автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование процессов диагностирования оборудования газового хозяйства

Введение

Глава 1. Современное состояние контроля за объектами газового хозяйства

1.1. Обзор практики оценки технического ресурса ОГХ

1.2. Теоретические разработки в области неразрушающего контроля и диагностики.

1.3. Анализ изменения состояния ОГХ.

Выводы. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Классификация с позиций диагностирования и критерии оценки технического состояния ОГХ

2.1. Определение потребности в диагностировании ОГХ

2.2. Классификация ОГХ по признаку потребности в проверке и диагностировании.

2.3. Определение критериев оценки технического состояния ОГХ.

Выводы

Глава 3. Разработка методики проверки ОГХ.

3.1. Основные принципы технического диагностирования и определения остаточного ресурса объектов подконтрольных Госгортехнадзору России.

3.2. Разработка алгоритма и частных методик диагностирования объектов газового хозяйства

3.3. Методика определения рациональной периодичности технического диагностирования ОГХ.

3.4. Организация структуры службы технического диагностирования ОГХ.

Глава 4. Результаты внедрения разработок.

4.1. Экспериментальная отработка схем АЭ-контроля

4.2. Результаты технического диагностирования ОГХ

4.3. Экономическая эффективность диагностирования

Выводы

В энергетической программе России ведущая роль в обеспечении потребности хозяйства страны отводится газовому топливу. В настоящее время в топливно-энергетическом балансе страны более 50 % занимает газ. От функционирования газовой промышленности в значительной мере зависят темпы и пропорции развития всего народного хозяйства.

Непрерывный рост использования объема газа в энергетике, промышленности, быту, а также старение газовых сетей ставят перед газораспределительными организациями (ГРО) сложные задачи по обеспечению безопасной эксплуатации объектов газового хозяйства.

За последнее десятилетие произошли существенные изменения в подходе к проблемам безопасной эксплуатации опасных промышленных объектов и представлениях, как должны развиваться энергетика, добыча, транспортировка, и переработка углеводородного сырья в техническом и коммерческом отношениях.

В свое время среди ученых и технических специалистов было распространено убеждение в предпочтительности выбора в пользу жестких сроков проектной эксплуатации объектов газовой промышленности для обеспечения их безопасного использования.

Однако условия изменились и возник комплекс новых реальностей, одна из которых состоит в том, что инвестиции для создания новых и замещения старых объектов, отработавших свой проектный срок службы, росли намного медленнее, чем ожидалось и требовалось; кроме того возросли требования к строительству в новых местах, требования по защите окружающей среды от техногенных аварий и катастроф, по обеспечению безопасности, страхованию ответственности эксплуатации потенциально опасных объектов.

Эти новые реальности способствовали росту нерешенных проблем и актуальных задач по безопасности потенциально опасных объектов, в том числе и объектов газовой промышленности.

Изменение подхода к регулированию безопасности промышленных объектов в ведущих странах мира связано с принятием национальных концепций безопасности промышленных объектов, в основе которых лежат принципы управления сроками службы элементов и оборудования, трубопроводов с учетом их фактического состояния и индивидуальных особенностей эксплуатации, с внедрением метода риск-менеджмента, в соответствии с которым ответственность за обеспечение безопасной эксплуатации и ликвидацию последствий возможной аварии будет перенесена на эксплуатирующие и страховые организации, будет происходить постепенный отказ от использования метода прямых предписаний, постоянного инспектирования, наложения штрафов и иных санкций в управлении данной сферой.

Основой безопасной эксплуатации потенциально опасных объектов для различных промышленных и коммунальных целей на территории России является выполнение требований федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97г. №116-ФЗ. Данный Федеральный закон, а также постановление Правительства РФ «О декларации безопасности промышленных объектов Российской Федерации», соответствующие приказы МЧС и органов государственного надзора за безопасностью в промышленности, атомной энергетике, в частности совместный приказ МЧС и Госгортехнадзора России №222/59 от 4.04.96г. создают нормативную основу для реализации концессии прекращения эксплуатации потенционально опасных промышленных объектов по их фактическому предельному состоянию.

