автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым выборкам

На правахрукописи

Колесник Вячеслав Николаевич

Системный анализ надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым выборкам (по данным эксплуатации нефтегазовых месторождений Среднего Приобья)

Специальность

05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сургут 2004

Работа выполнена в Сургутском государственном университете и ПУ «СургутАСУнефть» ОАО «Сургутнефтегаз»

Научные руководители

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, академик международной академии информатизации, доктор технических наук, профессор Владислав Алексеевич Острейковский

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Леонид Иванович Григорьев

кандидат технических наук, доцент Виктор Иванович Коновалов

Ведущая организация «СургутНИПИнефть» ОАО «Сургутнефтегаз»

Защита состоится « ' июня 2004 г. в на заседании дис-

сертационного совета КР 800.005.42 в Сургутском государственном университете по адресу: 628400, г. Сургут, Тюменской обл., ул. Энергетиков, 14, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сургутского государственного университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного сове кандидат технических наук, доцент

Иванов

г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефтяные промысловые трубопроводы (НПТ) представляют собой сложные инженерно-технические сооружения, к которым предъявляются высокие требования по надежности и безопасности в течение всего срока эксплуатации. Оценка и прогнозирование надежности нефтепромысловых трубопроводов занимают важное место в обеспечении высокой эффективности и безопасности действующих, строящихся и проектируемых систем сбора и транспортировки нефти. Экономические и экологические потери от неправильно принимаемых решений о прекращении эксплуатации конкретной системы нефтесбора или о необходимости продления назначенного ресурса ее оборудования велики. Системы нефтесбора в большинстве случаев расположены в сложных природно-климатических условиях. Зачастую, при проектировании системы нефтесбора учитываются далеко не все факторы, влияющие на надежность НПТ в процессе его эксплуатации,- такие, как: неоправданный выбор сортамента НПТ, способ их защиты, прокладки и места расположения. Влияние не учтенных эксплуатационных факторов на действующие НПТ ускоряет процесс их старения. В результате, уже в первые несколько лет эксплуатации трудно судить о параметрах надежности НПТ. Трудности возникают из-за отсутствия соответствующей нормативной документации и методов, которые позволят найти оценки параметров надежности эксплуатируемых НПТ при малом объеме информации.

В 1999 году общее количество разрывов на трубопроводах нефти в Российской Федерации составило 27408 (в 1998 году - 28523), в том числе по причине коррозии - 26373 (96,2 процента). На внутрипромы-словых нефтепроводах произошло 19227 разрывов (19331 - в 1998 году), из них по причине коррозии 18524 (96,4 процента). Большое экологическое воздействие на природу оказывает разлившаяся нефть при авариях на промысловых и магистральных нефтепроводах, ежегодные потери которой составляют более 3 млн.т. По данным Министерства природы только за 2003 год по Ханты-Мансийскому автономному округу было официально зарегистрировано 1450 разрывов нефтепромысловых трубопроводов.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью обеспечения бесперебойной и безаварийной работы нефтепромысловых трубопроводов.

Целью работы является системный анализ надежности НПТ по ограниченной информации для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасно-

«Л

сти и их реализации при эксплуатации (на примере НПТ Нефтегазодобывающего управления (НГДУ) Фёдоровскнефть (ФН)).

В соответствии с поставленной целью исследования были решены следующие задачи:

1. Произведен системный анализ эксплуатационных данных и возможности получения выборок.

2. Выполнен системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ по малым выборкам.

3. Разработана методика оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

4. Произведен расчёт оценок показателей надежности и анализ их свойств на основе разработанной математической модели.

5. Даны рекомендации по эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов с использованием методики оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

Методы исследования. Представленная работа основывается на использовании и развитии методов теории надежности, теории случайных процессов, математической статистики и прикладного системного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана возможность управления безотказностью и долговечностью НПТ на этапе эксплуатации, используя эксплуатационную информацию о работоспособности НПТ ограниченного объема.

2. Впервые выполнен системный анализ надежности НПТ по малым выборкам эксплуатационных данных цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть».

3. Разработан новый метод определения характеристик надежности НПТ по малым эксплуатационным выборкам.

4. Создана инженерная методика оценки надежности НПТ эксплуатируемых в условиях болот Среднего Приобья по малым выборкам. Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Для широкого класса НПТ разработана инженерная методика проведения системного анализа эксплуатационной статистики малого объема.

2. Определены значения показателей надежности НПТ цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз» по собранной статистике малого объема.

3. Разработан и внедряется в практику работы НГДУ ОАО «Сургутнефтегаз» метод оценки параметров надежности НПТ по малым эксплуатационным выборкам, позволяющий оперативно проводить анализ технического состояния систем перекачки нефти.

4. На основе созданного метода расчета надежности НПТ по эксплуатационной информации ограниченного объема разработан программный комплекс «Оценка параметров надежности НПТ по малым выборкам», применяемый для расчета показателей надежности различных по номенклатуре и условиям эксплуатации НПТ. Основные положения, выдвинутые автором на защиту:

1. Метод определения показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационной информации ограниченного объема.

2. Инженерная методика системного анализа надежности НПТ в условиях болот Севера Западной Сибири.

3. Характеристики надежности номенклатуры НПТ, имеющих ограниченный объем статистических данных и эксплуатирующихся в условиях болот Севера Западной Сибири.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, анализ литературы по проблеме, патентный поиск, планирование исследований, сбор исходных данных, разработку моделей и методов, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научно-технических семинарах кафедры информатики и вычислительной техники Сургутского государственного университета в 19992003 годах, а также обсуждались на научных конференциях:

1. Первая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г. Сургут. 1998 г.

2. Вторая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г. Сургут. 2000 г.

3. Международный симпозиум «Надежность и качество 2000» г. Пенза, 22-31 мая 2000 г.

4. Вторая окружная конференция молодых ученых и специалистов Ханты-мансийского автономного округа «Наука и образование XXI веку». Сургут, 22-24 ноября 2001 г.

5. Седьмая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии 2001». г. Томск. 26 февраля -02 марта 2001 г.

6. III окружная конференция молодых ученых Ханты-Мансийского автономного округа «Наука и инновации Ханты-мансийского автономного округа», г. Сургут, 29-30 ноября 2002 г.

7. Окружная конференция молодых учёных «Наука и инновации XXI века», г. Сургут, 27-28 ноября 2003 г.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Содержит 110 страниц текста, 60 рисунков, 40 таблиц, 2 приложения и список использованной литературы из 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится обоснование актуальности исследования, сформулирована его цель, определены научная новизна, практическая ценность результатов работы.

В первой главе проведен анализ эксплуатационных данных НПТ двух цехов НГДУ «Фёдоровскнефть» за период с 1982 по 2000 годы. В целях исследования надежности анализ показал следующее:

1. В системе нефтесбора НГДУ используется широкая номенклатура трубопроводов:

a) диаметр используемых НПТ: 114, 159, 168, 219, 273, 325, 426, 530 мм;

b) толщина стенок НПТ: 4; 4,5; 5; 6; 7; 7,5; 8; 8,5; 10; 12; 14 мм.

2. Эксплуатационные данные целесообразно группировать по следующим признакам: диаметр, толщина стенки, условия эксплуатации НПТ.

3. Условия эксплуатации можно разделить на:

a) нормальные;

b) динамически напряженные зоны (ДНЗ), то есть зоны, расположенные на геологических разломах земной поверхности;

^ «грязные зоны», то есть зоны, с повышенным содержанием химически агрессивной минерализованной жидкости, появившейся в местах прокладки трубопроводов вследствие отказов НПТ; d) расслоенный поток - несоответствие режима работы НПТ выбранному диаметру (характерным следствием работы НПТ в данном режиме является ручейковая коррозия).

4. Сформированные по указанным выше признакам выборки характеризуются наличием как полных, так и неполных наработок (цензу-рированные выборки), небольшого объема (от 5 до 30 наработок). Далее в первой главе проведен обзор применяемых методов оценки

параметров надежности НПТ, который показал, что:

1. Основным ограничением применения методов оценок надежности является вид априорных данных. То есть информация, которую нужно исследовать, должна удовлетворять определённым требованиям, чтобы возможно было использовать тот или иной метод оценки.

