автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Исследование и разработка проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения магистральных газопроводов

-г и Рижский государственный университет ^ Ц нефти и газа им. И.М. Губкина.

На правах рукописи Удк 622.691.4:681.518

ПАВЛЮЧЕНКО Борис Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНО-ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СООРУЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Березин В.Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Безкоровайный В.П.,

кандидат технических наук Велиюлш И.И.

Ведущее предприятие:

АООТ «Центртрубопроводстрой»

Защита состоится «2-^ » Я11998 г. в час. на заседании диссертационного Совета Д' 053.27.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 117917, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65.

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

Автореферат разослан «^Д"» 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В.В. Орехов

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Протяженность магистральных газопроводов (МГ) в России на начало 1998 гола сост авила более 140 тыс. км.

Аварии и даже локальные отказы на отдельных участках МГ приводят к большим экономическим потерям и являются опасными для окружающей и\ природы и людей. Общеизвестны аварии с человеческими жертвами.

Значительная часть аварий при этом приходится на переходы через реки и другие водные преграды. Большое количество переходов имеют отклонения от норм и полностью или частично оголены, лежат выше проектных отметок. Они постоянно подвержены гидродинамическим воздействиям, которые по мере накопления усталости в металле труб приводят к аварийным последствиям и даже к полному их разрушению, что сопряжено с намного большими, чем на суше, затратами ресурсов и времени.

Гели принять во внимание усиливающийся инвестиционный интерес к проектам трубопроводных экспортных систем нефти и газа, то достижение требуемого уровня качества является основополагающим, необходимым условием эффективной эксплуатации трубопроводов.

Учитывая, что проекты ремонта, реконструкции и расширения сети МГ будут реализовываться в отличных* от 80-х годов экономических условиях, в большом дефиците инвестиций, при повышении требований к сохранности окружающей среды, то развитие и внедрение адекватной проекгно-информапионной системы обеспечения качества сооружаемых газопроводов является актуальной научно-производственной проблемой, имеющей важное экономическое и социальное значение.

Цель работы.

Исходя из изложенного, в данной диссертационной работе поставлена цель - разработать основы проектно-информационной системы,

обеспечивающей возможность комплексного управления качеством создания МГ.

Достижение указанной цели происходит на основе анализа состояния действующих МГ при решении следующих задач:

• исследования и разработки моделей обеспечения качества проектирования и сооружения газопроводов;

• создания системы управления качеством сооружения газопроводов;

• разработки моделей и алгоритмов оценки и прогноза состояния МГ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на базе

новых подходов, теоретических исследований разработаны основы проектно-ш/фор, маточной системы, обеспечивающей всем участникам создания МГ возможность комплексного управления качеством его сооружения от концептуальной стадии проекта до ввода объекта в эксплуатацию. Разработана система и модель управления, учитывающие весь спектр проблем качества и дающие возможность оценивать и контролировать по принятым критериям как отдельные показатели качества, так и обеспечивать афе1 ированные показатели с учетом экономической эффективности и жолошческой безопасности, а также прогнозировать состояние МГ с течением времени.

Практическая ценность результатов, полученных в настоящей диссер!ационной работе, определяется их актуальностью для обеспечения качества при проектировании и строительстве, а также ремонте и реконструкции МГ в сложных экономических условиях, в условиях резкого повышения требований к сохранности окружающей среды. Результаты исследований получили практическое применение при разработке:

• автоматизированной системы расчета и корректировки в ходе строительства ресурсного обеспечения сооружения магистральных трубопроводов (с учетом подводных переходов) для АО "Подводтрубопроводстрой", т. Москва, 1997г.;

• основных положений системы обеспечения качества строительства подводных переходов для компании "Томскподводтрубопроводстрой", г. Томск;

• комплексной автоматизированной системы организационно-технологического проектирования сооружения подводных переходов магистральных газопроводов и необходимых баз нормативных данных для АО "Подводтрубопроводстрой", г. Москва, 1997г.;

Апробация.

Основные положения настоящей диссертации были изложены на:

1. Конференции студенческого научного общества. ГАНГ им. И.М. Губкина (1995 г.).

2. Заседании Совета стран-доноров Европейского банка реконструкции и развития (Штаб-квартира ЕБРР, Лондон, осень 1995 г.).

3. Семинаре в Государственном концерне «Несте», посвященном проблемам обеспечения надежности системы транспорта конденсата (Эспоо, Финляндия, весна 1998 г.).

4. Семинаре-совещании специалистов ОАО «Газпром», ОЫУ, ИКЭМ и др., посвященном проблемам качества проектирования и строительства газопровода Россия - Турция через акваторию Черного моря (Проект «Голубой поток»), Москва 1998 г.

5. Международном семинаре по проблемам снижения вредных выбросов из трубопроводов и компрессорных станций. (ВНИИГАЗ, Москва, осень 1998 г.).

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность поставленной в работе проблемы создания проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения МГ, определена и поставлена цель исследования к приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен системный анализ управления качеством МГ в процессе их проектирования и строительства, исследованы проблемы аварийности газопроводов, методы и алгоритмы достижения заданного уровня их качества.

Результаты многолетних наблюдений за состоянием эксплуатируемых МГ, включая контроль состояния подводных переходов, учет соответствия рабочих показателей заданным проектами параметрам, а также отклонений и аварийных (нештатных) ситуаций дают возможность объективно оценить надежность объекта, установить причины сбоев в работе конкретной газотранспортной системы и предусмотреть меры по их исключению в будущем.

На рис. 1 представлены обобщенные данные о причинах аварий на газопроводах РФ, происшедших в период с 1991 по 1996 гг. Протяженность только подводных переходов на МГ превышает 3500 км, из которых более 40% построено более 20 лет назад. Основные причины повреждений подводных переходов МГ и их удельные показатели приведены в табл. №1.

