автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Анализ надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП методами физики отказов и теории катастроф

На правах рукописи

Силин Яков Владимирович

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОВОДОВ ПРОМЫСЛОВЫХ АСУ ТП МЕТОДАМИ ФИЗИКИ ОТКАЗОВ И ТЕОРИИ КАТАСТРОФ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сургут - 2008

003464362

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Острейковский Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Антонов Александр Владимирович, Обнинский государственный технический университет атомной энергетики (ИАТЭ)

кандидат технических наук, доцент Шевцов Вячеслав Алексеевич, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва

Ведущая организация:

Сургутский институт нефти и газа (филиал) Тюменского ГНГУ

Защита состоится « з* » р^? 200 9 г. в 75-¿УС1 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.09 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65, ауд, ^ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан « $6 » фсфи?^ 200^ г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Д.Н. Великанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Общая протяженность внутрипромысло-вых нефтепроводов и газопроводов, поднадзорных Ростехнадзору, включает 340 тысяч км трубопроводов нефтегазодобычи и около 8,2 тысяч км водоводов низкого и высокого давления.

Анализ возрастного состава нефтепромысловых трубопроводов (НПТ) показывает, что доля протяженности трубопроводов со сроками службы свыше 15 лет составляет около 40%.

В 1999 году на внутрипромысловых нефтепроводах произошло 19227 разрывов (19331 - в 1998 году), из них по причине коррозии 18524 (96,4 процента). Большое экологическое воздействие на природу оказывает разлившаяся нефть при авариях на промысловых и магистральных нефтепроводах, ежегодные потери которой составляют более 3 млн. т.

Трубопроводы Западной Сибири эксплуатируются в довольно тяжелых условиях. С одной стороны, по ним транспортируются агрессивные жидкости, сложные по химическому составу (нефть, вода, газ, различные химические элементы), содержащие механические примеси. С другой стороны, трубопроводы проложены в неблагоприятных с точки зрения развития коррозии грунтах (зачастую болото) и подвергаются, помимо прочего, резким температурным перепадам и другим внешним воздействиям.

В существующей проектной, конструкторской и эксплуатационно-технологической документации отсутствуют требования к надежности проектируемых, сооружаемых и эксплуатируемых нефтепроводов промысловых АСУ ТП. Несмотря на большое количество отказов, в настоящее время не разработана методика оценки показателей надежности НПТ по статистическим данным длительной эксплуатации. Имеющиеся в настоящее время методики оценки надежности применимы в основном к сосредоточенным объектам, таким как задвижки, заслонки, датчики и др. Линейная часть трубопровода является объектом с распределенными параметрами и, следовательно, для анализа ее надежности требуются специальные методики, учитывающие протяженность объекта, его местоположение в пространстве.

Разработка новых методов оценки характеристик надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП позволит принимать обоснованные решения по срокам эксплуатации, периодичности ремонтов, составу и местоположению запасных частей. Это позволит не только существенно уменьшить вероятность нанесения вреда природе, но и максимально снизить затраты на эксплуатацию трубопроводов.

Таким образом, актуальность диссертации определяется необходимостью уменьшения числа аварий и потерь нефти на трубопроводах, а также снижения затрат на их прокладку и облуживание.

Целью работы является анализ характеристик надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП с применением методов физики отказов и математической теории катастроф для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасности эксплуатации трубопроводов.

В основу исследования положены методы теории надежности, теории случайных процессов, математической статистики, прикладного системного анализа, теории катастроф.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) обработаны новые статистические данные об эксплуатации и отказах НПТ на месторождении в Западной Сибири;

2) разработан метод статистической оценки характеристик надежности НПТ в зависимости от длины участка НПТ;

3) впервые разработана методика оценки характеристик надежности НПТ с использованием моделей физики отказов и теории катастроф;

4) впервые выполнен системный качественный и количественный анализ надежности НПТ методами физики отказов и теории катастроф на основе новых эксплуатационных данных одного из месторождений Западной Сибири.

5) создана база данных и программное обеспечение для сбора статистических данных и расчета характеристик надежности НПТ с использованием разработанных моделей.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1) разработанные методики определения показателей надежности НПТ позволят принимать обоснованные решения на этапах разработки, внедрения и эксплуатации нефтепроводов промысловых АСУ ТП;

2) разработанное программное обеспечение облегчит труд при сборе исходных данных и расчете характеристик надежности трубопровода;

3) результаты работы могут быть применены на нефтегазодобывающих предприятиях, проектирующих и эксплуатирующих нефтепроводы промысловых АСУ ТП.