В современных сложных экономических условиях России, когда подавляющая часть объектов газового хозяйства имеет уже срок службы более 20 лет, перечисленные документы создают основу для увеличения проектных сроков эксплуатации с приемлемым уровнем социального риска.

Возможность увеличения проектных сроков эксплуатации обусловлена тем, что для подтверждения сроков эксплуатации промышленных объектов, заданных в проектном задании, как правило, используются консервативные модели, определяющие процесс накопления повреждений, закладываются большие запасы прочности, используются предельные (а не фактические) характеристики и данные: о начальных технологических повреждениях конструкции, о деградации физико-механических свойств конструктивных материалов, о условиях эксплуатации и т.д. С другой стороны на этапе проектирования, как правило, не учитывают благоприятный эффект от выполнения в длительный эксплуатационный период мероприятий по повышенною сопротивляемости разрушению конструкций в периоды плановых технических обслуживаний, ремонтов и реконструкций. Эти обстоятельства являются основой для периодического уточнения расчетного прогноза о ресурсе промышленного объекта на определенных этапах эксплуатации.

Ключом к обеспечению безопасности промышленных объектов различного назначения являются:

- создание методологической базы для исследования и управления процессами старения основных элементов и оборудования промышленных объектов,

- совершенствование нормативов и правил по уточнению сроков безопасной эксплуатации промышленных объектов по их фактическому состоянию.

Пока еще не установлены стандарты для управления сроками службы и техническим обслуживанием промышленными объектами по текущему техническому состоянию на базе определения количественного риска эксплуатации их элементов и инженерных систем, однако накопленный здесь российский и международный опыт научных исследований и разработок П.П. Пархоменко, А.В. Мозгалевского, В.В. Клюева, Н.А. Махутова, Б.Г. Кима, А.К. Гурвича, В.М. Баранова, В.М. Горицкого, В.Ф. Чабуркина, В.И. Иванова, А.А. Дубова, А. Хефлера (Германия), С.Дж. Вахавиолоса (США), X. Данеган (США) и др. позволяет определить научные подходы и методы поиска оптимальных технических решений по интенсификации существующих технологий и принципиально новых разработок в области эксплуатационного контроля безопасности и текущего состояния объектов газовой промышленности, энергетики, транспорта и трубопроводных систем [ 92]:

- разработка и совершенствование концепции приемлемого риска разрушения объектов;

- разработка критериев безопасности трубопроводных сетей с учетом их местонахождения;

- разработка и совершенствование методик и средств технической диагностики и мониторинга за накоплением повреждений в объектах и оборудовании;

- изучение деградации физико-механических свойств материалов и формоизменения конструкции в эксплуатационных условиях;

- совершенствование методик и создание математического обеспечения и специальных программных комплексов для адекватного расчетного прогнозирования долговечности типовых трубопроводных систем.

Учитывая отсутствие нормативов по оценке технического состояния и уточнению сроков безопасной эксплуатации ОГХ по их фактическому состоянию, а также выше приведенные доводы и предположения, сформулируем следующие посылки исследования:

1. Объект исследования - объекты газовой промышленности (ОГХ) (газораспределительные газопроводы, газораспределительные пункты и установки, оборудование газонаполнительных станций, резервуары для хранения сжиженного газа и др.), отслужившие свой расчетный срок эксплуатации.

2. Цель исследования:

Разработка методик обеспечения безопасной производственной эксплуатации ОГХ со сверхнормативным сроком службы путем использования современных методов и средств НК и Д при оценке их реального технического состояния и остаточного ресурса.

3. Задачи исследования:

- исследование влияния факторов эксплуатации на параметры технического состояния ОГХ;

- выбор и обоснование определяющих параметров технического состояния ОГХ и критериев оценки предельного состояния; разработка алгоритма технического диагностирования;

- разработка методики определения оптимальной периодичности технического диагностирования ОГХ; разработка организационных аспектов технического диагностирования ОГХ;

- отработка методик диагностирования на реальных ОГХ;

- анализ экономической эффективности технического диагностирования ОГХ.

Основные выводы.