2. Большинство существующих методов оценки параметров надежности не позволяют проводить эти оценки по малым цензурирован-

ным выборкам. При этом основная часть однородных данных наработок НПТ на отказ состоит из выборок небольшого объема, содержащих неполные наработки. 3. В условиях, когда мало эффективны стандартные методы оценки, зачастую больше информации можно извлечь при использовании комбинации нескольких методов.

На основании полученных выводов в заключении главы сформулированы следующие задачи работы:

1) Произвести системный анализ эксплуатационных данных и возможности получения однородных выборок эксплуатационных данных НПТ для их дальнейшего исследования с нахождением оценок параметров надежности НПТ.

2) Выполнить системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ по малым выборкам.

3) Разработать методику оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

4) Произвести расчёт оценок показателей надежности НПТ и анализ их свойств на основе разработанной математической модели.

5) Дать рекомендации по эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов с использованием методики оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

Во второй главе проведен анализ методов оценки параметров надежности НПТ по цензурированным выборкам. Были рассмотрены параметрические методы оценки параметров надежности: Нельсона, Джонсона и максимального правдоподобия. Для использования данных методов необходимо априорное знание закона распределения исследуемых данных. Так же были рассмотрены непараметрические методы оценки параметров надежности: непараметрический метод обратных рангов, метод Каплана-Мейера и метод последовательного перехода к новой системе координат. Показано, что для использования данных методов нет необходимости в априорном знании закона распределения. Так как исследованию будут подвергаться выборки малого объема, следует использовать непараметрические методы, поскольку в данной ситуации они точнее чем параметрические.

Выполненный анализ показал, что метод последовательного перехода к новой системе координат более оптимален для оценки параметров надежности НПТ, поскольку, в сравнении с другими непараметри-

ческими методами оценки параметров надежности по цензурированным выборкам, он более точен и позволяет вычислить сравнительно большее количество показателей надежности: вероятность безотказной работы (ВБР), среднюю наработку до отказа, гамма процентную наработку до отказа, а так же полностью алгоритмизировать вычисления для использования на ЭВМ.

В разделе 2.4. рассмотрен метод статистического моделирования бутстреп-метод. В условиях ограниченной информации данный метод позволяет путем сопоставления одних и тех же данных в различных комбинациях получить оценки параметров выборки. Это особенно эффективно в случаях, когда другие методы оценки использовать невозможно ввиду их низкой точности при малом объеме выборки.

В разделе 2.5. предлагается новый метод оценки параметров надежности НПТ по малым цензурированным выборокам эксплуатационных данных. В основу метода оценки параметров надежности НПТ по малым цензури-рованным выборкам положены бутстреп-метод и метод последовательного перехода к новой системе координат. Метод последовательного перехода к новой системе координат позволяет оценить параметры цензури-рованной выборки, но в ситуациях с малыми выборками он не всегда применим, например, из-за ограничения по минимальному объему выборки. Бутстреп-метод дает возможность более полно извлекать сведения о данной выборке, что делает его пригодным для любых ситуаций, в том числе и для ситуаций с малой выборкой. Последовательность выполнения операций в новом методе схематично представлена на рис. 1.

Применяемая в диссертации вероятностная модель бутстреп-процесса следующая:

Пусть Х,,Х2...,ХН - независимые действительные случайные величины с общей функцией распределения р(1)= Р{Х{ </}. Предположим, что по выборке X = (Х1,Х2...,Х(1,) оценивается значение в = в(р) заданного на некотором семействе Л функционала. Качество оценки в =в{рс), основанной на выборке объема N измеряется величиной

я(в,р)=ЕР ¿[<9(4^]. (1)

Здесь ь{в{х\ Р) потери от принятия оценки в вместо неизвестного

значения в = отвечающего истинному распределению F. Бутст-

реп позволяет оценить (1) с помощью подстановки

л((9)= £(§-,£)= Ег1$(х'),г], (2)

где Р - оценка распределения Б, а X . независимая повторная выборка объема N из Р , т.е. случайные величины Х1 ,Х2 имеют

условное совместное распределение при заданных Хр Х2, ••• Х^, описываемое формулой

Совокупность X =(Х1 ...„Хд, ) называется бутстреп выборкой объема N из Р . Статистика - это бутстреп-реализация 9. Условное распределение

р{<9(хж)<г|х1,...хл,>=/.../ й ^(^>=<5(0 (4)

является бутстреп-оценкой функции распределения статистики

При этом формула (2) имеет вид

В ситуации, когда закон распределения наработки априорно неизвестен, аппроксимация бутстреп-распределения производится методом

Монте-Карло. Повторные реализации X генерируются с помощью

случайных выборок объема N из /•* вида Х, ,Х2.....Х^ , а гистограмма

соответствующих значений

рассматривается как аппроксимация бутстреп-распределения.

В соответствии с этим расчёт интервальных оценок средней наработки НТП до отказа предлагается выполнять в следующей последовательности:

сначала производится аппроксимация бутстреп-распределения методом Монте-Карло: повторные реализации; X генерируются с помо-

* * •

вида

Затем для каждой полученной бутстреп-выборки находится точечная оценка средней наработки до отказа методом последовательного перехода к новой системе координат. Таким образом, расчеты характеристик надежности по предложенному методу производятся в следующем порядке:

1. Наработки до отказа г и наработки до цензурирования- п выстраиваются в вариационный ряд в порядке неубывания. Если отдельные наработки до отказа равны некоторым наработкам до цензурирования, то в вариационном ряду сначала указываются наработки до отказа, затем наработки до цензурирования.

2. По построенному вариационному ряду определяется количество интервалов наблюдения п. Каждый интервал содержит наработки до отказа; Границы интервалов образуют наработками до цензурирования.

Для каждого интервала наблюдения подсчитывается число наработок до отказа Г- (1 = 1,..., и), число наработок до цензурирования — 1, лежащих между I -1-м и I -м интервалами наблюдения. Совокупность этих значений должна удовлетворять условиям

п п

ЛГ = * + г; 5>,=*;5>,=/\ (8)

/=1 м

Если вариационный ряд начинается с наработки до отказа, то = 0 , а

если он заканчивается наработкой до отказа, то

3. Для каждого интервала наблюдения вычисляется

значение Nsi+l:

4. Вычисляется эмпирическая функция распределения, соответствующая каждой наработке до отказа в исходном вариационном ряду: если 1-я наработка до отказа принадлежит первому интервалу наблюдения, то

если 1-я наработка до отказа принадлежит /-му = 2, ...л) интервалу наблюдения, то

Точечная оценка вероятности безотказной работы за наработку равна

(12) (13)

где и (, - наработки до отказа, между которыми лежит наработка к0.

Точечная оценка средней наработки до отказа равна

По полученному массиву точечных оценок средней наработки до отказа методом процентилий с коррекцией смещения (ВС-метод) находится доверительный интервал для 0 с уровнем доверия 1-2СС:

коррекция смещения метода процентилий;

- кумулятивная функция бутстреп-распределения;

- кумулятивная функция стандартного нормального распределения;

- верхняя стандартного нормального распределения, т.е.

Для оценки точности разработанного метода в разделе 2.5. произведено статистическое моделирование с использованием программы, написанной на основе математической модели совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода. Моделировались выборки, распределенные по закону распределения Вейбулла-Гнеденко. Далее проводилось их цензурирование с заданной глубиной (количество неполных наработок). По сформированным выборкам с помощью разработанного метода оценки параметров надежности НПТ по малым цензурированным выборкам найдены оценки следующих параметров надежности: средней наработки до отказа, вероятности безотказной работы и точность их определения.

В разделе 2.5. проведено сравнение результатов статистического моделирования с результатами, полученными при использовании других методов оценки параметров надежности по цензурированным вы-

боркам. Оказалось, что когда коэффициент вариации у=1(это наиболее неблагоприятное значение, то есть, имеем дело с экспоненциальным распределением отказов), точность метода с использованием бутстреп-интервалов выше, чем у остальных методов. Это характерно для ситуации, когда наработок не много (около 20-25). Подобная ситуация наблюдается с уменьшением коэффициента вариации моделируемой выборки до \»=0.4 и объёма выборки до 5-10.