Основные положения, выдвигаемые автором на защиту:

1) методика статистической оценки характеристик надежности НПТ в зависимости от длины участка НПТ;

2) методика определения характеристик надежности НПТ с использованием моделей физики отказов и теории катастроф;

3) характеристики надежности НПТ, эксплуатируемых на месторождениях Западной Сибири с 1986 по 2007 годы, полученные с применением разработанных новых методик.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, анализ литературы по проблеме, сбор исходных данных, обработку статистических материалов, разработку математических моделей и расчет их параметров, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1-5], из которых одна [1] опубликована в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научно-технических семинарах кафедры ИВТ и заседаниях совета Факультета информационных технологий Сургутского государственного университета в 2005-2008 гг., на VII и VIII окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 23-24 ноября 2006 г., 22-23 ноября 2007 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 168 страниц, включая 60 рисунков, 29 таблиц и список использованной литературы из 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности исследования, сформулирована его цель, изложены основные положения и результаты работы, представляющие его новизну и практическую значимость.

В первой главе рассматривается текущее состояние проблемы и выполнена постановка задачи исследования.

Анализ литературных данных о существующих в настоящее время подходах к исследованию надежности нефтепромысловых трубопроводов показал:

1. Характеристики надежности НПТ приведены в нескольких работах, однако в них отсутствуют данные за последние несколько лет эксплуатации НПТ.

2. Увеличение срока разработки месторождений приводит к увеличению обводненности и коррозионной активности добываемой жидкости, что негативно сказывается на аварийности нефтепромысловых трубопроводов. Более 90% аварий на нефтепроводах произошли из-за коррозионных разрушений.

3. Довольно много работ посвящено подходу к анализу состояния НПТ, основанному на физических моделях деградации конструкционных материалов трубопроводов. Данные модели не всегда учитывают вероятностный характер процессов, происходящих при эксплуатации НПТ. Также в данных моделях отсутствует привязка к параметру времени, что затрудняет их применение в реальных условиях.

4. Удалось найти работы, в которых производится исследование ресурса и показателей надежности конструкционных элементов и деталей машин на основе моделей теории катастроф. Вместе с тем, отсутствуют сведения о применении методов теории катастроф для анализа надежности нефтепромысловых трубопроводов.

5. В сложных условиях эксплуатации диагностика технического состояния НПТ часто затруднена. Поэтому оценку изменения несущей способности и показателей надежности НПТ в процессе эксплуатации целесообразно проводить с применением математических моделей.

На основании полученных выводов и целей исследования сформулированы следующие задачи:

1) собрать и проанализировать статистические данные об аварийности, условиях эксплуатации, характеристиках и составу нефтепромысловых трубопроводов Западной Сибири;

2) разработать метод статистического анализа характеристик надежности НПТ в зависимости от протяженности;

3) разработать методику оценки характеристик надежности НПТ с использованием моделей физики отказов и теории катастроф;

4) определить характеристики надежности конкретных труб НПТ методами физики отказов и теории катастроф, выполнить системный анализ полученных результатов;

5) разработать программный комплекс для сбора статистических данных и расчета характеристик надежности НПТ по разработанным моделям.

Во второй главе производится характеристика нефтепроводов промысловых АСУ ТП как объекта исследования надежности, приводятся номенклатура и состав НПТ, характеристики материала и размеров НПТ, показатели надежности. Приведена характеристика статистических данных об отказах, разработана новая модель оценки надежности в зависимости от протяженности НПТ, произведен расчет надежности на основе данных об отказах.

Для анализа надежности НПТ были использованы новые эксплуатационные данные одного из месторождений Западной Сибири. Выборка включает в себя данные по характеристикам, составу, условиям прокладки, толщинометрии, замерам давления и отказам нефтепромысловых трубопроводов, введенных в эксплуатацию с 1986 по 2007 годы. Суммарная длина НПТ в выборке составляет порядка 2500 км.

На рис. 1 приведено распределение отказов по времени эксплуатации для всего сортамента НПТ рассмотренного месторождения. Видно, что наибольшее число отказов (порядка 75%) приходится на период с 3 по 10 годы эксплуатации. Согласно проведенному качественному анализу, распределение отказов по времени не противоречит распределению Вейбулла.

