автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов формирования качества строительства линейной части магистральных трубопроводов

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М.Губкина

РГ Б ОД

. ) На правах рукописи

* ' УДК 622.691.4.052.006

Сенцов Сергей Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13 - "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа имеш им. И.М.Губкина.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники

РСФСР и БАССР, доктор технических наук, профессор В.Л.Березин

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

М.П.Карпенко

кандидат технических наук О.И.Молдаванов

Ведущее предприятие - трест "Мосгазпроводстрой"

Защита диссертации состоится г. в/б?час, на за-

седании Специализированного Совета Д 053.27.02 по защите диссертаци) на соискание ученой степени доктора технических наук по специальност! 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ" при Государственной академии нефти и газа имени им. И.М.Губки на по адресу: Москва, Ленинский пр-т, 65, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАНГ им. И.М.Губкина. Автореферат разослан

«гя- 1994 г.

Ученый секретарь Специализиров; Совета, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Прогресс в развитии всех отраслей народного хоаяйства предопределяет не только темпы их роста и развития производства, но и повышение качества выпускаемой продукции. Трубопроводное строительство, представляющее собою крупную, самостоятельную отрасль промышленного транспортного строительства, в этом плане не является исключением.

В процессе строительства формируется начальный уровень качества трубопровода, в значительной мере определяющий дальнейшее поведение трубопровода при эксплуатации. Магистральный трубопровод, как техническая система, эффективен в том случае, если качество, заложенное в его проект, сохраняется в течение всего времени, установленного для эксплуатации этой системы. Условия эксплуатации трубопровода существенно отличаются от тех условий, которые рассматриваются на стадии проектирования, поэтому параметры функционирования трубопровода оказываются далекими от расчетных значений. В связи с этим не всегда обеспечен необходимый уровень надежности при эксплуатации трубопроводов.

Исследования, выполненные автором, позволили в новой концепции представить этот вопрос: качество строительной продукции, то есть полностью законченного строительством объекта или, в данном случае, линейной части магистрального трубопровода, должно формироваться на всех этапах его создания.

Отсюда основное направление настоящего исследования может быть определено следующим образом: Исходя из концепции формирования качества полностью законченного магистрального трубопровода, разработать организационные методы повышения качества выполнения основных видов работ по проектированию, строительству и эксплуатации трубопро-

3

водов.

Цель работы. Цель диссертационного исследования заключается в разработке комплексной системы формирования качества линейной части магистральных трубопроводов (ЛЧМТ) на всех стадиях жизненного цикла, направленной на повышение надежности и эффективности трубопроводных систем.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе сформулированы, формализованы и решены следующие задачи:

1. Разработана методика оценки и прогнозирования уровня качества линейной части магистрального трубопровода в зависимости от проектных решений, определяющих конструкцию трубопровода, технологии строительства и используемых материалов, режимов и условий эксплуатации.

2. Предложена методика комплексной оценки качества строительства с учетом результатов неразрушающего контроля и оценки прочностных сеойств СЕарных соединений.

3. Разработан комплексный подход к совершенствованию технического обслуживания на основе моделей планирования сроков вывода трубопровода в ремонт.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке концепции обеспечения эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов на основе комплексного подхода к формированию качества магистральных трубопроводов, базирующегося на совокупности взаимосогласованных моделей прогнозирования, оценки и использования интегральных показателей качества линейной части магистральных трубопроводов.

Практическая ценность исследования связана с реализацией задач комплексной программы "Высоконадежный трубопроводный транспорт". Разработанные методики и алгоритмы позволяют эффективно управлять процессом формирования качества линейной части магистральных трубопроводов и научно обоснованно принимать решения по регламентации мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту ЛЧМТ.

Разработанные методики и алгоритмы приняты к использованию в ГП " Тюменьгазтехнология ". Г

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны" /п. Красный Курган, 1991 г./, Всесоюзном совещании "Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования" /г.Смоленск, 1991 г./, Всесоюзном совещании "Мониторинг нефтегазовых сооружений в условиях коррозии" /г.Суздаль, 1993 г./, Юбилейной конференции, посвященной 60-летию образования НТО НГ им. академика И.М.Губкина "Проблемы и перспективы развития нефтегазового комплекса" /г.Москва, 1994 г./..

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 4 печатных работы , без соавторов 2 .

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, определяемая возрастающими требованиями к качеству, надежности и экологической безопасности систем трубопроводного транспорта углеводородов, сформулирована цель диссертационного исследования.

