических исследований экспериментальным данным и результатам экспертизы физики отказов. Разработанные методы оценки и анализа надежности подтверждены фактическими данными эксплуатации нефтепродуктопроводов.
Достоверность обеспечивается за счет использования апробированных методов теории вероятности, пластичности и упругости, надежности и безопасности сложных технических систем.
Разработанные стандарты организации внедрены в ОАО АК Транснефтепродукт и ОАО Гипровостокнефть.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-техническом семинаре Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья
(г. Уфа, январь 2009 г.), научно-технической конференции молодых специалистов ОАО АК Транснефтепродукт (г. Москва, декабрь 2010 г.), Международных научно-практических конференциях Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа (г. Уфа, 2009-2011 гг.), всероссийских научно-практических конференциях Энергоэффективность. Проблемы и решения (г. Уфа, 2009-2011 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 19 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 110 наименований. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 16 рисунков, 17 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее
цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.
Первая глава посвящена анализу литературы по вопросу контроля надежности магистральных нефтепродуктопроводов на основе квалиметрического подхода.
На основании изучения и анализа литературы по вопросу контроля надежности магистральных нефтепродуктопроводов установлено следующее.
Магистральные нефтепродуктопроводы относятся к сложным динамическим системам. Сложность системы определяется не столько количеством составляющих частей (линейных участков, резервуаров, перекачивающих насосных станций и др.), сколько количеством связей между частями системы и между самой системой и окружающей средой.
Для таких сложных систем характерны: единство цели перекачки нефтепродуктов и выработки оптимальной производительности по заранее выработанному критерию эффективности; выполнение большого количества различных функций, которые осуществляются множеством входящих в систему составляющих частей; сложность функционирования, когда изменение одной переменной влечет за собой изменение других переменных, даже на уровне составляющих частей; формализация внутренних и внешних возмущений на основе вероятностно-статистического подхода.
При этом важное значение имеет информационное обеспечение. На основании информации о поведении системы организуется управление ее состоянием, с учетом результатов которого корректируется каждое последующее управление. Тем самым, обеспечивается механизм непрерывного управления в заданный промежуток времени. Исключительно важная сторона процессов управления характеризуется их связью с показателями конструктивной и функциональной надежности, а именно контролем надежности и целенаправленным воздействием на условия и факторы, влияющие на показатели надежности.
Практически полезным в контроле надежности магистральных нефтегазопроводов и нефтепродуктопроводов оказался квалиметрический подход, охватывающий научную область, объединяющую количественные методы оценки качества, используемые для обоснования решений, принимаемых при управлении сложной системой. При этом надежность является подмножеством пространства качества. При контроле надежности таких сложных систем на основе квалиметрического подхода выполняются операции выбора номенклатуры нормируемых показателей надежности и их количественной оценки, установления уровня надежности и полноты выполнения организационно-технических мероприятий и принятия управленческих решений.
В этом направлении сотрудниками ВНИИСПТнефть (ныне ИПТЭР), ВНИИГаз и других научных организаций созданы научные основы выбора номенклатуры нормируемых единичных и комплексных показателей надежности, определения численных значений показателей надежности по результатам наблюдений за объектами в условиях эксплуатации, организационно-методические принципы сбора и обработки информации о надежности, нормирования уровня надежности, оптимизации технического обслуживания и ремонта магистральных нефтегазопроводов и нефтепродуктопроводов.
Значительный вклад в развитие методов оценки и анализа надежности магистральных нефтегазопроводов и нефтепродуктопроводов на основе квалиметрического подхода и физико-технического анализа внесли работы ученых ВНИИСПТнефть (ИПТЭР), ВНИИГаз, ВНИИСТ, РГУНГ им.
И.М. Губкина, УГНТУ, особенно работы ученых: В.Л. Березина, Э.М. Ясина,
К.Е. Расщепкина, А.Г. Гумерова, О.М. Иванцова, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, А.К. Галлямова, Н.Х. Халлыева, В.Д. Черняева, Х.А. Азметова, Р.С. Зайнуллина, Р.С. Гумерова, К.М.аЯмалеева, В.В. Харионовского, М.Х. Султанова,
К.М. Гумерова, Л.П. Худяковой, А.М.аШаммазова, Р.З. Ирмякова, В.Т. Агишева, З.Л. Белозеровой, В.А. Гараевой и др.