Из графика на рис. 16 видно, что для трубопроводов с давлении-ем > 2 МПа максимум отказов приходится на 3 год эксплуатации, а для трубопроводов с давлением < 2 МПа - на 6 год эксплуатации, что объясняет наличие двух локальных максимумов на 3 и 6 годах эксплуатации на гистограмме (рис. 1 а), построенной без учета давления.

53.7

и

I

О 1 г 3 4 5 6 7 В 9 1011 12 13 М 15 16 17 18 19 20 2?

О 1 2 3 4 5 $ 7 8 9 й 11 12 13 И 15 16 17 18 в 20 21

'Дли« гмся Цатггмш;

. вря« хащтаци, года

Врвкялшугашпгацы

а) б)

Рис. 1. Распределение отказов по времени эксплуатации для всего сортамента НПТ

Муравьевым И.И. и Острейковским В.А. в Сургутском государственном университете предлагается ряд моделей определения характеристик надежности по данным эксплуатации с учетом того, что система сбора и перекачки нефти представляет собой систему с распределенными параметрами. Например, вероятность безотказной работы НПТ с учетом длины отказавшего участка при зафиксированном количестве отказов НПТ предлагается считать по формуле:

//

/ы

Р*и,1,п) = -

¿о (о-/<>■£

_ы

ш

(1)

где ¿0(О ~ протяженность НПТ; /0 - протяженность отказавшего участка НПТ, м; п, - число отказов НПТ за промежуток времени от г - Д?/2 до г + Аг/2; < - время, для которого определяется ВБР.

В дополнение к указанным выше моделям предлагается использовать новый подход, основанный на рассмотрении трубопровода как системы, состоящей из последовательно соединенных элементов (участков НПТ определенной длины).

Будем считать отказом выход из строя некоторого, в общем случае небольшого, участка (элемента) трубопровода. Так как элементы трубопровода соединены последовательно, то отказ любого из них влечет за собой отказ всей системы. При восстановлении участка НПТ (замена трубы, сварочные работы и т.п.) трубопровод вновь переходит в работоспособное состояние. Анализ статистических данных показал, что в 7% отказов производится замена труб, в остальных случаях порыв ликвидируется установкой хомутов, бандажей, сварочными работами. Таким образом, ремонт НПТ после отказа обычно носит локальный характер и затрагивает лишь небольшой участок трубопровода.

Получена формула для расчета вероятности безотказной работы НПТ в зависимости от протяженности:

I

P*(t,l,n) =

( им

ш

L

(2)

где Lo(t) - суммарная протяженность НПТ, участвующих в выборке; I, -длина элемента трубопровода; I - длина НПТ, рассчитываемого на надежность; л, - число отказов НПТ за промежуток времени от t-At/2 до t + Af/2 ,• t - время, для которого определяется ВБР.

На основе формул (1) и (2) произведен расчет надежности НПТ. На рис. 2 изображена ВБР для всей номенклатуры НПТ в зависимости от времени эксплуатации для участков длиной 150 и 300 м: 1 - расчет по формуле (1), 2 - расчет по формуле (2).

Анализ значений ВБР для всей номенклатуры НПТ показывает, что имеются различия в результатах расчета по формулам (1) и (2). Так, для участка НПТ длиной 150 м на 5 году эксплуатации значения ВБР по формулам (1) и (2) составляют 0,927 и 0,931 соответственно, а на 20 году эксплуатации значения ВБР составляют 0,803 и 0,821, то есть

разрыв значений увеличивается. Для участка НПТ длиной 300 м значения ВБР по формулам (1) и (2) составляют 0,857 и 0,867 на 5 году эксплуатации, 0,607 и 0,673 на 20 году. То есть, с увеличением времени эксплуатации до 20 лет разница значений ВБР для участка длиной 300 м составляет 0,07 или порядка 10%. Заметим, что расхождения в результатах, полученных по формулам (1) и (2) тем больше, чем больше длина участка НПТ и срок его эксплуатации.

Третья глава посвящена обзору имеющихся методов и разработке математических моделей для оценки надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП с использованием физики отказов и теории катастроф.

