автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный физико-статистический анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов

На правах рукописи

Сметанин Александр Викторович

СИСТЕМНЫЙ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ «ФЁДОРОВСКНЕФТЬ»)

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»

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Академик международной академии информатизации, доктор технических наук, профессор

Острейковский Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Антонов Александр Владимирович

кандидат технических наук, доцент Барковский Александр Николаевич

Ведущее предприятие Сургутский научно-исследовательский и

проектный институт «СургутН И ПИнефть»

Защита состоится часов

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СурГУ Автореферат разослан ¿¿/¿^ 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.Т.Н., доцент

Ф.Ф. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие в 60-90 гг. XX века трубопроводного транспорта как удобного и дешевого вида транспорта нефти и нефтепродуктов привело к созданию разветвленной сети трубопроводов, которая задействована по всему процессу добычи, обработки и распределения сырой нефти и нефтепродуктов. Однако одновременно с расширением сети остро проявились проблемы обеспечения надежности трубопроводов. Многочисленные аварии приводят как к огромным экономическим потерям, так и к экологическим катастрофам в местах разливов нефти.

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. За период с 1992 по 1996-й годы на газопроводах РАО «Газпром» произошло примерно 177000 отказов или 35400 отказов каждый год при общей протяженности -150 тысяч км: В 1999 году на магистральных газопроводах произошло 26 аварий. В 2003 г. на территории ХМАО зарегистрировано 1350 аварий на нефтепроводах. Основной причиной по-прежнему является старение продуктопроводов, 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 проблемы ликвидации аварийных разливов нефти при её транспортировке и хранении, рекультивация замазученных земель, утилизация нефтешламов и ликвидация нефтешламовых амбаров.

В 1999 году общее количество разрывов на внутрипромысло-вых трубопроводах составило 27408 (в 1998 году - 28523), в том числе по причине коррозии - 26373 (96,2 процента). На внутри-промысловых 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.

Таким образом, возникает необходимость обеспечения экономически эффективной эксплуатации нефтяных промысловых трубопроводов (НПТ) согласно заданному уровню безопасности; который зависит от надежности.

Целью работы является системный-физико-статистический анализ надежности НПТ для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасности и. их реализации при эксплуатации (на примере НПТ нефтегазодобывающего управления (НГДУ) «Фёдоровскнефть» («ФН»)).

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

Научная новизна работы состоит в следующем:

а) показана возможность применения модели «нагрузка - несущая способность» для расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов;

б) впервые систематизированы статистические данные о параметрах несущей способности НПТ при эксплуатации за более чем пятнадцатилетний период в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири;

в) впервые выполнен" системный качественный и количественный анализ надежности НПТ НГДУ «Фёдоровскнефть», эксплуатируемых на наиболее типовом месторождении Севера Западной Сибири;

г) создана база данных об измерениях и изменениях толщины стенки НПТ, ускоряющая расчет показателей надежности.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

а) для конкретной номенклатуры НПТ НГДУ «Фёдоровск-нефть» рекомендованы методика и алгоритмы сбора, накопления, передачи и обработки информации о работоспособности трубопроводных систем от кустов скважин до узловых резервуар-ных парков, дожимных насосных станций и цехов подготовки и перекачки нефти;

б) созданная база данных позволяет классифицировать параметр несущей способности - толщину стенки НПТ - по условиям эксплуатации, номенклатуре НПТ, сроку работы, производить расчеты параметров моделей изменения несущей способности с учетом перечисленных особенностей, а также производить диагностику текущего состояния, прогнозировать надежность НПТ, предоставлять рекомендации по повышению надежности;

в) разработаны методы расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов на основе физико-статистической модели теории надежности, позволяющие оперативно проводить анализ технического состояния систем перекачки нефти;

г) построены графики и вычислены значения показателей надежности для НПТ одного из цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз».

Основные положения, выдвигаемые автором на защиту:

а) разработанная методика определения характеристик надежности нефтепромысловых трубопроводов на основе физико-статистической модели «нагрузка - несущая способность»;

б) числовые характеристики данных ультразвукового контроля толщины стенки НПТ, модели изменения числовых характеристик несущей способности НПТ во времени;

в) виды законов распределения несущей способности в сечении случайного процесса утонения стенки трубы;

г) физико-статистическая методика системного анализа надежности НПТ в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири;

д) характеристики надежности большой номенклатуры НПТ в специфических условиях сбора и перекачки нефти.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, анализ литературы по проблеме, сбор исходных данных, обработку статистического материала, разработку математических моделей и расчет их параметров, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1-5], материалы диссертации докладывались на ежегодных научно технических семинарах кафедры ИВТ Сургутского государственного университета в 2002-2003 гг., на III окружной конференции молодых ученых Ханты-Мансийского автономного округа «Наука и инновации Ханты-Мансийского автономного округа» (г. Сургут, 29-30 ноября 2002 г.), на открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 27-28 ноября 2003 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы: 219 страниц, в том числе 156 страниц основного текста, 77 рисунков, 29 таблиц, 2 приложения и список использованной литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности исследования, сформулирована его цель, поставлены необходимые для ее решения задачи, изложены основные положения и результаты работы, представляющие ее новизну.

В первой главе рассматривается текущее состояние проблемы и выполнена постановка задач исследования.