Тем не менее, в литературе недостаточно сведений о количественной оценке параметра потока отказов по результатам диагностики и в зависимости от величины внутреннего давления в нефтепродуктопроводах. В работе показано, что одним из перспективных подходов к управлению параметром потока отказов является использование интегрированных систем контроля качества труб и надежности нефтепродуктопровода. Это позволяет заранее (на этапах проектирования и строительства) предусмотреть мероприятия по обеспечению конструктивной надежности участков нефтепродуктопроводов.
Отказы отдельных участков нефтепродуктопроводов, являясь обычно частичными отказами этих систем, не приводят к полному прекращению функционирования системы, хотя и ухудшают качество функционирования и, соответственно, снижают выходной эффект от перекачки нефтепродуктов в течение заданного интервала времени. По степени снижения качества функционирования и выходного эффекта судят о надежности функционирования этих систем. Для практики требуются простые и адекватные модели оценки надежности функционирования нефтепродуктопроводов. Это позволяет на научной основе планировать безаварийный процесс перекачки, обосновать мероприятия и создать предпосылки для обеспечения гарантированного выполнения задания по перекачке.
В связи с этим приобретает высокую значимость дальнейшее развитие методов оценки и анализа конструктивной надежности по параметру потока отказов и надежности функционирования нефтепродуктопроводов по показателям качества функционирования и вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродуктов.
Во второй главе приведены результаты исследований по совершенствованию методов оценки конструктивной надежности нефтепродуктопроводов по единичному показателю надежности - параметру потока отказов.
На стадии проектирования нефтепродуктопроводов важна прогнозная расчетная оценка показателей конструктивной надежности. Однако до сих пор используются методы косвенной оценки параметра потока отказов на основе аналогов трубопроводных систем.
Разработан расчетный метод оценки параметра потока отказов проектируемых по СНиП 2.05.06-85* участков нефтепродуктопроводов, применительно собственно к трубопроводам. На основе вероятностно-статистического подхода получена аналитическая зависимость параметра потока отказов от начального (проектного) запаса работоспособности участков нефтепродуктопровода.
В основу метода заложены следующие условия. По физическому характеру отказы являются внезапными. Причиной возникновения внезапного отказа является превышение кольцевого напряжения действующей нагрузки, критического разрушающего напряжения для конкретного участка нефтепродуктопровода.
Аналитическая зависимость параметра потока отказов от начального (проектного) запаса работоспособности участка нефтепродуктопровода, приведенного к 1000 км протяженности собственно трубопровода, имеет следующий вид:
, (1)
где ωст - параметр потока отказов, отказ/год⋅1000 км; Р - вероятность безотказности; t - время использования нефтепродуктопровода по назначению, отнесенного к периоду нормальной эксплуатации (ωст = const), год;
К3 - коэффициент запаса работоспособности участка нефтепродуктопровода, который определяется отношением математических ожиданий критической и рабочей нагрузок (напряжений); с - коэффициент, характеризующий отношение вариаций прочности к нагрузке.
Показано, что при неполной информации об эксплуатационной надежности и ограниченности статистических данных об отказах, целесообразно определить область возможных значений параметра потока отказов для точной оценки с заданной доверительной вероятностью.
Определение доверительных интервалов параметра потока отказов по годам и за рассматриваемые годы в целом позволяет увязать точность оценки с доверительной вероятностью и проследить динамику потока отказов с доверительной вероятностью для различных интервалов времени, что будет характеризовать, в частности, стабильность функционирования нефтепродуктопроводов по показателю конструктивной надежности.
По статистическим данным отказов на нефтепродуктопроводах установлено, что с вероятностью 0,9 значение параметра потока отказов находится в пределах 0,53Е0,94 отказа/год⋅1000 км, а по причине дефектов основного металла и сварных соединений труб в пределах 0,08Е0,14 отказа/год⋅1000 км. Сравнительно низкий показатель последнего достигается за счет проведения диагностики нефтепродуктопроводов.
Решена задача определения периодичности диагностики нефтепродуктопроводов для предупреждения внезапных отказов, где поток отказов формируется из-за дефектов-концентраторов напряжений, заложенных при производстве труб, которые регламентируются коэффициентом надежности по материалу К1, а геометрические размеры дефектов рассчитываются по нижней границе теоретического коэффициента концентрации напряжений ασн.