На трубопровод в процессе эксплуатации воздействует комплекс внешних и внутренних факторов, которые можно представить в виде векторного случайного процесса S(t). В дальнейшем эти факторы будем называть нагрузкой. К ним относятся: температура, давление, вибрации, состав транспортируемой жидкости, скорость течения жидкости, тип потока, состав грунта. Под воздействием комплекса нагрузок S(i) в материале трубопровода протекают физико-химические процессы, обуславливающие старение и износ материала, зарождение и развитие трещин. Свойство объекта воспринимать нагрузки и противостоять им называется несущей способностью R(i). Несущая способность, также как и нагрузка, представляет собой векторный случайный процесс. Объект будет работоспособен, если функция условия работоспособности не отрицательна, т.е.

У(Л, 5, 0 = R(0 - S(t) > 0. (3)

Под действием нагрузки S(t) несущая способность объекта R(t) непрерывно во времени уменьшается до тех пор, пока объект не выйдет

[-*-,-*— 1Йм —*—.—«—эоо«Г| tner Рис. 2. Вероятность безотказной работы всей номенклатуры НПТ

из строя. Время Т безотказной работы однозначно определяется функцией распределения q(t) = Р{Т < /} или вероятностью отказа. Функция q(t) объекта зависит от значений несущей способности и нагрузки, значений параметров их законов распределения, а также от взаимосвязи функций R(t) и S(t).

При независимых между собой нагрузке и несущей способности и распределении случайных величин нагрузки и несущей способности по нормальному закону вероятность отказа будет равна

О, - со < г < 0;

6(0 =

1

-Ф

'7(0-1

VAfaHo + Al

0 < t < оо.

(4)

где Л5(0 - коэффициент вариации нагрузки; Ац(() - коэффициент вариации несущей способности; //(/) - коэффициента запаса:

mR(t)

As(t) =

17(0 =

'MO

ms(t)

Наиболее соответствующей практике эксплуатации трубопроводов является следующая модель «нагрузка - несущая способность» (ННС): нагрузка - стационарный случайный процесс с параметрами /%(/) = ms<i = const и &s(t) = <Tj = const, где m - математическое

ожидание, а - среднее квадратическое отклонение, ms, crs - значения

параметров в начальный момент времени; несущая способность - нестационарный случайный процесс с монотонно убывающим математическим ожиданием

Д(0 = (5)

где - случайная величина несущей способности в начальный момент времени; ip(t) — неслучайная функция «усталости» объекта (далее без кавычек).

В качестве основного показателя несущей способности НГТТ выбрана толщина стенки трубопровода 5. Для математического описания изменения математического ожидания mK(t) и среднего квадратического

отклонения ок(С) во времени целесообразно использовать показательную и линейную зависимости:

f{t) = cedt, (6)

<р(0 = с +dt. (7)

Анализ статистических данных показал, что имеется существенная связь между внутренним давлением трубопровода и уровнем аварийности НПТ. Поэтому в качестве показателя нагрузки для модели ННС выбрано внутреннее давление трубопровода.

В качестве эксплуатационных данных для определения параметров деградации (уменьшения толщины стенки) в модели ННС взяты данные ультразвукового контроля толщины стенок НПТ, собранные за период с 2002 по 2006 гг., а также данные за период с 1984 по 1999 гг., использованные в работе A.B. Сметанина «Системный физико-статистический анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов». В совокупности, выборка по толщинометрии охватывает период с 1984 по 2006 гг. На рис. 3 приведены модели изменения математического ожидания mR(t) и среднеквадратического отклонения aR(t) для НПТ 530 х 7,5 мм.

а) б) Рис. 3. Модели изменения математического ожидания тл(г) (а) и среднеквадратического отклонения ак(1) (б) толщины стенки НПТ 530 х 7,5 мм: о - значение по данным статистики, --линейная модель,---экспоненциальная модель

Из графиков на рис. За видно, что в пределах временного диапазона эксплуатационных наблюдений за толщиной стенки НПТ разница между линейной и экспоненциальной моделями незначительна. При прогнозировании дальнейшего изменения средней толщины стенки трубопроводов различие возрастает со временем. При этом экспоненциальная модель дает более оптимистический прогноз, т.е. дает более высокие значения показателей надежности НПТ.

Приведенные на рис. 36 графики свидетельствуют о том, что для прогнозирования изменения среднеквадратического отклонения во времени предпочтительно использование линейной модели. Показательная модель в данном случае дает очень быстрое возрастание параметра як при прогнозировании значений за пределами временного диапазона эксплуатационных наблюдений толщины стенки трубопроводов, что может привести к заниженным величинам показателей надежности в дальнейших расчетах. Линейная модель изменения согласуется с данными наблюдений.