Обобщены также причины, вызывающие недостаточное качество сооружаемых и построенных МГ. Это прежде всего

- недостатки, закладываемые в процессе проектирования: а) объективные, связанные с неполноценностью норм и правил проектирования, законодательной базы, недостаточным уровням фундаментальных и прикладных исследований в области

□ Прочие причины, имеющие случайный характер

О Механические повреждения действующих МГ

□ Почвенная и внутренняя коррозия

■ Дефекты труб

/шение норм при строительстве и ремонте МГ

Среднее значение за 6 лет

Рис. 1. Основные причины аварий на МГ в 1991-1996 гг. (%).

Таблица 1

Причины повреждения подводных переходов МГ Отношение к общему кол-ву аварийных переходов МГ, %

Деформация русла с разрывом трубопровода при вибрации под воздействием потока воды 71,7

Разрыв трубопровода, не заглублешгого в дно 3,3

Механические поврежден™ трубопровода судовыми якорями, лотами 11,7

1 Повреждение трубопровода льдом 1,7

Потеря устойчивости трубопровода (недостаточная пригрузка) 6,6

Осадка набережной 1,7

Некачественная сварка стыков 3,3

ИТОГО 100

климата, гидроморфологической теории русловых процессов, вечной мерзлоты, карстовых явлений и т.п.;

б) субъективные, связанные с отступлением от норм и правил, неполным объемом изысканий, плохим техническим оснащением проектных организаций, ошибками расчетчиков и других специалистов ПИР;

- переформирование русла и берегов реки в створах переходов;

- нарушения правил и норм строительства МГ, недостаточная проработка организационно-технологических решений и отступления от них;

- отступления от правил и технологии производства отдельных видов работ (сварка, изоляция, укладка, засыпка, берегоукрепление, балластировка и т.д.);

- нарушения порядка надзора, контроля и оформления исполнительной документации при производстве скрытых работ.

В первой главе также проведены системные исследования проблем управления качеством сооружения МГ и их наиболее сложной технологической части - подводных переходов. Указанные исследования включают в себя общий анализ основных проблем и факторов, формирующих качество сооружения МГ от разработки концепции проекта до ввода его в эксплуатацию.

При этом показано, что выявление, систематизация и всесторонний анализ на самой ранней стадии проблем, возникающих при сооружении МГ, являются основополагающими условиями обеспечения их качества.

Многими учеными, специалистами-практиками изучалось воздействие гех или иных факторов на качество сооружения трубопроводов и отдельных видов строительно-монтажных работ, совершенствовались нормы и правила, процессы проектирования, техника и технология строительства, разработан и эффективно использован ряд схем управления качеством.

Благодаря этому, надежность объектов в целом и качество отдельных видов работ постоянно повышались.

Однако все многообразие проблем и их влияние на качество сооружения газопроводов, состоящих из множества сложных звеньев и при этом составляющих единое технологическое целое, на должном уровне не рассматривалось.

Предпринимаемые ранее попытки сводились, в конечном счете, к совершенствованию и ужесточению производственного контроля и надзора, которые являются хотя и действенными, но недостаточными рычагами >правления качеством сооружения и обеспечения надежности работы объекта.

Исследование причин отказов в период испытаний, пуско-наладочных работ и эксплуатации газопроводов на основе ведомственной и государственной статистики позволило установить факторы, влияющие на конечный результат - качество МГ.

Основными факторами являются следующие:

• природно-климатическая среда;

• нормы, правила, стандарты;

• персонал;

• материалы и другие ресурсы;

• сертификация производства;

• функциональная структура обеспечения качества;

• регламенты, процедуры, порядок принятия решений;

• техническое обеспечение;

• информационное обеспечение;

• объективность оценки качества.

Перечисленные факторы не исчерпывают всего множества обстоятельств, влияющих на качество сооружения объекта. Однако этого достаточно для того, чтобы определить основные характеристики управляющей системы, чтобы заказчик и подрядчики с ее помощью могли построить трубопровод с заданным уровнем качества.

В работе показано, что в ряду сложнейших проблем стоят оценка и учет влияния на объект природно-климатической среды. Природно-климатическая среда оказывает так называемое "сквозное" влияние на качество сооружения и надежность объекта, независимо от его назначения.

МГ являются объектами огромной линейной протяженности, пересекая большое количество как природных, так и искусственных препятствий.

Учет всего комплекса природно-климатических условий является одной из главнейших особенностей и трудностей, с которыми сталкиваются участники проектирования, строительства и эксплуатации МГ.

В диссертационной работе проведены также исследования взаимосвязей качества сооружения МГ и охраны окружающей среды.

Показатели, характеризующие надежность газопроводной сети, полученные более чем за 50-летний срок строительства и эксплуатации МГ,

предопределили переоценку подходов к технико-экономическим требованиям их сооружения, корректировку системы управления строительством, где главными оценками являются не сроки сдачи МГ в эксплуатацию, не экономия сметы и объемы освоения средств, а показатели качества и, как следствие, надежности МГ.

В этой связи представляется важным иметь адекватную проектно-информационную систему как практический механизм обеспечения требуемого уровня качества газопроводов.

Основным назначением указанной проектно-информационной системы обеспечения качества является, кроме учета отклонений от норм и технических требований, оценка затрат на исправление брака, корректировка графиков производства работ, расчет дополнительных затрат материальных ресурсов, денежных средств и рабочего времени.

Эта система требует специальной разработки, что и выполнено в последующих разделах диссертации.

Не менее актуальным является вопрос анализа объективности получаемых оценок, их применимости и целесообразности, который должен базироваться на следующих предпосылках и составляющих:

• полнота и точность критериев качества, в том числе:

а) установление перечня контролируемых частных и интегральных показателей;

б) определение иерархии критериев качества от наиболее низкого специализированного уровня (рабочей операции), до уровня сооружения МГ в целом;

в) определение четких границ допустимых отклонений;

• ведущие методики и программы, обеспечивающие последовательность и минимизацию погрешностей, полноту оценок по установленным критериям;

• алгоритмы принятия решений в соответствии с уровнями критериальной иерархии;

• независимость оценки на основе:

а) использования технико-технологических устройств;

б) независимых контролирующих организаций;

в) надзора государственного и регионального уровня;

• квалификация, заинтересованность и ответственность персонала за обеспечение объективности текущей оценки качества выполненных операций.