Получена зависимость параметра потока отказов от величин коэффициента надежности по материалу труб и нижней границы теоретического коэффициента концентрации напряжений.
Установлено, что при К1 = 1,34; 1,40; 1,47; 1,55 и ασн = 2,1; 2,4; 2,7; 3,1 ожидаемое значение параметра потока отказов составляет соответственно 0,02; 0,13; 0,37; 0,82 отказа/год⋅1000 км.
График зависимости параметра потока отказов от коэффициента надежности по материалу представлен на рисунке 1.
Показано, что при периодичности диагностики 8 лет с обеспечением безотказности между диагностическими обследованиями в интервале 7 лет плюс один год следует проводить ремонт дефектных участков с концентраторами напряжений ασн ≥ 2,4.
Рисунок 1 - График зависимости параметра потока отказов
от коэффициента надежности по материалу
В то же время на участках нефтепродуктопроводов с К1 = 1,47; 1,55 ремонт дефектных мест с ασн ≥ 2,4 является вынужденной мерой обеспечения безотказности, переложенной на стадию эксплуатации. Обусловлено это тем, что еще на стадии изготовления труб с К1 = 1,47; 1,55 допускаются дефекты с ασн ≤ 3,1 из-за отсутствия 100 %-ного неразрушающего контроля при производстве труб. Доказана необходимость применения труб с К1 ≤ 1,4. При этом более чем в три раза снижается параметр потока отказов нефтепродуктопроводов по анализируемой причине и обеспечивается периодичность их диагностики 8 лет.
Проведена сравнительная оценка параметра потока отказов в год одних и тех же участков нефтепродуктопровода, приведенных к 1000 км с различными значениями внутреннего давления. На основе вероятностно-статистического подхода в расчетах трубопроводов на прочность и базируясь на следующем соотношении
(2)
получена аналитическая зависимость параметра потока отказов от внутреннего давления на участке нефтепродуктопровода, которая представлена в виде:
, (3)
где ; ωδ - параметр потока отказов нефтепродуктопровода при внутреннем давлении р, соответствующем расчетному значению сопротивления металла растяжению (сжатию), R1 = R1δ, которое устанавливается по СНиП 2.05.06-85*; ωi - параметр потока отказов нефтепродуктопровода при R1i и внутреннем давлении рi, где рi ≤ p;
Р(Ui) - вероятность безотказной работы нефтепродуктопровода при внутреннем давлении рi и квантиле Ui нормального распределения прочности и нагрузки; Р(Uδ) - вероятность безотказной работы нефтепродуктопровода при рδ и квантиле Uδ нормального распределения прочности и нагрузки;
Кзδ - коэффициент запаса работоспособности при R1 = R1δ. На рисунке 2 приведен график зависимости ωi = f(pi).
Кзδ = 1,438; Uδ = 2,6; Р(Uδ) = 0,9954;
ωδ = 6,75 отказа/год⋅1000 км;
Рδ = 78,5 кгс/см2 = 7,85 МПа
Рисунок 2 - График зависимости ωi = f(pi)
В качестве примера показано, что снижение внутреннего давления на участке нефтепродуктопровода III категории с условным диаметром
500 мм в разумных пределах (например в 1,23 раза от допустимого значения) приводит к существенному повышению их безотказности (в 46 раз).
Таким образом, установлена аналитическая зависимость параметра потока отказов от внутреннего давления на участке нефтепродуктопровода, позволяющая расчетами обосновать способ обеспечения безаварийной эксплуатации нефтепродуктопровода.
Третья глава посвящена разработке интегрированной системы конт-роля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов для технического регулирования в области установления и исполнения технических требований к элементам конструкции, а также оценки соответствия.
Здесь со стороны потребителя возникает необходимость разработки технической спецификации, планов контроля и приемки труб на заводе-изготовителе, на местах разгрузки и их складирования. Для их реализации требуется интегрированная система менеджмента качества труб и надежности нефтепродуктопроводов с отработкой общих элементов управления.