Для анализа уровня нагрузки были проанализированы замеры начального давления в НПТ, объем выборки составил 751 замер. Начальное давление в НПТ варьируется от 0,5 до 2,7 МПа. Гистограмма частот выборки измерений давления (нагрузки) приведена на рис. 4.

Теоретической основой описания внезапных изменений в поведении систем служит теория катастроф, истоками которой являются две теории: теория особенностей гладких отображений Уитни и теория бифуркаций динамических систем Пуанкаре и Андронова.

В качестве основы для построения модели системы НПТ и расчета надежности была рассмотрена катастрофа сборки. Потенциальная

Дзепеше(МПз) Рис. 4. Гистограмма частот значений начального давления в НПТ

энергия, характеризующая состояние системы, для катастрофы сборки имеет вид

1 4 1 ?

ЕаЬ{х)= — х + — ах~+Ьх, (8)

где коэффициенты а и Ь - параметры управления.

Многообразие катастрофы или поверхность равновесия (рис. 5) задается уравнением

х3+ах+Ь = 0. (9)

Согласно принятому принципу максимального промедления катастрофа наступает в момент выхода параметров управления системы из зоны 5] (зона работоспособности). При этом происходит скачкообразное изменение состояния системы, называемое катастрофой.

В книге профессора В.А. Ост-рейковского «Анализ устойчивости и управляемости динамических систем методами теории катастроф» рассмотрен математический аппарат для определения вероятности катастрофы сборки. Катастрофа сборки рассмотрена со стохастических позиций. В качестве управляющих параметров были взяты изменяющиеся во времени параметры несущей способности /-(/) и нагрузки ¿(/). При этом состояние объекта определяется случайным процессом изменения детерминанта В(г, .у, ¿). Объект теряет устойчивость (наступает катастрофа), когда траектория точки (г, .у) покидает область работоспособности В\ (рис. 5), пересекая линию В2> и при этом И изменяет знак с отрицательного на положительный.

Начало

Отображение катастрофы х

Точка сборки /"

Бифуркационное множество

Л

Рис. 5. Многообразие катастрофы сборки в пространстве хаЬ

Для случая, когда случайная величина О распределена по нормальному закону формула для приближенной оценки вероятности катастрофы сборки (вероятность отказа) имеет вид:

0 = - + Ф 2

/ \

т

D

(10)

где

D=4m3R+27ml, (И)

от

al = 144ш£сг£+2916т^. (12)

Для применения модели катастрофы сборки для расчета характеристик надежности НПТ необходимо произвести замену переменных и выразить управляющие параметры а и b через параметры несущей способности r(t) и нагрузки s(f)-

Положим, что параметр управления bit) равен нагрузке s{t)

b(t) = s(t). (13)

Принимаем, что момент времени Г,=1 (момент равенства нагрузки и несущей способности) для модели ННС совпадаете моментом достижения параметрами управления а и b границы области работоспособности Bi для катастрофы сборки. На основе этого положения представляется возможным выразить параметр катастрофы a(t) через несущую способность r(t) и нагрузку s(t) для линейной модели изменения несущей способности и фиксированной нагрузки:

a(t) = -r(t) + s(t)

_ з

27 s(t)2

(14)

Используя (13) и (14) производится переход от модели «нагрузка - несущая способность» к модели катастрофы сборки для принятого случая линейной модели изменения несущей способности и фиксированной нагрузки. Далее, с помощью метода, описанного выше (10), производится расчет вероятности возникновения катастрофы сборки в зависимости от времени. Данная вероятность равна вероятности отказа в теории надежности.

В четвертой главе производится расчет надежности в соответствии с моделями, изложенными в третьей главе.

Выбор расчетных формул зависит от вида законов распределения нагрузки и несушей способности в сечении случайного процесса. Если эти величины имеют нормальные законы распределения, как принято в данной работе, то расчет вероятности отказа производится по формуле (4), а вероятность безотказной работы определяется по формуле:

т=1-е(о. (15)

Средняя наработка до отказа определяется из выражения:

оо

Тср = \Р(№. (16)

о

Величина средней наработки до отказа характеризует среднее время работы НПТ. Но для рассматриваемой модели ННС исследование поведения функции запаса г](() не имеет смысла после момента времени Гг ь когда ф) < 1. Тогда средняя наработка до отказа с учетом ограничения вычисляется по формуле

\р{1)<11. (п)

о

Результаты расчета показателей надежности на основе модели ННС приведены на рис. бив табл. 2.