Определены, структуризированы и проанализированы основные проблемы качества сооружения МГ. А так как влияние обозначенных выше проблем на техническое состояние и экономические показатели, долговечность МГ являются решающими, то проведенное нами исследование создает базу, для построения в последующем адекватной практике системы обеспечения качества сооружения МГ с заданными свойствами надежности в процессе эксплуатации.

На основании проведенных исследований в заключительной части первой главы осуществлено построение функциональной структуры проектно-информационной системы обеспечения качества МГ. Основными функциональными подсистемами здесь являются:

• оперативное управление производственным контролем качества;

• управление нормативным хозяйством по вопросам контроля, оценки, планирования и учета качества;

• управление материально-техническим обеспечением качества;

• бухгалтерский учет и технико-экономическое планирование показателей качества;

• управление финансами (в части материального стимулирования с учетом качества);

♦ управление кадрами (обучение, переподготовка, аттестация).

По результатам исследований, изложенных в первой главе диссертационной работы, приходим к выводам:

♦ создание линейно-протяженных объектов, в отличие от локально-сгруппированных, связано с многократно большим числом сложных проблем н обязательных условий для заказчиков, подрядников, проектировщиков и иных участников;

♦ создание МГ должно учитывать одновременно федеральные, региональные и ведомственные интересы;

♦ отказы и аварии, в том числе на подводных переходах, продолжают иметь место и общее число их не только не убывает, но, в связи с ростом протяженности МГ - нарастает;

♦ конструкция, специфические условия эксплуатации МГ требуют как анатиза работы действующих, так и прогноза надежности планируемых к строительству систем;

♦ требуются новые фундаментальные и прикладные исследования и разработки для проектировщиков, конструкторов и технологов;

♦ технология, организация, методы проектирования, строительства, надзора и контроля требуют дальнейшего совершенствования и создания специальной системы обеспечения качества;

♦ руководство и ответственность за действенность системы обеспечения качества сооружения объекта должны находиться у заказчика.

Вторая глава посвящена решению задач моделирования аварийности и прогнозирования состояния МГ.

Как известно, одной из важнейших проблем ЕСГ является аварийность на трубопроводах. Следует констатировать следующий факт: аварии на; трубопроводах всегда были, есть и будут. Следовательно, усилия необходимо направить на реализацию мероприятий по уменьшению их количества, а

также на возможность их прогнозирования. Решающее слово здесь может дать подходящая эффективная математическая модель, наличие которой позволяет вовремя и точно дать соответствующий прогноз и оценки по экономическим затратам.

В этих целях автором исследован большой объем статистических данных, связанных с авариями МГ и проблемами их устранения.

Модель процесса аварийности единой системы трубопроводов (СТ) строится как интегральная модель, состоящая из двух более простых моделей - для собственно линейной части (ЛЧ) и для подводных переходов (Г1П). Такой подход вызван несколько разными статистическими закономерностями аварийности для ЛЧ и ПГ1, а также тем, что устранением аварий на ЛЧ и Г1Г1 занимаются различные подразделения. Последнее обстоятельство делает актуальным рассмотрение процессов аварийности на ЛЧ и ПП отдельно.

Некоторые результаты получены на основе вероятностного подхода с использованием методов теории надежности.

Результаты исследований могут быть использованы для решения важных в практическом плане задач прогнозирования ежегодного количества аварий, а также материального ущерба, потерь газа и др.

Рассмотрены также модели на основе аппарата дифференциальных уравнений, так как в нашем случае имеет место процесс проявления и развития некоторой физической величины во времени и можно установить факторы, которые влияют на интенсивность и скорость процесса.

Одним из эффективных приемов решения этой проблемы является формулировка и решение задач идентификации моделей.

Таким образом, для моделирования процесса аварийности на МГ использовался детерминированный и вероятностный подходы. На основе исследования создано три группы моделей:

• модель аварийности на подводных переходах;

• модель аварийности на линейной части МГ;

• объединенная модель (интегральная), учитывающая некоторые

особенности первых двух моделей.

Все полученные соотношения реализованы на ПЭВМ и доведены до возможности практического применения.

Выявление и математическое описание конкретного вида зависимостей для неизвестных значений параметров и оценка точности полученных уравнений осуществлялись на основе регрессионного анализа. В рамках этого анализа основными этапами исследования явились:

• определение класса допустимых решений, в рамках которого производится дальнейший поиск конкретного вида зависимости;

• анализ имеющихся данных и отбор наиболее информативных из них;

• определение наилучшей аппроксимации искомой зависимости;

• анализ точности полученных уравнений.

В работе дана формулировка задачи идентификации. Фактически эта задача включает несколько задач:

• сбор наиболее важных статистических данных;

• формулировка наиболее подходящих зависимостей;

• определение значений искомых параметров.

В результате решения задачи идентификации становится известным конкретный вид искомой зависимости, что дает возможность решать практические задачи. В работе осуществлен выбор численного метода оптимизации.

В последующем выполнена формализация основной задачи. В результате анализа статистических данных сделан вывод о наличии определенных функциональных связей между количеством аварий на всем трубопроводе и времени их появления. Если интенсивность аварий на каждой годовой части (ГЧ) в зависимости от времени известна, то нетрудно определить подобную функцию для всего трубопровода, который является набором всех ранее построенных частей.

В работе установлено, что для всех ГЧ зависимость интенсивности от времени будет одной и той же, отличаясь лишь постоянным множителем и сдвигом по времени.

На основе анализа качественной зависимости и построения аналитической зависимости количества аварий от времени выполнено построение модели аварийности подводных переходов МГ.

