автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка методов анализа и уточнения нормативных требований к безопасным расстояниям от газопроводов до других объектов

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

;Ч8 ОД

¡] 3 фрп \r.~\l

На правах рукописи УДК 622.691.4.07.(252.6)

ЧАН ФУ МАНЬ ША

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И УТОЧНЕНИЯ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К БЕЗОПАСНЫМ РАССТОЯНИЯМ ОТ ГАЗОПРОВОДОВ ДО ДРУГИХ ОБЪЕКТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996 г.

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

Научные руководители - доктор технических наук Колотилов Ю.В.

кандидат технических наук, доцент Короленок A.M.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Халлыев Н.Х.

кандидат технических наук Шапиро В.Д.

Бедусая организация - Трест "Центргаэпроыстрой"

Защита состоится " -¿Г " 199 ^г. в часов на за-

седании 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 хренилиц" при Государственной академии нефти и геза ии. 11.М.Губкина по адресу: 117917, г.Москва, ГСП-1, Ленинский пр-т, 65, ауд.,.51р%.,

С диссертацией кохно ознакомиться в библиотеке ГАНГ им.И.М.Губкина.

Автореферат разослан " " 199"^г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор ^¿г ' . Г. ВАСИЛЬЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Приоритетным направлением совершенствования норы проектирования, сооружения и эксплуатации газопроводов является обоснование требований к социальной и экологической безопасности системы транспорта газа в целом, а следовательно - к качеству сооружения и работоспособности ее составных частей и элементов (линейных участков, оборудования), в тон числе требований и правил назначения конструктивных параметров, контроля качества, безопасности, эксплуатации линейной части газопроводов. Исследование опасности газопроводов является многоаспектной задачей, требующей как качественного (экспертного), так И количественного анализа, и предполагает: изучение всевозможных источников опасности; исследование опасных воздействий на окружающую среду и т.д.

Существенным моментом, определяющим выбор метода при количественной оценке безопасности объектов газопроводного транспорта является, с одной стороны, знание частоты или оценок вероятности возникновения аварий, с другой стороны - оценка возможных последствий такого события. Таким образом, мера риска - это некоторый критерий оценки последствий возможной аварии.

Ущерб от аварии обычно подразделяют на технико-зкономичес-кий, когда последствия аварии явно выражаются а экономических категориях и социально-экономический, когда отказ грозит жизни людей. В большинстве работ по безопасности в качестве критерия выбирается математическое ожидание величины ущерба, который считается случайной величиной. Этот критерий, по-видимому, требует уточнения. Дело в том, что степень неопределенности риска для такой сложной системы как газопровод является весьма высокой. Это означает, что разброс случайной величины ущерба относительно среднего значения может быть достаточно большим.

, По всей видимости, объективным критерием безопасности можно

считать следующее условие: с заданной доверительной вероятностью случайная величина риска должна заключаться в заданной интервале. Принятие этого критерия требует специфического математического подхода, ¿ело в том, что из-за неполноты информации о надежности газопровода и ущерба от аварии мы не знаем достаточно точно распределения вероятностей случайной величины риска. * ■ ■ ---

Это означает, что мы оперируем явно или неявно с некоторыми априорными данными, для разработки норм, а поступающую дополнительную информацию о надежности и ущербе используем для уточнения наших знаний. Таким образом нам необходимо использовать принцип Байеса для обоснования и уточнения нормативных требований.

На современном уровне научно-технического прогресса магистральный газопровод следует рассматривать исходно как объект, который по своей технологической специфике потенциально способен оказать негативное воздействие на окружающую среду. Определение минимальных безопасных расстояний от магистральных трубопроводов до различных объектов - важнейшая задача, так как отказ участка трубопровода представляет опасность для хиэни человека.

Особенности норм проектирования газопроводов в различных странах были постоянным предметом исследований многих специалистов. Тем не менее, современное состояние и тенденции в области проектирования, соорухения и эксплуатации магистральных газопроводов обуславливают постоянное совершенствование и изменение системы взглядов на многие нормативные требования, действующие в сфере трубопроводного транспорта природного газа, в частности, на входящие в нормы проектирования требования к минимальным (безопасным) расстояниям от газопроводов до других объектов и строений. Вопросы пересмотра минимальных расстояний до объектов определенных типов в сторону увеличения этих расстояний возникают обычно в связи с авариями, сопровождающимися тяжелыми последствиями. Обратная тенденция - к уменьшению безопасных расстояний -

возникает в связи с возрастающей важностью вопроса учета стоимости земель, занимаемых под трубопроводы. В условиях рынка эта стоимость столь велика, что в некоторых странах в нормах проектирования почти не регламентируются требования к минимальным расстояниям от трубопроводов до других объектов и строений. Указанные обстоятельства побуждают к разработке научно обоснованного методического подхода к анализу и уточнению минимальных расстояний на основе оценки технологического риска, возникающего ппи эксплуатация газопроводов.