1. Анализ современного состояния контроля за объектами газового хозяйства (ОГХ) показал:

- актуальность проблемы обеспечения безопасности ОГХ возросла существенным образом в связи со старением газораспределительных сетей (у более 20% закончился расчетный срок эксплуатации), экономическими и техническими трудностями связанными с заменой старого оборудования на новое;

- используемая регламентная система обслуживания не обеспечивает эффективного управления ОГХ, не учитывает индивидуальных особенностей объекта, не позволяет наиболее полно использовать технический ресурс конкретного ОГХ;

- решение этой проблемы лежит в системном использовании современных методов НК и Д для определения действительного технического состояния объектов с целью повышения надежности и продления срока безопасной эксплуатации исходя из их фактического состояния;

- на настоящий момент возникла острая необходимость в разработке методик обеспечения безопасной производственной эксплуатации ОГХ со сверхнормативным сроком службы (на ОГХ методики отсутствуют) и усовершенствовании нормативной документации бракования, с учетом возможностей современных методов НК и Д.

2. Анализ изменения технического состояния и условий эксплуатации ОГХ по результатам ТО, освидетельствований и проведенных исследований позволил выявить определяющие параметры технического состояния, установить критерии предельного состояния, методы и средства их контроля.

3. Разработанный алгоритм технического диагностирования ОГХ позволяет оценить техническое состояние объектов с достаточной степенью точности и достоверности, обосновать эффективную систему НК и Д, обеспечивающую необходимый уровень надежности и социального риска эксплуатации объекта и прогнозировать остаточный ресурс.

4. Разработанная методика определения рациональной периодичности технического диагностирования ОГХ по минимуму затрат на ТД и риск от эксплуатации учитывает срок службы, фактическое техническое состояние и деградационные процессы оборудования.

5. Проведенные исследования акустических свойств, особенностей конструкции позволили впервые в практике газовых хозяйств России внедрить метод АЭ для контроля ОГХ (получен патент №2139511 от 6.07.98г.), разработать оптимальные режимы контроля и схемы локации индивидуально для каждого типа ОГХ. Использование метода АЭ позволило значительно повысить надежность и достоверность диагностирования, сократить трудозатраты.

6. Анализ дефектов выявленных при техническом диагностировании ОГХ выявил, что на стадии эксплуатации необходимы свои нормы браковки, отличные от норм браковки на стадии строительства. При разбраковке на стадии эксплуатации объектов газовой промышленности, отработавших свой нормативный срок службы, имеет смысл ограничиться только эксплуатационными дефектами, склонными к развитию.

7. Разработан ряд методик технического диагностирования конкретных ОГХ. Методика технического диагностирования ГРП согласована с отраслевым институтом «Гипрониигаз», ОАО «Росгазифика-ция», Госгортехнадзором РФ, отработана на объектах РАО «Влади-мироблгаз» и утверждена Министерством энергетики РФ (приказ

- заключение.

На основании данных по оценке технического состояния объекта и остаточного ресурса должно приниматься обоснованное решение о возможности дальнейшей эксплуатации объекта в соответствии с остаточным или назначенным ресурсом или его ремонте, снижении рабочих параметров, демонтаже.

Пока эти задачи не имеют своего окончательного решения и нет стандартов для назначения новых сроков службы промышленных объектов с учетом их фактического состояния и параметров будущих эксплуатационных нагрузок. В тоже время накопленный на сегодняшний день опыт решения инженерных задач программы продления срока службы [92] позволяет предложить в определенной мере формализованную схему решения последних. Суть формализации - в обязательном решении ряда взаимосвязанных инженерных задач при назначении новых сроков коммерческой эксплуатации промышленных объектов.

Эти задачи следующие:

1. Определение приоритетного списка элементов оборудования и участков объектов, где разрушение наиболее вероятно (анализ конструкторской и технологической документации, условий эксплуатации и проведение расчетов НДС, с целью выявления наиболее нагруженных зон).

2. Использование разнообразных методов НК для определения повреж-денности элементов оборудования.

3. Определение возможности будущих эксплуатационных нагрузок и влияние повреждающих факторов внешней среды.

4. Обоснование срока будущей службы объекта с учетом фактической поврежденности конструкционного материала и сварных швов, данных о деградации механических свойств, по сопротивляемости разрушению и скорости коррозионных повреждений с помощью специальных расчетных комплексов на ПЭВМ.