В дальнейшем, опираясь на исследования, которые были описаны выше, а также полные исследования, проведенные во второй главе в целом, приведем ниже только основные полученные результаты:

• на основании имеющихся в наличии статистических материалов о деятельности СТ сформулирован ряд предположений и предпосылок, на которых базируются разрабатываемые далее математические модели;

• для моделирования различных аспектов СТ предложено несколько подходов, среди которых основным принят детерминированный;

• два других подхода (вероятностный и дифференциальный) исследованы на формальном уровне;

• изучена и сформулирована основная задача регрессионного анализа -определение формы и вида искомых модельных зависимостей для целого ряда аспектов СТ;

• изучена и сформулирована задача идентификации моделей в виде задачи математического программирования - задачи безусловной минимизации, а также некоторые численные методы ее решения;

• разработана методика определения параметров предложенных моделей, которая была реализована на ПЭВМ в виде программного комплекса;

• предложены модели аварийности на Г1П, ЛЧ, а также интегральная модель СТ, по этим моделям получен ряд формул, которые могут использоваться для конкретных практических расчетов;

• полученные соотношения могут быть также применены для проведения практических прогнозных оценок ожидаемого количества аварий на ПП, ЛЧ, а также ожидаемого ущерба от аварий. При этом дополнительно требуется минимальная информация о МГ - его протяженность.

В третьей главе проведено исследование процесса и разработка модели обеспечения качества на стадиях проектирования и строительства МГ. Вопросы проектирования и строительства МГ рассмотрены в такой последовательности:

• описание всего множества работ;

• получение количественных оценок;

• _ достижение заданного уровня качества;

• создание автоматизированных информационных систем.

Анализ последовательности процессов проектирования МГ позволил разработать общий граф выполнения вышеназванных работ. Он представлен на рис. 2.

Построенный граф использован автором для получения интегральных оценок качества процессов проектирования. Так как представленные на нем процессы являются слабоформализуемыми или вообще неформализуемыми, применение метода балльных оценок позволяет получить необходимые количественные оценки, отражающие результат проектной операции.

На основе балльной оценки каждой проектной операции, представленной на графе, построена сводная (интегральная) модель. Ход построения следующий.

Пусть XI - балльная оценка 1 - й проектной операции. Пусть X, =0 - качество 1 - й проектной операции плохое, ее следует повторить, X, =1 - качество удовлетворительное; X, =2 - качество хорошее. Тогда, на основе топологии графа проектных операций (рис.2.) после обработки мнений экспертов-проектировщиков, специалистов эксплуатирующих организаций о

Рис. 2. Общий граф выполнения процессов проектирования магистрального

газопровода.

степени важности (весомости) каждой из отдельных операций получим, например, для Севера Тюменской области:

У5=0.25Х, + 0.1Х24-0.3Хз + 0.1Х4 + 0.25Х5; (1)

У9 = 0.1У5 + 0.15Х6 +0.15Х7 + 0.2Х« + 0.4Х9; (2) У|6 = 0.2У9 +0.05Х10+0.15Х„ +0.005Х12 + 0.07Х,З +

0.08Х,4 + 0.1Х15+0.3Х16; (3)

У2П = 0.5У,6 + 0. IX,7 + 0.2X18 + О.2Х19; (4)

где У; - результирующая балльная оценка качества на 1-й операции проектирования.

После подстановок с учетом топологии графа выполнения процессов

проектирования (рис. 2), получаем:

• для Севера Тюменской области:

У20= 0.0025X1 + 0.001Х2 + О.ООЗХз + 0.001X4 + 0.0025X5 + 0.015Х6+ 0.015Х7 + 0.02X8 + 0.04Х9 + 0.025Х10 + 0.075ХИ + (5)

0.025Х|2 + 0.035Х[з + 0.04ХМ + 0.05Х,5+ 0.15Х!6+- 0.1Х)7 +0.2Х18 + 0.2Х19.

В таком же порядке в работе получены соотношения и для Европейской части России.

Они позволяют по экспертным оценкам качества тех или иных операций проектирования рассчитывать интегральные оценки качества всего процесса в целом.

Далее автором осуществлено построение автоматизированной системы управления процессом проектирования МГ.

При этом решены задачи:

а) расчет стоимости проектных процедур;

б) расчет продолжительности проектных процедур;

в) анализ хода выполнения проектных процедур (прогноз);

г) текущий контроль качества, который "привязан" к событиям модели (рис. 2) и представляет собой формализованную обработку мнений экспертов по формуле:

j N Rj = Spy 2 Si 5=1 ¿,=1

где: ^ - интегральная оценка качества к завершению ¡-й проектной операции; 8, - удельный вес (значимость) ¡-го эксперта;

' оценка качества ьм экспертом £,-й проектной операции (1^= 1,2); N - количество экспертов;

р)у - степень влияния £,-й проектной операции на ью.

Разработанная в диссертации АСУПП состоит из трех баз данных и трех подсистем, из которых 2 являются типовыми. Для их реализации используются пакеты прикладных программ ARTEMIS или семейства PRIMA

Полученные результаты позволили нам перейти к созданию системы обеспечения качества сооружения МГ.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

• планирование качества продукции и его отдельных элементов;

• подготовка подрядного строительства, т.е. обеспечение необходимой для заданного урозня качества квалификации генподрядчика и субподрядных организаций;

• разработка системы материально-технического обеспечения;

• контроль и текущая оценка достигнутого уровня качества, включая входной, операционный и приемочный контроль операций, а также инспекционный контроль;

• информационное обеспечение (с системой сбора, обработки и передачи информации между уровнями управления проектом) и алгоритмы принятия решений;

N

25,= 1 i=l

(7)

VERA.

• метрологическое и геодезическое обеспечение технологических процессов;

• правовое обеспечение управления качеством проекта.

В работе проведен анализ структуры затрат на управление качеством, чему в отечественной практике уделяется недостаточное

внимание. На рис. 3 представлена структура (соотношение) затрат до и после внедрения системы обеспечения качества.

ю

7,5

Внешние 11,2%

Внутренние 44,8 %

Информационные 29,1 %

Предупредительные 14,9 %

Снижение затрат

10%

34%

20%

36%

Текущие

После внедрения системы КСУК

Рис.3. Структура затрат на качество.

Как видно, наряду с общим снижением затрат изменяется их структура - доля предупредительных затрат увеличивается, а доля всех других -снижается.