В связи с зтим возникла необходимость в проведения специальных исследований, направленных на изучение взаимосвязи мехду нормируемым« для газопроводов 'безопасными расстояниями и уровнем оцениваемого при различных безопасных расстояниях технологического риска, а также обеспечение возможности уточнения методики регламентации безопасных расстояний при появлении дополнительной информации об отказах газопроводов.

Цель диссертационной работы - разработка методов анализа и уточнения минимальных безопасных расстояний от магистральных газопроводов до других объектов на основе исследования особенностей формирования априорных данных для-нормирования условий проектирования трубопроводов и использования принципа Байеса в процессе обоснования изменения нормативных требований.

Основные задача исследований. В соответствии с поставленной целые ■ диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей, описывамвих надежность линейного участка магистрального газопровода с учетом характеристик опасной зоны и оценки ущерба при отказ*.

2. Разработка вероятностно-статистического метода обработки априорных знаний дли нормирования безопасных расстояний от трубопроводов и разработка зависимости »тих расстояний от вахнейвих факторов.

3. Исследование возможностей уточнения безопасных расстояний на основе прогнозирования технологического риска.

Разработка диалоговой системы для расчета, анализа и уточнения нормативных требований к безопасным расстояниям с уче-:оу конструктивных особенностей магистральных газопроводов.

Научная новизна.

Представленная работа является теоретическим исследованием, направленным на разработку методов анализа и уточнения нормативных требований к безопасным расстояниям от магистральных газопроводов до других объектов.

Использование математических моделей прогнозирования технологического риска на стадии проектирования газопровода с учетом нормируемых требований к безопасный расстояниям , а также разработанных алгоритмов численного поиска эффективных решений системы уравнений, описывающих формирование технологического риска при эксплуатации, позволило выявить особенности изменения размеров опасной для пребывания людей зоны с учетом различных факторов.

Построение эмпирических зависимостей для распределений случайных величин неопределенных параметров в условии расчета технологического риска с "настройкой" на регламентируемые нормами проектирования безопасные расстояния как базовые при приемлемых значениях риска позволило разработать метод их назначения с позиций риска конкретных ситуаций и алгоритм пересмотра этих расстояний по мере поступления дополнительной информации.

Исследование и выбор типа зависимости интенсивности отказов и зависимости оценки уиерба при аварии газопровода от его конструктивных особенностей , показало возможность применения разработанных методов расчетов в наиболее вахных задачах обеспечения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов, а именно, при нормировании и уточнении значений безопасных расстояний по мере поступления информации об отказах >: связагчых с ним;' Упер-

бах.

Впервые разработана диалоговая система расчета характеристик вероятностных распределений и параметров Байесовской нормальной многомерной регрессионной модели для анализа и уточнения безопасных расстояний от'газопроводов с учетом технологического риска. Диалоговая система, обнову хоторой составляет пакет прикладных программ, выполнена в виде оболочки для IBM PC и включает в себя автономные графические, расчетные и архивные блоки, позволяющие в кратчайшие сроки подготовить необходимую проектно-техническую документацию.

Практическая ценность исследования связана с реализацией задач по обеспечению высоконадежного трубопроводного транспорта. Разработанные методики и алгоритмы,_ реализованные в виде пакета программ для IBM PC, позволяют эффективно управлять процессом совершенствования нормативной базы проектирования газопроводов, способствуя повышению их эксплуатационной надежности.

Реализация работы.

Результаты исследований включены в следующие научно-технические разработки:

"Построение эмпирических зависимостей с использованием вероятностно-статистических данных" (Москва: ГАНГ, 1996 г.);

"Методика расчета безопасных расстояний от магистральных газопроводов до других объектов в процессе эксплуатации" (Москва: ГАНГ, 1996 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

научно-техническом семинаре отдела "Надежность больших систем энергетики" Института энергетических исследований РАЯ (г-. Москва, 1996 г.);

научно-техническом семинаре кафедры "Сооружение газонефтепроводов и хранилищ" ГАНГ им.И.М.Губкина (г. Мосхва, 1996 г.);

научно-техннчесхой конференции "Новые технологии в газовой проыысленности" (г. Москва, ГАНГ им .И.М.Губкина, 1996 г.).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 3 печатные работы.