5. Уточнение технологического регламента эксплуатации на будущий период срока службы,

3.2. Разработка алгоритма и частных методик технического диагностирования ОГХ.

Техническое диагностирование ОГХ должно носить комплексных характер и охватывать весь жизненный цикл объекта от ввода в эксплуатацию до списания. Данный подход не нов и применяется в других отраслях народного хозяйства, в частности, в строительстве в виде системы прогнозируемого ремонтно-профилактического обслуживания техники, разработанной Б.Г. Кимом [62].

На рис. 3.1 представлена структурная схема прогнозируемого ремонтно-профилактического обслуживания для ОГХ. Особая роль в ней отводится техническому диагностированию. Результаты контроля технического состояния при вводе в эксплуатацию являются отсчетной точкой при оценке технического состояния объекта в процессе эксплуатации. Результаты диагностирования становятся определяющим фактором при установлении сроков, объемов ремонта конкретного объекта и определении ресурса безопасной эксплуатации.

На рис. 3.2. представлен алгоритм технического диагностирования ОГХ, в соответствии с которым техническое диагностирование можно разбить на две части: обобщенное и углубленное диагностирование.

Обобщенное диагностирование включает: анализ технической документации, оперативную (функциональную) диагностику, экспертное обследование, экспертный анализ.

Анализ технической документации. Анализу подлежат: нормативно-техническая, конструкторская (проектная) и эксплуатационная документация и паспорта на оборудование;

Анализ технической документации (проектной, исполнительной и эксплуатационной) предусматривает получение следующей информации:

- о сроке ввода в эксплуатацию;

- о соответствии оборудования маркам и размерам, заложенным в про-ектно-технической документации, согласно паспортным данным на оборудование;

Рис.3.1. Блок-схема прогнозируемого ремонтно-профилактического обслуживания ОГХ

ТО - техническое обслуживание, TP - текущий ремонт, КР - капитальный ремонт | - обобщенное (безразборное) диагностирование | j - углубленное диагностирование - решения по результатам технического диагностирования

Рис. 3.2. Алгоритм технического диагностирования оборудования ОГХ.

- данных о неисправностях и проведенных ремонтах;

- сведения о режиме работы в процессе эксплуатации.

По результатам анализа составляется протокол, который должен содержать: перечень проанализированной документации; перечень оборудования и элементов, их технические характеристики и параметры; режимы работы и условия эксплуатации, перечень повреждений и отказов; предложения по функциональному и экспертному обследованию.

Оперативная диагностика проводится с целью получения данных о работоспособности оборудования, выявлении и предотвращении возможности возникновения отказов.

Одним из важнейших этапов технического диагностирования является экспертное обследование. Экспертное обследование оборудования ОГХ проводится с целью получения информации о реальном техническом состоянии, наличии аномальных зон (участки с предполагаемыми повреждениями и дефектами)и должно опираться на методы НК и Д, обеспечивающие интегральную, безразборную проверку объекта.

Для ОГХ, оно должно включать в общем случае следующие операции: визуально-измерительный контроль; исследование параметров электрохимический защиты; исследование качества изоляции; исследование коррозионного состояния металла; толщинометрию; вибродиагностику; геодезические исследования; испытания на герметичность; испытания на прочность.

Основная цель экспертного обследования ОГХ выявление аномальных зон и зон концентрации напряжений. Для чего в ходе обследования наиболее эффективно использовать такие методы НК, как метод АЭ, метод магнитной памяти и др., позволяющие проводить 100 % контроль объекта и выявлять развивающиеся, опасные для эксплуатации дефекты и повреждения, линии концентрации напряжений.

Таким образом, в результате экспертного обследования может быть два исхода:

- в ОК обнаружены аномальные зоны и необходимо проводить дообследование;

- в OK аномальные зоны не обнаружены, параметры технического состояния соответствуют нормативным документам, ОК годен к дальнейшей эксплуатации.

При этом необходимо учитывать, что возможна перебраковка и недоб-раковка ОК.