С увеличением объема выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы уменьшается, а вероятность попадания в интервал увеличивается, что не противоречит классической статистической теории. С увеличением количества неполных наработок (увеличение глубины цензурирования выборки) диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы увеличивается.

В третьей главе проведен анализ сбора и обработка данных НПТ по эксплуатации в условиях болот Западной Сибири.

В период наблюдения с 1984 по 1999 годы в цехах добычи нефти и газа (ЦДНГ) А и Б документально зафиксировано несколько сотен аварий НПТ. Основной причиной аварий стала коррозия трубопровода (91% от общего числа аварий в ЦДНГ-А, 95% от общего числа аварий в ЦДНГ-Б). Для цеха А характерна коррозия внешней стенки НПТ, а для цеха Б коррозия по внутренней стенке НПТ,

Для НПТ различных диаметров отказы распределены по-разному:

1. Цех А: порядка 70% отказов для НПТ 0159 произошли между шестым и девятым годами эксплуатации, для НПТ 0219 между пятым и восьмым годами, 0426 между двенадцатым и тринадцатым годами, 0530 между девятым и тринадцатым годами. На НПТ 0325 мм количество отказов примерно постоянно за период наблюдения. На НПТ 0273 половина отказов произошла между четвертым и шестым годами эксплуатации. Трубопровод данного диаметра поставляется с большим количеством производственного брака.

2. Цех Б: Более 80% отказов произошло на НПТ 0114, 0159, 0219 , что составляет 66% НПТ всего цеха. Большая часть аварий произошла между десятым и пятнадцатыми годами эксплуатации. В этот период произошло 75% от общего количества аварий на НПТ. Для участков НПТ (цех А), работающих с расслоенным потоком

жидкости, 35% отказов произошло на четвертый и пятый год эксплуатации, 20% отказов приходится на восьмой год эксплуатации. Для НПТ эксплуатируемых в «грязных зонах» так же существует два пика отказов: с пятого по седьмой (42%) и с одиннадцатого по двенадцатый годы

эксплуатации (22%). Для остальных НПТ 78% отказов произошло в период с шестого по двенадцатый годы эксплуатации.

Выполненный анализ статистических данных свидетельствует о различии перехода исследуемых НПТ из работоспособного состояния в состояние отказа.

С целью увеличения объема исследуемых выборок путем объединения эксплуатационных данных схожих по ряду признаков в разделе 3.2. проведено сравнение мощностей критерия Сэвиджа с критерием Кокса для выявления оптимального метода определения однородности выборок эксплуатационных данных различных по каким-либо признакам. При сравнении мощностей критерия Сэвиджа с критерием Кокса доказано превосходство критерия Кокса при наличии цензурирования. При выполнении проверки однородности с пользованием критерия Кокса для выборок эксплуатационных данных НПТ, различающихся местом прокладки и имеющих одинаковый сортамент НПТ, оказалось, что однородными, для двух разных цехов добычи нефти и газа, являются выборки для НПТ диаметров 325 мм и 426 мм. Это позволило объединить выборки НПТ данного диаметра из разных цехов для дальнейшего исследования.

В разделе 3.3. в соответствии с ГОСТ 27.002-89 выполнен анализ единичных показателей безотказности НПТ. С помощью метода последовательного перехода к новой системе координат, примененного в данной работе для оценки параметров надежности НПТ по малым цен-зурированным выборкам эксплуатационных данных, определены единичные значения следующих показателей надежности: вероятность безотказной работы НПТ Р(1), средняя наработки цо отказа НПТ Тер, гамма-процентная наработка до отказа НПТ ., Так как при исследовании выборок ограниченного объема точечные оценки не имеют необходимой точности, для получения результатов с заданной долей вероятности построены доверительные интервалы оценок параметров надежности НПТ.

В четвертой главе проведен расчет характеристик надежности НПТ по малым цензурированным выборкам для статистических данных эксплуатации трубопроводов в условиях болот Западной Сибири. По многим диаметрам НПТ отсутствует достаточная информация для создания однородных выборок по необходимому признаку. Исследованию подвергнуты цензурированные выборки с общим количеством наработок более 5. Доверительная вероятность для построения доверительных интервалов средней наработки до отказа принималась равной 0,9.

Результаты расчетов средней наработке Тср до отказа НПТ различной номенклатуры приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения средней наработки Т до отказа НПТ цехов А и Б

№ Диаметр трубопровода, мм Нижняя граница Тср, лет Верхняя граница лет

1 114 (цех А) 12,05 12,11

2 159 (цех А) 8 8,16

3 219 (цех А) 8,92 9

4 273 (цех А) 7,81 7,93

5 325 (цех А) 10,1 10,31

6 426 (цех А) 10,1 10,24

7 530 (цех А) 8,66 8,73

8 159 (цех Б) 6,69 7,23

9 219 (цех Б) 10,18 10,56

10 273 (цех Б) 12,28 12,4

11 325 (цех Б) 10,86 11,33

Анализ данных табл. 1 позволил сделать следующие выводы:

1. Впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше.

2. Анализ результатов расчетов показал, что средняя наработка до отказа в цехе Б выше, чем в цехе А по большинству диаметров НПТ:

а) 0219 мм: средняя наработка до отказа для цеха Б на 14,7% больше, чем в цехе А;

б) 0273 мм: средняя наработка до отказа для цеха Б на 36,6% больше, чем в цехе А;

в) 0159 мм: средняя наработка до отказа для цеха А на 11,3% больше, чем в цехе Б.

г) 0325 мм: средняя наработка до отказа для цеха Б на 9% больше, чем в цехе А.

3. Наибольшую надежность имеютНПТ0114мм, 0325мми 0426мм для условий цеха А и 0273 мм для условий цеха Б.

В табл. 2 приведены результаты расчетов средней наработки Тср до отказа НПТ с разными условиями эксплуатации.

Таблица 2

Значения средней наработкиТсрдо отказа НПТ _для различных условий эксплуатации_

№ Условия эксплуатации трубопровода Нижняя граница ^.лет Верхняя граница Тср >лет

1 Нормальные условия 9,59 9,73

2 Расслоенный поток 7,18 7,31

3 Динамически напряженные зоны 7,31 7,37

Анализ результатов расчетов приведенных в табл.2 показал:

1. Время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях расслоенного потока на 24,9% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях.

2. Время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях динамически напряженных зон на 24,2% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях.

То есть количественно подтверждено, что условия эксплуатации сильно влияют на надежность НПТ в условиях болот Западной Сибири.

В табл.3 приведены результаты расчетов средней наработки Тср до

отказа НПТ с различной толщиной стенки.

Таблица 3

Значения средней наработки Тср до отказа

НПТ 0219 мм с различной толщиной стенки_

№ Условия эксплуатации НПТ с различной толщиной стенки 5, мм Нижняя граница Тср,яегг Верхняя граница Гср,лет

1 Нормальные, 5=5 6,7 6,9

2 Нормальные, 8=6 8,17 8,24

3 Расслоенный поток, 5=5 4,96 5,08

4 Расслоенный поток, 5=6 6 6,13

При расчете оценок средней наработки до отказа для различных условий эксплуатации НПТ мм с разным сортаментом толщин стенок в цехе А оказалось, что (табл.3):

1. При эксплуатации с расслоенным потоком НПТ с толщиной стенки 6 мм показали большую на 17% надежность, чем НПТ с толщиной стенки 5 мм в тех же условиях.

2. В нормальных условиях эксплуатации НПТ с толщиной стенки 6 мм на 16,3% надежней, чем НПТ с толщиной стенки 5 мм в тех же условиях.

3. НПТ с толщиной стенки 6 мм в нормальных условиях показали большую надежность, чем НПТ с толщиной стенки 6 мм в условиях расслоенного потока на 25,6%.

4. Для условий цеха А НПТ с толщиной стенки 5 мм в условиях расслоенного потока показали меньшую надежность, чем НПТ с толщиной стенки 5 мм в нормальных условиях на 26,4%.

Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным выборкам с рядом других выполненных работ на основе статистических данных значительно большего объема для рассматриваемых НПТ диаметров 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

Далее в разделе 4.4. приведена инженерная методика оценки надежности нефтяных промысловых трубопроводов по ограниченной информации в условиях болот Среднего Приобья, которая содержит следующие последовательные работы:

1. Проверка корректности статистических данных.