Структург и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав Г основных выводовприложения и списка "литературы ~йз 93' наименований. Содержанке изложено на 119 страницах, 27 рисунках и 4 таблицах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы исследований, направленной на совершенствование процесса анализа и уточнения нормативных требований к минимальным безопасным расстояниям от магистральных трубопроводов до других объектов.

Исследованию норм проектирования и методов анализа динамики эксплуатационной надёжности магистральных трубопроводов в процессе эксплуатации посвящено достаточно много работ (труды Березина В.Л., Телегина Л.Г., Бородавкина П.П., Нванцова О.И., Ставровско-го Е.Р., Папиро В.Д. и других исследователей). В настоящее время проблема промышленной безопасности практически успешно решается в ряде ведущих европейских стран с привлечением методологии риска, позволяющей не только учесть вероятностную природу аварий в дать качественное определение опасности, но и наметить оптимальные методы » средства ее понижения до приемлемого уровня. Очевидно, единая научно-методическая база исследований в указанной области знаний позволит эффективно использовать современные вероятностно-статистические методы на объектах топливной энергетики, в частности, на одном из важненпих се технологических звеньев - магистральных трубопроводах для перекачки углеводородного сырья.

В первой главе выполнен анализ современных требований к надежности и безопасности магистральных газопроводов, оценку уело-

вяй, определяющих безопасность в нормативных требованиях при проектировании трубопроводов, а также характеристику основных показателей, включаемых а технико-экономический анализ технологического риска.

Показано, что безопасность технического объекта как важнейшая составляющая его надежности допускает количественную оценку. Количественная оценка безопасности предполагает знание частоты или вероятности возникновения аварий и оценку возможных последствий такого события. При этом суждение о степени безопасное?:; объекта выносится на основании количественной оценки противоположного свойства - опасности Технологического объекта или процесса.

В качестве меры потенциальной опасности промышленного объекта, учитывающей как частоту (вероятность) появления отказов, так и вероятные последствия их наступления., может использоваться характеристика технологического риска. Количественное описание

А

опасности (или безопасности) трубопроводных объектов выполняется путем оценки риска (К), т.е. сочетания частоты и последствий нежелательных событий

К * О х в (1)

где <3 - среднестатистический показатель частоты (илй вероятности) отказа; а - средний ущерб от отказов на газопроводах системы.

Анализ подходов к решениям, какой уровень риска считать приемлемым, а какой нет, позволяет предположить, что максимальным приемлемым уровнем индивидуального риска можно считать величину 10-'. Иными словами, вероятность гибели человека в теченне года не должна превышать одного шанса на миллион. Пренебрежимо малым считается индивидуальный риск 10-* (1/год).

. Если последствия аварий оценивать только социальным риском.

а поток, отказоз считать ггуассоновскич (интервалы времени Ди , Д:з , . . . иежду соседними отказами независимы и распределены одинаково по показательному закону), для которого вероятность отказа

составляет

<3(г) ¿"?{Т < 1} = 1 - ехр(-Ххг) « Хзи " " (2)

где X - интенсивность отказов, 1/(тыс.км*год); х - протяженность линейного участка, в пределах которого возможная авария представляет реальную угрозу для людей, тыс.км ! г - время между отказами, год; то при разработке методики обоснования и уточнения безопасных расстояний для оценки социального риска можно предложить критерий

Л = X х 5 с г , (3)

где б - площадь опасной зоны, возникающей в результате аварии, км1; с - число людей на единицу площади опасной зоны, чел/км3; х - протяженность линейного участка, в пределах которого возможная авария представляет реальную угрозу для людей, тыс.км .

Анализ нормируемых значений ряда важных для безопасности параметров проектируемых газопроводов (безопасные расстояния, глубина заложения газопровода, охранные зоны и т.д.) свидетельствует о том, что эти параметры получены, в основном, эмпирическим путем, на основании предшествующего опыта. Принцип регулирования безопасности газопроводов делает возможным расчетное обоснование эмпирических нормативов и их корректировку по мере получения информации о поведении газопроводов в эксплуатации. Этой цели отвечает известный в теории вероятностей метод Байеса.

Необходимость разработки методов прогнозирования технологического риска на стадии проектирования газопровода с учетом нор-

ыируемых требований к безопасным расстояниям, а также разраооткп алгоритмов численного поиска эффективных решений при уточнении безопасных расстояний в процессе эксплуатации на основе байесовского представления случайных наблюдений различных факторов определила цель и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена исследованию нормативных требований к безопасным расстояниям от оси газопровода до других объектов, получению аналитических регрессионных зависимостей для оценки минимального безопасного расстояния от газопровода с учетом его конструктивных особенностей, а также разработке методики использование понятия технологического риска для сравнения нормативных требований.