В первой главе на основе обобщения и анализа практики строительства и эксплуатации трубопроводных систем и результатов предшествующих теоретических разработок сформулированы основные направления исследования.

Показано, что в настоящее время около 48% отказов трубопроводов имеют субъективные возникновения и могут быть устранены при системном подходе к формированию линейной части магистральных трубопроводов. На основании предшествующих исследований В.Л.Березина, Л.Г.Телегина, И.И.Мазура, В.Н.Шишова, О.И.Молдаванова, Э.Е.Острова, О.М.Иванцова, Е.И.Яковлева и др., а также собственных исследований автора сформулирована концепция формирования качества ЛЧМТ как непрерывного процес-

5

са, в рамках которого основные параметры, определяющие уровень качества, закладываются на стадии проектирования, обеспечиваются на стадии строительства и используются на стадии эксплуатации для разработки регламента технического обслуживания линейной части магистральных трубопроводов.

Данная концепция послужила основой для формирования цели и форму- -лирования основных задач диссертационной работы, логическое построение которой заключается в разработке методов оценки и прогнозирования показателей качества ЛЧМТ на основе проектных решений, использования математических моделей для интерпретации и комплексной оценки результатов операционного контроля качества в процессе строительства, формирования системы планирования вывода трубопровода в ремонт.

Вторая глава содержит результаты исследований связанных с определением комплексных показателей качества проектных решений и разработкой методики формирования качества линейной части магистральных трубопроводов на стадии проектирования. Выполненные исследования показали, что в качестве интегрального критерия качества проектных решений может быть принят прогнозный срок вывода ЛЧМТ в ремонт, дифференцированный по видам ремонта.

Репрезентативный статистический и экспертный анализ данных по эксплуатации системы трубопроводов Западная Сибирь-Центр позволил сформулировать совокупность факторов, определяющих сроки эксплуатации трубопроводов (рис.1.).

Математическая обработка статистических данных позволила получить регрессионное уравнение вида:

п

У(0 - Е а1Х1(Ь) ¡«1

где х - 01)1, а - коэффициент регрессии.

Рис. 1. Совокупность параметров, влиякщкх на состояние трубопровода.

Данное уравнение определяет влияние отдельных проектных решений на прогнозные сроки эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов .

Учитывая тот факт, что линейная часть магистральных трубопроводов представляет собой совокупность неоднородных участков, различающихся по конструктивным технологическим, строительно-монтажным и эксплуатационным параметрам, в работе предложено для регламентации параметров обслуживания использовать методику декомпозиции трасс трубопроводов на отдельные однородные зоны (рис.2).

Процедура зонообразования включает четыре этапа. На первом из них трасса прохождения магистрального газопровода расчленяется на локальные однофакторные зоны:

п

L(ai) = Е lj 3-1

L(cO

П)

Цйт) - Е 1з

3-1

На следующем этапе определяются границы существования каждой од-нофакторной зоны. Результаты представлены в виде матрицы Ь размерностью ( т х п ).

На третьем этапе, рассматривая поэлементно матрицу Ь, определяют ся границы искомых расчетных зон (РЗ). С этой целью фиксируется нача ло трассы С^1].!1* как верхняя граница первой РЗ и по крите-

рию:

< 'tlllK,...<illiK,..ftMlnK>

определяется ее нижняя граница.

"V"

I

-i v-

-) и

XI

Х4

XI

-) ч-I

I I

Х21

"V-> I '-V—^^ I и

-/ и

I I Ц

-1-1-1-

> ПК400 ПК700 пк860

—I-1—

пк1 пкщ

V

V

V

V

Номер участка Границы участков Протяженность Сроки вывода в ремонт по проекту Коэффициент регресии Сроки вывода в ремонт прогнозируемые

начало окончание

пк пк км лет - лет

1 0 400 40 22 0,95 20,9

2 400 700 30 20 0,75 15,0

3 700 860 16 28 0,8 22,4

т 1 ш 1л 27 0,8 21,6

Рис. 2. Разбивка участка трубопровода на однофакторные зоны.

Для определения границ любой j-й расчетной зоны справедливо соотношение: .

1зн = la-iK = mini^'lj-iK> ;

<

ljK = min

Для каждой зоны исходя из проектных решений на основе разработанной методики устанавливаются сроки обслуживания и ремонта.

Данная методика позволяет при необходимости выполнять анализ эффективности проектных решений по отдельным участкам трубопровода или по всему проекту в целом, используя в качестве критерия один из показателей эффективности.