2. Оценка аномальных результатов.

3. Группировка по признакам.

4. Оценка однородности и объединение данных.

5. Выбор метода обработки в зависимости от вида полученной выборки.

6. Получение с помощью выбранного метода оценки параметров надежности.

7. Проверка достоверности полученных результатов, анализ и применение при проектировании и эксплуатации НПТ.

В заключении диссертации сформулированы следующие основные результаты работы:

1. Системный анализ эксплуатационных данных показал, что информация об отказах НПТ ограничена и представляет собой эксплуата-

ционные данные с наработками до отказа и неполными наработками. Для использования стандартных методик оценки надежности объем исследуемой выборки должен быть не меньше определенного значения, ограничивающего применение соответствующего метода. Так как точность определения характеристик надежности зависит от объема выборки, а эксплуатационные данные, чаще всего недостаточны, то желательным является объединение разнородных данных. Поэтому появляется необходимость выявления однородности выборок между собой, что является основным условием для возможности объединения данных, полученных из разных источников.

2. Выполненный системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ показал, что большинство существующих методов оценки параметров надежности не позволяют проводить оценки малых цензурированных выборок. При этом основные ограничения применяемых для оценки методов касаются вида априорных данных. Таким образом, информация, которую нужно исследовать, должна удовлетворять определённым требованиям, чтобы было возможным использовать тот или иной метод оценки надежности по малым выборкам. В этом плане параметрические методы оценки параметров надежности требуют обязательного априорного знания закона распределения наработок. В связи с чем, они не применимы для выборок малого объема. Однако, если объем данных значителен, параметрические методы более точны. В то же самое время непараметрические методы оценки параметров надежности не требуют априорного знания закона распределения наработок. Поэтому именно их целесообразно применять для выборок малого объема.

3. В работе доказано, что наиболее оптимальным методом оценки малых цензурированных выборок является метод последовательного перехода к новой системе координат. В сравнении с другими непараметрическими методами он позволяет определять вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа объекта. Данный метод не требует априорного знания закона распределения данных, более точен в сравнении с другими методами.

4. Впервые построена математическая модель совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода.

5. При исследовании статистических данных ограниченного объема точность получаемых оценок показателей надежности ниже, чем для данных большого объема. Так, для выборок объемом 5-10 нара-

боток точность на 20-25% ниже, чем для выборок объемом 40-50 наработок.

6. Для оценки точности разработанной модели произведено статисти-

ческое моделирование с использованием программы, написанной на основе математической модели совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода. Выполнен системный анализ результатов статистического моделирования с результатами, полученными при использовании других методов оценки параметров надежности по цензурирован-ным выборкам. Оказалось, что когда коэффициент вариации v=1(это наиболее неблагоприятное значение, то есть, имеем дело с экспоненциальным распределением отказов), точность метода с использованием бутстреп-интервалов выше, чем у остальных методов. Это характерно для ситуации, когда наработок не много (около 2025). Подобная ситуация наблюдается с уменьшением коэффициента вариации моделируемой выборки до v=0.4 и объёма выборки до 510. С увеличением объема выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы уменьшается, а вероятность попадания в интервал увеличивается, что не противоречит классической статистической теории. С увеличением количества неполных наработок (увеличение глубины цензурирования) выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы увеличивается.

7. Произведен расчёт оценок показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов двух цехов нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и анализ свойств этих оценок на основе разработанной математической модели. По результатам расчетов получен ряд важных для эксплуатации НПТ выводов, основные из которых следующие:

1) впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше;

2) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях расслоенного потока на 24,9% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

3) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях динамически напряженных зон на 24,2% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

8. Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным

выборкам с рядом других выполненных работ на основе статистических данных большего объема для рассматриваемых НПТ диаметров 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

9. Разработана инженерная методика оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема. Она заключается в совместном использовании непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистических экспериментов бутстреп-метода. По разработанной методике выполнена оценка надежности нефтяных промысловых трубопроводов по ограниченной информации в условиях болот Среднего Приобья.

10. Эта инженерная методика была апробирована на данных нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и получила одобрение эксплуатационного персонала. Она включает в себя следующие последовательно выполняемые операции:

1) проверка корректности статистических данных;

2) оценка аномальных результатов;

3) группировка по признакам;

4) оценка однородности и объединение данных;

5) выбор метода обработки в зависимости от вида полученной выборки;

6) получение с помощью выбранного метода оценки параметров надежности.

7) проверка достоверности полученных результатов, анализ и применение при проектировании и эксплуатации НПТ.

11. Полученные в работе результаты могут быть использованы не только для оценки надежности НПТ, но и в других областях: магистральных нефте- и газопроводах, продуктоводах с агрессивными жидкостями и газами, водоводах и других токсических, экологически опасных и ответственных системах.

В приложении приведены результаты статистического моделирования на основе предлагаемого метода оценки параметров надежности НПТ по ограниченной информации, а так же эксплуатационные данные НПТ.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах: Колесник В.Н. Исследование методических вопросов статистического анализа надёжности по цензурированным выборкам с использованием бутстреп-методов для нахождения интервальных оценок // Первая научная конференция молодых учёных и специалистов го-

рода Сургута: Сб. тез. докл. / Под ред. А.И. Демко, В.П. Зуевского. - Сургут: Изд. центр СурГУ, 1998. - 129 с, с. 94-95.

2. Колесник В.Н., Буртаев Ю.Ф. Анализ малой цензурированной выборки с использованием бутстреп-метода для нахождения интервальных оценок показателя надёжности. Диагностика и прогнозирование состояния объектов сложных информационных интеллектуальных систем // Сборник научных трудов № 13 кафедры АСУ / Под общ. ред. заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н. В.А. Острейковского. - Обнинск: ИАТЭ, 1999. - 142 с, с. 68-72.

3. Колесник В.Н. Бутстреп-метод для статистического анализа // Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. 5. Физико-математические и технические науки. - Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2000. - 222 с, с. 77-85.

4. Статистические методы системного анализа: Учеб. пособие / Ю.Ф. Буртаев, В.Н. Колесник, А.В. Чеховская, А.В. Чеховской. -Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2001. - 76 с.

5. Колесник В.Н. Применение бутстреп-метода для оценки надёжности // Современная техника и технологии: Труды седьмой международной науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных. - Томск: Изд-во ТПУ, 2001. - Т. 1. - 352 с.

6. Колесник В.Н., Острейковский В.А., Шулакова О.А. Сравнение мощности критериев при оценке однородности цензурированных выборок. Проверка однородности выборок эксплуатационных данных нефтепромысловых трубопроводов // Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах: Сб. науч. тр. кафедры ИВТ № 2. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2003. - С. 67-77.

7. Колесник В.Н., Муравьев И.И. Системный анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов по данным эксплуатации в условиях болот Севера Западной Сибири // Наука и инновации XXI века: Мат-лы открытой окружной конф. молодых ученых. 27-28 ноября 2003 года: В 2 т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2004. - Т. I. - С. 49-51.

8. Колесник В.Н. Оценка параметров надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым цензурированным выборкам эксплуатационных данных // Наука и инновации XXI века: Мат-лы открытой окружной конф. молодых ученых. 27-28 ноября 2003 года: В 2 т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2004. - Т. I. - С. 46-49.

Колесник Вячеслав Николаевич

Системный анализ надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым выборкам (по данным эксплуатации нефтегазовых месторождений Среднего Приобья)

Специальность

05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.04.2004. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд. л. 1,1. Печать трафаретная. Тираж 100. Заказ № 49.

Отпечатано полиграфическим отделом Издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Лермонтова, 5. Тел. 32-33-06.

Сургутский государственный университет 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, ул. Энергетиков, 14. Тел. (3462) 52-47-00, факс (3462) 52-47-29.

»10U4

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по теме исследования. Постановка задачи.

1.1. Характеристика объекта исследования.

1.2. Обзор работ по оценке показателей надежности по цензурированным выборкам.

1.3. Постановка цели и выявление задач.

Глава 2. Анализ методов получения характеристик надежности объектов по ограниченной эксплуатационной информации.