Таблица 2

Показатели надежности НПТ 530 х 7,5 мм для линейной модели т^)

Марка стали А„,% Аз, % Тср, лет Т*Ср, лет То.9999, лет Т0.8, лет

Ст-10 5 5 23,29 22,99 19,97 22,65

10 23,29 22,81 18,27 22,27

10 5 23,2 22,75 16,35 22,2

10 23,2 22,62 15,11 21,93

Ст-20 5 5 24,27 24,01 21,25 23,68

10 24,27 23,84 19,7 23,34

10 5 24,19 23,8 17,95 23,28

10 24,19 23,68 16,82 23,03

а) б)

Рис. 6. НПТ 530 х 7,5 мм. Зависимость ВБР от времени при А3 = 10% и линейной модели тк((): а) полный график, б) начальный момент изменения.

_-Ст-10АК = 5%,___-Ст-10 Ак= 10%,

_ . _ - Ст-10 А* = 15%, _- Ст-20 Ак = 5%,

___- Ст-20 Ак =10%,____- Ст-20 Аа = 15%

ь

Рис. 7. Отображение многообразия катастрофы сборки на плоскость

(а, Ь);----траектории

изменения параметров состояния от времени для НПТ 530x7,5 Ст-20 и Ст-10 соответственно

Результаты расчета показав катастрофы сборки приведены на р

На рис. 7 изображено отображение многообразия катастрофы сборки на плоскость управляющих параметров (а,Ь), а также проекции траекторий изменения состояния НПТ 530 х 7,5 мм от времени. В момент пересечения траекторией состояния НПТ границы бифуркационного множества и выхода из области В| происходит катастрофа (отказ НПТ). Для НПТ 530x7,5 мм из материала Ст-10 пересечение происходит через 23,3 года эксплуатации, из материала Ст-20 - через 24,3 года.

ей надежности на основе модели 8 и в табл. 3.

Рис. 8. НПТ 530x 7,5 мм. Зависимость ВБР от времени при Ак = 10% и линейной модели тРи): а) полный график, б) начальный момент изменения.

_- Ст-10 Ак = 5%,___- Ст-10 Ак = 10%,

_- Ст-20 Аа = 5%,___- Ст-20 Ая = 10%

Таблица 3

ВБР НПТ 530x7,5 мм, линейная модель /ий(/)

Марка стали Ак, % Ах, % ТСр, лет Т*Ср, лет 1*0,999. Лет То,8, лет

Ст-10 5 5 23,29 22,99 20,48 22,66

10 23,34 22,84 19,55 22,34

10 5 23,14 22,68 13,84 22,15

10 23,19 22,59 13,39 21,93

Ст-20 5 5 24,27 23,26 21,70 23,69

10 24,32 23,19 20,81 23,38

10 5 24,14 23,02 15,88 23,23

10 24,20 22,96 15,44 23,02

Было произведено сравнение результатов расчета надежности НПТ, полученных на основе использования модели «нагрузка - несущая способность» и теории катастроф. Сравнение графиков ВБР, полученных различными методами, приведено на рис. 9. Выводы, полученные в результате сравнения, приведены в п. 6 заключения.

а) б)

Рис. 9. НПТ 530 х 7,5 мм.

Зависимость ВБР от времени при А5= 5% и линейной модели а) полный график, б) начальный момент изменения. ВБР по теории катастроф:_- Ст-10 Ак = 5%,__. - Ст-10 Ак = 10%.

ВБР по ННС:_- Ст-10 Ак = 5%,___- Ст-10 Ак = 10%

Была разработана база данных и программное обеспечение для обработки статистических данных по нефтепромысловым трубопроводам. Целью создания базы данных было обеспечение ввода и хранения в удобном виде паспортных данных трубопровода, данных об отказах и замерах толщинометрии, а также расчет показателей надежности НПТ.

В заключении сформулированы следующие теоретические и практические результаты работы:

1. Впервые проанализированы статистические данные по эксплуатации НПТ, введенных в эксплуатацию в период с 1986 по 2007 годы. Выборка составлена для НПТ суммарной длиной около 2500 км и включает в себя данные о номенклатуре НПТ, отказах, толщинометрии, замерах давления, условиях прокладки. Использование большого объема статистических данных за последние годы эксплуатации позволило получить более достоверные сведения о надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП.