Разработана интегрированная система контроля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов. Общими элементами интегрированной системы являются процедура системы качества (QS) и стандартизованная рабочая процедура (PR) производителя труб, а также процедура контроля и приемки труб потребителем (ТНП-контроль). Разработана структура системы менеджмента качества труб и надежности нефтепродуктопроводов.
На основе нормативного спецификационного подхода разработана нормативно-методическая документация пооперационного контроля и приемки труб, необходимая для технического регулирования отношений производителя и потребителя труб в области установления и исполнения технических требований, а также оценки соответствия.
При установлении допустимого уровня окружных напряжений в стенке трубы нефтепродуктопровода учитываются нормы дефектов в основном металле и сварных соединениях. При этом расчетное сопротивление растяжению (сжатию) R1 металла устанавливается по
СНиП 2.05.06-85*, где закладываются нормативные коэффициенты надеж-ности по материалу К1, нагрузке n, условиям работы m, назначению Кн.
Одновременно, допустимые размеры дефектов в сварных трубах всех типов устанавливаются национальными стандартами. Согласно ГОСТ Р 52079-2003, уровень окружных напряжений в стенке труб при их эксплуатации должен быть не более 0,75 от нормативного предела текучести R2H основного металла. При этом не приводятся численные значения уровня окружных напряжений для конкретных значений К1, n, m и тем более с учетом коэффициента запаса работоспособности К3 или возможной частоты отказов категорированных участков нефтепродуктопровода.
Установлена зависимость показателя уровня окружных напряжений от нормативных коэффициентов К1, Кн, nт, n и коэффициента запаса работоспособности КЗ:
(4)
где ; - нормативное значение временного сопротивления металла, МПа.
Формула (4) позволяет расчетным путем определить допустимый уровень окружных напряжений с учетом частоты отказов участков нефтепродуктопровода. Для этого задается частота отказов Q = 1 - P (Uр) и рассчитывается К3, а затем выполняется расчет
В таблице 1 приведены результаты расчетов при Q = 10 Ц3 1/год,
Q = 10Ц5 1/год и сочетании нормативных коэффициентов.
Таблица 1 - Допустимый уровень окружных напряжений на участках
III, IV (I, II) категорий нефтепродуктопровода
при Q = 10-3 1/год (Q = 10-5 1/год)
R1/ | Сочетание коэффициентов К1, nт |
≤ 0,69 (0,52) | К1 = 1,55; nт ≤ 0,75 |
≤ 0,71 (0,55) | К1 = 1,47; nт ≤ 0,80 |
≤ 0,73 (0,61) | К1 = 1,40; nт ≤ 0,85 |
≤ 0,75 (0,62) | К1 = 1,34; nт ≤ 0,90 |
Разработан расчетный метод определения допустимого уровня кольцевых напряжений с учетом частоты отказов для различных категорированных участков, который рекомендуется использовать при проектировании и эксплуатации магистральных нефтегазопроводов и нефтепродуктопроводов.
Четвертая глава посвящена разработке методов оценки и анализа надежности функционирования нефтепродуктопроводов.
Разработан расчетный метод оценки и анализа надежности функционирования нефтепродуктопроводов по показателю У - уровню качества функционирования сложной системы. Этот показатель устанав-ливается как отношение реального объема перекачки нефтепродукта к базовому объему перекачки для полностью работоспособного и загру-женного с номинальными (проектными) значениями нефтепродуктопровода. В основу разработанного метода заложен коэффициентный подход, где учитываются все возможные факторы, приводящие к снижению объема перекачки, а также факторы, формирующие резерв производительности нефтепродуктопроводов.