Третий раздел диссертации посвящен разработке методов интегральной оценки качества трубопроводов в процессе строительства. Выполненные исследования показали, что интегральные показатели оценки строительства ЛЧМТ могут быть получены на основе обобщения результатов традиционных методов пооперационного неразрушающего и разрушающего контроля качества технологических операций по строительству ЛЧМТ.

В общем случае работоспособность трубопроводной системы является функцией ее показателей или R - f (zi;z2; ■ ■ ■ ;zn). В свою очередь Zi связаны с показателями обеспечения xj. Тогда R = <l>(xi;x2; ■ •. ;xr) и отклонения показателя работоспособности: 5R = <j>(5xi; 6x2;. • • ;8xk). в процессе строительства техническими условиями назначается список параметров z (чаще всего пкп), которые должны быть в пределах установленных норм при наличии дефектов Bi(l . 1,2,...,г), 1 -»число дефектов. Система считается работоспособной, если выполняются неравенства 2iimin

Zjlmin <Zji(Bi) <2з1тах,

zmrmin ^Zmr(Bl) ^zmrmax>

где глшш и глтах _ верхние и нижние границы установленных норм 3 параметров при 1 дефектов. В качестве количественной оценки работоспособности системы можно принять вероятность соответствия ее фактических параметров

Р = Рц ^цщш <211 (Ва) <2цтах>х,

x р12 {212тт <212(В2) <212тау>х, хРтг ^2тпи1п <2щг(Вг) ^тгтах} >

т.е.

т г Р = П П Рл-у=1 1-1

Под Рл понимается вероятность соответствия о параметра техническим условиям при 1 дефектах. При отсутствии взаимной корреляции контролируемых параметров можно записать:

Рл = (А-ап)/А,

где А - общее число элементов системы; ал - число аварийных состояний по з параметру при 1 дефектах.

Если 231 идентичны и имеют статистический разброс, обусловленный влиянием у и х, то распределение параметров контролируемого объекта описывают плотностью функции распределения Р(20х).

Тогда Рл можно оценить в виде

Рп < г^СВа) <2Лтах> -

2Лтах

= РС^Лтах) " ГСглтт)-

1Ш1П

Таким образом, вероятность соответствия состояния элемента или подсистемы техническим условиям определяется законом распределения (Р^л), определяемым по результатам контроля.

Таким образом, состояние трубопровода можно оценивать по степени совпадения контролируемых данных с номинальными характеристиками. Существующие в технике допуски определяют разброс в характеристиках элементов систем, при которых они выполняют свои задачи, т.е. являются работоспособными. Приближение контролируемой характеристики к границам заданной области определяет снижение работоспособности системы, а выход ее из заданной области - потерю работоспособности системы.

При использовании методов вероятностного прогнозирования необходимо определить момент, когда нарушится неравенство Рх>Рхдоп. где Рхдоп - допустимая вероятность надежной работы системы. Функция распределения чаще всего измеряется по двум вариантам: смещается шх, а 5Х либо остается постоянной, либо расширяется 5Х при постоянном шх. Исходя из этого, задачу вероятностного прогнозирования можно свести к аналитической, прогнозируя вероятностные характеристики и бх.

Диаграмму состояния строят, исходя из вероятности безопасной работы системы за определенное время, на рис. 3 кривая

п(Ю

Р(ТН) - = -

п(0)

N(1). 1(1)

Рис. 3. Диаграмма состояния трубопровода .

показывает вероятность продолжительности работы трубопровода, не превышающей время - длина исправных участков трубопроводов; п(0) - общая длина трубопроводов. Часто ее называют функцией живучести. Вероятность продолжительности безаварийной работы, не превышающей время Т, равно: (рис.3):

п(1-1)-па)

ПО = Р[(1-1)<Т<Ь] = -:-

п(0)

является плотностью распределения вероятностей, которая определяет вероятность того, что трубопровод имеет аварийное состояние в интервале времени между Ь-1 и Ь.

Вероятность отказа, показывающая, что трубопровод, проработавший до момента переходит в аварийное состояние в интервале от и

Ь, равна:

па)

Рс(0 = 1--

па-1) ь

Средний аварийный возраст показывает среднее значение случайной переменной

о?

1=1

Величина среднего аварийного возраста оценивается дисперсией:

со _

б2 = I и-^2 рс -1=1

00 _ = с с I2 рс) - а)2

В виду того, что ЛЧМТ представляет собой сложную систему, содержащую большое количество сварных конструкций, в работе рассмотрен вопрос надежности сварных конструкций.