2.1. Параметрические методы оценивания по цензурированным выборкам.

2.2. Непараметрические методы оценивания по цензурированным выборкам.

2.3. Интервальное оценивание.

2.4. Характеристика бутстреп-метода.

2.5. Определение оценок параметров надежности по малым цензурированным выборкам.

Выводы по 2й главе.

Глава 3. Оценка показателей надежности НПТ по малым выборкам и анализ их свойств.

3.1. Сбор и обработка данных НПТ по эксплуатации в условиях болот Западной Сибири.

3.2. Анализ однородности выборок НПТ по разным эксплуатационным условиям.

3.3. Характеристики надежности НПТ по эксплуатационным данным.

Выводы по Зй главе.

Глава 4. Расчет характеристик надежности НПТ по малым цензурированным выборкам для статистических данных эксплуатации трубопроводов р условиях болот Западной Сибири.

4.1. Моделирование эксперимента для определения оценок показателей надежности НПТ по малым цензурированным выборкам.

4.2. Программное обеспечение расчетов.

4.3- Расчет и системный анализ характеристик надежности НПТ по малым выборкам.

4.4. Инженерная методика оценки надежности нефтяных промысловых трубопроводов по ограниченной информации в условиях болот Среднего Приобья.

Выводы по 4й главе.

Оценка и прогнозирование надежности оборудования занимают важное место в обеспечении высокой эффективности и безопасности действующих, строящихся и проектируемых сложных систем. Экономические потери от неправильно принимаемых решений о прекращении эксплуатации конкретной сложной системы или о необходимости продления назначенного ресурса ее оборудования велики. Поэтому для обоснованных выводов о надежности оборудования сложных систем требуется осуществить комплекс исследовательских и прикладных работ.

По данным гостехнадзора в период с 1991 по 1994 годы на объектах магистрального трубопроводного транспорта произошло 199 аварий, в том числе 138 аварий на газопроводах и 61 авария на трубопроводах, транспортирующих нефть, нефтепродукты и конденсат [83]. За период с 1992 по 1996-й годы на газопроводах РАО «Газпром» произошло примерно 177000 отказов или 35400 отказов каждый год при общей протяженности около 150 тысяч км [53]. В 1999 году на магистральных газопроводах произошло 26 аварий [78]. Основной причиной по прежнему является старение газопроводов, отсутствие средств на проведение капитальных ремонтов. В результате аварий в 1999 году эмиссии природного газа составили порядка 100 млн. м3. В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях на первое место выходят проблема ликвидации аварийных разливов нефти при её транспортировке и хранении, рекультивация замазученных земель, утилизация нефтешламов и ликвидация нефтешламо-вых амбаров.

В 1999 году общее количество порывов на внутрипромысловых трубопроводах составило 27408 (в 1998 году - 28523), в том числе по причине коррозии - 26373 (96,2 процента). На внутрипромысловых нефтепроводах произошло 19227 порывов (19331 - в 1998 году), из них по причине коррозии 18524 (96,4 процента). Большое экологическое воздействие на природу оказывает разлившаяся нефть при авариях на промысловых и магистральных нефтепроводах, ежегодные потери которой составляют более 3 млн.т [52].

По данным Министерства природы только за 2003 год по Ханты-Мансийскому автономному округу было официально зарегистрировано 1450 прорывов нефтепромысловых трубопроводов.

Нефтяные промысловые трубопроводы (НПТ) представляют собой сложные инженерно-технические сооружения (системы), к которым предъявляются высокие требования по надежности и безопасности в течение всего срока эксплуатации. Большая часть инфраструктуры нефтедобывающих предприятий расположена в районах вечной мерзлоты и на болотах. Решение вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации НПТ уже через 3+-5 лет вызывает затруднения, так как не обеспечено необходимым объёмом научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ и нормативной документацией. Существующие методики проектирования не учитывают возможные изменения положения трубопровода при эксплуатации и связанные с этим изменения напряженно-деформированного состояния трубы, скорости коррозии и вероятностного характера нагрузок.

В теории надёжности и её приложениях одной из важных и трудных задач является задача точечного и интервального оценивания показателей надёжности по результатам специальных испытаний или эксплуатационных наблюдений.

Однако реальные испытания (или их имитация) являются достаточно дорогостоящими и их объёмы (число образцов и сроки проведения) всегда сильно ограничены (часто не превышают 10 и менее образцов). Информация же об эксплуатационных наблюдениях представляет собой цензурированные выборки.

Эти факты существенно затрудняют использование классических методов интервального оценивания, которые работают, как правило, при полных выборках, больших объёмах выборочных данных, а также требуют использования априорных предположений о характере распределений наработок до отказа.

Известные в литературе по надёжности методы оценивания надёжности систем по результатам испытаний её элементов предполагают однотипность распределений для элементов системы. Фактически рассматриваются только экспоненциальное, нормальное и распределение Вейбулла [27, 84, 93]. Если же элементы системы (даже с простейшим последовательным соединением) имеют различные типы распределений наработок до отказа, то аналитических методов интервального оценивания просто нет.

В данной ситуации возможным выходом может стать использование методов статистического моделирования результатов испытания в условиях ограниченных выборочных данных. Такой подход начал интенсивно развиваться в работах

Б.Эфрона, Р.Берана, К.Сингха и других [31, 100, 101, 104] и получил название бутст-реп-метода.

Цензурированность выборки обычно известна априори и этим не следует пренебрегать для уточнения искомых оценок. Актуальность исследования методик нахождения оценок показателей надёжности по малым цензурированным выборкам несомненна, ввиду повсеместного применения подобных выборок. Поэтому имеется необходимость разработки алгоритмов анализа эффективности использования бутстреп-метода для различных вариантов цензурированных выборок.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется необходимостью обеспечения бесперебойной и безаварийной работы нефтепромысловых трубопроводов.

Целью диссертации является системный анализ надежности НПТ по ограниченной информации для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасности и их реализации при эксплуатации (на примере НПТ Нефтегазодобывающего управления (НГДУ) Фёдоровск-нефть (ФН)).

В соответствии с поставленной целью исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести системный анализ эксплуатационных данных и возможности получения выборок.

2. Выполнить системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ по малым выборкам.

3. Разработать методику оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

4. Произвести расчёт оценок показателей надежности и анализ их свойств на основе разработанной математической модели.

5. Дать рекомендации по эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов с использованием методики оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

В основу исследования положены методы теории надежности, теории случайных процессов, математической статистики и прикладного системного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана возможность управления безотказностью и долговечностью НПТ на этапе эксплуатации, используя эксплуатационную информацию НПТ ограниченного объема.

2. Впервые выполнен системный анализ надежности по малым выборкам НПТ цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть».

3. Разработан новый метод определения характеристик надежности НПТ по малым эксплуатационным выборкам.

4. Создана инженерная методика оценки надежности по малым выборкам для НПТ эксплуатируемых в условиях болот Среднего Приобья.

Практическая значимость работы заключается в том, что

1. Для номенклатуры НПТ НГДУ «Фёдоровскнефть» с эксплуатационной статистикой малого объема разработана и внедрена инженерная методика.

2. Вычислены значения показателей надежности для номенклатуры НПТ цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз», по которой собрана статистика малого объема, не позволяющая применять используемые в настоящее время методы оценки показателей надежности НПТ.

3. Разработаны и внедрены в практику работы НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз» методы расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов с внезапными и постепенными отказами, позволяющие оперативно проводить анализ технического состояния систем перекачки нефти.

4. На основе созданного метода расчета надежности НПТ по эксплуатационной информации ограниченного объема написан программный комплекс «Оценка параметров надежности НПТ по малым выборкам», применяемый для расчета показателей надежности различных номенклатуры и условий эксплуатации НПТ.

Основные положения, выдвигаемые автором на защиту:

1. Метод определения показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационной информации ограниченного объема.

