автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование и анализ рисков на стадиях проектирования и эксплуатации трубопроводов

На правах рукописи

РГВ од

; с Г-

Федоров Александр Станиславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РИСКОВ НА СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ГАЗОПРОВОДА "РОССИЯ-ТУРЦИЯ")

05.13.16 - применение вычислительной техи ■ »атематического моделирования и математических методов в к исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова и в ОАО «Газпром».

Научный руководитель

д.т.н. проф. Корнюшко В.Ф.

Официальные оппоненты:

д.т.н. проф. Кузин Р.Е. д.т.н. проф. Максимов В.М.

Ведущая организация

ВНИИГАЗ

Защита состоится " 19 " " декабря " 2000 года в 16 час. на заседании диссертационного совета К 063.41.02 в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова по адресу: 117571, г. Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им.М.В.Ломоносова (г. Москва, ул. Малая Пироговская, 1).

Реферат разослан " 17 "" ноября " 2000 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

Бурляева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Наблюдающаяся в последние годы устойчивая динамика роста числа техногенных аварий со все более тяжелыми экологическими, экономическими и социальными последствиями в различных отраслях Российской промышленности (в том числе и в газовой) имеет свои причины, определяемые логикой развития крупного промышленного производства, увеличением масштабов добычи и переработки сырья, ростом мощностей установок и аппаратов, усложнением технологий и режимов эксплуатации оборудования и, как следствие, существенным возрастанием вероятности возникновения аварий. Методы анализа и оценки риска, используемые на этапе проектирования, должны помочь в правильном, с точки зрения безопасности, выборе варишггов научных и инженерных решений; применение же их при рассмотрении уже существующих объектов должно позволить грамотно подойти к осуществлению мер по управлению риском: разработать дополнительные системы и элементы защиты, планы эффективных аварийных мероприятий, модифицировать технологию, рационально распределить капиталовложения.

Основанием для проведения работ по исследованию рисков является Федеральный Закон РФ "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" от 21 декабря 1994 года и Федеральный Закон РФ "О промышленной безопасности" от 25 декабря 1996 года. Этими законодательными актами предписывается проведение анализа риска как основного инструмента, позволяющего на количественной основе судить о безопасности промышленного объекта. Заметное место в этой проблематике занимает оценка рисков и безопасность трубопроводов, широко используемых в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Особенно важным является исследование рисков магистральных газопроводов и выработка практических рекомендаций по их оценке. Актуальность выбранного направления исследований обусловлена целым рядом специфических особенностей этих объектов (они являются объектами повышенной опасности, имеют значительную протяженность, восприимчивы к весьма широкому спектру внешних и внутренних факторов, имеют относительно низкий уровень защищенности и т.д.) и имеющихся тенденций (устойчивый рост общей протяженности газопроводов, как за счет длины, так и за счет количества ниток, более напряженные параметры эксплуатации и др.). Именно эти особенности и тенденции уже привели к возникновению и росту числа крупных аварий с тяжелыми экологическими и экономическими последствиями.

В этой связи особую роль играют исследования безопасности глубоководного магистрального трубопровода большого диаметра через Черное море, разрабатываемого ОАО "Газпром" в рамках проекта "Голубой поток". Уникальность и сложность осуществления проекта, сложные условия эксплуатации, геополитические и географические особенности зоны строительства предъявляют повышенные требования к надежности и промышленной безопасности на весь срок эксплуатации газопровода, что и обуславливает актуальность темы данного исследования.

Целью работы является: создание методов, моделей и алгоритмов оценки рисков технологической эксплуатации подземных и подводных магистральных трубопроводов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

• исследуются статистические закономерности потоков отказов трубопроводов, причин и последствий различных видов аварий магистральных трубопроводов (МТ);

• анализируются существующие математические модели механических повреждений трубопроводов, обосновывается выбор математических моделей для инженерного анализа рисков повреждений трубопроводов;

• обобщается и модифицируется алгоритм синтеза ЕЬ^-модели для статистического прогнозирования частот отказов МТ по причине механических повреждений на основе распределения Вейбулла;

• разрабатывается методика анализа устойчивости свободных пролетов глубоководных МТ;

• разрабатывается метод анализа и способ защиты от локального и лавинного смятия глубоководного газопровода Россия - Турция;

• на основе методов компьютерного моделирования выполнена оценка последствий полного разрыва подводного трубопровода и поведения газоводяной струи в толще и на поверхности воды;

• анализируется степень риска сооружения трубопровода в рамках проекта "Голубой поток".

Научная значимость и новизна работы заключается в:

• разработке структурно-функциональной модели системного анализа и оценки риска эксплуатации трубопроводов;

• модификации и исследовании чувствительности ЕИ-модели статистического прогнозирования отказов трубопроводных систем в результате механических повреждений;

• разработке методов анализа динамической устойчивости свободных пролетов подводных трубопроводов;

• разработке методов анализа локального и лавинного смятия глубоководных трубопроводов.

Практическая значимость работы заключается в результатах:

• статистического анализа основных причин и динамики аварий подземных и подводных газопроводов различных диаметров;

• разработки программного обеспечения для построения и анализа Е118-модели;

• выработке практических рекомендаций по строительству глубоководной части газопровода "Россия - Турция" и оценке риска при его строительстве и эксплуатации.

Апробация работы:

Основные результаты работы представлены:

• на 21-ом Мировом газовом конгрессе во Франции, г. Ницца, 6-9 июня 2000 года;

• на Втором Европейском симпозиуме по морской механике, г. Москва, июнь 1999 года;

• на Международной научно-практической конференции «Сотрудничество между странами Черноморского региона, как важный фактор экологически приемлемого энергоснабжения», г. Сочи, 21-24 апреля 1999 года;

• на 3-ей Международной конференции «Безопасность трубопроводов», 6-10 сентября, 1999 г., г. Пушкино;

• в научно-техническом совете ОАО "Газпром";

• на семинарах по экологическому мониторингу и оценке рисков в ДИЭМ, МИТХТ, МГГУ и др. в 1999-2000 г.г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 статей.

Личный вклад автора:

• разработана структурная модель системного анализа риска при эксплуатации

-динейной-части-машетральных трубопроводов;-

• модифицирована и проанализирована ЕКБ-модель статистического прогнозирования отказов трубопроводных систем;

• выбран и адаптирован метод расчета частот собственных колебаний как составной части анализа динамической устойчивости свободных пролетов подводных трубопроводов;

• разработана математическая модель и выбран критерий оптимизации расстановки усиленных вставок для снижения риска лавинного смятия глубоководных трубопроводов;

• предложены принципы модификации математической модели истечения газа из поврежденного трубопровода с учетом противодавления воды на морском участке.

Структура и объем диссертации:

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 110 страницах, включая библиографию из 88 источников, 24 рисунка и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Трубопроводы являются одним из важнейших технологических элементов химической, нефтехимической и газовой промышленности и представляют собой сложные технологические системы. Высокая пожаро- и взрывоопасность, а также ответственность за подачу реагентов, сложность строительства и эксплуатации трубопроводов, особенно подводных, а также высокая энергетическая мощность современных систем делают надежность и безопасность основными требованиями, предъявляемыми к трубопроводам.

Магистральные трубопроводы, несмотря на внешнюю конструктивную простоту, принципиально отличаются от других сооружений сложной схемой взаимодействия силовых факторов, неопределенностью напряженно-деформированного состояния, масштабностью. Подземное, а тем более подводное расположение трубопроводов затрудняет их техническую диагностику и повышает вероятность возникновения отказов Отказы на газопроводах являются следствием совокупного влияния на них силовых воздействий, изменения напряженного состояния и дефектов. Прогнозировать все возможные сочетания этих факторов практически невозможно, поэтому отказы на газопроводах следует считать событием случайным.