Уровень качества функционирования нефтепродуктопроводов определяется по формуле
(5)
где Qвх - годовой объем перекачки нефтепродукта, зафиксированный на месте приема после перекачки, млн т /год; Qвых - годовой объем перекачки нефтепродукта, зафиксированный на месте его закачки в трубопровод, млнат/год; nq - коэффициент, характеризующий снижение Qвых по причине отсутствия продукта, заказа, резервуаров; m1 - коэффициент, характери-зующий снижение объема перекачки Qвх из-за технического обслуживания, планового и непланового ремонтов нефтепродуктопровода, m1аа1; m2 - ко-эффициент, характеризующий снижение объема перекачки Qвх из-за потерь нефтепродукта при техническом обслуживании и ремонте нефтепродукто-провода, а также из-за естественных потерь при транспортировке, m2 1; m3 - коэффициент, характеризующий снижение объема перекачки Qвх из-за неравномерности поставки нефтепродукта с нефтеперерабатывающего завода, задержки (неритмичности) отгрузки с наливных пунктов, несвоевременности подачи железнодорожных цистерн или танкеров, а также изменения соотношения различных групп нефтепродуктов в процессе эксплуатации, m3 1; m4 - коэффициент, характеризующий снижение объема перекачки Qвх из-за отложений в полости трубопровода; Kv - коэффициент, характеризующий резерв Qвых, возникающий в результате перехода в гидравлических расчетах от минимальной температуры к среднестатистической температуре грунта на уровне оси трубопровода, Kv 1; Кт - коэффициент, характеризующий резерв Qвых, возникающий в результате применения противотурбулентных присадок и уменьшения турбулентных пульсаций нефтепродукта в процессе перекачки, Кт 1; Qпр - проектная пропускная способность нефтепродуктопровода, млн т /год.
По статистическим данным эксплуатации и опыту проектирования нефтепродуктопроводов установлены точечные и интервальные значения поправочных коэффициентов. Так, при проектировании нефтепро-дуктопроводов m1 = 0,959; m2 = 1,0; m3 = 0,952Е0,909; Kv = 1,0; Кт = 1,0.
При эксплуатации нефтепродуктопроводов поправочные коэффициенты имеют достаточно широкий интервал изменчивости. По опытным данным эксплуатации нефтепродуктопроводов m1 = (0,9Е1,0);
m2 = (0,99Е1,00); m3 = (0,9Е1,0); m4 = 1,0; Kv = (1,0Е1,03); Кт = (1,00Е1,25).
По результатам морфологического анализа факторов, выраженных с учетом поправочных коэффициентов, выявлены пути повышения качества функционирования нефтепродуктопроводов.
Показан пример реализации разработанного метода на 15 объектах нефтепродуктопроводной компании.
Разработан расчетный метод оценки и анализа надежности функ-ционирования нефтепродуктопроводов по показателю вероятности выпол-нения задания по перекачке нефтепродуктов в заданном интервале времени.
Оценка надежности функционирования нефтепродуктопроводов базируется на определении резерва производительности, так как вероятность выполнения задания является функцией резерва производительности.
Математическая формулировка резерва производительности представляется в виде:
(6)
(7)
где z(t) - общая (суммарная) величина резерва производительности; t - единица времени (например сутки, месяц) формирования резерва производительности; zi (t) - i-ая составляющая резерва производительности;
i - долевая часть i-ого резерва производительности; с - число резервов производительности. При этом
(8)
где - средняя статистическая величина производительности за единицу времени, т/единица времени; Qпр - проектная (плановая) величина производительности.
(9)
(10)
где - коэффициент вариации (изменчивости), ; - среднеквадратическое отклонение; UP - коэффициент, численное значение которого соответствует вероятности выполнения задания Рз.
При Qпр = Qн получается, что , (11)
(12)
где Ко - коэффициент запаса производительности за определенную единицу времени.
Получена аналитическая зависимость вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродукта от резерва производительности, позволяющая проводить оценку надежности функционирования нефтепродуктопроводов.
В силу различных обстоятельств месячные объемы перекачки нефтепродуктов являются непостоянными. При этом требуемая технологическая полезная (товарная) емкость резервуаров является переменной и обладает изменчивостью (вариацией).
В то же время фактическая полезная (товарная) емкость также является переменной и обладает вариацией из-за технического состояния резервуаров.
Рациональное сочетание этих двух случайных величин позволяет часть резервуаров резервуарного парка выводить из эксплуатации, например на ремонт, с учетом показателя вероятности выполнения задания по перекачке. Решена задача определения необходимого резерва полезной емкости резервуаров в зависимости от продолжительности вывода из эксплуатации части резервуаров и показателя надежности обеспечения резервуарной емкостью для реализации фактического объема перекачки нефтепродукта.
Характеристикой обеспеченности резервуарной емкостью является соотношение фактической (Vф) и требуемой (Vт) полезных (товарных) емкостей. За отказ функционирования нефтепродуктопровода принимается условие, когда фактическая полезная (товарная) емкость менее требуемой полезной (товарной) емкости.