2. Инженерная методика системного анализа надежности НПТ в условиях болот Севера Западной Сибири;

3. Характеристики надежности номенклатуры НПТ, имеющих ограниченный объем статистики эксплуатационных данных, и эксплуатирующихся в условиях болот Севера Западной Сибири.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, провел анализ литературы по проблеме, патентный поиск, планирование исследований, сбор исходных данных, разработку моделей и методов, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Колесник В.Н. Исследование методических вопросов статистического анализа надёжности по цензурированным выборкам с использованием бутстреп-мето-дов для нахождения интервальных оценок. Первая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута: Сборник тезисов докладов. / Под ред. А.И.Демко, В.П.Зуевского. - Сургут: Издательский центр СурГУ,

1998.-129с., с.94-95.

2. Колесник В.Н., Буртаев Ю.Ф. Анализ малой цензурированной выборки с использованием бутстреп-метода для нахождения интервальных оценок показателя надёжности. Диагностика и прогнозирование состояния объектов сложных информационных интеллектуальных систем. Сборник научных трудов №13 кафедры АСУ. / Под общей редакцией заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, д.т.н. .В.А.Острейковского. Обнинск: ИАТЭ,

1999.- 142с., с.68-72.

3. Колесник В.Н. Бутстреп-метод для статистического анализа. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. 5. Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2000. 222 с. с.77-85.

4. Буртаев Ю.Ф., Колесник В.Н., Чеховская А.В., Чеховской А.В. Статистические методы системного анализа. / Учеб. пособие. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2001.76 с.

5. Колесник В.Н. Применение бутстреп-метода для оценки надёжности. Современная техника и технологии: Труды седьмой международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - Томск: Изд. ТПУ, 2001. Т.1. - 260-262с.

6. Колесник В.Н., Острейковский В.А., Шулакова О.А. Сравнение мощности критериев при оценке однородности цензурированных выборок. Проверка однородности выборок эксплуатационных данных нефтепромысловых трубопроводов. Сборник научных трудов кафедры ИВТ№2 «Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах». Сургут: Изд-во СурГУ,

2003. с.67-77.

7. Колесник В.Н., Муравьев И.И., Острейковский В.А. Системный анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов по данным эксплуатации в условиях болот Севера Западной Сибири. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2004.

8. Колесник В.Н. Оценка параметров надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым цензурированным выборкам эксплуатационных данных. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. . Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та,

2004.

Апробация работы:

1. Первая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г.Сургут. 1998г.

2. Вторая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г.Сургут. 2000г.

3. Международный симпозиум «Надежность и качество 2000». г.Пенза, 22-31 мая 2000 г.

4. Вторая окружная конференция молодых ученых и специалистов Ханты-мансийского автономного округа «Наука и образование XXI веку». Сургут, 2224 ноября 2001 г.

5. Седьмая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии 2001». г.Томск. 26 февраля -02 марта 2001г.

6. Ill окружная конференция молодых ученых Ханты-мансийского автономного округа «Наука и инновации Ханты-мансийского автономного округа». г.Сургут, 29-30 ноября 2002 г.

7. Окружная конференция молодых учёных «Наука и инновации XXI века». г.Сургут, 27-28 ноября 2003г.

8. Материалы диссертаций докладывались на ежегодных научно технических семинарах кафедры ИВТ Сургутского государственного университета в 19992003 годах.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Содержит 110 страниц текста, 48 рисунков, 29 таблиц, 1 приложение и список использованной литературы из 111 наименований.

Выводы по четвертой главе.

НПТ работающие в условиях расслоенного потока наиболее подвержены отказам в сравнении с такими же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях. НПТ работающие в условиях динамически напряженных зон так же больше подвержены отказам в сравнении с такими же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях.

Сравнивая НПТ в цехе А и цехе Б делаем вывод, что средняя наработка до отказа в 6 цехе выше чем в 5 цехе по большинству диаметров НПТ.

По многим диаметрам НПТ отсутствует достаточная информация для создания однородных выборок по необходимому критерию.

Впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше.

Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным выборкам с рядом других выполненных работ на основе аналогичных статистических данных для рассматриваемых сортаментов НПТ диаметра 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

Заключение.

1. Системный анализ эксплуатационных данных показал, что информация об отказах НПТ ограничена и представляет собой эксплуатационные данные с наработками до отказа и неполными наработками. Для использования стандартных методик оценки надежности объем исследуемой выборки должен быть не меньше определенного значения, ограничивающего применение соответствующего метода. Так как точность определения характеристик т надежности зависит от объема выборки, а эксплуатационные данные, чаще всего недостаточны, то желательным является объединение разнородных данных. Поэтому появляется необходимость выявления однородности выборок между собой, что является основным условием для возможности объединения данных, полученных из разных источников.

2. Выполненный системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ показал, что большинство существующих методов оценки параметров надежности не позволяют проводить оценки малых щ цензурированных выборок. При этом основные ограничения применяемых для оценки методов касаются вида априорных данных. Таким образом, информация, которую нужно исследовать, должна удовлетворять определённым требованиям, чтобы было возможным использовать тот или иной метод оценки надежности по малым выборкам. В этом плане параметрические методы оценки параметров надежности требуют обязательного априорного знания закона распределения наработок. В связи с чем, они не применимы для выборок малого объема. Однако, если объем

V* данных значителен, параметрические методы более точны. В то же самое время непараметрические методы оценки параметров надежности не требуют априорного знания закона распределения наработок. Поэтому именно их целесообразно применять для выборок малого объема.

3. В работе доказано, что наиболее оптимальным методом оценки малых цензурированных выборок является метод последовательного перехода к новой системе координат. В сравнении с другими непараметрическими методами он позволяет определять вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа объекта. Данный метод не требует априорного знания закона распределения данных, более точен в сравнении с другими методами.

4. Впервые построена математическая модель совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода.

5. При исследовании статистических данных ограниченного объема точность получаемых оценок показателей надежности ниже, чем для данных большого объема. Так, для выборок объемом 5-10 наработок точность на 20-25% ниже, чем для выборок объемом 40-50 наработок.

6. Для оценки точности разработанной модели произведено статистическое моделирование с использованием программы, написанной на основе математической модели совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода. Выполнен системный анализ результатов статистического моделирования с результатами, полученными при использовании других методов оценки параметров надежности по цензурированным выборкам. Оказалось, что когда коэффициент вариации у=1(это наиболее неблагоприятное значение, то есть, имеем дело с экспоненциальным распределением отказов), точность метода с использованием бутстреп-интервалов выше, чем у остальных методов. Это характерно для ситуации, когда наработок не много (около 20-25). Подобная ситуация наблюдается с уменьшением коэффициента вариации моделируемой выборки до v=0.4 и объёма выборки до 5-10. С увеличением объема выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы уменьшается, а вероятность попадания в интервал увеличивается, что не противоречит классической статистической теории. С увеличением количества неполных наработок (увеличение глубины цензурирования) выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы увеличивается.

7. Произведен расчёт оценок показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов двух цехов нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и анализ свойств этих оценок на основе разработанной математической модели. По результатам расчетов получен ряд важных для эксплуатации НПТ выводов, основные из которых следующие:

1) впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше;

2) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях расслоенного потока на 24,9% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

3) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях динамически напряженных зон на 24,2% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

8. Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным выборкам с рядом других выполненных работ на основе статистических данных большего объема для рассматриваемых НПТ диаметров 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

9. Разработана инженерная методика оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема. Она заключается в совместном использовании непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистических экспериментов бутстреп-метода. По разработанной методике выполнена оценка надежности нефтяных промысловых трубопроводов по ограниченной информации в условиях болот Среднего Приобья.

10. Эта инженерная методика была апробирована на данных нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и получила одобрение эксплуатационного персонала. Она включает в себя следующие последовательно выполняемые операции:

1) проверка корректности статистических данных;

2) оценка аномальных результатов;

3) группировка по признакам;

4) оценка однородности и объединение данных;

5) выбор метода обработки в зависимости от вида полученной выборки;

6) получение с помощью выбранного метода оценки параметров надежности.

7) проверка достоверности полученных результатов, анализ и применение при проектировании и эксплуатации НПТ.

11. Полученные в работе результаты могут быть использованы не только для оценки надежности НПТ, но и в других областях: магистральных нефте- и газопроводах, продуктоводах с агрессивными жидкостями и газами, водоводах и других токсических, экологически опасных и ответственных системах.