До настоящего времени проектирование трубопроводных систем нефтяной, газовой и химической промышленности велось без предварительной оценки и анализа риска их эксплуатации, т.е. уровня опасности для человека и окружающей среды. Таким образом, особо важное значение приобретают исследования, которые технологически связаны с процессами проектирования, стро1ггельства и эксплуатации трубопроводов и позволяют оцепить риск их технологической эксплуатации на основе системного подхода

Анализ риска при комплексном системном подходе к безопасности объекта дает информацию о возможных путях уменьшения вероятности возникновения аварий, способах локализации их последствий, выработке оптимальных организационно-технических мероприятий и плана поведения в условиях аварийных ситуаций. В общем случае опасная ситуация характеризуется по крайней мере двумя составляющими величинами - вероятностью возникновения аварии и величиной возможного экономического, экологического или социачьного ущерба. Задачи систем безопасности направлены на уменьшение обоих этих компонентов.

Инженерные системы безопасности направлены на уменьшение вероятности возникновения аварии. Организационные меры безопасности направлены на уменьшение ущерба в результате аварии. И те и другие в конечном итоге направлены на уменьшение промышленного риска.

Из сказанного выше следует, что обеспечение безопасности предполагает реализацию трех элементов в любой деятельности:

• установление целей и критериев безопасности (границ допустимых или приемлемых воздействий);

• 15разработку методов обеспечения безопасности (технологий, систем и процедур, призванмых обеспечить заданный уровень безопасности);

• управление безопасностью (обеспечение гарантированного достижения производством установленных целей безопасности).

Комплексные! анализ опасности различной физической природы предполагает и сравнение различных рисков - не только "острых" сценариев типа аварийных процессов, но и сценариев, связанных с постоянно действующими негативными факторами, приводящими к загрязнению среды обитания человека. Вероятностная природа исследуемых рисков обусловлена недетер.чинированностью трех компонентов, несташюнарностью источника, случайной природой сред распространения и неоднозначностью реакций человека на то или иное воздействие.

В зарубежной и отечественной практике основные причины отказов-аварий на трубопроводах подразделяются на пять главных категорий, которые в целом совпадают. Классификация причин аварий на трубопроводах приведена в первой главе.

Анализ аварий и их причин на газопроводах бывшего СССР охватывает период более 24 лет (1968-1991 г.г.), а на трубопроводах Российской Федерации - период с 1986 года. Распределение количества аварий по годам рассматриваемого периода близко к равномерному по каждому году, с отклонением от среднего на 15-20%. Как показывает анализ аварийности на трубопроводах СССР, распределение числа аварий по их причинам выглядит следующим образом (см. рис. 1): коррозия -45,1; брак строительно-монтажных работ (СМР) -21; механические повреждения - 9,9; нарушение правил технической эксплуатации - 4,9, прочие - 5,4; дефект трубы - 12,4; дефекты оборудования - 1, 25 %.

Особенности трубопровода как технического объекта заключается в том, что различные его конструктивные подсистемы в разной степени влияют на работоспособность. Нарушение работоспособности линейной части трубопровода происходит при отказе самих труб или сварных соединений. Отказ этих конструктивных элементов является отказом самого трубопровода. Назовем их конструктивными подсистемами группы А.

Другие конструктивные подсистемы, а именно: изоляционное покрытие, система электрохичзашиты, траншея, фунтовая засыпка, балластирующие устройства (назовем их конструктивными подсистемами группы Б) влияют на работоспособность трубопровода только через элементы подсистем группы А. Отказы элементов подсистемы группы Б являются для трубопровода повреждениями и переводят его из исправного состояния в неисправное, при этом работоспособность трубопровода сохраняется. Однако он находится в условиях прямой зависимости от внешнего воздействия. В некоторых случаях повреждение может повысить, например, уровень напряжения в металле труб или сварных соединений и принести их к отказу. Такой отказ является зависимым.

Из ожидаемого множества работоспособных или неработоспособных состояний указанных подсистем могут быть выделены около 60 комбинаций, при которых имеет место непосредственный отказ металла или сварного соединения. Проведенный анализ статистики по отказам трубопроводов за 15-летний период на общей их протяженности около 60 тыс.км позволил получить значения вероятности нахождения трубопровода в момент его отказа в наиболее характерных состояниях (см. табл. 1). Знак минус означает в данном случае состояние отказа.

□ Наружная коррозия

□ Брак строительно-монтажных работ □Дефекты труб

□ Механические повреждения ■ Прочие

□ Нарушение правил технической эксплуатации

□ Внутренняя коррозия □Дефекты оборудования

12%

Рис.1. Анализ аварий линейной части магистральных газопроводов за период эксплуатации с 1968 по 1991г.

Таблица 1

Вероятности состояний трубопроводов в момент отказа

Конструктивные шемекгы группы А N состояния Конструктивные элементы группы Б Р нахождения в состояниях отказа

Изоляция эхз балластировка грунтовая засыпка траншея

Металл труб 1 + + + + 0.04

2 + + + + 0.1

3 + + - - + 0.03

4 + + + + - 0.02

5 - + + + 0.14

6 - + - - + 0.06

7 + - - - + 0.03

8 + + - - - 0.03

Рм-0-23 Рм=0-46 0.69

Сварные соединения 9 - + + + + 0.01

10 + + + + 0.01

11 + + - - + 0.02

12 + + + - 0.02

13 - + + + 0.06

14 - + - + 0.01

15 + - + 0.01

16 + + - - - 0.02

Рсв=0-16 р£в=0.46 0.32

На основе анализа по указанным состояниям были построены гистограммы распределения времени наработки на отказ как конструктивных элементов группы А, так и конструктивных элементов группы Б. При отказах элементов группы А, связанных непосредственно с качеством труб или сварных соединений, наибольшее их количество (см. рис. 2) приходится для труб на 9-13 год эксплуатации (59%), а для сварных соединений - на 5-8 годы эксплуатации (62%).

Выполненная обработка по зависимым отказам позволила получить значение среднего времени безотказной работы элементов группы А при отказе элементов группы Б (см. табл. 2). Из табл. 2 следует, что наибольшая чувствительность собственно металла труб проявляется по отношению к двум элементам системы Б: балластирующим устройствам и характеру укладки трубопровода в траншею. Неудовлетворительное состояние балластирующих устройств снижает время безотказной работы почти в 6 раз, причем 75% отказов по этой причине происходят в течение первых двух лет эксплуатации. Примерно во столько же раз снижается наработка на отказ и при неудовлетворительной укладке трубопровода в траншею, причем на первые 3 года эксплуатации приходится около 80% всех отказов по этой причине. Полученные данные корреспондируются с уже рассмотренной выше концепцией разделения общего времени эксплуатации трубопровода на два периода, включая адаптивный, дающий более половины всех отказов.

Таблица 2

Среднее время безотказной работы элементов группы Л _при отказе элементов группы Б (годы)_

Среднее время безотказной работы конструктив ных элементов При отказе конструктивных элементов группы Б Среднее время безотказной работы (приведенное)

изоля ция ЭХЗ Балластировка тран шея изоля ция + ЭХЗ изоля ция + балла сги-ровка балласта ровка + траншея балласта ровка + ЭХЗ

Металл труб

12.4 7.8 3.74 1.95 2.07 3.73 1.8 1.65 1.63 6.41

0.23 0.04 0.1 0.03 0.02 0.14 0.06 0.03 0.03

Сварные соединения

7.3 6.7 5.03 2.27 1.77 4.69 1.69 1.45 1.35 5.43

0.03 0.01 0.01 0.02 0.02 0.06 0.01 0.02 0.01

По существу, аналогичная картина доминирующего влияния неудовлетворительного качества укладки трубопровода в траншею и некачественной его балластировки наблюдается и по времени наработки на отказ сварных соединений. Важным представляется также результат, касающийся удельного соотношения независимых и зависимых отказов металла труб и сварных соединений. Так, в 66% случаев отказ металла труб происходит по причинам, не связанным с металлургическими дефектами или дефектами заводских швов, на долю которых остается лишь 34%. Соответственно процент отказов сварных соединений из-за технологических дефектов сварки составляет около 50%, а остальная часть вызвана нарушениями технологического процесса строительства.