На современном уровне технического прогресса магистральный трубопровод следует рассматривать исходно как объект, который по своей технологической специфике потенциально способен оказать негативное воздействие на окружающую среду. 0пре;тр."ск.1е минимальных безопасных расстояний от магистральных трубопроводов до различных объектов - важнейшая задача, так как отказ участка трубопровода представляет опасность для жизни человека.

Анализ наблюдений позволил установить, что основными видами повреждающих воздействий в зоне разрушения газопровода (при испытании его газол) являются следующие: волна давления в воздухе; разлет осколков разорвавшегося трубопровода и разброс грунта; тепловое воздействие горящего газового факела: взрыв смеси воздуха с газбм, истекающим из разорванного трубопровода.

Основой априорной информации являются расчетно-теоретические исследования основных видов воздействий при разрыве..Подобная информации была заложена в нормативный документ (СНиП 2.05.06.-"?;; таблица 4). Заложенный в указанной работе принцип регламентации - безопасных расстояний можно формализовать, что необходимо для дальнейшего совершенствования подходсз к нормированию одного из

вахнейших показателей. Для этого вводятся следующие обозначения: I - минимальное (безопасное) расстояние, ы; р — рабочее давление (отрахенное в таблице через класс трубопровода). МПа; В - условный диаметр трубопровода, ы; № - значимость объекта (индекс п =■ = 1 з .6 - относится к соответствующему пункту таблицы 4 -).

Критерий значимости объекта будет от'рахать, прехде всего количество людей, хивувих в близлежащем населенном пункте, а такхе, очевидно народнохозяйственную значимость пересекаемого или прилежащего к трубопроводу объекта. экологические и другие последствия его поврехдения. Математическое моделирование таблицы 4 осуществляется с помощью эмпирической зависимости

где 1.0 , N'0 , ро , Во - некоторые базисные значения введенных величин; 21, га, 21 - неизвестные параметры.

Таким образом таблица СНиП с описательно заданным условием ответственности объектов задает значения функции 1 от трех аргументов в конечном числе точек. Получаем задачу регрессии с неизвестными параметрами, которые находятся методой наименьших квадратов. В конечном итоге, аналитическую зависимость безопасного расстояния (и) от рабочего давления (МПа), условного диаметра трубопровода (м) и значимости объекта мохно представить в виде

, I = 250 О (N)•■111 (0.1 р)«-» . (5)

Степень соответствия указанного соотношения нормативным зна-- чениям иллюстрируется на графиках, отражающих зависимости безопасных расстояний от диаметров газопроводов. Установлено, что теоретическая кривая с достаточной стеоенкп точности совпадает с табличным описанием величины безопасного расстояния.

Различие с таблицей состоит в той, что для всех трубопроводов с Dr i 0.3 и регламентируется величина либо большая, либо меньшая, чем получаемая по аналитической зависимости. Представляется нелогичным, почему в нормах проектирования линейная по Dr зависимость, соблюдаемая для всех диаметров, искажается для Dr ^ ( 0.3 м. По всей видимости, табличная форма задания безопасных расстояний с градацией по классам трубопроводов, не является наилучшей.

Для участков газопроводов П-го класса расхождения табличных и аналитических значений существеннее. Тем не менее, из приведенных рассуждений следует, что принцип задания раз и навсегда фиксированных безопасных расстояний не кажется оптимальным. Должен быть разработан метод их назначения с позиций риска конкретных ситуаций и.алгоритм пересмотра этих расстояний по мере поступления дополнительной информации.

^Прогнозирование и оценка риска могут быть использованы для сопоставления по,критерии безопасности принципиально различных подходов к основным проектным нормативам, принятым в практике проектирования иг.г,.^гральных газопроводов.

Исходя из равенства технологических рисков, в работе получено соотношение для определения изменений безопасных расстояний в зависимости от величины потока отказов

L /X xl/J

— = [ г- 1 . (6)

Lo 4 Хс '

При фиксированном Хо * const можно получить зависимость безопасных расстояний от величины, характеризуюяей поток отказов, фиксируемый а информационно-статистических сводках. Видно, что безопасные расстояния могут компенсировать более низкий уровень надежности. По всей видимости,_методика назначения толщины стенки газопроводов а сочетании с регламентацией безопасных расстояний

от газопровода до других объектов и строений отвечает определенно;": лрактике проектирования и фактическому уровню качества газот-ранспсртных объектов.