Ранее выполненные автором исследования позволяют перейти далее к синтезу системы управления качеством строительства ЛЧ МГ. С этой целью проведен также анализ проблемы управления с построением графиков зависимостей отказов от уровня управления качеством, учитывая, что

воздействие системы на качество должно иметь место на всех этапах сооружения объекта.

Рассмотрена методология синтеза системы управления качеством, включающая в себя ряд подсистем. При строительстве МГ основными логическими подсистемами управления качеством являются: "Контроль качества"; "Информация о качестве"; "Оценка уровня качества"; "Прогнозирование надежности"; "Принятие решений"; "Разработка и внедрение мероприятий".

В работе проанализировано влияние указанных подсистем на уровень качества объекта и их взаимосвязи. Так, подсистема "Принятие решений", направленная на достижение оптимальных технико-экономических показателей, может успешно функционировать, лишь при условии работоспособности подсистем "Контроль качества", "Информация о качестве", "Оценка уровня качества" с использованием моделей, описывающих механизм взаимодействия показателей: производительности строительно-монтажных работ, уровня качества строительно-монтажных работ, уровня контроля качества, уровня затрат на повышение качества, включая затраты на исправление некачественной продукции, а также затраты на обнаружение брака и дефектов в процессе строительства.

Подсистема прогнозирования надежности газопровода является обобщающей.

По статистическим данным при сооружении ЛЧ и ПП МГ основной объем контрольных работ падает на сварочно-монтажные, изоляционно-укладочные и земляные работы. Причем, главное внимание до настоящего времени уделялось приемочному контролю (рис. 4).

Исследования же показали, что основной задачей системы управления качеством сооружения МГ, является достижение сбалансированности показателей.

% % %

-100 -100 85-90 -100

-80 60-70 -80 -во

-60 -60 -60

-40 25-31 -40 -40 30-35

-20 4-5 -20 7-10 -20

— — 1-2 — 0,1-0,5

45-50

I II III

Этапы контроля Сварочно-монтажные работы

I . II III

Этапы контроля Изоляционно-укладочные работы

I II III

Этапы контроля Земляные работы

Рис. 4. Графики распределения контрольных операций.

I - входной, II - операционный; 111 - приемочный.

Как показывает производственный опыт, эта задача наилучшим образом выполняется при увеличении объемов входного и операционной) контроля. При этом значительно уменьшаются затраты на исправление брака.

В диссертации разработана экономико-магематческая модель сооружения трубопровода. При этом удалось формализовать описание операции контроля качества при сооружении МГ и перейти к описанию общей постановки задачи оптимального управления сооружением VIГ с учетом обеспечения заданною уровня качества и создать модель такою управления МГ.

Основываясь на результатах исследований в предыдущих ра ¡дедах работы и предшествующих исследований автора, разработана обобщенная схема управления сооружением МГ с обеспечением заданною уровня качества, представленная на рис. 5.

Исходя из этого, задача оптимального управления сооружением VII сформулирована следующим образом. Необходимо минимизирован, целевую функцию:

Проектно» Нормы,

техноло- правила,

гические технич

решения .условия

Алгоритмы

Ресурсы

[4]

Га]

М

Природно-климатические факторы

8 = Ы

Общее I венно- экономические условия

Технология

обеспечения

качества

Случайные воздействия V = [У}

Ц — р = с*

Рис. 5 Схема управления сооружением объекта с обеспечением заданного уровня качества

Ц = т'п С т (ЪМЛхГр-'Гс,)

(1, и, С]

при ограничениях: с/е О; и < и; ^ <7, , ^, , V, ^ = £

где целевая функция; й - вектор проектных решений; (I - вектор организационно-технологических решений строительства; а - вектор ресурсов; g - вектор природно-климатических факторов; р - вектор общественно-экономических условий; V - вектор случайных воздействий; с] - векгор управленческих решений по обеспечению качества; Г - функция

САГИ

м0 - заданный уровень качества; О - множество возможных

организационно-технологических решений строительства; -

множество

возможных управленческих решений; - вектор граничных ресурсов; (')} - вспомогательные выходы, т.е. отклонения контролируемых

показателей на отдельных операциях от установленных пределов; (о} -

вектор управления.

Полученные модели процессов сооружения МГ, постановки задач оптиматыюго управления сооружением позволяют построить автоматизированную систему управления качеством сооружения МГ.

Г? четвертой главе осуществлено построение системы контроля качества на аадпи тарантнйной эксплуатации МГ, что является необходимым для построения замкнутой системы, охватывающей все стадии инвестиционного цикла объекта.

Основой системы является банк данных, сформированный к моменту начата эксплуатации объекта. Банк состоит из баз: нормативных данных;

исполнительной документации; документации "как построено"; статистических данных; оперативной информации о качестве объекта.

При этом основными расчетными подсистемами являются подсистемы: математического прогнозирования; оценки текущего качества; выработки рекомендаций по повышению качества.

Далее в диссертации даны примеры применения моделей состояния газопроводов и, в частности, рассмотрены примеры вычислений количества аварий на действующих ПП и определения общего количества переходов, нуждающихся в ремонте.

Даны также примеры использования модели аварийности ЛЧ МГ; приводятся формулы, использованные для численных экспериментов.

Для стадии гарантийной эксплуатации газопровода осуществлен синтез системы информационной поддержки принятия решений.

Общие выводы.

1. На основании выполненных диссертантом исследований проблем обеспечения качества сооружения МГ определены новые подходы к построению системы обеспечения качества указанных объектов, заключающиеся в:

• разработке основ и алгоритмов проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения МГ на уровне заказчика;

• разработке количественного метода оценки качества процессов проектирования МГ и итеративных процедур модели улучшения качества процессов проектирования МГ, в т.ч. повышения качества проектирования ГШ;

• разработке принципов и структуры автоматизированной подсистемы управления проектированием и сооружением МГ;

• построении функциональной структуры проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения МГ, построении и реализации системы контроля качества на стадии эксплуатации МГ;

• разработке экономико-математической модели процессов управления качеством проектирования и сооружения МГ;

• формулировке задачи оптимального управления сооружением МГ с учетом обеспечения заданного уровня надежности.