Низкое качество работ по разработке траншеи и монтажу балластировки является на первоначальном этапе эксплуатации одной из основных причин отказов трубопровода, причем в большей степени этот вид работ влияет на надежность сварных соединений (42% отказов для металла труб и 64% для сварных соединений), однако к 5 году эксплуатации влияние этих причин практически исчезает.

Поскольку, как было показано выше, доля зависимых отказов элементов группы А по причине отказов элементов группы Б превышает долю независимых отказов элементов группы А, принципиально важным на современном этапе развития газовой промышленности Российской Федерации становится совершенствование конструктивных решений и технологий строительства трубопроводов и, в первую очередь, в части их укладки и балластировки.

Значимыми компонентами типичной морской газотранспортной системы трубопровода являются стояки платформ, температурные компенсаторы, запорная арматура, фиттинги и ЛЧ магистрального трубопровода.

Понимание различных факторов риска повреждения и их последствий, связанных с этими компонентами, может быть получено от оценки исторических данных по случаям отказа трубопровода.

В диссертации анализируются частоты отказов подводных трубопроводов по годам, по диаметрам труб и по категориям отказов.

30% 25% 20% 15% 10%-5% 0%

а) металл

|15%|

гт

|2%

5%

№

25%т/

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 время наработки, лет

б) сварка

н

"0~

11*1 |1%| И%|

3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 время наработки, лет

.в) металл-балластировка-траншея

60%- /

50%- /

40% /

30%- /

20%- /

10%- /

0%-

(0

-0-

0 0 [Т%] 0

~д>/

1 2 3 4 5 время наработки, лет

во%

70% 60% 50%' 40% 30% 20% 10%

г) сварка-балластировка-траншея

0

1 2 3 4 5 6 время наработки, лет

о

Рнс.2. Гистограммы распределения времени наработки на отказ:

а и б - металла труб и сварных соединений при отказах балластирующих устройств и некачественно выполненной траншее; в и г - металла труб и сварных соединений, вызванных достижением этими элементами предельных состояний.

Различные причины отказа трубопроводов могут быть сгруппированы в пять основных категорий:

1. отказ материала или оборудования;

2. эксплуатационный отказ;

3. коррозия;

4. штормы/оползни;

5. механические повреждения;

6. другие причины.

Анализ показывает, что вслед за коррозией (50% отказов) идут механические повреждения вследствие внешних воздействий (20%) и повреждения, вызванные штормами и оползнями (12%), которые являются основными причинами отказов трубопроводов.

Во второй главе диссертации исследуются статистические модели потоков отказов трубопроводов от внешних механических воздействий. В основу моделирования положена модель потока отказов, разработанная отделением научных и опытно-конструкторских работ станции инженерных исследований (ERS) концерна British Gas, использующая представления о двух основных формах повреждений трубопроводов -повреждение продавливанием и образование вмятин. Процессы продавливания и вмятин труб являлись предметом изучения большого числа авторов. Обзор основных подходов приведен в диссертации. Здесь отметим, что при модификации ERS-модели потоков отказов использовались полуэмпирические модели Эниса, позволяющие описать процессы кольцевого разрушения уравнениями:

где Fh - сила кольцевого сжатия; t - толщина стенки трубопровода; аг - предел текучести; Le - эффективная длина; 5 - глубина в центре вмятин; D - внешний диаметр; Е - модуль Юнга.

В диссертации анализируются результаты экспериментального анализа уравнений (1), (2), (3) и различные их модификации, выполненные Вазкьюзом-Сиеррой, Рейзом, Верзабиски, Эллинасом, Спикхаутом и другими авторами. Определены условия применимости и точность различных моделей продавливания и разгерметизации трубопроводов.

Особенности применения методики ERS заключаются в том, что для поддержания компьютерной программы по прогнозированию частоты отказов (повреждений) необходимо регулярно обновлять и дополнять фактическими данными за прошедший период базу данных, на которой собственно и основываются прогнозы.

Использование методики ERS заключается в том, чтобы привести в соответствие статистические модели (распределения) Вейбулла и фактические данные за прошедший период. Распределение Вейбулла имеет вид:

f(x) = ABxB~l ехр(-Лхв), х>0, А,В> 0 (4)

0 < 5 < -» = 4.48* Е*Le*

5С <5 -> F„ = 4.48 * су r* Li

* S - K2f * S (2)

(1)

(3)

где х - случайная величина, А и В - параметры распределения, которые подбираются по экспериментальным данным.

Система данных ERS предполагает, что все, за исключением очень небольшой части, повреждения от внешних воздействий происходят от землеройной техники. Повреждения в результате таких воздействий были подразделены на четыре типа: образование вмятин, продавливание, растрескивание и отслаивание/выкрашивание.

Статистические модели Вейбулла согласовываются с данными, полученными из системы данных ERS относительно длины и глубины следов продавливания. Затем подсчитывается вероятность повреждений при каждой данной комбинации длины и глубины продавливания, полученные вероятности суммируются, и получается итоговое значение. Частота отказов (повреждений) трубопровода затем подсчитывается путем умножения этого результата на частоту случаев продавливания во всей системе трубопровода. Сходная методика используется для получения значения частоты повреждений для комбинации вмятин и продавливашш. Эта процедура использует полуэмпирическое уравнение отказов из области механики разрушения с коэффициентами регрессии, полученными для данного случая путем обработки 132 результатов испытаний на дефекты/вмятины.

Статистический анализ моделей Вейбулла проводился для 342 случаев продавливания и 83 случаев сочетания вмятин и продавливания. Все данные, используемые в шести вариантах распределения параметров, были получены из системы данных по отказам (повреждениям) ERS.

В диссертации приведено описание исследованных статистических данных, показаны кривые, демонстрирующие чувствительность прогнозов к изменению различных параметров трубопроводов и добавлению новых данных.

В третьей главе диссертации анализируются последствия крупных аварий на континентальных магистральных газопроводах. Анализ последствий аварий МГ, помимо оценки материального ущерба от аварий, является исходной информацией для оценки степени риска проектируемого объекта. В свою очередь, оценка риска в совокупности с затратами на его снижение до приемлемого уровня дадут четкое обоснование возможности или нецелесообразности строительства газопровода, равно как и обоснование любого другого производственного объекта.

В работе приведены описания типовых аварий магистральных газопроводов и дан их анализ. Из анализа материалов по расследованию крупных аварий и их последствий (характеристики воронки, зоны термического воздействия, зоны разлета осколков МГ), видно, что большинство аварий происходит через образование кратера, а на слабых грунтах с возгоранием. Причем доля аварий с возгоранием газа достигает величины 50-60%. '

Анализ разрушений на магистральных газопроводах ОАО "Газпром" с возгоранием газа за 1988-1992 г.г. показывает, что ежегодно примерно 1/3 аварий от общего количества происходит в результате самопроизвольного воспламенения газа. За указанный период зарегистрировано 60 аварий с воспламенением газа.

Далее в работе анализируется зона термического влияния. Показано, что термическое воздействие на окружающую среду зависит в основном от диаметра и давления газа в газопроводе, а также от погодных условий, которые увеличивают или уменьшают действие термического фактора

За период времени с 1968 по 1991 г.г. в результате аварий на газопроводах потеряно (выброшено в атмосферу) 5,308 млрд.м3 природного газа. В среднем за одну аварию потери товарного газа достигают 3,2 млн.м3, что равнозначно объему добычи газа на семи скважинах со средним дебитом 500 тыс.м3/сут.

_Помимо аварийных выбросов газа в диссертации рассмотрены и вопросы

экологического воздействия объектов газовой промышленности. В ибл. 3 пиказаны-объемы выбросов вредных химических веществ.