Третья глава посвящена математическому моделированию процесса формирования технологического риска с учетом моделей: надежности линейного участка магистрального газопровода," опгГсной зоны к ущерба в неэкономической форме.

Примем мультипликативную форму зависимости параметра потока отказов от определяющих его факторов. Предполагается, что поток отказов является функцией коэЛ*::ц;,ч;ита условий работы (т)

X й» / л ^Й!

где Хо - базовое значение параметра потока отказов, соответствующий значению коэффициента условий работы для категорий участка трубопровода III 11 IV, т.е. для то = 0.9 do , di , - неизвестные параметры.

Данные об отказах, поступающие ежегодно, могут быть представлены в виде трех наблюдений - это годовые значения параметра потока отказов для трех категорий. Поэтому матрица наблюдений и вектор наблюдений за зависимой переменной имеет вид

1 lg(mi /то ) 1 Igln:/то) 1 lglnj /по )

Iis (X, 1 /Хо ) I

lg(X»j/Xo) I , (8)

з /Хо ) ц

где roi - соответствует категории В ; тг - соответствует категориям I и II ; пи - соответствует категориям III и IV ; X»i,

- годовые эмпирические значения параметров потока отказов на участках различных категорий.

Математическое моделирование опасной зоны предполагает, что

площадь г зоны смертельной опасности зависит только от диаметра участка трубопровода Б и внутреннего давления р

5 Зо / Б 61 / р 1Р2

— = 10 [ — ! 1—1 , (9) бо 4 Оо 1 ро

где &о , , 62 - неизвестные параметры.

Оценкой ущерба (с) в неэкономической форме, т.е. ущерба, связанного с гибелью ладей в результате аварий, считается отношение числа жертв к площади опасной зоны. Факторами, от которых зависит показатель ущерба, будем считать минимальное расстояние до объекта Ь и степень ответственности близлежащего объекта N

с З'о / Ь > { N n ^2 ,

— = 10 . ( — I — ) , (10)

со 4 и ' 4 n'0 '

где Уо, У1, Уг - неизвестные параметры.

Матрицы наблюдений и векторы наблюдений за зависимыми переменными б и с формируются по аналогии с соотношениями (8), при этом количество строк в обеих матрицах будет соответствовать числу статистических наблюдений.

Таким образом, разработаны математические модели, описывающие надежность линейного участка магистрального газопровода, а также характеристики опасной зоны и оценки ущерба при отказе. В качестве априорны* математических моделей можно принять следующие

X ш 5 Ир

г-* = 2 ¡8 — ; \% — -2 1$ — + ]§ — ;

Ао то ко Бо ро

с I. К

1г — = -Л — + С.:5 и — , (И)

со 1о :.'о

при соответствующих коэффициентах Оо = 0 , = 2 ; Ро = 0 , 01 =

= 2 , Рз = 1 ; ¡Го = 0 , 3*1 = -2 , а"з = 0.25 .

Для настройки процесса байесовской обработки берется нулевая выборка для каждой модели, сформированная а соответствии с соотношениями (11). Очевидно, обработка такой выборки даст приведенные выше коэффициенты. Технологический риск в этом случае будет (если можно так выразиться) идеальным, а разброс отсутствовать (функция -(-распределения Стьюдента превратится в б-функцию). После этого можно считать, что априорные знания, заложенные в нормах проектирования, учтены. В дальнейшем последовательно подключаются реальные выборки, технологический риск будет иметь среднее и разброс, следовательно, потребуется оценка апостериорных доверительных интервалов.^ -

Рекуррентная процедура обработки последовательно поступающих выборок заключается в следующем. Отметим, что процедура нахождения параметров ФПВ г-распределения Стьюдента для зависимых переменных каждой из моделей практически одинакова. В окончательном виде запишем рекуррентные соотношения для 1-го шага (при этом используется информация нулевой выборки, сформированной по априорным моделям; Хл - прогнозный вектор-строка)

Мо =. (Ха)'Хо; Р = (Мо )* ЧХо )'у» ! »1 » (Чо)-«(У<> -ХоР)'{У0 -ХоР); V» =.п« - ч; 8 » Х.Р; Ь = {$1 [1 + Х.(Мо)-ЧХя)']}-1 - (12)

В случае выполнения всех вычислительных операций на к-ом шаге, .используется (к+П-ая выборка (Хи»|, Уки) и процесс реализуется по следующему алгоритму

Мк»> * Мк ♦ (Хк.1 )'Х*«1! Р» (М*.1)-> [Е (Х1)'У1 + (Хк«|)'ук«|1;