2. Впервые для практики строительства и эксплуатации МГ в целом, в т.ч. и ПП осуществлено моделирование их аварийности и прогнозирование их состояния на перспективу (математические, в том числе вероятностные, модели прогнозирования состояния МГ, а также численные методы для оптимизационных моделей прогнозирования аварийности).

3. Все разработанные методы и модели прошли апробацию сравнением со статистическими данными об аварийности и показали свою адекватность реальной ситуации. В частности, применение разработанной и предложенной диссертантом системы обеспечения качества строительства резервных ниток ПП через реку Обь и сооружаемых в настоящее время ПП через реку Пур показало ее эффективность.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Павлюченко Б.В. Проект!го-информационная система обеспечения качества. Проблемы. Заказчики его роль. М., Научно-экономический сборник ИРЦ Газпром, № 3-5, 1997 - с. 25-35.

2. Павлюченко Б.В. Проблемы качества при строительстве магистральных трубопроводов и их анализ. М., Научно-экономический сборник ИРЦ Газпром, № 8-10, 1997 - с.27-42.

3. Павлюченко Б.В. Некоторые вопросы организации строительства подводных трубопроводов. Требования, нормы и правила. М., Научно-экономический сборник ИРЦ Газпром, № 3-5 1998 - с.48-60.

4. Шеремет В.В., Павлюченко В.М., Шапиро В.Д., Павлюченко Б.В. и др. Управление инвестициями. Справочное пособие для специалистов и предпринимателей. М., «Выс "998 - 928 с.

Павлюченко Б.В.



Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

УДК 622.691.4:681.518

Павлюченко Борис Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНО-ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СООРУЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13. -строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Березин В. Л.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Содержание.

стр.

Введение. 3

Глава I. Системный анализ проблем управления качеством сооружения магистрального газопровода. 8

1.1. Анализ качества газопроводных систем в процессе проектирования и строительства. 8

1.2. Анализ основных данных по качеству и надежности подводных переходов на действующих магистральных газопроводах ЕСГ РФ. 14

1.3. Анализ основных проблем и факторов, формирующих качество строительства. 17

1.4. Построение функциональной структуры проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения магистрального газопровода. 33 Выводы. 51

Глава II. Моделирование аварийности и прогнозирование состояния

магистральных газопроводов. 53

2.1. Выбор общих предпосылок исследования. 54

2.2. Синтез аппарата и выбор методов исследования. 58

2.3. Построение модели аварийности подводных переходов. 64

2.4. Моделирование состояния аварийности подводных переходов-ниток магистральных газопроводов. 81

2.5. Построение модели аварийности линейной части магистральных газопроводов. 89

2.6. Синтез интегральной модели аварийности газопроводов. 93 Выводы. 94

Глава III. Исследование процесса и разработка модели обеспечения

качества на стадиях проектирования и строительства магистрального газопровода. 96

3.1. Построение графа процесса проектирования магистрального газопровода. 96

3.2. Разработка модели улучшения качества процессов проектирования подводного перехода магистрального газопровода. 99

3.3. Построение автоматизированной системы управления процессом проектирования магистрального газопровода в части обеспечения качества его сооружения. 102

3.4. Анализ структуры затрат на управление качеством. 110

3.5. Синтез системы управления качеством строительства магистрального газопровода. 112 Выводы. 126

Глава IV. Построение и реализация системы контроля качества на стадии эксплуатации системы. 128

4.1. Структура проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения магистральных газопроводов. 128

4.2. Примеры применения моделей состояния газопроводов. 130

4.3. Примеры использования модели аварийности линейной части магистральных газопроводов. 132 Выводы. 137

Заключение. 139

Список литературы.

141

ВВЕДЕНИЕ

Протяженность магистральных газопроводов (МГ) в России на начало 1998 года составила более 140 тыс. км. Являясь объектами повышенной опасности, они в значительной мере определяют экологическую обстановку в коридорах прохождения многониточных газотранспортных систем.

Аварии и даже локальные отказы на отдельных участках (МГ) приводят к большим экономическим потерям и являются опасными для окружающей их природы и людей. Общеизвестны аварии с многочисленными человеческими жертвами.

Значительная часть аварий при этом приходится на речные переходы. Как показывают результаты обследования переходов через реки и другие водные преграды, в настоящее время около половины всех переходов имеют отклонения от норм и полностью или частично оголены, лежат выше проектных отметок. Эти участки постоянно подвержены дополнительным (сверхрасчетным) гидродинамическим воздействиям, которые по мере накопления усталости в металле труб приводят в конечном итоге к аварийным последствиям и даже полному разрушению подводных дюкеров.

В течении последних 25 лет из-за усиленного физического износа подводных переходов, например, только в США зарегистрировано более 1500 аварийных ситуаций, на устранение которых было затрачено около полумиллиарда долларов [10].

Отметим что, отказы и аварии на подводных переходах сопряжены с намного большими, чем на суше, затратами ресурсов и времени, особенно в малодоступных районах севера России.

Учитывая вышеизложенное, а также принимая во внимание усиливающийся инвестиционный интерес к проектам трубопроводных экспортных систем нефти и газа, естественным является повышение внимания всех заинтересованных сторон к проблеме их качества. Именно

достижение требуемого уровня качества является основополагающим, необходимым условием эффективной эксплуатации трубопроводных систем.

Исследованиям в области качества проектирования, строительства и повышения надежности магистральных трубопроводов посвящены работы: Баталина Ю.П., Березина В.Л., Бородавкина П.П., Васильева Г.Г., Динкова В.А., Иванцова О.М., Кривошеина Б.Л., Кукушкина Б.М., Левина С.И., Мальцева B.C., Молдаванова О.И., Орехова В.В., Поршакова Б.П., Седых А.Д., Телегина Л.Г., Харионовского В.В., Харитонова В.А., Чирскова В.Г. Эти проблемы в поле зрения отечественных и международных нефтяных и газовых конгрессов и других форумов. Однако надежность и качество остаются, по-прежнему, острыми вопросами повестки дня для всех участников создания МГ.