Вероятности перебраковки и недобраковки соответственно в результате экспертного обследования за счет недостаточной помехоустойчивости и предельной чувствительности системы контроля определяются в соответствии с (1.2): s„,

P,o(H/Cj) = / (ркн (S) Рэо dS, (3.1) о со

P30(IJ/Cj) = / т (S) Рэо dS, (3.2)

Snt

В случае положительных результатов экспертного обследования (параметры технического состояния соответствуют нормативным документам и нет аномальных зон) готовится заключение о возможности дальнейшей эксплуатации.

При обнаружении аномальных зон проводится дообследование объекта - углубленное диагностирование:

- дефектоскопия (ультразвук, радиография, магнитопорошковый метод и др.) с целью определения характеристик дефекта (координат дефекта, размеров, формы, ориентации, изменения во времени);

- определение механических свойств металла;

- расчет на прочность.

В дефектоскопии часто ограничиваются делением дефектов на два вида: допустимые с характеристическим размером < S0 и недопустимые с S„ > S0. Вероятность выявления того или другого дефекта определяется распределениями плотностей вероятности характеристического размера дефекта P(S) и погрешности измерения метода НК P(AS):

S0 S0-AS со S0-AS

P(Sa<S0) = / / P(S) P(AS) dSdAS + / I P(S) P(A$) dS dAS;

-00 -00 So -00

3.3)

00 00 S0 oo

P(S„>S0) = / / P(S) P(AS) dSdAS + f / P(S) P(AS) dSdAS.

S0 S0-AS S0-AS

Вторые слагаемые в этих выражениях определяют соответственно вероятности недобраковки и перебраковки при углубленном диагностировании (рис.3.3). p(S)

P^S) с / So \ S

S

Рис.3.3. Формирование ошибок при допусковом контроле.

Вероятность перебраковки определяет величину возможных бросовых ремонтов, вероятность недобраковки величину возможных потерь от возникновения аварийной ситуации (риск от эксплуатации).

Из сказанного очевидно, что повышение точности методов НК позволит уменьшить количество ошибок в определении параметров дефектов, а подбор различных методов НК и Д для контроля объектов, их совокупность обеспечат требуемую надежность ОК.

Для расчета вероятности обнаружения дефекта системой НК на практике определяют значения вероятности обнаружения дефектов В определенного типа к и вида i различными методами Mt НК и Д - Роби (Bkl/ Mt). Тогда вероятность обнаружения дефектов системой Ci НК и Д из t0 методов согласно (1.1) будет равна: to

Робн (Bk/Cj) = 1- IT [1- Робн (Bk/MJJ. (3.4) t=l

А вероятность пропуска недопустимого дефекта будет определяться вероятностями недобраковки при обобщенном и углубленном диагностировании:

P(Hki/C,) = Р(Н/Сод) + Р(Н/Суд) о/од

Р(Н/Сод) = П [1- Робн (Ви/М(/од)] (3.5) t=l to/од to/yd

Р(ны/суд) = {1-17 [1- Робн (Bkl/Mt/od)]} *П [1- Робн(Bki/Mt/yd)]. t=i t=i

В случае обнаружения недопустимых дефектов объект назначается на ремонт с последующим повторным контролем неразрушающими методами.

На завершающем этапе технического диагностирования с учетом результатов дефектоскопии и фактических механических характеристик металла проводится расчет на прочность и определение остаточного ресурса по определяющим работоспособность объекта параметрам (приведены ранее для конкретного ОГХ в табл. 2.3).

Анализ повреждений и параметров технического состояния оборудования должен включать:

- оценку фактической нагруженности основных элементов оборудования с учетом всех режимов нагружения и действующих нагрузок (включая температурные воздействия), фактической геометрии конструкции, фактических толщин его несущих элементов, имеющихся и выявленных концентраторов напряжения и экспериментальных результатов исследований напряженно-деформированного состояния, полученных при оперативной диагностике и экспертном обследовании;

- оценку дефектов сварных швов;

- износ деталей и узлов машинного оборудования;

- установление механизмов образования и роста обнаруженных дефектов и повреждений, возможных отказов вследствие развития дефектов и повреждений;

- оценку параметров технического состояния на соответствие их требованиям нормативно- технической документации.