1 1»о -1

а» « (Ук.|)Ч [г (У1 -XI Р )' (У« -XI Р) + (ук» 1-Хк» 1 Р) 1 (Ук» 1-Хк» 1 Р)] 5 1 ¡=0 1 ■

V»,!. * Vk + Пк.1 ; 8 = Х»Р ■ Ь «{>>[! + Х„ (Мкм )-«(Х» )Ч)"1 .(13)

Последние три параметра определяют новую функцию плотности вероятности г-распределения Стьюдента. Таким образом строится функция плотности распределения вероятностей для величины потока отказов для участков магистральных газопроводов различных категорий. С точки зрения классической математической статистики такое построение требует^ огромной информации," которой ми не всегда располагаем в полной мере. Именно зто обстоятельство привело с использованию байесовского подхода, который позволяет решить поставленную задачу при помощи объединения априорной и поступающей, весьма малой с классической точки зрения, информации. Располагая плотностью распределения мы мохем: во-первых, прогнозировать с доверительной вероятностью поток отказов на будущее! во-вторых, что самое главное, появляется возможность получить распределение вероятностей для технологического риска при ньличии подобных распределений для других моделей, что и является конечной целью исследования.

В четвертой главе диссертации представлен метод вычисления функции распределения технологического риска для обеспечения возможности анализа и уточнения безопасных расстояний от газопроводов до других объектов на основе прогнозирования технологического риска.

Для получения приемлемого алгоритма были выполнены аналитические преобразования исходного интеграла для трех случайных величин £,ИиС_(£ + Ц + С<а) , имеющих каждая функцию плотности вероятности I-распределения Стьюдента со своими В , И и V . в результате функция распределения технологического риска была представлена в виде

С(к)С----- '

<1х (5у йх

0(А) =

, (И)

С(х+Ру+»2<А1

(1 + X* )**Ч1 ♦ у®)1 *1 (1 + г1)"41

/ Ь1 л°-5 ' / Ь2 / Ьз

а = — ; В = — ! Ь - ! А1 = А - 8, - 82 - 03 .

4 VI ' к V: > ■ ' V) ;

где С(к), С(1), С(т) - константы.

С помощью замены переменных у = ^ и и 2 = 18 V тройной интеграл (14) преобразуется к более простому виду с определенными границами, после чего двойной интеграл по квадрату вычисляется на сетке по методу Симпсона.

Следует отметить, что при достаточно большом V (V > 30) ра.сйределение Стыодента стремится к нормальному распределению. В этом случае имеем асимптотически три нормальных закона со средними 61, 82, 6з и стандартами (¡и)"0-5, (Ьз)-0,1, (Ьз)"0,5 или дисперсиями 0|=1/Ь1 , 02 = 1/Ьз , Вз = 1/Ьз. Тогда риск распределен по нормальному закону с математическим охиданием Эг в 01 + 8з + 8з и дисперсией Ог = Бь + Бз + Вз а величину логарифма относительного технологического риска ыогнс оценить по формуле

и (Й/Ко ) < 6с + X У Ог = ЯГ , (15)

где х - уисло стандартов, которое определяет интервал, в который попадает риск с определенной доверительной вероятностью Р . .

Методика анализа и уточнения безопасных расстояний на основе технологического риска заключается в сборе и обработке данных об отказах магистральных трубопроводов и последствиях этих отказов, характеризующих имевшие место разрушения, материальный и социальный ущерб- Изложенный выше подход позволяет использовать фактический материал об авариях для получения апостериорной информации (байесовский подход), анализа и, при необходимости, уточнения нормативных значений безопасных расстояний. При зтом, наблюдения следует разделить на три группы: данные о надежности (поток отказов); данные, характеризующие опасную зону и данные о социальном

ущербе (числе пострадавших). Для каждой группы данных в работе предложена своя модель обработки поступающей информации.

Коррекции предлагается выполнять по критерию апостериорной вероятности на основа следующих соображений. Пусть установлено, что для нормальной эксплуатации участка газопровода необходимо, чтобы риск R или величина lg(R/Ro) с заданной вероятностью был меньше определенной величины R < Ь. При этом следует пересчитать допустимые пределы для сумыы трех величин t + Ц + С < В , где £ = = In Х/Хо , Ч = In s/so. С = In с/со.