Учитывая, что проекты ремонта, реконструкции и расширения сети МГ будут реализовываться в отличных от 80-х годов экономических условиях, в большом дефиците инвестиций, повышении требований к сохранности окружающей среды, то развитие и внедрение адекватной выдвигаемым требованиям проектно-информационной системы обеспечения качества сооружаемых магистральных газопроводов является актуальной проблемой, имеющей важное экономическое и социальное значение. Отметим, что под проектно-информационной системой обеспечения качества понимаем систему, включающую критерии оценки, структуру базы и банка данных качества операций, процедуры принятия решений и алгоритмы управления процессами проектирования и строительства, математические модели, позволяющие оценивать и прогнозировать уровень качества объекта. Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертация.

Определенный задел соискателем был создан [25,26,27,47], как результат попытки осмыслить разнообразие технических, организационных и управленческих задач на основе фундаментальных работ в области теории надежности и качества систем в топливной энергетике,

[5,8,16], в области технического, рабочего и организационно-технологического проектирования строительства, теории управления проектами [46]. Автором проанализированы доминирующие в данный период научно-практические подходы к решению проблем обеспечения качества сооружения МГ и их подводных переходов, в частности в газовой и нефтегазостроительной отраслях как на уровне подрядчика, так и заказчика.

В процессе структуризации и анализа проблем качества с увязкой задач, ответственности и прав участников создания линейного объекта (от заказчика до производителя работ, мастера) были выявлены слабые звенья в обеспечении качества сооружения. Сделана попытка, найти оптимальные подходы к минимизации влияния негативных факторов на комплекс свойств объекта, определяющих его качество.

Показано, что с помощью разработки и внедрения в практику хозяйствования проектно-информационной системы обеспечения качества можно существенно повысить уровень надежности трубопроводных систем.

В результате анализа всего комплекса операций по проектированию и сооружению МГ, взаимоотношений участников инвестиционного процесса выявлена определяющая роль заказчика и его служб в формировании качества, обеспечении надежности объекта.

На основании выполненных исследований разработаны экономико-математические модели, позволяющие моделировать процесс управления формированием качества и прогнозировать его показатели.

Таким образом, потребности обеспечения надежности трубопроводных систем выдвинули в качестве объекта исследований проблемы надежности и качества магистральных газопроводов в новых правовых и экономических условиях. В связи с этим в качестве предмета исследований взяты вопросы разработки принципов и методических подходов к формированию адекватной новым правовым, экологическим

и экономическим условиям проектно-информационной системы обеспечения качества создания технически сложных объектов - МГ.

Исходя из изложенного, в данной диссертационной работе поставлена цель - разработать основы проектно-информационной системы, обеспечивающей возможность комплексного управления качеством создания МГ.

Достижение указанной цели происходит при решении следующих

задач:

• исследования и разработки моделей обеспечения качества проектирование и сооружения МГ;

• создание системы управления качеством сооружения МГ;

• разработки моделей и алгоритмов оценки и прогноза состояния МГ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на

базе новых подходов, теоретических исследований разработаны основы проектно-информационной системы, обеспечивающей, в первую очередь, заказчику, как главному субъекту создания МГ, возможность комплексного управления качеством его сооружения от концептуальной стадии проекта до ввода объекта в эксплуатацию. Участники сооружения МГ получают систему и модель управления, учитывающие весь спектр проблем качества и дающие возможность оценивать и контролировать по принятым критериям, как отдельные показатели качества, так и обеспечивать агрегированные показатели с учетом экономической эффективности и экологической безопасности.

Практическая ценность и реализация научных результатов.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе определяется их актуальностью для обеспечения качества при проектировании и строительстве, а также ремонте и реконструкции МГ, в условиях резкого повышения требований к сохранности окружающей среды.

Результаты исследований получили практическое применение при разработке:

• автоматизированной системы расчета и корректировки в ходе строительства ресурсного обеспечения сооружения магистральных трубопроводов (с учетом подводных переходов) для АО "Подводтрубопроводстрой", г. Москва, 1997г.;

• основных положений системы обеспечения качества строительства подводных переходов для компании "Томскподводтрубопроводстрой", г. Томск;

• комплексной автоматизированной системы организационно-технологического проектирования сооружения подводных переходов магистральных газопроводов и необходимых баз нормативных данных для АО "Подводтрубопроводстрой", г. Москва, 1997г.;

На защиту выносится: основы проектно-информационной системы обеспечения качества сооружения магистральных газопроводов, а также алгоритмическое обеспечение, разработанные расчетные, оптимизационные модели и методы прогнозирования показателей качества.

Глава I.

Системный анализ проблем управления качеством сооружения

магистрального газопровода.

Выявление, систематизация и всесторонний анализ на самой ранней стадии проблем, возникающих при сооружении МГ, являются основополагающими факторами обеспечения качества как каждого из его участков, так и надежности его, как объекта в целом.

Многими учеными, специалистами-практиками изучалось воздействие тех или иных факторов на качество сооружения МГ и отдельных видов строительно-монтажных работ, совершенствовались нормы и правила, процессы проектирования, техника и технология строительства, разработан и эффективно использован ряд схем управления качеством.

Благодаря этому, надежность объектов в целом и качество отдельных видов работ постоянно повышались и фактически отвечали возрастающим требованиям, предъявляемым к МГ.

1.1. Анализ качества газопроводных систем в процессе проектирования

и строительства.

На основании систематизации учетных данных служб ОАО "Газпром" выявлено, что общее количество аварий в РФ на МГ [10] за период с 1992 по 1996 гг. выросло на 40%, при росте протяженности МГ на 6% (см. табл. 1.1.).

Ущерб от аварий, происшедших на МГ только в 1995 г. в России, оценен в сумме, превышающей 7 млрд. руб. в ценах того же года.

На рис 1.1 представлены обобщенные данные о причинах аварий на МГ РФ, происшедших в период с 1991 по 1996 гг.