Проведенный анализ подходов к проблеме надежности систем нефтепроводов показал, что:

1.Практически отсутствуют научно обоснованные данные о показателях надежности НПТ.

2. В литературе наиболее распространены данные об анализе технического состояния и методах обеспечения работоспособности магистральных трубопроводов. Методики оценки для трубопроводов систем сбора, подготовки и перекачки нефти между кустами скважин, дожимными насосными станциями не имеют значимой информационной, методической, математической базы. При этом мало работ по анализу надежности НПТ в условиях болот Западной Сибири.

3.Используемые до настоящего времени модели и методы не учитывают вероятностный характер нагрузок и несущей способности.

4. Применение приборов и устройств для определения технического состояния НПТ в системе нефтесбора, в отличие от магистральных трубопроводов, затруднено из-за небольших значений диаметров НПТ и значительных продольных и поперечных изгибов труб. Кроме этого в условиях заболоченной местности доступ к НПТ часто ограничен. Поэтому оценку изменения несущей способности и показателей надежности НПТ в процессе эксплуатации требуется проводить с применением математических моделей.

5.Исходными данными для этих моделей должны служить:

• статистика данных ультразвукового контроля (УЗК) толщины стенки трубопроводов;

• эксплуатационные данные о НПТ: срок эксплуатации, номинальная толщина, номинальный внешний диаметр;

• режим работы и нагрузки, действующие на НПТ при эксплуатации;

• сведения о материале НПТ, параметрах защитных покрытий, коррозионной активности грунтов.

• На основании полученных выводов сформулированы следующие задачи. Необходимо:

• провести обработку статистических данных о техническом состоянии НПТ при эксплуатации в условиях болот Западной Сибири;

• выполнить системный анализ собранного статистического материала;

• разработать математические модели закономерностей изменения несущей способности НПТ, определить их параметры;

• определить действующие факторы нагрузок, обосновать выбор моделей нагрузок и их параметров;

• определить характеристики надежности НПТ по данным многолетней эксплуатации;

• разработать инженерную методику расчета надежности НПТ по статистическим данным эксплуатации трубопроводов.

В § 1.2 диссертации приведены номенклатура и сортамент исследуемых НПТ. Трубопроводы отличаются широким разнообразием наружных диаметров (от 114 до 530 мм), номинальных толщин стенок (от 5 до 20 мм), протяженностей НПТ различного диаметра и толщины стенки, конструкционных материалов труб (стали Ст-10, Ст-20, СтЗСП, 17ГС, 09Г2С и др.). Рабочее давление в трубопроводах составляет 1,0 ... 1,8 МПа.

Полная статистика результатов ультразвукового измерения толщины стенок НПТ, собранная за период с 1984 по 1999 гг., включает данные 184 актов обследования трубопроводов (всего 2769 замеров).

Вторая глава посвящена обзору методов прогнозирования ресурса оборудования применительно к нефтепромысловому оборудованию.

Из рассмотренных подходов к оценке остаточного ресурса, известных из теории надежности, к расчету НПТ на надежность должны быть применены те методы, которые обеспечивают учет стохастической природы протекающих физико-химических процессов в конструкционных материалах труб. Такими подходами являются статистические и комбинированные методы прогнозирования ресурса оборудования.

Статистический подход классической теории надежности реализуется методами оценки остаточного ресурса на основе анализа интенсивности отказов как функции времени (по X характеристикам). Решение данной задачи зависит от наличия данных по эксплуатации аналогичных систем. Задача нахождения интенсив-

ности отказов X нефтепромыслового оборудования может быть решена анализом статистических данных по отказам трубопроводов. В §2.1.5 проанализирован подход к рассмотрению надежности НПТ как надежности распределенной системы, который позволяет определять искомые характеристики как функцию от длины исследуемых трубопроводов.

В работе принята физико-статистическая модель надежности «нагрузка - несущая способность» (ННС). На любой объект в процессе эксплуатации воздействует комплекс внешних и внутренних факторов, которые можно представить в виде векторного случайного процесса S(t), зависящего от времени. Эти факторы называют нагрузкой. К ним относятся внутреннее давление жидкости, рабочая температура и состав транспортируемой жидкости, вибрации, удары, электрохимические процессы и т.д. Под воздействием комплекса нагрузок в материалах оборудования протекают процессы старения, коррозии, эрозии, износа и др. Свойство объекта воспринимать нагрузки и противостоять им называется несущей способностью (НС), которая также является векторным случайным процессом R(t). Функция условия работоспособности

для объекта должна быть не отрицательна:

Вероятность отказа объекта (для трубопровода или сосуда высокого давления отказ означает разрушение его или переход в предельное состояние) является функцией плотности распределения и записывается в виде

где Гм(г,8)- совместная плотность распределения факторов,

определяющих нагрузку и несущую способность объекта; W - область интегрирования с границами

где r(t) и s(t) - текущие значения несущей способности и нагрузки соответственно.

Модель ННС имеет три вида.

xF(R,S,t) = R(t)-S(t)^0-

(1)

q(t) = P{R(t),S(t)e W} = JffM(r,s)dr(t)ds(t). (2)

w

(3)

1. При независимых между собой параметрах R и S выражение для расчета вероятности отказа имеет вид

где и ^(з) - соответственно плотности распределения

несущей способности и нагрузки, ф(1) - неслучайная функция усталости.