Прогнозные функции плотности распределения вероятностей для величин Ч, С представляют собой функции плотности вероятности t-распределения Стьюдента, каждое со своими параметрами fi(x), fi(y), fз(z). Вероятность условия R < b должна равняться заданной величине Р

J J J fi(х) fa Су) Гз(х) = Р . (16)

* ♦ у ♦ Z « В

Для каждого конкретного набора прогнозных векторов

х.1 = | 1, lg я/гсо | ; Хп1 = I 1, lg D/Do, lg р/ра I ;

Хоэ = | 1, lg L/La, lg N/No | , (17)

нужно вычислить значение доверительной вероятности. Однако, поскольку' параметры распределений изменились, изменится и значение вычисленной вероятности. Теперь оно может отличаться от известного ранее априорного уровня. Расстояние L в прогнозном векторе Хпз играет роль управляющего параметра. Его можно подобрать так, чтобы доверительная вероятность была равна заданному числу. Эту коррекцию проводят для конкретного набора прогнозных векторов, т.к. не исключено, что для одного набора факторов, характеризующих данный участок трубопровода, величину безопасного расстояния при-

дется увеличить, а для другого ее можно будет уменьшить.

После вычисления функции распределения G(x) величины lg(R/Ro} мы в состоянии вычислять моменты распределения G(x), а также вероятности интервалов в которые эта случайная величина попадает с доверительной вероятностью 0.95 . Далее вычисляем математическое ожидание, Идеальный случай, если оно окажется равным нуяю. Однако, для полной убежденности в приемлемости риска мы должны . вычислить вероятность попадания случайной величины lg(R/Ro) в интервал [0]. При этом, сдвиг величины математического ожидания в положительную сторону является плохим признаком, в отрицательную - хорошим.

Анализ нормативного значения безопасного расстояния с позиций риска требует привлечения дополнительной информации о поведении газопровода при эксплуатации.- Для этого использовались гипотетические сведения: для модели надежности (данные о потоках отказов по трубопроводам каждой категории за 10 лет); для модели опасной зоны (сведения по 21 аварии) для модели ущерба (сведения по 20 объектам).

Результатах расчетов показывают, что средние значения потока отхазов'за 10 лет по исходным данным (Siпв = 0.165; бзпс = 0.44; и бзпс =0.96) достаточно сильно отличаются от прогнозных величин потока отказов, рассчитанных по разработанной методике 6iBB», = О.150; в}0.»х — 0.554 и взпяшх = 0.883. При значении доверительной вероятности Р = 0.95 интервалы изменения прогнозируемых потоков, весьма существенны (8m-ai ;8in+ai ] = [0.002;0.299]; [8j,-ai ;8j0+aj ] = , [fr.078; 1.030] и [8j„-w ;8jn+ai ] a = [0.397:1.369]. Более точный прогноз возможного потока отказов (например, для участков категорий III-IV) tBjn-aj;6зп+аэ] = 10.636;1.131] будет соответствовать меньшему значению доверительной вероятности Р » 0.70 .

, Рассчитав параметры распределения Стьюдента для всех моделей

(надежности, опасной зоны и ущерба) можно найти и верхнюю границу допустимого при эксплуатации риска 4!. Анализ результатов расчетов можно трактовать следующим образом. Для участков газопроводов категорий В при величине безопасного расстояния I. = 350 и значение

= -0.38 показывает, что риск соответствует безопасной эксплуа- • тации, более того, нормативное безопасное расстояние может быть уменьшено. В то же вреия для участков газопроводов категорий 1-11 и значения Wi.ii = 0.02 и Wiji.iv = 0.35 требуют изменения

безопасного расстояния в большую сторону для снижения технологического риска. Так, увеличение безопасного расстояния до величины Ь = 700 м приводит к величинам Wi.ii = -0.1 для участков газопроводов категорий 1-11 (что соответствует безопасной эксплуатации с доверительной вероятностью р = 0.95) и Wiii.iv = 0.24 . По всей видимости,- для участков газопроводов категорий П1-1У безопасное расстояние должно быть увеличено.

Таким образом, выполненное математическое моделирование надежности участка магистрального газопровода, величины опасной зоны и ущерба при возможном отказе дает возможность не только анализировать статистические характеристики эксплуатации сета трубопроводов, но и прогнозировать их изменение с определенной доверительной вероятностью. При этом может быть реализована кодель уточнения безопасных расстояний от газопроводов до другях объектов на основе прогнозирования технологического риска с использованием байесовского подхода' к обработке вероятностно-стотистачес-кой информации.

Пятая глрва пссЕящена разработке диалоговой системы для подготовки рекомендаций по уточнению безопасных расстояний от магистральных трубопроводов с учетом технологического риска эксплуатации.

Необходимость многовариантных расчетов в условиях постоянного поступления новой информации об отказах и возможного изменения

или дополнения исходных характеристик приводит к необходимости использования современных методов программирования информационно-поисковых диалоговых систем. Опыт разработки таких систем доказывает их высокую эффективность. При этом сама методика подразумевает наличие некоторого числа конкурирующих вариантов нормирования а адекватных условиях, что позволяет использовать результаты расчетов зля установления технико-экономической целесообразности различных проектных решений.

В работе реализован алгоритм вероятностно-статистического анализа опыта эксплуатации системы магистральных трубопроводов, сбора данных об отказах и последствиях этих отхазоа на трубопроводах, имевших место разрушениях, материальных и социальных ущер- -■ бах.

В результате автоматизированного расчета формируется вероятностное обоснование надехвости эксплуатации магистральных трубопроводов на основе оценки технологического риска эксплуатации каждого объекта в отдельности или определенной совокупности объектов. При этом анализируется вклад отдельных статистических показателей я характеристик, который, по всей видимости, можно использовать при анализе технико-экономических показателей различных конструктивных репений. Результаты архивируются в виде базы 'данных и выводятся на печать в виде отчета, который может включать в себя текст, таблицы и рисунки.

Таким образом представляется возможным с максимальной эффективностью выполнять оценочные расчеты вероятностно-статистических показателей, которые,, в частности, могут являться основой расчета технико-экономических показателей (в смысле планирования последовательности и величины материальных" затрат) капитального ремонта участков магистральных трубопроводов или служить обоснованней изменений норм проектирования с учетом различной статистической информации. "' ' ■

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ подходов проектирования магистральных газопроводов на основе расчетов технологического риска эксплуатации с учетом их конструктивных особенностей. Показано, что при возрастающих требованиях к безопасности газотранспортных систем, а также наличия опыта конструктивно-технологического обеспечения безопасности можно считать перспективным создание принципов анализа нормативных требований к безопасным расстояниям от газопроводов до других ссъектоЕ и строений на основе оценки технологического риска.

2. Разработан метод построения эмпирической регрессии дЛя регламентации безопасных расстояний в предположении нормального распределения результатов наблюдений. Получены аналитические за-, висимости, определяющие безопасное расстояние как функцию от трех аргументов: рабочего давления, условного диаметра трубопровода и значимости газотранспортного объекта. Предложена методика сравнения различных нормативных требований на основе равенства техноло-

л

гических рисков, в частности, получено соотношение для определения изменений безопасных расстояний в зависимости от потог» отказов .

3. Разработана математическая модель оценки технологического риска, составными частями которой яеляютсе три вероятностно-статистические модели: модель надежности участка газопровода, модель опасной -эны и модель уверба.

4. На. основе предложенных Е работе моделей доказана возможность расчетного обоснования эмпирических нормативных требований и, з первую очередь, - Безопасных расстояний, а также возможность их корректировки по мере получения дополнительной информации в процессе эксплуатации, газопроводов. Показана эффективность применения для расчетного анализа и корректировки безопасных расстоя-

ний принципа Байеса, позволяющего: "настраивать" расчетный алгоритм оценки риска на принятые нормативные значения безопасных расстояний; пересматривать и при необходимости корректировать эти' нормативы яри поступлении дополнительной информации об эксплуатируемых газопроводах.

5. Разработана диалоговая система для анализа и корректировки нормативных требований к безопасным расстояниям; созданы соответствующие программные средства, позволяющие проводить сложные вероятностные расчеты. Диалоговая система, основу которой составляет пакет прикладных программ, выполнена в виде оболочки для IBM PC и включает в себя автономные графические, расчетные н архивные блоки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Федоров Б.II., Колотило* Ю.В., Короленок A.M., ЧАН «У МАНЬ ВА. Восстановление эмпирической зависимости для назначения безопасных расстояний от магистральных трубопроводов. - "Нефтяное хозяйство", 1996, N1, с.46-48.

2. Колотилоа И.В., Федоров S.U., Короленок A.M., Стаин A.M., ЧАН ФУг МАНЬ DA. Использование понятия технологического риска для сравнения нормативных требований. - "Нефтяное хозяйство". 1996, N6, C.J7-S8.

1. Новопапин В.А., Никулин A.B., ЧАН ФУ МАНЬ ВА, Короленок А.М, Нормирование безопасных расстояний от магистральных трубопроводов в помощью эмпирических зависимостей. - Тезисы докладов межвузовской конференции "Нефть и газ - 96" - М.: ГАНГ. 1996, c.UO .

Соискатель ЧАН ФУ МАНЬ ВА