По результатам анализа выдается заключение либо на списание, либо на эксплуатацию со сниженными рабочими параметрами, либо на дальнейшую эксплуатацию с мероприятиями по обеспечению безопасной эксплуатации.

Дальнейшая эксплуатация оборудования возможна:

- при полной укомплектованности и соответствии оборудования и приборов конструкторской (проектной) документации;

- соответствии основных технических характеристик оборудования и приборов техническим условиям;

- при положительных результатах испытаний (расчетов) газопроводов и оборудования на прочность и герметичность.

Необходимость снижения рабочих параметров оборудования обуславливается расчетом на прочность.

Демонтаж оборудования проводится в случае экономической нецелесообразности ремонтно-восстановительных работ и снижения рабочих параметров.

Экономическая целесообразность проведения ремонтно-восстановительных работ может быть оценена по выражению, предложенному Данеганом (США) [136]:

Вр = [Ро * Робп (Ви/Cj) * (I - CP)J - СТд, (3.6) где Рд - вероятность существования дефектов, I - стоимость ликвидации аварии,

Ср - стоимость ремонтно-востановительных работ и послеремонт-ной проверки,

Сщ - стоимость проведения технического диагностирования (обобщенного и углубленного диагностирования).

При этом очевидно, что стоимость строительства нового объекта значительно превосходит стоимость ремонтно-восстановительных работ и технического диагностирования.

Экономическую целесообразность снижения технологических параметров эксплуатации объекта можно оценить по выражению:

Всн = (Псн + С J - (Пн + Стд),

3.7) где Пн, Псн - прибыль от эксплуатации объекта соответственно при номинальных (новый объект) и сниженных технологических параметрах, Сн - стоимость строительства нового объекта. Таким образом очевидны требования для достижения экономической целесообразности работ по диагностированию, а именно - повышение вероятности обнаружения дефектов и снижение стоимости работ по ТД.

На базе данного алгоритма разработаны частные методики технического диагностирования ОГХ: оборудования и газопроводов ГРП, резервуаров для хранения СГ, оборудования ГНС, оборудования внутридомовых сетей и бытовых приборов.

В табл. 3.1 (в качестве примера) представлены операции контроля методики технического диагностирования ГРП.

1. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике.// Под ред. К.Б. Вакара. -

2. М.: Атомиздат. 1980.-216с.

3. Бадалян В.Г., Вопилкин А.Х. и др. Новый подход к ультразвуковому неразрушающему контролю ответственных сварных соедине-ний.//Тезисы докладов 15 Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». Июнь 1999.-t.1-с.298.

4. Бакунов А.С., Мужицкий В.Ф. и др. Новые вихретоковые толщиномеры неэлектропроводящих покрытий.//Тезисы докладов 15 Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». Июнь 1999.-т.1-с.380.

5. Баранов В.М. Ультразвуковые измерения в атомной технике. -М.:Атомиздат. 1975, 220с.

6. Баранов В.М., Брандин А.В., Кудрявцев Е.М. Развитие акустико-эмиссионного метода усталостных испытаний. // Доклады участников Третьей международной конференции «Безопасность трубопроводов», Москва, 6-10 сентября 1999г.-т2.-с.106.

7. Белов В.М., Подлевский М.Н. Акустико-эмиссионная диагностика трубопроводов. // Доклады участников Третьей международной конференции «Безопасность трубопроводов», Москва, 6-10 сентября 1999г.-т.2.-с.127.

8. Бизнес-план: Отечественный и зарубежный опыт. Современная практика и документация. Под общ. ред. В.М. Попова. Волго -Вятский региональный центр Ассоциации Российских ВУЗов, 1996. - 262 с.

9. Бородин Ю.П. Применение метода акустической эмиссии при техническом диагностировании технологического оборудования КС и ГРС.//Проблемы ресурса газопроводных конструкций. Сборник научных трудов ВНИИГАЗа. М. 1995.C.34-40.

10. Будзулак Б.В., Дедешко В.Н. и др. Внутритрубная инспекция газопроводов. //Газовая промышленность.-2000г.-№1-с.46-47.

11. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач.-М.: Наука.-1980г.-518с.

12. Велиюлин И.И., Галиулин З.Т., Гнеушев A.M., Касьянов А.Н., Лоба14