Таблица 3

Выбросы загрязняющих веществ на объектах газовой промышленности

(тыс.куб.м)

Загрязняющие вещества Подотрасли газовой промышленное™

Год Добыча и Транспорт и Переработка Всего

подготовка газа хранение газа газа

NOx 1992 0.55 392.6 2.85 396

1993 0.45 314.5 2.25 317

1994 0.34 237.8 1.8 239.9

СО 1992 2.6 344.3 181.1 528

1993 2.56 334.9 176.24 513.7

1994 2.5 326.0 171.46 499.96

so2 1992 2.1 - 41.6 43.7

1993 1.9 - 36.8 38.7

1994 2.05 - 40.55 42.6

сн4 1992 337.6 950.6 35.8 1324

1993 351.9 990.8 37.3 1380

1994 369.7 1041.1 39.2 1450

Всего 1992 446.3 1779 263.7 2489

1993 404.5 1612.8 238.7 2256

1994 402.5 1605 337.5 2245

Выбросы вредных химических веществ загрязняют не только атмосферу и гидросферу. В результате химических реакций окислы азота, углерода, серы способны образовывать в атмосфере соответствующие кислоты, которые, выпадая в жидком состоянии на поверхность почв, приводят к гибели растительности.

На рис. 3 показан химический состав выбросов объектов газовой промышленности.

m NOx - 239,9

Рис.3. Химический состав выбросов на объектах газовой промышленности

(тыс.м3)

На основе анализа риска химических загрязнений по статистическим данным аварий на газопроводах обоснована структура системы экологического мониторинга газопровода «Россия-Турция». Впервые в отечественной практике создания газопроводов разработана и реализована программа фонового мониторинга морского газопровода на российском участке шельфа Черного моря.

В четвертой главе диссертации приведены результаты предпроектных исследований глубоководного газопровода «Россия - Турция». Исследования включали в себя следующие основные этапы:

• детальные изыскания трассы газопровода;

• исследования труб на смятие с целью научно обоснованного выбора толщины стенки и обеспечения прочности и устойчивости сечения;

• исследования устойчивости свободных пролетов трубопровода, в частности, расчет частот их собственных колебаний;

• исследования методов защиты от лавинного смятия от действия внешнего гидростатического давления.

Интерпретация геофизических данных выявила геологические особенности и потенциальные геологические опасности по трассе газопровода и в зонах, примыкающих к ней.

Для оценки влияния геологических особенностей и потенциальных геологических опасностей на проектируемый газопровод геотехнические изыскания ставили своей задачей определить:

• типы грунтов морского дна;

• свойства грунтов, важные для разработки траншей и проектирования трубопровода;

• свойства грунтов для анализа устойчивости склонов;

• толщину геологических образований, подверженных скольжению, и возрастание прочности с глубиной;

• активность каньонов (возраст и природа предшествующих сходов);

• влияние и возможность придонных газопроявлений.

Программа отбора проб и испытаний включала:

• отбор проб с глубины от 6 до 18 м ниже уровня морского дна с использованием поршневого и желоночного пробоотборников для отбора поверхностных грунтов и вибропробоотборника для песков;

• донные испытания на пенетрацию пьезоконусом с проникновением на глубину от 5 до 40 м;

• донные испытания с помощью крыльчатки с проникновением на глубину от 5 до 20 м;

Выполненные количественные и качественные оценки геологических процессов в зоне строительства и эксплуатации газопровода подтвердили приемлемость выбранной трассы и послужили основой расчетов прочности, устойчивости и надежности газопровода.

Одним из принципиальных моментов проектирования глубоководного участка газопровода по проекту "Голубой поток" явился комплекс прочностных расчетов, включающий определение толщины стенки трубы, расчет напряженно-деформированного состояния газопровода на дне, статический и динамический расчет свободных пролетов и т.д.

При выборе толщины стенки газопровода Россия - Турция по проекту "Голубой поток" устойчивость труб на смятие от внешнего давления имела решающее значение, так как исходя именно из этого критерия была определена номинальная толщина стенки 31,8 мм для труб наружным диаметром 610 мм из стали Х65^ю_£дщнфикащпГ~ХРГ5Ь. Расчет производился для максимальнойглубш1Ы-водьг(2Т50^)и предельно допустимой

тагибной деформации в процессе монтажа пустого трубопровода с трубоукладочного :удна.

Отличительной особенностью глубоководного трубопровода является возможность юзникновения явления лавинного смятия, заключающегося в распространении с большой :коростью вдоль трубопровода зоны единожды возникшего локального смятия сечения грубы.

В диссертации получена математическая модель вероятностной оценки ущерба от «винного смятия и выведена на основе кр!гтерия минимума суммарного экономического >иска формула для оптимального числа ограничителей лавинного смятия, имеющих вид осиленных вставок.

)асстояние между которыми равно

А = —, (6)

N-1

■де Ь - длина глубоководного участка, на котором возможно явление лавинного смятия, С - стоимость одной усиленной вставки, I - длина усиленной вставки, V/ - стоимость одного югонного метра трубопровода, И- стоимость ремонта одного погонного метра рубопровода, Р - вероятность локального смятия сечения, к - число секций -рубопровода, подлежащих замене при подъеме трубопровода с целью его ремонта шдексы «С» и «Э» относятся соответственно к стадиям строительства и эксплуатации азопровода.

В этой же главе диссертации приведены результаты исследования устойчивости :вободных пролетов.

При строительстве подводных трубопроводов из-за неровностей морского дна ■югут образоваться свободные пролеты достаточно большой протяженности. В то же |ремя профилирование дна или установка промежуточных опор на больших глубинах или 1Свозможны, или сопряжены с большими трудностями и затратами. В этих условиях ¡ольшое значение приобретает расчет устойчивости свободных пролетов, так как в ряде :лучаев именно недопустимо большие пролеты могут служить ограничением при выборе рассы глубоководных трубопроводов.

В работе сформулированы основные положения метода расчета частот юбетвенных колебаний свободных пролетов, как составной части расчета на 'стойчивость. Метод функций динамической податливости позволяет учесть жеплуатационные параметры газопровода, а также оценить влияние свойств грунта юрского дна и фактических параметров промежуточных опор на устойчивость :вободных пролетов подводных трубопроводов.

В качестве примера приведем формулу для расчета частоты собственных юлсбаний двухпролетной системы.

Низшая частота собственных колебаний равна

V 2Ж (7)

2л(Ll + ¿,) V т

де и Ьг - пролеты по обе стороны опоры; Е1 - изгибная жесткость трубопровода т -югонная масса, включая массу трубы, продукта и присоединенную массу воды; ; -

оэффициент асимметричности пролета, равный

а параметр а отражает безразмерную обобщенную продольную силу и равен

а =-4-4-:-, (10)

EI

где N - фактического сжимающее усилие; р0 - наружное давление; pi- внутреннее давление в трубопроводе; d - внутренний диаметр; D - внешний диаметр трубопровода; П1Р - погонная масса продукта, перекачиваемого по трубопроводу; V - скорость течения продукта в трубопроводе.

Параметр f{a\E,) определяется расчетным путем и отражает свойства грунта и опор, т.е. фактические граничные условия.

В пятой главе диссертации приведены результаты оценки последствий полного разрыва трубопровода на мелководье.

При моделировании экологических последствий подводного разрыва газопровода возникает необходимость в решении следующих взаимосвязанных задач:

• расчет динамики аварийного выброса газа в морскую воду при разрывах на различных глубинах (скорости, расхода и массы выброшенного газа в зависимости от времени; давления и температуры газа в месте выброса);

• определение параметров турбулентной струи газа, движущейся в воде (площади поперечного сечения струи и скорости ее подъема; динамики пятна загрязнения на поверхности воды в зависимости от времени; высоты волны или фонтана над поверхностью воды; концентрации газа в поверхностном слое воды и плотности газожидкостной смеси);

• определение поражающих факторов, степени их опасности и размеров зон поражения.

Расчет зависимости расхода и массы выброшенного при аварии газа от времени проводится с помощью решения нестационарных уравнений газовой динамики с соответствующими начальными и граничными условиями. Математическая постановка задачи и методы ее решения для случая полного разрыва сухопутного газопровода рассмотрены в работах В.М.Максимова, Г.Д.Розенберга, Г.Э.Одишария н их сотрудников. При расчете последствий аварий на подводных газопроводах изменяется граничное условие в месте разрыва: нужно учитывать противодавление в окружающей водной среде, изменяющееся в зависимости от глубины.