Решение уравнения (4) существует для различных комбинаций законов распределения НС и нагрузки. Например, при нормальных законах распределения вероятность отказа равна

(6)

где Ар и Аэ - коэффициенты вариации НС и нагрузки соответственно, г|({) - коэффициент запаса, равный отношению математического ожидания НС гпр? к математическому ожиданию нагрузки т2.

2. При наличии корреляционной связи г = а(э,1) между нагрузкой и НС вероятность отказа равна

(7)

(8)

где - условная плотность распределения несущей спо-

собности R при действии данной нагрузки S.

3. Обобщенная модель ННС. Предположим, что процесс S(t) -диффузионный марковский, а процесс - является функцией нагрузки: Я(1) = со((,8). При этом неслучайная ф у н к 1ф(4,в)я в -

ляется непрерывной и имеет непрерывные производные по времени Cût и по нагрузке ¿>s, Cûss. Тогда и процесс R(t) является диффузионным, и также функция работоспособности *P(t) как суперпозиция -диффузионный процесс.

В качестве показателя безотказности считают вероятность того, что ордината процесса Y = lF(t) ни разу не пересечет нулевой

уровень на интервале [0,Т] при условии, что в момент 0 объект, был работоспособен.

P(9,Y) = P(T(t)>0, Vte[9,T]|lî'(e)>0) (9)

Поскольку ордината процесса *F(t) является случайной величиной, то для получения окончательного значения вероятности безотказной работы (ВБР) нужно провести усреднение вероятности P(t,Y) по всем возможным значениям Y:

P(t) = feP(t,Y)f(Y)dY, (10)

где Yb - верхняя граница параметра, f(Y) - плотность распределения процесса при

Для нефтяных промысловых трубопроводов наиболее близкой является следующая модель нНС: нагрузка S - стационарный случайный процесс параметрами: математическое ожидание ms =

и среднее квадратическое отклонение несущая способность R - нестационарный случайный процесс с математическим ожиданием R(t) = Ro<p(t), где Ro - случайная величина НС в начале эксплуатации НПТ, <p(t) - неслучайная функция «усталости».

Для определения показателей надежности по модели ННС необходимо знать: законы распределения параметров нагрузки и несущей способности, их изменение во времени.

Выбор параметров модели прогнозирования ресурса. При рассмотрении задачи анализа деградации материалов нефтепромысловых трубопроводов вследствие эрозионно-коррозион-ного износа, необходимо учитывать, что параметр НС должен удовлетворять следующим требованиям:

1) соответствовать принятому методу контроля состояния.металла (для стальных труб применяется УЗК);

2) отражать тот факт, что НС уменьшается с течением времени, как показывают многочисленные исследования, распределяясь довольно сложным образом по глубине и длине конструкции;

3) количественно характеризовать степень надежности.того или иного участка трубопровода.

Исходя из этих требований; в качестве параметра НС выбрана толщина стенки трубы. Именно толщина стенки как интегральный показатель лучше всего удовлетворяет модели ННС, в которой изменение НС представляет собой случайный процесс сноса металла.

Вопрос о параметрах, характеризующих нагрузку, является менее сложным. На количество отказов влияют такие параметры НПТ, как давление транспортируемой жидкости, рабочая температура, диаметр трубы и т.п. Исследования показывают, что для промысловых нефтепроводов наиболее сильная связь наблюдается между удельным количеством отказов и внутренним давлением транспортируемой среды. Получение информации о давлении не составляет большой сложности. Поэтому в качестве параметра нагрузки выбрано внутреннее давление трубопровода.

Третья глава посвящена обработке статистических данных о несущей способности и действующих нагрузках НПТ.

Статистические данные УЗК сгруппированы по типу НПТ: внешнему диаметру трубопровода, номинальной толщине стенки, сроку эксплуатации, условиям работы. Полная статистика УЗК включает данные 184 актов обследования трубопроводов за период с 1984 по 1999 гг., 2769 замеров, 85 выборок, 18 типов НПТ. Для сгруппированных данных рассчитаны математическое ожидание те, среднее квадратическое отклонение коэффициенты вариации Аг, асимметрии Акз, эксцесса Эк^ В табл. 1 в качестве примера приведены результаты расчета числовых характеристик для НПТ 530 х 7,5 мм (Ы - объем выборки, Т - срок эксплуатации).

Таблица 1

нпт Т, лет N пп8, мм аг, мм Ав. % Акг Экв

0 27 6,98 0,47 6,77 0,45 -0,80

530 х 7,5 мм 1 2 8,40 0,14 1,68 - -

3 22 6,90 1,76 25,50 0,13 0,10

11 65 3,48 1,72 49,55 0,20 0.37

12 41 4,30 2,15 49,91 -0,14 -0,50

Выбор вида функции «усталости» <р(0 определяется характером физико-химических процессов, протекающих в конструкционных материалах НПТ. Такими процессами являются коррозия, эрозия, старение металлов, рост усталостных трещин, износ. Эти процессы описываются экспоненциальными функциями.- Поэтому для описания изменения во времени математического ожидания тр(1) и среднего квадратического отклонения а^) целесообразно использовать показательную и линейную зависимости: (р(1) = аеы, ф(г) = а + Ы • На рис. 1 представлены модели изменения математического ожидания и среднего квадратического отклонения во времени для НПТ 530 х 7,5 мм.