Для комбинированных событий распределения Vф, Vт характеристикой обеспеченности резервуарами для перекачки является коэффициент запаса надежности Кзр обеспечения резервуарной емкостью, который определяется соотношением средних значений Vф и Vт, т.е.
. (13)
Для нормального закона распределения Vф, Vт квантиль Up имеет зависимость от Кзр в следующем виде:
, (14)
где Up - квантиль нормального распределения; , - коэффициенты вариации соответственно фактической и требуемой полезной емкостей резервуаров, , .
Если в интервале рассеяния фактической полезной емкости резервуаров необходимо вывести из эксплуатации часть резервуаров объемом Vр, то
, (15)
где а - коэффициент неравномерности использования фактической полезной товарной емкости, а = 1 - tр/12, а < 1,0; tp - продолжительность вывода из эксплуатации резервуаров (ремонтного цикла, включая полный срок подготовительных и ремонтных работ), месяцы.
После соответствующих преобразований получается:
, (16)
где Vтв - верхняя граница требуемой полезной емкости резервуаров, м3(т);
k - коэффициент толерантных границ, равный 1,645 для вероятности 0,95.
Принимая как резерв требуемой полезной емкости резервуаров, получается:
. (17)
На рисунке 3 приведен график зависимости tp от Zp.
ф = 0,1; т = 0,2; k = 1,645;
1 - К3 = 1,54; 2 - К3 = 1,85; 3 - К3 = 2,20
Рисунок 3 - График зависимости tp от Zp
Формула (17) позволяет расчетным путем определить необходимый резерв полезной (товарной) емкости резервуаров в зависимости от продолжительности вывода из эксплуатации части резервуаров на диагностику и ремонт и запаса надежности обеспечения резервуарной емкостью для гарантированного выполнения задания по перекачке нефтепродукта.
Основные выводы и рекомендации
1. По результатам проведенного анализа и исследований установлено, что научную и практическую ценность имеет дальнейшее развитие методов контроля надежности магистральных нефтепродуктопроводов на основе квалиметрического подхода, а именно: совершенствование методов оценки конструктивной надежности нефтепродуктопроводов по параметру потока отказов, разработка методов оценки и анализа надежности функционирования нефтепродуктопроводов по показателям качества функционирования сложной системы и вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродуктов.
2. Получены аналитические зависимости параметра потока отказов от начального (проектного) запаса работоспособности и внутреннего давления на участке нефтепродуктопровода, необходимые для контроля надежности и принятия управленческих решений по обеспечению конструктивной надежности нефтепродуктопроводов на этапах проектирования и эксплуатации.
3. Разработана интегрированная система контроля качества труб и надежности нефтепродуктопроводов, где общими элементами являются процедура системы качества (QS), стандартизованная рабочая процедура (РR) производителя труб и процедура контроля и приемки труб потребителем (ТНП-контроль). На основе нормативного специфика-ционного подхода разработана нормативно-методическая документация пооперационного контроля и приемки труб, необходимая для технического регулирования в области установления и исполнения требований, а также оценки соответствия.
4. Доказано, что максимальный уровень окружных напряжений в стенке труб на участках I, II (III, IV) категорий нефтепродуктопроводов должен быть не более 0,52Е0,62 (0,69Е0,75) нормативного предела текучести основного металла в зависимости от частоты отказов и нормативных значений коэффициентов, используемых при расчете трубопроводов на прочность. Получена формула расчета конкретного значения допускаемого окружного напряжения в стенке труб нефтепродуктопровода.
5. Разработаны расчетные методы оценки и анализа надежности эксплуатации нефтепродуктопроводов по показателям качества функционирования сложной системы и вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродуктов в заданном интервале времени, необходимые для контроля надежности.
Получена аналитическая зависимость вероятности выполнения задания по перекачке нефтепродуктов от резерва производительности, позволяющего проводить анализ и оценку надежности функционирования нефтепродуктопроводов.
6. Решена задача и получена формула расчета резерва полезной товарной емкости резервуарного парка в зависимости от продолжительности вывода из эксплуатации части резервуаров и показателя надежности обеспечения резервуарной емкостью для реализации фактического объема перекачки нефтепродуктов.