Оценки высоты волны или фонтана над поверхностью воды, диаметра пятна загрязнения и других параметров газожидкостной струи основаны на данных, полученных в лабораторных экспериментах, пересчитанных с помощью гидродинамической теории подобия Для расчетов струи при выбросе на глубинах больше ста метров использованы данные лабораторных экспериментов Кобуса, для меньших глубин - лабораторные эксперименты, проведенные в ИПНГ РАН.

Примеры компьютерных расчетов аварийного истечения газа при гипотетическом разрыве на морском участке газопровода «Россия-Турция» приведены на рис. 4-6. Так, на рис 4 изображен профиль глубин Н(х) газопровода вдоль трассы, приведен максимальный (для обоих концов) расход газа вдоль трассы трубопровода, соответствующий началу разрыва. Нулевая отметка газопровода привязана к КС "Береговая". При оценках по максимуму учитывается очень быстрое изменение (убывание) расхода в начале выброса.

Видно, что на некотором участке трассы при разрыве не происходит истечения газа в воду, так как наружное давление воды больше давления в газопроводе в месте разрыва. Небольшое количество газа при этом, конечно, будет выброшено. Нужно отметить также, что граница этого участка несколько условна, поскольку при разрыве в расположенных^ поблизости от этих границ участках время выброса маю.

Например, расчеты показывают, что при разрывела-отметКеТП! км время выброса с обоих концов не превышает одной_\цшутыг1Т{ПГэтм предполагается, что после этого разорванные концьихруботтровода будут закрыты водяной «пробкой». Таким образом,

практически по всей абиссальной равнине при полном разрыве трубопровода значительных выбросов газа наблюдаться не будет.

X, км

Рис.4. Глубина моря Н и максимальный массовый расход О (участок до разрыва) по трассе трубопровода.

(0 = 8 млрд. куб. м/год, Р„ = 25,15 МПа)

На рис. 5 приведены результаты расчетов зависимости от времени суммарного (с двух сторон) массового расхода газа С! (кг/с) и накопленной массы М (кг) при разрыве газопровода на полное сечение в 15 км от КС (расстояния приводятся по трассе газопровода). Кран - отсекатель на КС «Береговая» закрыт через 60 с после начала выброса. Глубина воды в месте разрыва 40 м.

и ООО 36 ООО

Рис.5. Зависимость суммарного расхода газа О и накопленной массы М от времени. Разрыв в 15 км от КС "Береговая"

(0 = 8 млрд. куб. м/год, Р„ = 25,15 МПа)

На рис. 6 представлена зависимость суммарного расхода О газа и накопленной массы М от времени при разрыве на расстоянии 24,5 км. Кран - отсекатель закрыт через 240 с после начала выброса. Глубина воды в месте разрыва 1350 м.

•Е»3 7.3ЕО «Е»3

м

4.6Е«3 3E»3

в ООО >000 t. с

OE-tO

12 000 IS ООО

Рис.6. Зависимость суммарного расхода а газа и накопленной массы М от времени. Разрыв в 24,5 км от КС Береговая. ((2 = 8 млрд. куб. м/год, р„ = 25,15 МПа)

В этой же главе приведены результаты исследований анализа степени риска на этапе сооружения трубопровода в рамках проекта "Голубой поток". Анализ степени риска охватывает одну нитку трубопровода диаметром 610 мм от российского до турецкого берега. Этот трубопровод пересекает Черное море, глубина которого по трассе укладки трубы достигает 2150 метров.

Цель анализа степени риска заключается в определении и классификации по значимости возможных опасных ситуаций, а также в оценке их последствий с точки зрения выполнения графика работ по проекту и вероятности возникновения необходимости выполнения ремонта трубопровода в процессе его укладки и в предпусковой период. Риск превышения расходов на сооружение трубопровода над затратами, предусмотренными сметой, в этом анализе не рассматривался, но был произведен расчет потерь дохода за поставляемый газ из-за возможных задержек графика реализацией проекта.

Анализ степени риска показывает, что можно ожидать задержку на 12 дней по сравнению с плановой датой завершения строительства. Такая задержка представляется допустимой. Потери дохода при этом составляют 890 000 долларов США. Вероятность возникновения необходимости подводного ремонта при укладке трубопровода J-методом равна 1,4%. Эта величина также является допустимой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате выполнения работы можно сделать следующие выводы:

• исследованы статистические закономерности потоков отказов магистральных трубопроводов, выявлены и классифицированы основные причины их аварий, исследованы динамика аварий подземных и подводных газопроводов__рдаличпйх диаметров и последствия различных видов аварий; ^—-----

• проанализированы существующие математические модели механических повреждений трубопроводов1_На-оенОвании этого анализа обоснован выбор моделей

1а рисков повреждений трубопроводов;

• обобщен и модифицирован алгоритм синтеза ERS-модели для статистического прогнозирования частот отказов магистральных газопроводов причине механических повреждений на основе распределения Вейбулла, разработано программное обеспечение для построения и анализа ERS-модели, получены распределения Вейбулла для различных потоков отказов;

• разработана методика анализа устойчивости свободных пролетов глубоководных трубопроводов, основанная на методе функций динамической податливости, определены частоты собственных колебаний и условия возникновения продольного изгиба для участков газопровода Россия - Турция;

• разработан метод анализа и способ зашиты от локального и лавинного смятия глубоководного газопровода Россия - Турция, обоснован выбор толщины стенки трубопровода и способ защиты от лавинного смятия;

• на основе методов компьютерного моделирования выполнена оценка последствий полного разрыва подводного газопровода Россия - Турция;

• проанализирована степень риска при сооружении трубопровода в рамках проекта "Голубой поток" и дана оценка вероятности и величины экономических потерь при его строительстве и эксплуатации.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Ю.А.Горяинов, В.И.Резунснко, А.С.Федоров, Л.А.Кузилов. Глубоководные сотехнические изыскания газопровода Россия - Турция. Производственно-технический ;урнал "Газовая промышленность", №4, стр. 42-43, 1999 г.

2. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, А.С.Федоров, К.А.Кашунин. "Голубой поток" -ачало изысканий. Производственно-технический журнал "Газовая промышленность", г»2, стр. 38-39, 1999 г.

3. Ю.А.Горяинов, Б.Л.Фейпш, А.С.Федоров, В.В.Харноновский. Устойчивость вободных пролетов глубоководных трубопроводов. Труды Второго (1999) Европейского импозиума по Морской Механике: трубопроводы, Москва, 1999 г., стр. 53-55.

4. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, Д.С.МакКин, К.А.Кашунин, А.С.Федоров. Проект-Голубой поток": глубоководный трубопровод большого диаметра через Черное море. Сотрудничество между странами Черноморского региона как важный фактор кологичсски приемлемого энергоснабжения. Материалы Международной научно-рактичсской конференции. - М., 1999 г., стр. 103-106.

5. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, Б.Л.Фейпш, А.С.Федоров. Газопровод Россия -'урция: защита глубоководного участка от лавинного смятия. Производственно-схничсскнй журнал "Газовая промышленность", №5, стр. 82-83, 1999 г.

6. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, Б.Л.Фейгин, А.С.Федоров. Обоснование выбора олщины стенок глубоководного газопровода Россия - Турция по проекту "Голубой оток". Третья международная конференция "Безопасность трубопроводов", г.Пушкино, -10 сентября, 1999 г.

7. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, А.С.Федоров, Б.Л.Фейгин. Газопровод Россия -урция: исследования труб на смятие. Производственно-технический журнал "Газовая ромышленность",№8, стр. 15-16, 1999 г.

8. A.Fedorov. Update of ERS failure frequency prediction computer program. British Gas Ic. Research and Technology Division. Newcastle upon Tyne NE99 1LH, 26 p., 1992.

9. Ю.А.Горяинов, В.И.Резуненко, В.Е.Брянскнх, И.В.Мещерин, А.С.Федоров. .Л.Фейгин, А.Н.Блинков. Проект "Голубой поток": Единая геоинформационная база анных как основа технологического проектирования и эксплуатации морских, ззопроводов. ГИС - обозрение, 2000, №1, стр. 6-10.

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ:

1. АНАЛИЗ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ОТКАЗОВ ПОДЗЕМНЫХ И ПОДВОДНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

1.1. Анализ динамики отказов трубопроводов.

1.2. Оценка и систематизация факторов, влияющих на интенсивность отказов трубопроводов.

1.2.1. Влияние на интенсивность отказов среднего возраста трубопровода.

1.2.2. Влияние на интенсивность отказов среднего диаметра трубопроводов.

1.3. Анализ данных по отказам морских магистральных трубопроводов.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ ОТКАЗОВ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ-ЗА ПОВРЕЖДЕНИЙ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

2.1. Особенности механических разрушений трубопровода.

2.2. Математические модели механических разрушений труб.

2.2.1. Модели процесса вдавливания.

2.2.2. Модели пробоя трубы.

2.3. Статистическое моделирование потоков механических повреждений на основе ers-модели.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И АНАЛИЗ ПОСЛЕДСТВИЙ КРУПНЫХ АВАРИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ.

3.1. Вероятностное моделирование отказов конструктивных элементов трубопроводов.

3.2. Характерные аварии магистральных газопроводов из-за отказов конструктивных элементов.

3.3. Анализ последствий крупных аварий на магистральных газопроводах.

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ РИСКА ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА "РОССИЯ - ТУРЦИЯ".

4.1. Особенности проекта "Голубой поток".

4.2. Оценка влияния геологических особенностей на газопровод.

4.3. Математическая модель устойчивости пролетов глубоководных трубопроводов.

4.4. Математические модели смятия глубоководного трубопровода.

4.4.1. Модели локального смятия.

4.4.2. Модели защиты подводных трубопроводов от лавинного смятия.

5. ОЦЕНКА РИСКОВ АВАРИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА "РОССИЯ - ТУРЦИЯ".

5.1. Оценка последствий полного разрыва трубопровода на мелководье.

5.1.1. Сценарии аварий.

5.1.2. Используемые физико-математические модели и входные данные для них.

5.1.3. Расчет максимальных величин и динамики выброса газа из трубопровода при полном его разрыве.

5.1.4. Расчет максимальных величин параметров турбулентной газожидкостной струи в морской воде.

5.1.5. Расчет динамики турбулентной газожидкостной струи в морской воде.

5.2. Оценка экологического риска планируемой деятельности и ущерба природной среде.

5.3. Проектный анализ степени риска при сооружении и эксплуатации газопровода "россия-турция".

5.3.1. Плановые сценарии и оценка риска.

5.3.2. Цена задержки выполнения проекта и анализ чувствительности графика.

ВЫВОДЫ.но

Актуальность темы:

Наблюдающаяся в последние годы устойчивая динамика роста числа техногенных аварий со все более тяжелыми экологическими, экономическими и социальными последствиями в различных отраслях Российской промышленности (в том числе и в газовой) имеет свои причины, определяемые логикой развития крупного промышленного производства, увеличением масштабов добычи и переработки сырья, ростом мощностей установок и аппаратов, усложнением технологий и режимов эксплуатации оборудования и, как следствие, существенным возрастанием вероятности возникновения аварий. Методы анализа и оценки риска, используемые на этапе проектирования, должны помочь в правильном, с точки зрения безопасности, выборе вариантов научных и инженерных решений; применение же их при рассмотрении уже существующих объектов должно позволить грамотно подойти к осуществлению мер по управлению риском: разработать дополнительные системы и элементы защиты, планы эффективных аварийных мероприятий, модифицировать технологию, рационально распределить капиталовложения.

Основанием для проведения работ по исследованию рисков является Федеральный Закон РФ "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" от 21 декабря 1994 года и Федеральный Закон РФ "О промышленной безопасности" от 25 декабря 1996 года. Этими законодательными актами предписывается проведение анализа риска как основного инструмента, позволяющего на количественной основе судить о безопасности промышленного объекта. Заметное место в этой проблематике занимает оценка рисков и безопасность трубопроводов, широко используемых в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Особенно важным является исследование рисков магистральных газопроводов и выработка практических рекомендаций по их оценке. Актуальность выбранного направления исследований обусловлена целым рядом специфических особенностей этих объектов (они являются объектами повышенной опасности, имеют значительную протяженность, восприимчивы к весьма широкому спектру внешних и внутренних факторов, имеют относительно низкий уровень защищенности и т.д.) и имеющихся тенденций (устойчивый рост общей протяженности газопроводов, как за счет длины, так и за счет количества ниток, более напряженные параметры эксплуатации и др.). Именно эти особенности и тенденции уже привели к возникновению и росту числа крупных аварий с тяжелыми экологическими и экономическими последствиями.

В этой связи особую роль играют исследования безопасности глубоководного магистрального трубопровода большого диаметра через Черное море, разрабатываемого ОАО "Газпром" в рамках проекта "Голубой поток". Уникальность и сложность осуществления проекта, сложные условия эксплуатации, геополитические и географические особенности зоны строительства предъявляют повышенные требования к надежности и промышленной безопасности на весь срок эксплуатации газопровода, что и обуславливает актуальность темы данного исследования.

Целью работы является: создание методов, моделей и алгоритмов оценки рисков технологической эксплуатации подземных и подводных магистральных трубопроводов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

• исследуются статистические закономерности потоков отказов трубопроводов, причин и последствий различных видов аварий магистральных трубопроводов (МТ);

• анализируются существующие математические модели механических повреждений трубопроводов, обосновывается выбор математических моделей для инженерного анализа рисков повреждений трубопроводов;

• обобщается и модифицируется алгоритм синтеза ЕИ-Б-модели для статистического прогнозирования частот отказов МТ по причине механических повреждений на основе распределения Вейбулла;

• разрабатывается методика анализа устойчивости свободных пролетов глубоководных МТ;

• разрабатывается метод анализа и способ защиты от локального и лавинного смятия глубоководного газопровода Россия - Турция;

• на основе методов компьютерного моделирования выполнена оценка последствий полного разрыва подводного трубопровода и поведения газоводяной струи в толще и на поверхности воды;

• анализируется степень риска при сооружении трубопровода в рамках проекта "Голубой поток".

Научная значимость и новизна работы заключается в:

• разработке структурно-функциональной модели системного анализа и оценки риска эксплуатации трубопроводов;

• модификации и исследовании чувствительности ЕЯЗ-модели статистического прогнозирования отказов трубопроводных систем в результате механических повреждений;

• разработке методов анализа динамической устойчивости свободных пролетов подводных трубопроводов;

• разработке методов анализа локального и лавинного смятия глубоководных трубопроводов.

Практическая значимость работы заключается в результатах:

• статистического анализа основных причин и динамики аварий подземных и подводных газопроводов различных диаметров;

• разработки программного обеспечения для построения и анализа ЕИ^-модели;

• выработке практических рекомендаций по строительству глубоководной части газопровода "Россия - Турция" и оценке риска при его строительстве и эксплуатации.

Апробация работы:

Основные результаты работы представлены:

• на 21-ом Мировом газовом конгрессе во Франции, г. Ницца, 6-9 июня 2000 года;

• на Втором Европейском симпозиуме по морской механике, г. Москва, июнь 1999 года;

• на Международной научно-практической конференции «Сотрудничество между странами Черноморского региона, как важный фактор экологически приемлемого энергоснабжения», г. Сочи, 21-24 апреля 1999 года;

• на 3-ей Международной конференции «Безопасность трубопроводов», 6-10 сентября, 1999 г., г. Пушкино;

• в научно-техническом совете ОАО "Газпром";

• на семинарах по экологическому мониторингу и оценке рисков в ДИЭМ, МИТХТ, МГГУ и др. в 1999-2000 г.г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 статей.

Личный вклад автора:

• разработана структурная модель системного анализа риска при эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов;

• модифицирована и проанализирована ЕЯБ-модель статистического прогнозирования отказов трубопроводных систем;

• выбран и адаптирован метод расчета частот собственных колебаний как составной части анализа динамической устойчивости свободных пролетов подводных трубопроводов;

• разработана математическая модель и выбран критерий оптимизации расстановки усиленных вставок для снижения риска лавинного смятия глубоководных трубопроводов;

• предложены принципы модификации математической модели истечения газа из поврежденного трубопровода с учетом противодавления воды на морском участке.

Выводы

В результате выполнения работы можно сделать следующие выводы:

• исследованы статистические закономерности потоков отказов магистральных трубопроводов, выявлены и классифицированы основные причины их аварий, исследованы динамика аварий подземных и подводных газопроводов различных диаметров и последствия различных видов аварий;

• проанализированы существующие математические модели механических повреждений трубопроводов. На основании этого анализа обоснован выбор моделей для инженерного анализа рисков повреждений трубопроводов;

• обобщен и модифицирован алгоритм синтеза ЕКБ-модели для статистического прогнозирования частот отказов магистральных газопроводов по причине механических повреждений на основе распределения Вейбулла, разработано программное обеспечение для построения и анализа ЕКБ-модели, получены распределения Вейбулла для различных потоков отказов;

• разработана методика анализа устойчивости свободных пролетов глубоководных трубопроводов, основанная на методе функций динамической податливости, определены частоты собственных колебаний и условия возникновения продольного изгиба для участков газопровода Россия - Турция;

• разработан метод анализа и способ защиты от локального и лавинного смятия глубоководного газопровода Россия - Турция, обоснован выбор толщины стенки трубопровода и способ защиты от лавинного смятия;

• на основе методов компьютерного моделирования выполнена оценка последствий полного разрыва подводного газопровода Россия - Турция;

• проанализирована степень риска при сооружении трубопровода в рамках проекта "Голубой поток" и дана оценка вероятности и величины экономических потерь при его строительстве и эксплуатации.

1. Аргасов Ю.Н., Эристов В.Н., Шапиро В.Д., Колотилов Ю.В., Короленок A.M., Желкин В.И. Методика экспертной оценки относительного риска эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов ОАО «Газпром», Москва, 1995.

2. Белов Н.С., Куицин П.В., Девичев В.В. Анализ аварийности на газопроводах. М., ВНИИЭгазпром, 1990, Обзорная информация, серия: «Техника безопасности и охрана труда».

3. Галиуллин З.Т., Карпов С.В., Королев М.И., Трофимов С.П. Испытание трубопроводов повышенным давлением как способ повышения надежности их эксплуатации. // VIII международная деловая встреча "Диагностика-98". Москва, 1998, Т.2, С. 3-12.

4. Гриценко А.И, Босняцкий Г.П., Шилов Ю.С., Седых А.Д. Экологические проблемы газовой промышленности. М.: ВНИИГАЗ, 1993.

5. Горяинов Ю.А., Резуненко В.И., Федоров A.C., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия -Турция: исследование труб на смятие. Газовая промышленость, №8, 1999, с.15-16.

6. Горяинов Ю.А., Резуненко В.И., Федоров A.C., Кузилов JI.A. Глубоководные геотехнические изыскания газопровода Россия-Турция. Газовая промышленность, №4, 1999, с. 42-44.

7. Едигаров A.C. Прогнозирование зон воздействия при авариях на объектах газовой промышленности методами математического моделирования нестационарных термогазодинамических и массообменных процессов: дис. докт. техн. наук. Москва, ВНИИГАЗ, 1997.

8. Зоненко В.И., Ким Б.И., Яковлев Е.И. и др. Прогнозирование показателей надежности и периодичности обслуживания магистральных нефте- и продуктопроводов. // Транспорт и хранение нефти. М.: ВНИИОЭНГ, 1988, вып.7, 50 с.

9. Измалков В.И., Измалков A.B. Безопасность и риск при техногенных воздействиях. -М.: РАН, 1994, ч. 1, 154 с.

10. П.Киселев В.К., Рязанцев В.А., Тремасов Н.З. Методы и средства технической диагностики состояния линейной части магистральных трубопроводов. // Научно-технический сборник № 5-6, Сер. Диагностика оборудования и трубопроводов, Москва, 1997.

11. Кифнер Дж.Ф., Вит П.Х. Методы приоритизации обслуживания и ремонта трубопроводов. Доклад на Конференции "Оценка риска, восстановление и ремонт трубопроводов". Хьюстон, Техас, США, май 1991 г.

12. Лукьянов О.В. Разработка модели оценки экологического риска химических загрязнений при эксплуатации линейных частей МГ (на примере Зайкинского ГПП). Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., МИТХТ им.М.В.Ломоносова, Москва, 1999, 105 с.

13. Максимов В.М., Лимар Е.Е. Новый подход к оценке экологический последствий аварий на газопроводах.// Газовая промышленность, 1992, № 10, С. 22-24.

14. Максимов В.М., Розенберг Г.Д., Исаев В.И., Лимар Е.Е. Теоретические основы прогнозирования последствий аварий на газо- и конденсатопроводах. // Защита от коррозии и охрана окружающей среды. Москва, 1995, № 5, С. 8-15.

15. Мальбауер К., Усошин В.А. Об управлении степенью риска трубопроводов. // V международная деловая встреча "Диагностика-95". Москва, 1995, Т.1, С. 10-17.

16. Овчаров С. В. Разработка методов анализа риска эксплуатации магистральных трубопроводов: дис. канд. техн. наук. М., 1997.

17. Овчаров С.В., Одишария Г.Э., Сафонов B.C., Швыряев A.A. Расчет индивидуального риска от линейных источников опасности В кн.: Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология. - М.: ВНИИгаз, 1997.

18. Отчет ВНИИГАЗа по теме "Провести анализ и прогноз характера и уровней потенциальной опасности для технологического оборудования и природной среды при аварийных выбросах природного газа из промысловых трубопроводов Бованенковского ГКМ", М., 1992.

19. Оценка конструктивной надежности магистральных газопроводов на различных стадиях эксплуатации. Отчет по НИОКР, № Госрегистрации 01880088251, рук. работы Синюков A.M., ГАНГ, Москва.

20. Сафонов B.C. Разработка научно-методических основ и практический анализ риска эксплуатации объектов газовой промышленности: дис. д-ра техн. наук.-М. 1997.

21. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Овчаров С.В., Швыряев A.A. Об особенностях использования статистической информации при анализе риска в эксплуатации трубопроводов В кн.: Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология. - М.: ВНИИГАЗ, 1997.

22. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A. Комплексный анализ риска эксплуатации морских терминалов по приему, хранению и отгрузке различных видов углеводородного сырья. // "Конференция по оценке риска". ВНИИГАЗ-АМОКО, М., 1994.

23. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев A.A. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М.: Минприроды РФ, 1996.

24. Сафонов B.C., Швыряев A.A. Научно-методические особенности оценки и управления риском на объектах добычи, транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья. // "Конференция по оценке риска". ВНИИГАЗ-АМОКО. М., 1994.

25. Седых А.Д. Потери газа на объектах магистрального транспорта. М.: ИРЦ Газпром, 1993.

26. Седых А.Д., Дедиков Е.В., Ярыгин Г.А. Система экологической безопасности. // Экология в газовой промышленности, 1998, 12 с.

27. Седых А.Д., Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Овчаров С.В., Швыряев А.А. Разработка и внедрение метода анализа риска в газовой промышленности. // Материалы II Международного экологического семинара ОАО "Газпром" и фирмы "Рургаз АГ". -Москва, 1998.-С. 15-39.

28. СНиП 2.05.06.-85. Магистральные трубопроводы, М.: ЦИТП Госстроя, 1985. Наука, 1989 г.

29. Тимашев С.А., Яблонских И.Л. Экспертная система оценки риска эксплуатации линейной части магистральных газопроводов. // Восьмая Международная деловая встреча "Диагностика-98". М., ИРЦ Газпром, 1998, т. 2, стр. 156-160.

30. Федоров А.С., Горяинов Ю.А., Фейгин Б.Л., Харионовский В.В. Устойчивость свободных пролетов глубоководных трубопроводов. Труды Второго Европейского симпозиума по морской механике: трубопроводы. 7-9 июля 1999, Москва, Россия, с.53-55.

31. Федоров А.С., Горяинов Ю.А., Резуненко В.И., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия-Турция: защита от глубоководного лавинного смятия. Газовая промышленность, №5, 1999.

32. Харионовский В.В. Анализ отказов на газопроводах России и меры по повышению их безопасности. // Материалы II Международного экологического семинара ОАО "Газпром" и фирмы "Рургаз АГ". Москва. - 1998. - С. 39-48.

33. Хенли Е.Дж., Кумамото X. Надежность технических систем и оценка риска. //Пер. с англ. // Под ред. B.C. Сыромятникова. М."Машиностроение, 1984.

34. Гмурман В.Б. Теория вероятностей и математической статистики, М., Высшая школа, 1988.

35. W.K. Muhibauer. Pipeline Risk Management Manual. Gulf Publishing Company, 1992, 256p.

36. Technica. "Ethane and Ethylene Pipelines Between Mossmorran and Grangemouth, Assesment of Residual Risk", Production No 9, London, January 1983.

37. Transportation Systems Center "Transportation Safety Information Report, 1984 Annual Summary", U.S. Department of Transportation, DOT-TSC-RSPA-85-1, April 1985.

38. Pipeline Leaks and Breaks. "Minerals Management Service". US Department of Intertoi. Metainic, LA.

39. J.S.Mandke. Corrosion causes most pipeline in Gulf of Mexico. Oil and Gas Journal, Oct. 29, 1990, p.40-43.

40. Det Norske Veritas. Rules for Submarine Pipeline Systems. 1996.

41. Kyriakides S., Park T.-D., Netto T.A. On the Design of integral Buekle Arrestors for offshore Pipelines. Boss'97. -Delfi, 1997.

42. PARLOC 94: The update of loss of containment data for offshore pipelines. Offshore technology Report. Health and Safety Executive, 1995.

43. Carter D.A. Aspects of risk assessment for hazardous pipelines containing flammable substances. J.Loss Prev. Process. Ind. 1991, 4, 68-72.

44. Jones D.A. Carter D.A. Pipeline Safety Evaluation and their Relevance to land-use Planning Decisions. Pipeline Management 90. Symposium 1990.

45. D. Neville. Hazard Analyses of the Transmission System Part 2. Results of the analysis ERS Report, R.2303.

46. Corder. Hazard Analyses of the Transmission System External Interference (Dent and Couge). ERS Report, R. 3244.

47. A.Fedorov. Update of ERS failure frequency prediction computer program. British Gas pic. Research and Technology Division. Newcastle upon Tyne NE99 1LH, 26 p., 1992.

48. Jonnes D.J., Kramer G.S., Gideon D.NN., Eiber R.J. An Analysis of Reportable Incidents for Natural Gas Transmission and Gathering Lines 1970 through June 1984 AG A NG-18 Report No. 158 1986

49. Gas Pipeline Incidents. A Report of the European Gas Pipeline Incident Data Group. Pipes and Pipelines International, August 1988

50. Rudolph E.K., Bianchini M. , Gilla G. , Beuillard C., Brandt J. Performance of Oil Industry Pipelines in Western Europe CONCAME, The Hague, November 1987

51. Hopkins P. The Significance of Mechanicfl Damage in Gas Transmission Pipelines, A literature review for the EPRG ERS Report R.3643

52. Enis R.O., Bernal D.B., Burdette E.G. A Design Guide for the Evaluation of Barriers. Proc. 2nd ASCE Conf. Civil Engineering and Nuclear Power, Paper 5-6, Tennessee, September 1980.

53. Vazquerz-Sierra J.M., Martin J., Mozinn R. A Multi-Step Approach for Evaluation of Pipe Impact Effects Int. J. of Pressure Vessels and Piping, 31,1988, pp 15-28.

54. Soreide T.H., Amdahl J. Deformation Characteristics of Tubular Members with Reference tj Loads from Collision and Dropped Objects. Norwegian Maritime Research No 2, 1982.

55. Scares C.G., Soreide T.H. Plastic Analysis of Laterally Loaded Circular Tubes. J. of Structure Engineering, Vol 109,No 2, February 1983.

56. Ellinas C.P., Walker A.C. Damage on Offshore Members AIBSE Colloquim, Copenhagen, 1983.

57. Peech J.M., Koemer R.E., Pirotin D., East G.H. Local Cruch Rigidity of Pipes and Elbows. 4th Int. Conf. SMIRT, Paper F3/8, California, August 1977.

58. Reid S.R. Influence of Geometrical Parameters on the Mode of Collapse of a 'Pinched' Rigid Plastic Cylindrical Shell. Int. J. Solid Structures, Vol. 14, PI027-1043, 1977.

59. Watson A.R., Reid S.R., Johnson W. Large Deformations of Thin Walled Circular Tubes under Tansverse Loading part 3. Further Experiments on the Bending of Simply Supported Tubes. Int. J. Mechanical Science, Vol.18, pp 501-509,1976.

60. Morris A.J., Calladine C.R. Simple Upper Bound Calculations for the Indentation of Cylindrical Shells. Int. J. Mechanical Science, Vol. 13, pp 331-343, 1971.

61. Morris A.J. Experimental Investigation into the Effects of Indenting Cylindrical Shell through a Rigid Boss. J. Mechanical Engineering Science, Vol. 13, No 1, 1971.

62. Morris A.J., Calladine C. The Local Strength of a Thin Spherical Shell Loaded Through a Rigid Boss. Proc. 1st Conf. on Pressure Vessel Technology, pp 35-44, ASME, 1969.

63. Weirzbicki T., Sung M.A. Denting Analysis of Tubes under Combined Loading. MIT Report 86-5, 1986.

64. Walker A.C., Davies P. Effect of Impact Loading on Tubulars.

65. Spiekhout J., Gresnigt A.M., Koning C., Wildschut H. Calculation Models of the Evaluation of the Resistance Against Mechanical Damage of Pipelines. 3R International, 25 Jahrang Heft, April 1986, ppl98-203.

66. Spiekhout J., Gresnigt A.M., Koning C., Wildschut. The Influence of Pipewall Thickness on the Resistance to Damage of Gas Transmission Pipelines.

67. Calladine C.R. Thin Walled Elastic Shells Analysed by the Rayleigh Method. Int. J. Solid Structures, Vol. 13, 1977, pp 515-530.

68. Bijiaad P.P. Stresses from Local Loadings in Cylindrical Pressure Vessels. Petroleum Mechanical Eng. Conf., Los Angeles, California, September 1954.

69. Kiefner J.F. Fracture Initition. Fourth Symposium on Linepipe Research, AGA, Dallas, Texas, November 1969, Paper G.

70. Maxey W.A. Outside Force Defect Behavior. 7th Symposium on Linepipe Research, AGA, Houston, Texas, October 1986, Paper 14.

71. Johnson W., Ghosh S.K., Mamalis A.G., Reddy T.Y., Reid S.R. The Quasi-Static Piercing of Cylindrical Tubes or Shells. Int. J. Mechanical Science, Vol. 22, pp 9-20, 1980.

72. Johnson W., Reid S.R., Ghosh S.K. Piercing of Cylindrical Tubes. Pressure Vessels and Piping Conf., San Francisco, California, August 1980, Paper 80-C2/PVP-150.

73. Johnson W. Piercing of Cylindrical Tubes. J. Pressure Vessel Technology, Trans ASME, August 1981, p 255.