Превалирующим фактором, от которого зависит надежность сварных конструкций, является качество сварных соединений. В свою очередь качество сварных соединений зависит от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются :

1. Тип соединения (стыковые швы, нахлесточные соединения, прикрепление фасонок и др.);

2. Качество и марки основного металла;

3. Технологические факторы (метод и режимы сварки, применяемые электроды, различные виды термической и механической обработки после иварки);

4. Наличие сварных дефектов: поры, непровары, подрезы и др.;

5. Средства и методы контроля качества.

Качество сварных соединений проявляется через основное свойство -прочность, поэтому естественно за основные показатели качества сварных соединений принять характеристики прочности:

предел текучести - бт, предел прочности - 6В и предел выносливости - б-1о.

Специфика изготовления сварных соединений накладывает отпечаток за формирование их качества. Дело в том, что основной металл в процессе сварки, как правило, не сохраняет своих первоначальных свойств.

Учет возможного снижения качества сварного соединения по сравнению с основным металлом в значительной мере зависит от применяемого метода оценки прочности.

Для сравнительной оценки качества сварного соединения и основного металла предложено использовать гамма-процентный показатель качества гварных соединений:

Щ

Ог - — ,

Иг

где Щ, - квантили распределения характеристик прочности сварного соединения и основного металла (предел прочности, предел вынос-швости и др.), отвечающие одной и той же вероятности г.

В качестве Рг для предела прочности можно брать нормативный предел прочности, указываемый в ГОСТе или ТУ (в этом случае вероятность г превысив это значение должна быть одна и та же).

Если закон распределения как VI, так и Я нормальный, то формула

15

примет вид:

W - Zï 6w QT = -

R " Zt 6r

где W,R,6w, 6r - соответственно средние значения и СКО величин W и R. Если показатель Qr определяется по статистическим данным, то:

W* - ta, к Sw Q*t =- ,

R* - tö,K Sr

где W*, R*, Sw, Sr - соответственно статистические средние значения и СКО величин W и R; tot, к - квантиль распределения Стьюдента при уровне значимости ct-1-ï и числе степеней свободы к-п-1. С учетом результатов контроля качества технологических процессов определяются прогнозные сроки обслуживания трубопроводов по формуле:

Тспр = TW ' К'1 ' Кг'

где Ki = Р(Т>1)-качество по допускам на все технологические операции; Кг = Qï - качество отдельно по сварным соединениям трубопровода. Четвертый раздел диссертационного исследования содержит результаты разработок методики планирования технического обслуживания и ремонта ЛЧМТ на основе мониторинга динамики изменения показателей, ха-

16

растеризующих качество ЛЧМТ.

Идеальная система технического обслуживания должна предусматривать четкие межремонтные сроки для элементов конструкции магистральных трубопроводов, установленные в момент приемки объекта в эксплуатацию.

Основным принципом формирования ремонтных программ является недопустимость элементов и объектов в целом в предаварийное состояние. Для этого предусматривается обязательное обслуживание трубопровода или отдельных конструктивных элементов до истечения остаточного срока службы.

Целесообразность вывода газопровода в ремонт определяется следующими критериями:

- критериями, определяющими техническое состояние трубопровода;

- критериями, определяющими параметры трубопровода;

- критериями, определяющими условия эксплуатации;

- критериями, определяющими последствия аварии газопррЕОда;

- критериями, определяющими последствия вывода газопровода в ремонт.

Техническое состояние газопровода может быть определено следующим образом:

- предаварийное;

- требующее ремонта;

- работоспособное.

Под предаварийным состоянием понимается такое техническое состояние трубопровода, при котором с вероятностью 0,9 в рамках горизонта текущего планирования (1-2 года) возможен отказ газопровода.

Состояние, требующее ремонта, определяется как состояние, при котором работоспособность газопровода с вероятностью 0,9 сохранится в пределах горизонта перспективного планирования (5 лет), но не превы-

17

сит его.

Работоспособным состоянием газопровода следует назвать такое состояние, когда остаточный ресурс работоспособности газопровода превысит 5 лет.

Алгоритм определения численного значения показателей для интегральной оценки целесообразности вывода газопровода в ремонт следующий:

- определяется состояние изоляционного покрытия электрометрическими методами;

- определяется состояние металла трубы;

- определяется техническое состояние газопровода и характер требуемого ремонта.

Если требуется ремонт, то определяется показатель приоритетности ремонта того или иного газопровода:

К = 14 • Кусл • Кр • Кн / йтах»

где Г1 - показатель приоритетности ремонта (п = 1 - для ремонта с заменой старой и дефектной изоляции; г\-2 - для ремонта с заменой изоляции и восстановлением стенки трубы или частичной заменой труб; Г1-3 - для ремонта с полной заменой труб и изоляции); Итах ~ максимально возможное значение показателя приоритетности; (? - показатель приоритетности ремонта для конкретного газопровода в относительных единицах (0<Е?<1).