1:,лет ^ 1;,лет

Рис. 1. Модели изменения математического ожидания (а) и

среднего квадратического отклонения (б) во времени эксплуатации: линейная, экспоненциальная

Для проверки статистически полученных распределений предполагаемым теоретическим используется критерий %2 . По результатам проверки определены вид и параметры закона распределения каждой из 85 выборок.

На рис. 2 приведены гистограммы относительных частот для НПТ 530 х 7,5 мм для разных сроков эксплуатации. Закон распределения на рис. 2.а - нормальный, на рис. 2.6 - Вейбулла.

В §3.4 диссертации приведены результаты анализа фактора нагрузки - внутреннего давления НПТ. Данные измерения давления, проведенные в 2000 г., показывают, что параметр нагрузки

имеет нормальный закон распределения с параметрами: т$ 1,49 МПа, сг3 =0,19МПа.

Рис. 2. Гистограммы относительных частот:

а) срок эксплуатации - 0 лет;

б) срок эксплуатации -1 1 лет

В четвертой главе проведен расчет показателей надежности исследуемых НПТ: вероятности безотказной работы (ВБР) P(t), средней наработки до отказа Тср, наработке до заданного уровня

Г0 9999 (Р=0,9999) и Г08 (Р=0,8), которые определяются по форму-

где - момент времени, когда коэффициент запаса

л(1)=тр(1)/т3(1)=1.

В табл. 2 в качестве примера приведены результаты расчета показателей надежности для НПТ 530 х 7,5 мм, модель т^) линейная, законы распределения нагрузки и НС - нормальные.

На рис. 3 приведены графики ВБР для НПТ 530 х 7,5 мм для разных моделей изменения тя(0 при различных коэффициентах вариации нагрузки А3 и НС А&, для конструкционных материалов труб - сталей Ст-10 и Ст-20.

Таблица 2

Марка материала А* % % Тср, лет Тср,лет ^0,9999 • лет лет

Сталь10 5 5 15,42 15,16 12,50 14,86

7 15,10 11,94 14,73

10 15,00 11,00 14,52

30 14,26 3,96 12,96

10 5 15,35 14,96 9,30 14,47

7 14,92 8,93 14,37

10 14,85 8,21 14,22

30 14,17 1,55 12,80

15 5 15,21 14,69 2,96 13,99

7 14,66 2,69 13,93

10 14,61 2,14 13,81

30 14,00 - 12,54

Сталь 20 5 5 16,32 15,42 13,67 15,81

7 15,40 13,16 15,69

10 15,34 12,01 15,50

30 14,76 5,94 14,09

10 5 16,25 15,31 10,77 15,45

7 15,28 10,43 15,38

10 15,23 9,78 15,23

30 14,68 3.74 13,94

15 5 16,13 15,11 5,02 15,02

7 15,08 4,78 14,96

10 15,04 4,28 14,86

30 14,53 - 13,71

Рис. 3. Графики зависимости ВБР от времени эксплуатации, при Ад = 10%: а) линейная модель т^), начальный момент изменения; б) линейная модель т^Ц, полный график; в) экспоненциальная модель т^), начальный момент изменения; г) экспоненциальная модель т^), полный график

--сталь Ст-10 А3 =5%, ------сталь Ст-10 А3 = 10%,

----стальСт-10 Аэ=30%,--сталь Ст-20 А$ = 5%,

------сталь Ст-20 Аз = 10%, ----сталь Ст-20 Аэ = 30%

В заключении сформулированы следующие теоретические и практические результаты работы:

1. Впервые в практике эксплуатации трубопроводного транспорта нефти и газа выполнена обработка статистических данных об измерениях толщины стенки НПТ при эксплуатации за более чем 15-летний период. Всего проанализировано 85 статистических выборок для 18 типов НПТ. Общий объем обработанной статистики - 2769 замеров. Эти статистические данные использованы для системного анализа надежности нефтяных промысловых трубопроводов в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири.

Статистические данные результатов ультразвукового измерения толщины стенки труб сгруппированы по типу НПТ (т.е. внешнему диаметру и номинальной толщине стенки), по сроку эксплуатации и по условиям работы.

2. В результате системного анализа показано, что характер эксплуатации различных по диаметру, толщине стенки, конструкционным сталям НПТ позволяет применить физико-статистическую модель надежности «нагрузка - несущая способность». Данная модель делает возможным определить характеристики надежности нефтепромысловых трубопроводов по статистическим данным, полученным при эксплуатации.

3. По статистическим данным определены параметры несущей способности нефтепромысловых трубопроводов, а также модели изменения этих параметров во времени.

Рассчитаны математическое ожидание, среднее квадратиче-ское отклонение, коэффициенты вариации, эксцесса, асимметрии. Для всех НПТ математическое ожидание толщины трубопроводов уменьшается с течением времени. Скорость уменьшения зависит от условий эксплуатации: нормальные, болото. Толщина НПТ, пролегающих в болоте, убывает быстрее, чем проложенных на открытом грунте. Так скорость коррозии НПТ 273 х 7 мм в болоте составляет 0,84 мм/год, а для наземного расположения НПТ-от 0,07-.. 0,48 мм/год (для различных трубопроводов).

Коэффициент вариации как функция от времени в большинстве случаев представляет возрастающую функцию. Для 10 из 18 НПТ увеличение коэффициента вариации со временем является результатом одновременного уменьшения математического ожидания гпр и одновременным возрастанием среднеквадратическо-го отклонения а^.