1. Адлер, Ю.П. Бутстреп-моделирование при построении доверительных интервалов по цензурированным выборкам. / Ю.П. Адлер, И.В. Гадолина, М.Н. Ляндрес // Заводская лаборатория. №10. 1987. - Том 53. - Москва:Металлургия. С. 90-94.

2. Айнбиндер, А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие. М.: Недра, - 1991. - 287 с.

3. Анализ надежности технических систем по цензурированным выборкам. /

4. B.М. Скрипник, А.Е. Назин, Б.Г. Приходько, и др. М.:Радио и связь, - 1988.1. C.183.

5. Антонов, А.В. Оценивание характеристик надежности элементов и систем ЯЭУ комбинированными методами. / А.В. Антонов, В.А. Острейковский. М.: Энер-гоатомиздат. 1993. - 368с. - ISBN 5-283-03404-6.

6. Антонов, А.В. Оценивание характеристик надежности элементов и систем ЯЭУ комбинированными методами. / А.В. Антонов, В.А. Острейковский. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с. - ISBN 5-283-03404-6.

7. Аронов, И.З. Оценка надёжности по результатам сокращённых испытаний. / И.З. Аронов, Е.И. Бурдасов. М.: Издательство стандартов, 1987, - с. 184.

8. Бабин, JI.A. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов. / JI.A. Бабин, П.Н. Григоренко, Е.Н. Ярыгин. // Учеб. пособ. для вузов. М.: Недра. 1995. - 246 с.

9. Беленький, Д.М. Новый подход к определению прочности стыкового сварного соединения. / Д.М. Беленький, А.Н. Бескопылый, H.JI. Вернези // Заводская лаборатория, 1996. №8. - С.47-51.

10. Беляев, Ю.К. Статистические методы обработки результатов испытаний на надёжность. М.: Знание, 1982.

11. Бианчи, С. Прокладка трубопроводов через глубоководное озеро // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1990. - №5. - с.63-65.

12. Борисов, Б. И. Несущая способность изоляционных покрытий подземных трубопроводов. М.: Недра.1986. - 160с.

13. Бородавкин, П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). / М.: Недра, 1982 384 с.

14. Бочаров, П.П. Теория вероятностей. Математическая статистика. / П.П. Бочаров, А.В. Печинкин М.: Гардарика, 1998. - 328с.

15. Буртаев, Ю.Ф. Непараметрические методы статистического анализа надежности в условиях ограниченной информации. // Сб. науч. тр. №11 каф. АСУ. Обнинск: Обнинский институт атомной энергетики, 1996. - С.56-60.

16. Буртаев, Ю.Ф. Статистические методы системного анализа. / Ю.Ф. Буртаев, В.Н. Колесник, А.В. Чеховская. / Учеб. пособие. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2001. -76 с.

17. Буртаев, Ю.Ф. Статистический анализ надежности объектов по ограниченной информации. / Ю.Ф. Буртаев, В.А. Острейковский. М.:Энергоатомиздат, 1995.-240с.: ил.

18. Васин, Е.С. Оценка прочности линейной части магистральных нефтепроводов по данным внутритрубных инспекционных снарядов. / Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. М. 1997. 151с.

19. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей. / Учеб. для вузов. 7-е изд. стер. М.: Высш. шк., 2001. -575с.

20. Галлямов, А. К. Обеспечение надежности функционирования системы нефтепроводов на основе технической диагностики. / А.К. Галлямов, К.В. Черняев. -М:, 1998. 599с.

21. Гафаров, Н.А. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. / Н.А. Гафаров, А.А. Гончаров, В.М. Кушнаренко / Под ред. В.М. Кушнаренко. М.: ОАО Издательство «Недра», 1998. - 437 с.

22. Гехман, А.С. Расчет, конструирование и эксплуатация трубопроводов в сейсмических районах. / А.С. Гехман, Х.Х. Зайнетдинов. М.: Стройиздат., 1988. - 184с.

23. Гнеденко, Б.В. Математические методы в теории надежности. / Б.В.Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев. М.: Наука, 1965. - 524 с.

24. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов .1989.

25. ГОСТ 27.410-87. Надёжность в технике. Методы контроля показателей надёжности и планы контрольных испытаний на надёжность. М.: Изд-во стандартов,1988.

26. ГОСТ 27.503-81. Методы оценки показателей надежности. М.: Изд-во стандартов, 1982.

27. ГОСТ 27.504-84. Методы оценки показателей надежности по цензурированным выборкам. М.: Изд-во стандартов,1984.

28. Джон С. Смарт Статистический анализ утечек на нефтепроводах Западной Сибири // Pipe Zinl.Jnd. 1987. №5. - С.10-11.

29. Диаконис, П. Статистические методы с интенсивным использованием ЭВМ. / Диаконис П., Эфрон Б. / Пер. с англ. / В мире науки. 1983. - №7. - С.60-73.

30. Димов, JI.A. Анализ моделей грунта для расчета подземных трубопроводов на болотах. / JI.A. Димов, В.В. Рудометкин М.:КИИЦ Нефтегазстройинформрек-лама. 1991.-41 с.

31. Димов, JI.A. Методы расчета трубопроводов в условиях болот. / Дисс. на соиск. уч. степени д.т.н., М.,1997, - 425с.

32. Кокс, Д. Статистический анализ последовательностей событий. / Кокс Д., Льюис П. /Перевод с английского Моховой И.А. и Рыкова В.В. / Под ред. Бусленко Н.П. Изд-во «Мир». Москва, 1969.

33. Колесник, В.Н. Бутстреп-метод для статистического анализа. / Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. Вып. 5. Физ.-мат. и техн. науки. Сургут: Изд-во Сургут, унта, 2000. - 222 с. С.77-85.

34. В .А. Острейковского. Обнинск: ИАТЭ, 1999. - 142с. С.68-72.

35. Колесник, В.Н. Применение бутстреп-метода для оценки надёжности. / Современная техника и технологии. / Труды седьмой межд. науч.-практ. конф. студ-в,асп-в и мол. уч. Томск: Изд. ТПУ, 2001. - Т. 1. - 352с.

36. Колесник, В.Н. Оценка параметров надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым цензурированным выборкам эксплуатационных данных. // Наука и инновации XXI века: Мат-лы откр. окр. конф. мол. уч. Сургут: Изд-во СурГУ, 2004. - T.I. -С. 46-49.

37. Кошевник, Ю.А. Асимптотические свойства бутстреп-оценок. / Заводская лаборатория. №10. 1987. Т. 53. - Москва: «Металлургия». - С. 76-82.

38. Кузнецов, В.В. О чем говорит статистика // Нефтегазовая вертикаль. 1998. №1. -С.73-74.

39. Кузнецов, Н.П. Анализ состояния нефтепромыслового оборудования в ОАО «Юганскнефтегаз» и пути повышения надежности его эксплуатации //Нефтепромысловое дело. 1998, № 11,12. - С.22-28.

40. Лейфер, JI.A. Методы объединения неоднородной информации и их применение в задачах оценивания показателей надежности машин по результатам их испытаний. -М.: Знание, 1981.

41. Логинова, Т.Л. Применение бутстреп-метода в имитационном моделировании авиационных систем. // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Рига. 1996.

42. Малиновский, B.C. Об одном алгоритме моделирования цензурированных выборок в задачах надёжности. / B.C. Малиновский, Е.В. Грант /Надёжность и контроль качества. 1995, №7. С.30-37.

43. Мальцев, Н.А. Нефтяная промышленность России в послевоенные годы. / Н.А.Мальцев, В.И. Игревский, Ю.В. Вадецкий М.: ВНИИОЭНГ. 1986.

44. Матвиенко, Ю.Г. Модели разрушения и диаграммы трещиностойкости // Заводская лаборатория, 1997. №12 том 63. - С.49-53.

45. Математические модели в трубопроводном транспорте нефти и газа: Учеб. Пособие / И.Р. Байков, А.К. Галлямов и др. Уфим. нефт. ин-т. 1991. 110с. ISBN 5230-19009-4.

46. Методические указания РД 50-690-89. Методы оценки показателей надёжности по экспериментальным данным. / Надёжность в технике. М.: Изд-во стандартов, 1990.