В данном разделе также показано, что создание системы управления качеством может быть признано целесообразным в случае, если ожидаемые экономические потери при ее создании и применении Пк будут меньше потерь при ее отсутствии По или

Пк < По

Результаты выдаются в следующем виде:

1 N Наименова- 1 Состояние Состояние ■ Остаточ- Техни- I 1 Рекоме^ По- |

| уча- ние газо- изоляцион- металла ный ре- ческое дуемый каза-|

стка провода, ного пок- трубы сурс ме- состо- вид ре- тель |

протяжен- рытия талла яние монта прио-|

ность трубы газо- ритет-|

провода нос- |

ти Я |

| 1 2 3 4 5 6 7 8 1

| 1 Уренгой- не работо- > 5 лет С Б Ремонт 0,03 |

Ужгород удовлетво- способное с заме-

119,3 км рительное ной

изоля-

ции

1 ° Уренгой- удовлетво- работо- > 5 лет В Б Работо- 0 1

Ужгород рительное способное способ-

171 км ное со-

стояние

1 з Уренгой- не требующее 3-5 лет С Е Ремонт 0,09 |

Ужгород удовлетво- ремонта с заме-

47,6 км рительное изоля-

1 г ции 1

При отсутствии системы управления качеством ожидаемые потери составят

По = (1-Р) У,

где Р - вероятность безотказной работы трубопровода;

у - ущерб при устранении дефектов и отказов.

Видно, что использование системы управления качеством тем более эффективно, чем выше надежность самой системы, меньше затраты, связанные с ее использованием, и больше ущерб при возникновении аварийной ситуации.

Для оценки зоны эффективности разработки систем предложено использовать следующий прием (рис.4).

На основании действующих цен и норм расхода строится график функций Б} _ ^(Р) и Бг . (2(Р), где Ба - расходы на обеспечение требуемой работоспособности трубопроводной системы;

Рис.4. График оптимизации расходов на эксплуатацию трубопроводов.

2 - потери от выхода системы из строя и устранения брака; ' - вероятность безотказной работы.

^(Р) - Гг(Р) + 1"£(Р)

Минимум определяется используя ---0.

с!Р

Величина Бщт показывает целесообразный уровень затрат на обеспе-ение работоспособности.

Тогда зона, лежащая левее минимума функций о2(Л), дает зону эф-ективности разработки систем предупреждения отказа элементов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

. На основе методологии системного анализа сформулирован и разрабо-ан комплексный подход к формированию качества ЛЧМТ, формализованный виде алгоритма непрерывного контроля и управления уровнем качества ЧМТ, последовательно формируемого на этапах проектирования, сооруже-ия и эксплуатации трубопроводов.

. Предложены модели оценки и прогнозирования качества ЛЧМТ на эта-ах проектирования и строительства трубопроводов. Получены аналити-эские выражения для построения регламента технического обслуживания ремонта ЛЧМТ, рассматриваемой как линейно протяженный объект с ^определенными неоднородными конструктивными и технологическими па-зметрачи, а также режимами и условиями эксплуатации. . Разработаны модели и алгоритм планирования вывода ЛЧМТ в ремонт на :нове мониторинга динамики изменения показателей, характеризующих 1чество ЛЧМТ, в процессе эксплуатации трубопроводов.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сенцов С.И. Вопросы комплексного подхода к системе исследований качества изоляционных покрытий трубопроводов. - Тезисы Всесоюзной конференции "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны", п.Красный курган. 1991 г.

2. СенцоЕ С.И., Зоненко В.И., Васильев Г.Г. Некоторые аспекты качества изоляционного покрытия при длительной эксплуатации трубопроводов. - Тезисы Всесоюзного совещания "Проблемы защиты от коррозии нефтега-зопромыслового оборудования", г.Смоленск, 1991 г.

3. Шутов В.Е., Сенцов С.И. Повышение надежности трубопроводов в процессе эксплуатации. - Тезисы Всесоюзного совещания "Мониторинг нефтегазовых сооружений в условиях коррозии", г.Суздаль, 1993 г.

4. Сенцов С.И. Разработка методов формирования качества строительства магистральных трубопроводов. - Тезисы Всесоюзной конференции "Проблемы и перспективы развития нефтегазового комплекса страны", г.Москва, 1994 г.