Таблица 1.1 Аварийность на МГ (1980 - 1996 гг.)

в том числе:

Годы Протя- Общее Дефект Дефект Наруж- Внут- Нару- Меха- Терми- Стихий- Кол-во

жен- кол-во труб обору- Брак МНГС СМР Газпром ная ренняя шение ничес- ческое ные Прочие аварии

ность, аварии дования кор- кор- правил кие воздей- бедствия на

км розия розия техники повреж- ствие 1000

в т.ч. в т.ч. эксплу- дения км

Всего сварка Всего сварка атации

С С С Р

1980 124000 81 17 1 10 3 2 1 27 13 3 4 1 - 3 0,65

1981 129000 89 14 2 16 8 2 - 35 3 - 15 1 1 - 0,68

1982 138000 52 7 - 7 3 1 1 22 3 - 9 2 - - 0,38

1983 148000 76 10 1 10 3 - - 40 3 1 8 1 1 1 0,50

1984 160000 87 8 2 15 8 5 4 34 6 4 9 - 4 1 0,55

1985 170000 99 15 1 18 12 3 3 37 2 3 14 - 1 5 0,58

1986 177000 79 7 1 14 8 2 - 24 8 4 15 - 2 2 0,45

1987 188700 91 6 - 12 7 5 5 22 6 6 25 - 3 6 0,48

1988 196000 56 8 1 6 3 3 2 19 1 4 8 - 4 2 0,28

1989 207000 66 10 5 11 8 3 2 11 2 3 17 - 3 1 0,32

1990 212000 54 8 1 7 4 2 2 16 1 5 6 - 5 3 0,25

1991 215000 43 4 - 11 7 1 1 11 2 1 8 - 2 3 0,20

Р О С С I Я

1992 138295 25 5 - 8 3 - - 4 1 1 5 - 1 - 0,18

1993 139269 30 2 2 3 - - - 11 - - 4 - 8 - 0,22

1994 142600 31 3 1 7 5 1 1 5 1 1 8 - 2 2 0,21

1995 144300 31 4 - 5 4 1 - 8 - - 10 - - 3 0,22

1996 146607 35 4 2 8 4 - - 13 - - 8 - - - 0,23

ю

В Прочие причины, имеющие случайный характер

□ Механические повреждения действующих МГ

□ Почвенная и внутренняя коррозия

■ Дефекты труб

В Нарушение норм при строительстве и ремонте МГ

1991

1993

1995

Среднее значение за 6 лет

Рис. 1.1. Основные причины аварий на МГ в 1991-1996 гг. (%)

Коррозия, нарушения норм при проектировании и строительстве, изъяны в качестве труб и механические повреждения, - общие для МГ причины снижения надежности газопроводов.

В тоже время такие специальные сооружения, как подводные переходы, кроме общих, имеют свои, только им присущие причины отказов, аварий и снижения надежности.

Общее число подводных переходов на газопроводах, принадлежащих ОАО "Газпром" составляет по состоянию на 01.01.1998г. около 1750, а протяженность подводных переходов на МГ 3500 км, из которых более 40% построено более 20 лет назад [10].

В разное время службами ОАО "Газпром", специалистами смежных отраслей производства и науки, в том числе и с участием автора были проанализированы причины повреждений и отклонений от норм и проектных решений подводных переходов.

Что касается действующих переходов, то вопросы контроля их положения, восстановительного ремонта могут решаться только по данным конкретных исследований в индивидуальном порядке в зависимости от длины перехода, глубины русловой части рек, от скорости течения, гидроморфологических процессов и т.д.

Ниже на основе анализа состояния подводных переходов дана характеристика основных причин, влияющих на надежность подводных переходов МГ.

Таблица 1.2. показывает состояние 69 подводных трубопроводов на 39 переходах (41 в США и 28 в СНГ).

Данные таблицы говорят о следующем.

Вследствие некачественной сварки или плохого качества труб, повреждения подводных трубопроводов составляют 3,3%, а повреждения подземных газопроводов (по данным на этот период) 23,7%. Это объясняется

Причины повреждения Количество Отношение к

подводных трубопроводов аварийных общему кол-ву аварийных, %

на переходах перехо- трубо- перехо- трубо-

дов проводов дов проводов

1 2 3 4 5

Деформация русла с разрывом трубопровода при вибрации под возд. 16 43 53,3 71,7

потока воды

Разрыв трубопровода, не заглубленного в дно 2 2 6,7 3,3

Механические поврежде-

ния тр-да судовыми 6 7 20 11,7

якорями, лотами

Повреждение трубопро- 1 1 3,3 1,7

вода льдом

Потеря устойчивости трубопровода (недостаточная пригрузка) 2 4 6,7 6,6

Осадка набережной 1 1 3,3 1,7

Некачественная сварка 2 2 6,7 3,3

стыка

ИТОГО 30 60 100 100

Причины аварий не 9 9 - -

установлены

ВСЕГО 39 69 - -

повышенными требованиями к контролю за качеством сварочных работ и испытаниям подводных трубопроводов до и после укладки их на переходах.

Повреждения подводных трубопроводов от коррозии на речных переходах не отмечены. На покрытых изоляцией стальных трубопроводах, пролежавших на дне речных водоемов более 25 лет, не обнаружены следы коррозии. Известны случаи повреждений от коррозии трубопроводов, проложенных в морской воде, как в США, так и в СНГ (на побережьях Тихого океана и Каспийского моря).

Механические повреждения получили семь подводных трубопроводов или 11,7% от общего числа аварийных.

Основная причина аварий подводных трубопроводов на речных переходах - разрыв труб при их вибрации под воздействием потока воды (71,7%). Это явление возникает при недостаточном заглублении трубопроводов и деформациях русла, не учтенных при проектировании переходов.

Из 60 аварий, причины которых установлены с достаточной достоверностью, в 53 случаях, что составляет 88,4%, в аварийное состояние приходили трубопроводы, не заглубленные в дно. Сюда следует отнести разрывы труб при их вибрации, механических поврежде