47. Мингалеев, Э.П. Проблемы коррозии и защиты трубопроводов на нефтяных месторождениях Тюменской области / Обзор, инф. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. Вып.З (27). М. 1983. С.9-10.

48. Мокрушин, JI.А. Генерация псевдослучайных числовых последовательностей высокого качества на основе линейного конгруэнтного метода. // Изв. СПбЭТИ. СПб., 1992. - Вып.446. - С.71-82

49. Морозов, В.Н. Магистральные трубопроводы в сложных инженерно-геологических условиях. JL: Недра. 1987. 123с.

50. Мостеллер, Ф., Тьюки, Дж. Анализ данных и регрессия / Мостеллер Ф., Тьюки Дж. /Вып. 1. М.: Финансы и статистика, 1982.

51. Надежность в технике. Методы прогнозирования показателей параметрической надежности изделии, машиностроения по результатам кратковременной эксплуатации или испытании.// Методические рекомендации. ВНИИНМАШ. М.-1980.

52. Научно-практические вопросы анализа и управления рисками на нефтегазодобывающих предприятиях Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.ecooil.far.ra/Maixi/Dmitruk2.htm

53. Никифоров, В.Г. Оценивание показателей надёжности эксплуатирующихся изделий при неизвестном виде закона распределения отказов. / Надёжность и контроль качества. 1983, №7. - С.7-13.

54. Новицкий, Н.Н. Информационная система на базе ЭВМ для оценки коррозионного состояния трубопроводов // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1988. №10. - С.77-82.

55. Новицкий, Н.Н. Адаптивная идентификация магистральных нефтепроводов сложной структуры / Н.Н. Новицкий, В.Г. Сидлер, В.В. Шлафман. // Транспорт и хранение нефти. -1995. №1,2. С.73-76

56. Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию банков данных. М.: ГКНТ, 1982. - 42с.

57. Орлов, А.И. О реальных возможностях бутстрепа как статистического метода. // Заводская лаборатория. №10. 1987. Т. 53. Москва: Металлургия. - С. 82-86.

58. Острейковский, В.А. Информатика / Учеб. для вузов.- М .: Высш.шк., 1999. 511с.

59. Острейковский, В.А. Основы теории надёжности. Конспект лекций по курсу «Надёжность автоматизированных систем обработки информации и управления атомными станциями». Обнинск: ИАТЭ, 1998. - 236с.

60. Отчет по науч.исслед.работе "Анализ состояния зараженности сульфатвосста-навливающими бактериями и оценка коррозионной активности нефтепромысловых сред по месторождениям АООТ "Сургутнефтегаз"". Сургут.СургутНИПИнефть. 1994. - 38с.

61. ОТЧЕТ по теме ЗБК-80 "Анализ влияния коррозии на срок службы водоводов ППД и выдача рекомендаций по их защите". Сургут. - 1980. - 13с.

62. Павлов, И.В. Доверительные границы показателей надёжности для цензурированных выборок. / Надёжность и контроль качества. 1995, №7. - с.8-13.

63. Попов, А.А. Экологические проблемы ТЭК // Ядерное общество. 2001. №1. -с.20-22.

64. Походзей, Б.Б. Бутстреп как метод оценки изменчивости геолого-технологических параметров руд. / Б.Б. Походзей, В.А. Хрущёв // Заводская лаборатория. №10. 1987. - Т.53. - Москва: «Металлургия». - С.86-90.

65. РД 39-132-94 «Правила эксплуатации, ревизии, ремонта и отбраковки нефтепро мысловых трубопроводов» Госстрой России. М.: ГУП ЦПП. 1994. - 326с.

66. РосНИПИтермнефть. Отчет по теме: «Обобщение мирового опыта нефтегазо-промысловой практики по предотвращению эрозионного и коррозионного изно са оборудования и коммуникаций, включая США, Канаду, Венгрию, Китай, Норвегию и др.». Краснодар. - 1993.

67. Рыжаков, В.В. Статистические методы идентификации моделей, характеризую щих процессы функционирования промышленных изделий. / Уч. Пособ. 2-е ис-правл. изд. Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2001. 93 с.

68. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов / Под ред. В.Д.Черняева. М.: Недра. -1997.

69. Скрипник, В.М. Анализ надежности технических систем по цензурированным выборкам. / В.М. Скрипник, А.Е. Назин Минск: Наука и техника, 1988.

70. Смарт, С. Джон Коррозия трубопроводов в местах сварки // Нефтегазовые технологии. 1996. №6. - С.31-34.

71. СНиП 2.02.01-83. Нормы проектирования. Основания зданий и сооружений. -М.: Стройиздат. 1985. - 40 с.

72. СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП. 1998. - 60с.

73. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. / А. К. Дерца-кян. Л.: Недра. 1977. - 519с.

74. Статистические методы обработки эмпирических данных. М.: Издательство стандартов. - 1978.

75. Статистический анализ цензурированных выборок: (Современное состояние и перспективы развития теоретических основ и пркладных методов анализа по цензурированным выборкам) / В.М. Скрипник, А.Е. Назин, Ю.Г. Приходько и др. Минск: МВИЗРУ, - 1987.

76. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкция и балансировка. ВСН 007-88. М.: Миннефтегазстрой, - 1989. - 50 с.

77. Терещенко, Е. Р. Интервальное оценивание показателей долговечности систем по результатам ограниченного числа испытаний их элементов. // Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. Курган. -1993.

78. Тескин, О.И. Непараметрический метод прогнозирования надежности. / Надежность и контроль качества. 1973, №4, - С.60-67.

79. Тутнов, И.А. Подходы к определению срока безопасной эксплуатации магистральных нефтепроводов. // Трубопроводный транспорт нефти. 1997. №11. - С.9.

80. Тюрин, Ю.Н. Пакеты прикладных программ STADIA и STATGRAPHICS. / Ю.Н. Тюрин, А.А. Макаров М: Финансы и статистика, 1994.- С.263.

81. Фомин, В.Н. Вопросы управления качеством продукции. / В.Н. Фомин, Ю.Ф. Буртаев, И.А. Шайторова Изд-во СурГУ, 2001. - С. 186.

82. Шейнина, О.Н. Метод полноценного использования объёма выборки для определения показателей надёжности. / Качество, стандарты, технология, вып. 30 (356), ВНИИКИ. 1971. С.12-15.

83. Шор, Я.Б. Таблицы для анализа и контроля надёжности. / Я.Б. Шор, Ф.И.Кузьмин М.: Советское радио, 1968.

84. Эфрон, Бредли. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа. / сб.ст. Пер. с англ. / Предисловье Ю.П. Адлера, Ю.А. Кошевника.- М.: Финансы и статистика, 1988. С.263.

85. Bickel P.J., Freedman D.A. Some asymptotic theory for the bootstrap. / Ann.Statist. -1QR1 Q -P 11Q61?171981 9. -№>6. - P.l 196-1217.

86. Cohen A.C. Life testing and early failure. Technometrics. 1966. - №8, C. 539-545.

87. Efron B. Bootstrap Methods: a Nothe Look of the Jackkniffe.//Ann. Statist. 1979. -V. 7, № l.-P. 1-26.

88. Efron B. Bootstrap methods: Another look at the jackknife. /Ann.Statist. 1979. - 7. -№1 - P.l-25.

89. Efron B. Censored Data and Bootstrap//J. Amer. Statist. Assoc. 1981. - V. 76, № 374.-P. 312-319.

90. Herd G.R. Estimation of Reliability from Incomplete Data. Proceedings 6-th National Symposium on Reliability and Quality Control, 1960.

91. Jonson L.G. The Statistical Treatment of Fatigue Esperiments.- Amsterdam: Elesevier Publ. Corp., 1964.

92. Jonson L.G. Theory and Technique of Variation Research. Amsterdam: Elesevier Publ. Corp., 1964.

93. Kaplan E. L., Meier P. Nonparametric Estimation from Incomplete Observations//. J. Amer. Statist. Assoc. — 1958. — V. 53.

94. Nelson W. Hazard Plotting Methods of Analysis of Life Date With Differend Failure Models//J. Qual. Technolodgy. 1970. - V. 2, №3.

95. Nelson W. Theory and Application of Hazard Plotting of Censored Failure Data//Technometrics. 1972. - V. 14, №4.