2. Разработан и предложен новый метод расчета надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП как системы, состоящей из последовательно соединенных элементов. Данный метод позволяет производить оценку характеристик надежности НПТ в зависимости от его

длины. С использованием нового метода рассчитаны характеристики надежности НПТ на основе статистических данных об отказах.

3. Впервые применена теория катастроф в расчете характеристик надежности нефтепроводов промысловых АСУ ТП. На основе катастрофы сборки и модели «нагрузка - несущая способность» разработана модель расчета вероятности безотказной работы НПТ. Переход от модели «нагрузка - несущая способность» к модели катастрофы сборки произведен с помощью замены переменных, при этом в качестве управляющих параметров приняты величины нагрузки и несущей способности, зависящие от времени. Разработанная модель может быть применена для широкой номенклатуры НПТ при известных законах изменения нагрузки и несущей способности.

4. В качестве несущей способности при расчетах надежности принята толщина стенки НПТ, в качестве параметра нагрузки принято начальное давление в трубопроводе. На основе статистических данных о замерах толщинометрии и замерах давления получены величины и модели изменения нагрузки и несущей способности. Всего проанализировано 38 выборок для 10 видов НПТ. Общий объем статистики - 1954 замера. Из 38 выборок 29 имеют объем менее 50 замеров, 6 - от 50 до 100 замеров, 3 — более 100 замеров. Объем выборки по давлению в НПТ-751 замер.

5. Методами физики отказов и теории катастроф произведен расчет следующих характеристик надежности НПТ: вероятность отказа и вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, наработка до заданного уровня ВБР, выигрыш по вредней наработке до отказа и по наработке до заданного уровня ВБР. Характеристики надежности рассчитывались для НПТ 530 х 7,5 мм и 159 х 7 мм, изготовленных из материалов Ст-10, Ст-20, СтЗСП.

6. Произведено сравнение результатов расчета характеристик надежности, полученных различными методами. Анализ показал довольно высокую степень соответствия вероятностей безотказной работы НПТ, полученных методами физики отказов и теории катастроф при невысоких коэффициентах вариации нагрузки и несущей способности. При повышении значений AR и As различия ВБР становятся более заметными, особенно в начале и в конце периода эксплуатации. В целом,

разница в средней наработке до отказа ТСР не превышает 0,1 года. При этом время достижения уровня ВБР 0,999 различается более существенно и при высоких коэффициентах вариации AR и As составляет около четырех лет.

7. Создана база статистических данных по НПТ и программное обеспечения для расчета характеристик надежности разработанными методами. Использование данного ПО позволяет производить группировку НПТ по различным параметрам для обеспечения максимальной однородности выборки и производить расчет характеристик надежности внутри выборок. В состав ПО также входят средства для ввода новых статистических данных.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Силин Я.В., Острейковский В.А. К методу статистического анализа надежности нефтепромысловых трубопроводов // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». -М.: ВНИИОЭНГ, 2008. - № 5 - С. 43-49.

2. Острейковский В.А., Силин Я.В. Статистический анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2008. http://www.ogbus.ru/authovs/-Ostreikovskiy/Ostreikovskiy_l.pdf. - 13 с.

3. Силин Я.В. Анализ методов физики отказов и теории катастроф для оценки надежности нефтепромысловых трубопроводов // Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах: сб. науч. тр. каф. автоматизированных систем обработки информации и управления. Вып. 5 / отв. ред. Ф.Ф. Иванов; Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2008. - С. 36-46.

4. Силин Я.В. Анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов Западной Сибири // Наука и инновации XXI века: мат-лы VII Окр. конф. молодых ученых, Сургут, 22-23 нояб. 2007 г.: в 2 т. / Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2008. - Т. 1. - С. 33-34.

5. Силин Я.В. Качественный анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов методами физики отказов // Наука и инновации XXI века: мат-лы VII Окр. конф. молодых ученых, Сургут, 23-24 нояб. 2006 г.: в 2 т. / Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2007. - Т. 1. -С. 43-45.

Силин Яков Владимирович

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОВОДОВ ПРОМЫСЛОВЫХ АСУ ТП МЕТОДАМИ ФИЗИКИ ОТКАЗОВ И ТЕОРИИ КАТАСТРОФ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.2008 г. Формат 60><84/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100. Заказ № Б-92.

Отпечатано в полиграфическом отделе издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Лермонтова, 5. Тел. (3462) 32-33-06

ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.