7. Результаты научных исследований использованы в стандартах
ОАО АК Транснефтепродукт и ОАО Гипровостокнефть.
8. Разработанные методы контроля надежности нефтепродуктопроводов, а именно методы оценки и анализа их конструктивной и функциональной надежности, рекомендуется использовать в системе трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов ОАО АКаТранснефть и газотранспортной системе
ОАО Газпром.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в следующих научных трудах:
Ведущие рецензируемые научные журналы
- Черникин В.А., Султанова Л.М. Интегрированная система менеджмента контроля качества труб и надежности магистральных нефтепродуктопроводов // НТЖ Трубопроводный транспорт (теория и практика). - М.: ВНИИСТ, 2009. - № 1 (13). - С. 37-41.
- Хохлова И.А., Султанова Л.М. Методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара, 2011. - Т. 13. -
№ 1 (2). - С. 497-499. - Султанова Л.М. Установление резерва полезной товарной емкости резервуаров для перекачки нефтепродуктов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 2 (84). - С. 74-78.
- Худякова Л.П., Султанова Л.М. Оценка параметра потока отказов по результатам диагностики нефтепродуктопроводов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 2 (84). - С. 79-82.
Стандарты организаций, методические пособия
- Султанов М.Х., Султанова Л.М., Черникин В.А., Крылов Ю.В. Общие технические требования к трубам для магистральных нефтепродуктопроводов ОАО АК Транснефтепродукт: СО 10.04-АКТНП-011-2007. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2007. - 50 с.
- Султанов М.Х., Султанова Л.М., Черникин В.А. Крылов Ю.В. Положение об организации пооперационного контроля и приемки труб для магистральных нефтепродуктопроводов ОАО АК Транснефтепродукт: СО 10.04-АКТНП-010-2007. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2007. - 70 с.
- Черникин В.А., Хохлова И.А., Султанова Л.М. Методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию: Методическое пособие. - Самара: Гипровостокнефть, 2010. - 12 с.
Прочие печатные издания
- Султанова Л.М. Организационно-технический комплекс пооперационного контроля и приемки труб для магистральных трубопроводов // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара 19 января 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 80-81.
- Черникин В.А., Султанова Л.М. Экспериментальные исследования
характеристик прочности и долговечности сварных соединений, выполненных высокочастотной сваркой // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. -
С. 90-94. - Худякова Л.П., Султанова Л.М. Оценка опасности дефектов сварных соединений, выполненных высокочастотной сваркой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Девятой Всеросс. научн.-практ. конф. 21 октября 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 124-127.
11. Султанова Л.М., Худяков М.А., Хохлова И.А. Оценка долговечности сварных соединений, выполненных высокочастотной сваркой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Девятой Всеросс. научн.-практ. конф. 21 октября 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 128-130.
12. Хохлова И.А., Султанова Л.М. Метод граничных испытаний труб и трубопроводных сооружений // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. -
С. 77-83.
13. Хохлова И.А., Султанова Л.М. К вопросу выбора труб для
нефтепродуктопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и
безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и
методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 178-181.
14. Султанова Л.М. Совершенствование методов оценки степени опасности дефектов - концентраторов напряжений - в трубопроводах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 182-183.
15. Худякова Л.П., Гумеров А.Г., Султанова Л.М. Пути повышения качества функционирования нефтепродуктопроводов // Энергоэффек-тивность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 168-173.
16. Султанова Л.М. Расчетный метод определения параметра потока отказов трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 174-175.
17. Султанова Л.М. Определение допустимого уровня окружных напряжений в трубах с учетом частоты отказов нефтепродуктопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн-.практ. конф. 25 мая 2011 г. - Уфа, 2011. - С. 183-186.
18. Султанов М.Х., Султанова Л.М. Установление зависимости параметра потока отказов от внутреннего давления в нефтепродуктопроводе // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. - Уфа, 2011. - С. 187-192.
19. Султанова Л.М., Никишин А.М. Контроль надежности функционирования магистральных нефтепродуктопроводов на основе применения формулы Байеса // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. - Уфа, 2011. - С. 157-159.
Фонд содействия развитию научных исследований.
Подписано к печати 14.12.2011 г. Бумага писчая.
Заказ № 310. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП ИПТЭР. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле