автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка программно-аналитического комплекса для контроля состояния линейной части магистральных нефтегазопроводов в условиях коррозионного износа

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Состояние магистральных трубопроводов России.

1.2. Причины понижения эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов и пути продления их срока службы

1.3. Модели в исследовании состояния трубопроводного транспорта.

1.4. Автоматизированные системы управления, оценки надежности и контроля состояния трубопроводных систем.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

2. Коррозия и долговечность магистральных трубопроводов.

2.1. Модели коррозионного износа трубопроводов. 39 ч

2.2. Разработка модели оценки долговечности корродирующих трубопроводов.

2.3. Алгоритм оценки скорости внутренней и наружной коррозии магистральных трубопроводов по результатам аппаратной диагностики.

2.4. Адекватность модели для оценки ВНПС линейной части МТ, работающего в реальных условиях и коррозионном износе.

3. Разработка инструментария для реализации "виртуального" контроля состояния ЛЧМТ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Разработка структуры программно-аналитического комплекса для контроля состояния ЛЧ магистральных нефтегазопроводов в условиях коррозионного износа.

3.3. Алгоритм оценки ВНПС при изменении параметров, режимов и условий эксплуатации.

3.4. Алгоритм расчета ВНПС участка трубопровода на основе сценария эксплуатации.

4. Модель оценки экономической эффективности реализации "виртуального" контроля состояния магистральных нефтегазопроводов.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Разработка модели оценки эффективности "виртуального" контроля состояния JI4MT.

4.3. Расчет экономического ущерба в случае аварии.

4.4. Пример оценки эффективности реализации "виртуального" контроля состояния ЛЧМТ.

Россия обладает развитой сетью трубопроводного транспорта природного газа, нефти и продуктов их переработки: общая протяженность трубопроводов превышает 200 тыс. км.

По данным на 1998 год 29% нефтепроводов эксплуатируются уже от 20 до 30 лет, 26% - более 30 лет. Средний возраст газопроводов России - 16 лет, 30% эксплуатируется более 20 лет и 40 тыс. км. выработали свой расчетный ресурс (33 года), а 2,5% газопроводов уже служат более 40 лет.

На сегодняшний день на "коррозионные дефекты" приходится 31% от, общего числа отказов на магистральных трубопроводах России. Аварии на трубопроводах, особенно подводных, характеризуются значительными экономическими и экологическими потерями.

Трубопроводы России эксплуатируются в неблагоприятных природно-климатических условиях. Это обстоятельство усложнило проведение диагностики состояния труб. Частая диагностика «внутритрубными снарядами» является дорогостоящей процедурой, 60% газопроводов не приспособлено к проведению внутритрубной диагностики (неравнопроходная запорная арматура и т.д.). По данным РАО "Газпром" в срочном обследовании нуждаются не ч менее трети всех труб. Полная замена отслуживших свой срок трубопроводов невозможна из-за экономических трудностей.

В условиях дефицита денежных средств и невозможности повсеместно и с необходимой частотой использовать диагностические снаряды активно развивается направление диагностирования и прогнозирования состояния трубопроводов, основанное на создании математических моделей, описывающих поведение труб («виртуальный» контроль). Данное направление представлено работами известных ученых Абдуллина И.Г., Гареева А.Г., Гумерова А.Г., Гутмана Э.М., Зайнуллина P.C., Цикермана Л.Я., Черняева K.B. ^ и др.

Большинство разработанных моделей привязаны к «идеальным условиям эксплуатации» (постоянство внутреннего давления, температуры перекачиваемой жидкости и т.п.), что не дает возможности судить о точности расчетов долговечности реально эксплуатируемого трубопровода. Существует большое количество моделей, которые имеют скорее теоретический интерес, т.к. привязаны к большому числу параметров, оценка которых в производственных условиях практически невозможна ввиду необходимости использования специфического лабораторного оборудования и привлечения 4 кадров высокой квалификации. В опубликованных работах, описывающих автоматизированные системы для оценки состояния трубопроводов, нет сведений о математическом аппарате, положенном в основу функционирования систем, и не приводится информации о его адекватности.

В результате вопрос о разработке модели для «виртуального» контроля остается актуальным. Решению этого вопроса посвящена данная работа.

Целью диссертации является разработка метода "виртуального" контроля состояния магистрального трубопровода, работающего в реальных условиях при развитии двухсторонней коррозии, а также создание программно-аналитического комплекса, реализующего этот метод.

Для решения поставленной задачи необходимо:

• разработать модель утончения стенки трубы от внутренней и наружной коррозии, учитывающей реальные условия работы трубопровода (изменение режимов и параметров эксплуатации, учет ремонтных и прочих работ) -основу метода контроля состояния магистрального трубопровода;

• разработать алгоритм оценки времени наступления предельного состояния трубопровода для типичных режимов его эксплуатации;

• разработать алгоритм определения начальных скоростей внутренней и наружной коррозии магистральных трубопроводов на базе данных аппаратной диагностики;

• разработать программно-аналитический комплекс на основе созданных алгоритмов для решения прикладных задач;

• обосновать методику оценки экономической эффективности внедрения «виртуального» контроля. Методы исследований

В диссертации приведены результаты исследований, полученные с использованием методов вычислительной математики, теории вероятностей и случайных процессов, теории алгоритмов и языков программирования, механики, сопротивления материалов, теории упругости, теории надежности. Научная новизна

Новыми являются следующие основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель оценки времени наступления предельного состояния трубопровода (переход из области упругих в область упругопластических деформаций металла) под действием внутренней и наружной механохимической коррозии и переменных во времени нагрузок для типовых режимов эксплуатации трубы, ставшая основой метода контроля состояния трубопровода;

2. Алгоритм определения начальных скоростей внутренней и наружной коррозии магистральных трубопроводов на базе результатов аппаратной диагностики;

3. Алгоритм оценки времени наступления предельного состояния трубы в отсутствие данных по ее диагностике;

4. Структура программно-аналитического комплекса для «виртуального» контроля состояния трубопроводов.

Практическая ценность 1) Создан метод, обеспечивающий «виртуальный» контроль линейной части магистральных трубопроводов с упреждением аварийных ситуаций, позволяющий сэкономить сотни тысяч и миллионы руб. за счет исключения штрафных санкций, потерь сырья и затрат на замену трубы («220-300 тыс. -руб. за каждую тонну нефти, попавшей в водоем в случае одной аварии);

2) Созданный комплекс пригоден для использования в качестве тренажера для выработки навыков управления режимами эксплуатации магистральных трубопроводов операторами, принимающими решения;

3) Программно-аналитический комплекс дает возможность автоматизировать процесс принятия решений по управлению трубопроводным транспортом в оптимальном режиме;

4) Разработанный аналитический комплекс пригоден для проведения инвентаризации пригодности к использованию водопроводов городскихч хозяйств.

Основные положения и результаты работы докладывались:

• на III международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1999),

• на Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (Новосибирск, 2000),

• на Международном симпозиуме "Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия" (Орел, 2000),

• на Второй международной научно-технической конференции "Измерение," контроль, информатизация" (Барнаул, 2001),

• на Научной молодежной конференции "Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия", посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А. Коптюга (Омск, 2001),

• на II Российской конференции "Естественные науки в военном деле" (Омск, 2001),

• на Третьей конференции молодых специалистов ОАО «Транссибнефть» (Омск, 2001).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 7 докладов на конференциях и 5 статей (2 публикации в центральной печати).

В первой главе представлен аналитический обзор работ, освещающих проблемы эксплуатации трубопроводного транспорта, срок работы которых • приближается к 30 годам и выше, а также рассмотрены основные причины аварий на трубопроводах. Проанализированы возможности продления срока службы магистральных трубопроводов. Сформулирована постановка задачи исследований.

Во второй главе приведен анализ существующих моделей оценки скорости коррозии; описывается разработанный метод контроля, реализованный в виде математической модели оценки времени до наступления предельного состояния участка трубопровода в условиях механохимической коррозии с учетом влияния переменных нагрузок, наличия изоляционного покрытия (тип и толщина), катодной защиты, температурных перепадов внешней среды и ч перекачиваемой жидкости; также приведен разработанный алгоритм оценки начальной внутренней и наружной скорости коррозии по результатам аппаратного обследования трубопровода. Также по результатам экспериментальных данных проведена проверка адекватности модели, полученный результат позволяет считать модель адекватной, что также подтверждается экономической эффективностью использования "виртуального" контроля состояния трубопровода, представленной в четвертой главе.

В третьей главе проанализированы системы, которые можно отнести к , инструментам "виртуального" контроля и управления ЛЧМТ, представлена структура и схема работы созданного ПАК для контроля состояния магистральных нефтегазопроводов, описана разработанная структура хранения и исходных данных и результатов расчетов в БД. Также представлен разработанный алгоритм, позволяющий выполнять расчет ВНПС участка трубопровода по любому сценарию эксплуатации. Данный алгоритм позволяет избавиться от заблаговременного программирования всех возможных сценариев эксплуатации, он работает как конструктор, позволяя оператору выбрать любой набор событий, имеющих место при эксплуатации. трубопровода и тут же выполнить расчет ВНПС.

В четвертой главе приведена модель оценки экономической эффективности от использования «виртуального» контроля состояния МТ. Получены на примере две "критические" точки. Первая точка показывает, что в случае предсказания аварии раньше реальной на 24,8% (здесь процент получен от времени с момента ввода в эксплуатацию до реальной аварии) и менее, проведение ремонтных работ, а также замена исследуемого участка трубы целесообразна с экономической точки зрения, так как потери от недоиспользования трубы в случае преждевременного предсказания аварии -меньше от возможных потерь при аварии. Определенная во второй главе адекватность модели с отклонениями в 21,139% или предсказание перехода в предельное состояние металла трубы на 21,139% раньше реального уже оправдано экономически, так как определен порог отклонений в размере 24,8% (из расчета попадания при аварии 1 тонны нефти в водоем) от реального времени аварии.

Вторая точка показывает, что за 11,83% до аварии и менее даже при замене участка трубы, затраты на замену аварийного участка меньше, чем затраты, которые понесет управление магистральными трубопроводами в виде -компенсации ущерба, нанесенного окружающей среде в результате аварии.

В приложении приведены пример проведения расчета ВНПС по разработанной модели, примеры интерфейса разработанного программно-аналитического комплекса, структуры ТБД, используемые в комплексе, а также акты внедрения результатов диссертационной работы.

ВЫВОДЫ

1. Предложен метод для оценки целесообразности замены участка трубы и экономической эффективности использования "виртуального" контроля состояния МТ.

2. На основе предложенного метода получена граничная точка, позволяющая определить промежуток времени до аварии, в течение которого замена трубы целесообразна, другими словами, в случае предсказания времени аварии преждевременно на 24,8% и менее (процент получен от всего времени эксплуатации до реальной аварии) замена трубы уже экономически целесообразна. Во второй главе определена адекватность разработанной модели, которая предсказывает аварию раньше до 21, 139% от всего времени эксплуатации до аварии. В результате использование разработанной во второй главе модели целесообразно, так как размер отклонений во времени предсказания аварии укладывается в определенный в главе 4 интервал времени, когда ремонтные работы и замена трубы уже экономически оправданы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В конце двадцатого века в среде ученых России поднят вопрос о судьбе трубопроводного транспорта страны. В первом десятилетии 21 века до 30% транспортных артерий перейдут в ранг завершивших нормативный срок эксплуатации, а ресурсов для их замены нет. Созданная ранее инфраструктура трубопроводного транспорта рассчитана на более мощную экономику. В соответствии с системными законами состояние любого сектора экономики определяется ресурсами, направленными на его поддержание. Наполняемость российского бюджета в основном определяется реализацией за рубежом углеводородного сырья. Проблемы с его транспортировкой скажутся на объеме реализованной продукции, снизятся инвестиции на поддержание и развитие 4 транспортной инфраструктуры. Разорвать негативную положительную обратную связь - вопрос политический. Задача ученых - уменьшить влияние негативных факторов на состояние отрасли.

Сложилось мнение, что избежать масштабных ущербов от аварий на трубопроводах и продлить срок их службы можно без существенных затрат, если найти способ "виртуального" контроля состояния транспортных коммуникаций и прогнозирования изменения надежности труб, работающих в различных режимах эксплуатации. Девяностые годы прошлого столетия в основном потрачены на поиски такого способа. Несмотря на большое число' появившихся публикаций в рамках исследования этой темы, положительного ответа на поставленный вопрос получить не удалось.

Предпринимая попытку получить информацию о продуктивности "виртуального" направления, автор настоящей работы считал решенным вопрос о моделях изменения эксплуатационных параметров действующих трубопроводов, пригодных для использования на практике. Оказалось, что решены отдельные вопросы: по коррозии трубы, технологии катодной защиты и т.д., системного решения, увязывающего отдельные вопросы в целом, нет.

Этапу создания программно-аналитического комплекса для расчетной4 оценки и прогнозирования состояния труб должен предшествовать этап конструирования математической модели с проверкой ее адекватности на реальных объектах. Разработанная в рамках настоящей работы модель позволяет оценить время наступления предельного состояния трубопровода, подвергнутого механохимической коррозии, под действием переменных нагрузок и температурных перепадов, а также учесть влияние изоляционного покрытия, его износа и катодной защиты на скорость коррозии.

Но возникла еще одна проблема, каким образом учесть при оценке времени наступления предельного состояния трубопровода, такие события, как: остановка перекачки, замена изоляции, изменение рабочего давления в трубе, приостановка работы катодной защиты и т.п. Возникла необходимость в создании единого алгоритма расчета, который с одной стороны позволял бы вести расчет по любой из комбинаций исходных условий (их порядка 170), с другой стороны, позволял бы в процессе расчета динамически изменять значения его отдельных параметров. Эта задача решена в рамках программно-аналитического комплекса. Предложен единый алгоритм, который по исходной комбинации данных, выбранной пользователем (включая выбор напряженного состояния, модели переменного давления, включение/ исключение учета температурных перепадов и т.п.), а также по событиям (с изменением значений параметров или любой из составляющей модели), определенными пользователем, выполняет оценку времени наступления предельного состояния трубопровода. Предложенный подход избавляет от трудностей при реализации сложных моделей, включающих в себя параметры, которые сами, в свою очередь, состоят из набора моделей, и может быть использован для приведения математических моделей, по структуре сходных с разработанной, к виду, пригодному для программной реализации.

Будущее направление исследований просматривается достаточно ясно." Снижение погрешности прогнозирования времени наступления предельного состояния трубопровода напрямую связано с экономией ресурсов,

1. Агишев В.Т. Исследование и разработка метода определения показателей надежности магистрального нефтепровода: Дис. канд. техн. наук/Агишев В.Т.—Уфа, 1980.— 131 с.

2. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие/ Айнбиндер А.Б.—М.: Недра, 1991.—288 с.

3. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали.— М.: Наука, 1985.—85 с.

4. Байков И.Р. Математические модели в трубопроводном транспорте нефти и газа: Учебное пособие/ Байков И.Р., Галлямов А.К., Уфа: УГНТУ, 1991.— 69 с.

5. Байрон А. Люис Магия нейролингвистического программирования без тайн/ Байрон А. Люис, Пуселик Р. Френк.— СПб.: Петербург XXI век, 1995.— 176 с.

6. Балацкий О.Ф. Экономика и качество окружающей природной среды/ Балацкий О.Ф., Мельник Л.Г., Яковлев А.Ф.—Л.: Гидрометеоиздат, 1984.— 191 с.

7. Башкин A.B. Стресс коррозия на газопроводе Комсомольское-Челябинск// Газовая промышленность. 1999. № 3.— С. 52-54.

8. Благник Р. Микробиологическая коррозия/ Благник Р., Занова В.— М.: Наука, 1965.—102 с.

9. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы.— М.: Недра, 1973.— 304 с.

10. Бородавкин П.П. Сооружение магистральных трубопроводов/ Бородавкин П.П., Березин В.Л.— М.: Недра, 1987.— 471 с.

11. Бородавкин П.П. Подводные трубопроводы/ Бородавкин П.П., Березин В .Л.— М.: Недра, 1979.— 415с.

12. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов.— М.: Недра, 1984.— 245 с.

13. Временная методика определения предотвращенного экологическогоущерба.—М.: Госкомэкология России, 1999.— 60 с.

14. Галеев В.Б. Ремонт магистральных трубопроводов и оборудования нефтеперекачивающих станций/ Галеев В.Б., Сощенко Е.М., Черняев Д.А.— М.: Недра, 1968,— 224 с.

15. Гареев А.Г. Прогнозирование долговечности магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях коррозийно-механических воздействий: Дис. д-ра техн. наук/ Гареев А.Г.— Уфа, 1998.— 284 с.

16. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов/ Герасимов В.В.—М.: Металлургия, 1989.—152 с.

17. Герштейн М.С. Динамика магистральных трубопроводов/ Герштейн М.С.— М.: Недра, 1992.—285 с.

18. Гидродинамика трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов/ Мирзаджанзаде А.Х., Галлямов А.К., Марон В.И., Юфин В.А.— М.: Недра, 1984,— 287 с.

19. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика/ Гмурман В.Е.—М.: Высшая школа, 1997.— 480 с.

20. Голинкевич Г.А. Прикладная теория надежности/ Голинкевич Г.А.—М.: Высшая школа, 1985.—168 с.

21. Григорьев Л.И. Автоматизация процессов обучения и принятия решений в диспетчерском управлении транспортом газа: Дис. д-ра. техн. наук/ Григорьев Л.И.— М., 1997.— 217 с.

22. Гурьев В.А. Расчет стационарных режимов перекачки, моделирование нестационарных процессов в продуктопроводах и тренажерные программы/ Гурьев В.А., Липанова Н.И.// Транспорт и хранение нефтепродуктов.— 1999.—№4.—С. 3-5.

23. Дворянчиков Н.В. Прочностный мониторинг трубопроводных конструкций: Автореф. канд. техн. наук.— Волгоград, 1997.— 18 с.

24. Диагностика состояния газотранспортных систем Крайнего Севера. Технологический анализ состояния территорий трасс газопроводов/ Под ред. Бородавкина П.П.— М.: ИРЦ Газпром, 1998.— 77 с.2528