Коэффициент асимметрии в большинстве случаев является величиной положительной и меньше 1 по модулю, а коэффициент эксцесса является величиной отрицательной и больше 1 по модулю. Следовательно, большинство выборок представляет собой незначительно скошенное вправо и плосковершинное распределение.

4: Обоснован выбор моделей изменения математического ожидания и среднего квадратического отклонения во времени эксплуатации на основе изучения физических процессов деградации конструкционных материалов труб. Доказано, что в качестве зависимостей; описывающих поведение математического ожидания во времени целесообразно использовать показательную и линейную функции: ф({) = аеы, <р(1) = а + Ы, а для описания среднего квадратического отклонения - линейную: <р(0 = а + Ы.

Для математического ожидания, в пределах временного диапазона эксплуатационных наблюдений за толщиной НПТ, разница между линейной и экспоненциальной моделями составляет 1 -3%, т.е. незначительна. При прогнозировании дальнейшего изменения средней толщины стенки трубопроводов разница возрастает со временем, при этом экспоненциальная модель дает более оптимистичный прогноз, т.е. дает более высокие значения показателей надежности НПТ.

Для прогнозирования изменения среднего квадратического отклонения во времени предпочтительно использование линейной модели. Показательная модель дает очень быстрое возрастание параметра стр* при прогнозировании значений за пределами временного диапазона эксплуатационных наблюдений толщины трубопроводов, что может привести к заниженным величинам показателей надежности в дальнейших расчетах.

5. Впервые определены веды законов распределения случайной величины - толщины стенки трубы § - в сечении случайного процесса деградации металла НПТ. Рассмотрено 49 выборок. Анализ показывает, что 45 % выборок имеют нормальный закон распределения, 30% - закон Вейбулла, 25% - закон распределения с равномерной плотностью.

Анализ зависимости вида закона распределения от времени эксплуатации показал, что в начале работы случайная величина -толщина стенки 5 - подчиняется нормальному закону распределения. С увеличением срока работы трубопровода нормальное

распределение, как правило, меняется на закон с равномерной плотностью или закон Вейбулла.

Для трубопроводов, эксплуатирующихся в нормальных условиях, 15 выборок из 26 имеют нормальный закон распределения, 6 - равномерный, 5 - Вейбулла. Тогда как НПТ, эксплуатирующиеся в условиях болот, не имеют выборок с НЗР.

6. Установлено, что наиболее значимым фактором нагрузок, действующих на НПТ, является давление транспортируемой нефтепромысловой жидкости. По статистическим данным измерения внутреннего давления в промысловых трубопроводах рассчитаны параметры стационарного случайного процесса нагрузки -внутреннего давления жидкости: математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение, коэффициенты вариации, эксцесса и асимметрии. Проверка согласия статистического распределения нормальному закону распределения по критерию £ показала состоятельность описания фактора нагрузки - давления с помощью НЗР, с параметрами: математическое ожидание т3 = 1,49 МПа, среднее квадратическое отклонение = 0,19 МПа.

Значения параметров математического ожидания и среднего квадратического отклонения минимальной толщины стенки трубы для различных конструкционных материалов показывают, что трубы, изготовленные из сталей с лучшими прочностными характеристиками, имеют меньшую минимально допустимую толщину.

7. Впервые создана база данных толщины стенки НПТ обширной номенклатуры при эксплуатации трубопроводов. База данных позволяет классифицировать параметр несущей способности -толщину стенки НПТ - по условиям эксплуатации, номенклатуре НПТ, сроку работы, производить расчеты параметров моделей изменения несущей способности с учетом перечисленных особенностей.

Созданная база данных и модель «нагрузка - несущая способность» позволяют рассчитать количественные показатели надежности НПТ по данным многолетней эксплуатации и использовать эти характеристики для принятия управленческих решений при эксплуатации, таких как: периодичность и объем профилактических мероприятий, состав и размещение запасного количества труб и др. Это позволит существенно повысить экономическую эффективность эксплуатации нефтепроводных систем.

8. По статистическим данным многолетней эксплуатации определены показатели надежности НПТ: вероятность отказа и ве-

роятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, наработка до заданного уровня ВБР, выигрыш по средней наработке до отказа и по наработке до заданного уровня ВБР. При этом анализировались различные сочетания следующих переменных:

• тип НПТ: 530 х 7,5 мм, 273 х 6 мм, 159 х 5 мм;

• вид модели изменения математического ожидания несущей способности т^): линейная, экспоненциальная;

• марка конструкционного материала труб: стали Ст-10, Ст-20, СтЗСП;

• коэффициент вариации несущей способ ости Ад : 5%, 10%,

15%;

• коэффициент вариации нагрузки Аз : 5%, 7%, 10%, 30%;

• вид закона распределения несущей способности: нормальный, экспоненциальный;

9. Проведен анализ рассчитанных числовых значений показателей надежности, который показал следующее:

9.1. ВБР тем выше, чем более прочный материал трубопровода. Наработка заданного уровня ВБР НПТ 530 х 7,5 мм увеличивается при применении стали Ст-20 вместо стали Ст-10 на величину от 9 до 141 % (в зависимости от коэффициентов вариации Аи и А3), а при использовании стали СтЗСП вместо Ст-10: от 11 до 169%.

9.2. Для сложных условий эксплуатации, которые характеризуются большими значениями коэффициентов вариации, выигрыш от использования более прочных конструкционных материалов больше, чем для нормальных условий эксплуатации.

9.3. Существует зависимость показателей надежности от типа НПТ. Для трубопроводов большего диаметра ВБР ниже, чем для трубопроводов меньшего диаметра (при прочих равных условиях).

10. Рассмотренные в работе проблемы актуальны и носят межотраслевой характер. Система сбора, классификации, обработки и системного анализа эксплуатационных сведений о параметрах, характеризующих несущую способность объектов, а также опыт применения модели «нагрузка - несущая способность» для расчета работоспособности и надежности нефтепромысловых трубопроводов может быть распространен на другие объекты, такие как магистральные трубопроводные системы перекачки нефти и газа, системы перекачки агрессивных жидкостей и газов, водоводы и т.п.

Результаты данной работы являются исходными данными, которые позволяют определять сроки регламентных работ, планово-предупредительных ремонтов, состав и размещение запасных труб, рациональную стоимость замен и возможную рекультивацию земель после разрывов нефтяных промысловых трубопроводов и т.д.

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Острейковский В А., Сметанин А.В. Анализ числовых характеристик статистических данных толщинометрии конструкционных материалов нефтяных промысловых трубопроводов при эксплуатации в условиях Западной Сибири. // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». -М.: ВНИИОЭНГ, 2003 - № 5-С.15-20.

2. Сметанин А.В. Анализ статистических данных толщинометрии при оценке характеристик надежности нефтяных трубопроводов в условиях Западной Сибири. // Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах. Сборник научных трудов кафедры ИВТ №2. Под общей редакцией Ф.Ф.Иванова; Сургутский государственный университет, - Сургут: Изд-во СурГУ, 2003. - с.4-10.

3. Сметанин А В. Исследование вида и параметров законов распределения несущей способности нефтяных промысловых трубопроводов при эксплуатации в условиях Западной Сибири // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, 2003. - № 10 - с 24-28.

4. Сметанин А.В. Исследование изменения параметров несущей способности нефтяных промысловых трубопроводов при эксплуатации в условиях Западной Сибири // «Наука и инновации XXI века»: Материалы открытой окружной конференции молодых ученых. 27-28 ноября 2003 г./ Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2004. - С. 57-59.

5. Сметанин А.В. Физические предпосылки выбора вида математических моделей и статистическое определение значений их параметров для описания процессов деградации конструкционных материалов нефтяных промысловых трубопроводов при эксплуатации в условиях Западной Сибири // Сборник науных трудов. Вып. 13. Физико-математические и технические науки/ Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2003. - С. 126 -135.

Сметанин Александр Викторович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СИСТЕМНЫЙ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ «ФЁДОРОВСКНЕФТЬ»)

Специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации»

Подписано в печать 15.04.2004 г. Формат 60 < 84/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,05. Печать трафаретная. Тираж 80. Заказ № 42.

Отпечатано полиграфическим отделом Издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Лермонтова, 5. Тел. (3462) 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

»11930

Введение.

Глава 1 . Обзор литературы по теме исследования. Цель и постановка задачи на исследование.

1.1. Состояние проблемы и обзор литературных источников.

1.2. Объект исследования.

1.3. Цели и задачи исследования.

Глава 2 . Системный анализ оценки надежности трубопроводов.

2.1. Методы оценки надежности нефтепромысловых трубопроводов.

2.1.1. Классификация методов расчета ресурса оборудования.

2.1.2. Модель «нагрузка - несущая способность» при независимых между собой нагрузке и несущей способности.

2.1.3. Модель «нагрузка — несущая способность» при наличии корреляции между нагрузкой и несущей способностью.

2.1.4. Обобщенная модель «нагрузка - несущая способность».

2.1.5. Расчет надежности нефтяных промысловых трубопроводов как распределенной системы.

2.2. Выбор параметров модели прогнозирования ресурса.

2.3. Расчет показателей надежности.

2.4. Выводы по второй главе.

Глава 3 . Обработка статистических данных несущей способности и действующих нагрузок по данным многолетней эксплуатации в условиях севера Западной Сибири.

3.1. Анализ числовых характеристик статистических данных толщинометрии.

3.1.1. Постановка задачи определения характеристик несущей способности.

3.1.2. Характеристика статистических данных.

3.1.4. Расчет числовых характеристик.

3.1.4. Изменение числовых характеристик во времени эксплуатации.

3.2. Физические предпосылки выбора вида математических моделей и статистическое определение значений их параметров для описания процессов деградации конструкционных материалов.

3.2.1. Физические предпосылки выбора вида математических моделей для описания процессов деградации материалов

3.2.2. Определение параметров моделей усталости.

3.2.3. Анализ результатов расчета моделей изменения несущей способности нефтяных промысловых трубопроводов.

3.3. Исследование вида и параметров законов распределения несущей способности.'.

3.3.1. Влияние вида закона распределения на параметры надежности.

3.3.2. Определение вида закона распределения.

3.3.3. Анализ разделения выборок по виду закона распределения.

3.4. Анализ действующих нагрузок.

3.5. Выводы по третьей главе.

Глава 4 . Расчет показателей надежности.

4.1. Нормальный закон распределения несущей способности.

4.2. Экспоненциальный закон распределения несущей способности.

4.3. Адекватность полученных результатов.

4.4. База данных по толщинометрии.

4.5. Методика расчета характеристик надежности НПТ.

4.6. Выводы по четвертой главе.

Развитие в 60-90 гг. XX века трубопроводного транспорта как удобного и дешевого вида транспорта нефти и нефтепродуктов привело к созданию разветвленной сети трубопроводов, которая задействована по всему процессу добычи, обработки и распределения сырой нефти и нефтепродуктов. Однако одновременно с расширением сети остро проявились проблемы обеспечения надежности трубопроводов. Многочисленные аварии приводят как к огромным экономическим потерям, так и к экологическим катастрофам в местах разливов нефти.

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 [5, 63]. За период с 1992 по 1996-й годы на газопроводах РАО «Газпром» произошло примерно 177000 отказов или 35400 отказов каждый год при общей протяженности ~150 тысяч км [27]. В 1999 году на магистральных газопроводах произошло 26 аварий [51]. В 2003 г. на территории ХМАО зарегистрировано 1350 аварий на нефтепроводах. Основной причиной по-прежнему является старение продуктопроводов, 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 проблемы ликвидации аварийных разливов нефти при её транспортировке и хранении, рекультивация замазученных земель, утилизация нефтешламов и ликвидация нефтешламовых амбаров.

В 1999 году общее количество разрывов на внутрипромысловых трубопроводах составило 27408 (в 1998 году - 28523), в том числе по причине коррозии - 26373 (96,2 процента). На внутрипромысловых 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 [23].

Большая часть инфраструктуры нефтедобывающих предприятий расположена в районах вечной мерзлоты и на болотах. Решение вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации, например, трубопровода уже через 3-5 лет вызывает затруднения, т.к. не обеспечено необходимым объёмом научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ и нормативной документацией. Существующие методики проектирования не учитывают возможные изменения положения трубопровода и связанные с этим изменения напряженно-деформированного состояния трубы и скорости коррозии. Часто так же практически невозможно произвести замеры толщины стенок трубопровода, по которым принимаются решения о дальнейшей эксплуатации.

Как свидетельствует опыт эксплуатации, главной причиной отказов для нефтяных промысловых трубопроводов (НПТ), транспортирующих агрессивные нефтепромысловые жидкости, является коррозия. Более 95% отказов линейной части НПТ обусловлены внутренней и внешней коррозией металла труб.

Коррозионные разрушения трубопроводов обусловлены сложным химическим составом добываемой сырой нефти, трудностями в разработке методов защиты из-за разницы составов на различных месторождениях, из-за различия методов добычи и т. д. [10, 60, 87]. Наружная коррозия связана со свойствами грунтов: вязкость грунта, наличие воды, доступ кислорода, наличие сульфатвосстанавливающих бактерий. Внутреннюю коррозию характеризуют коррозионно-эрозионный износ металла, химически активные элементы в составе транспортируемых жидкостей, электрохимические процессы, протекающие в пограничных пленках вода-нефть, низкие противокоррозионные свойства применяемых материалов труб [31].

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется необходимостью обеспечения экономически эффективной эксплуатации нефтяных промысловых трубопроводов (НПТ) согласно заданному уровню безопасности, который зависит от надежности.

Целью работы является системный физико-статистический анализ надежности НПТ для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасности и их реализации при эксплуатации (на примере НПТ Нефтегазодобывающего управления (НГДУ) Фёдоровскнефть (ФН)).

Для реализации поставленной цели требуется решить следующие задачи:

• провести обработку статистических данных о техническом состоянии НПТ при эксплуатации в условиях болот Западной Сибири;

• выполнить системный анализ собранного статистического материала;

• обосновать выбор математических моделей изменения несущей способности НПТ, определить их параметры;

• определить действующие факторы нагрузок, обосновать выбор моделей нагрузок и их параметров;

• определить характеристики надежности НПТ по данным многолетней эксплуатации;

• разработать инженерную методику расчета надежности НПТ по статистическим данным эксплуатации трубопроводов.

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

Научная новизна работы состоит в следующем: а) показана возможность применения модели «нагрузка - несущая способность» для расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов; б) впервые систематизированы статистические данные о параметрах несущей способности НПТ при эксплуатации за более чем пятнадцатилетний период в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири; в) впервые выполнен системный качественный и количественный анализ надежности НПТ НГДУ «Фёдоровскнефть», эксплуатируемых на наиболее типовом месторождении Севера Западной Сибири; г) создана база данных об измерениях и изменениях толщины стенки НПТ, ускоряющая расчет показателей надежности.

Практическая значимость работы заключается в том, что: а) для конкретной номенклатуры НПТ НГДУ «Фёдоровскнефть» рекомендованы методика и алгоритмы сбора, накопления, передачи и обработки информации о работоспособности трубопроводных систем от кустов скважин до узловых резервуарных парков, дожимных насосных станций и цехов подготовки перекачки нефти; б) созданная база данных позволяет классифицировать параметр несущей способности — толщину стенки НПТ - по условиям эксплуатации, номенклатуре НПТ, сроку работы, производить расчеты параметров моделей изменения несущей способности с учетом перечисленных особенностей, а также производить диагностику текущего состояния, прогнозировать надежность НПТ, предоставлять рекомендации по повышению надежности; в) разработаны методы расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов на основе физико-статистической модели теории надежности, позволяющие оперативно проводить анализ технического состояния систем перекачки нефти; г) построены графики и вычислены значения показателей надежности для НПТ одного из цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз».

Основные положения, выдвигаемые автором на защиту: а) разработанная методика определения характеристик надежности нефтепромысловых трубопроводов на основе физико-статистической модели «нагрузка — несущая способность»; б) числовые характеристики данных ультразвукового контроля толщины стенки НПТ, модели изменения числовых характеристик несущей способности НПТ во времени; в) виды законов распределения несущей способности в сечении случайного процесса утонения стенки трубы; г) физико-статистическая методика системного анализа надежности НПТ в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири; д) характеристики надежности большой номенклатуры НПТ в специфических условиях сбора и перекачки нефти.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, анализ литературы по проблеме, сбор исходных данных, обработку статистического материала, разработку математических моделей и расчет их параметров, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в статьях [46,65-68], материалы диссертации докладывались на ежегодных научно технических семинарах кафедры ИВТ Сургутского государственного университета в 2002-2003 гг., на III окружной конференции молодых ученых Ханты-мансийского автономного округа «Наука и инновации Ханты-мансийского автономного округа» (г. Сургут, 29-30 ноября 2002 г.), на открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 27-28 ноября 2003 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы: 183 страниц, в том числе 156 страниц основного текста, 77 рисунков,

выводы справедливы и для линейной, и для экспоненциальной моделей гпя^). Выигрыш по наработке до заданного уровня ВБР Сто 9999 зависит от вида закона распределения . Например, для стали Ст-20 по сравнению со сталью Ст-10 при Аб = 5 % и Ая = 5 % для НЗР и экспоненциального закона соответственно С7Г0>9999 равна 5,51 и 4,12 %; для А5 = 30 % и Ая = 15 %: 49,08 и 16,57 %.

Величина средней наработки до отказа не зависит от вида распределения /Л. Например, для стали Ст-20 при линейной модели т^) А5 = 10 % и Ак = 15 % Тер = 24,30 и 24,35 года для /Л - НЗР и экспоненциального соответственно.

Заключение

В соответствие с поставленной целью диссертации, основными теоретическими и практическими результатами, полученными в работе, являются следующие:

1. Впервые в практике эксплуатации трубопроводного транспорта нефти и газа выполнена обработка статистических данных об измерениях толщины стенки НПТ при эксплуатации за более чем 15-летний период. Всего проанализировано 85 статистических выборок для 18 типов НПТ. Общий объем обработанной статистики — 2769 замеров. Эти статистические данные использованы для системного анализа надежности нефтяных промысловых трубопроводов в условиях болотистой местности Севера Западной Сибири.

Статистические данные результатов ультразвукового измерения толщины стенки труб сгруппированы по типу НПТ (т.е. внешнему диаметру и номинальной толщине стенки), по сроку эксплуатации и по условиям работы.

2. В результате системного анализа показано, что характер эксплуатации различных по диаметру, толщине стенки, конструкционным сталям НПТ позволяет применить физико-статистическую модель надежности «нагрузка - несущая способность». Данная модель делает возможным определить характеристики надежности нефтепромысловых трубопроводов по статистическим данным, полученным при эксплуатации.

3. По статистическим данным определены параметры несущей способности нефтепромысловых трубопроводов, а также модели изменения этих параметров во времени.

Рассчитаны математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение, коэффициенты вариации, эксцесса, асимметрии. Для всех НПТ математическое ожидание толщины трубопроводов уменьшается с течением времени. Скорость уменьшения зависит от условий эксплуатации: нормальные, болото. Толщина НПТ, пролегающих в болоте, убывает быстрее, чем проложенных на открытом грунте. Так скорость коррозии НПТ 273 х 7 мм в болоте составляет 0,84 мм/год, а для наземного расположения НПТ - от 0,07. 0,48 мм/год (для различных трубопроводов).

Коэффициент вариации как функция от времени в большинстве случаев представляет возрастающую функцию. Для 10 из 18 НПТ увеличение коэффициента вариации со временем является результатом одновременного уменьшения математического ожидания и одновременным возрастанием среднеквадратического отклонения стя.

Коэффициент асимметрии в большинстве случаев является величиной положительной и меньше 1 по модулю, а коэффициент эксцесса является величиной отрицательной и больше 1 по модулю. Следовательно, большинство выборок представляет собой незначительно скошенное вправо плосковершинное распределение.

4. Обоснован выбор моделей изменения математического ожидания и среднего квадратического отклонения во времени эксплуатации на основе изучения физических процессов деградации конструкционных материалов труб. Доказано, что в качестве зависимостей, описывающих поведение математического ожидания во времени целесообразно использовать показательную и линейную функции: (р^) = аеы, ф(1) = а + Ы, а для описания среднего квадратического отклонения — линейную: ф(1:) = а + Ы.

Для математического ожидания, в пределах временного диапазона эксплуатационных наблюдений за толщиной НПТ, разница между линейной и экспоненциальной моделями составляет 1-3%, т.е. незначительна. При прогнозировании дальнейшего изменения средней толщины стенки трубопроводов разница возрастает со временем, при этом экспоненциальная модель дает более оптимистичный прогноз, т.е. дает более высокие значения показателей надежности НПТ.

Для прогнозирования изменения среднего квадратического отклонения во времени предпочтительно использование линейной модели.

141

Показательная модель дает очень быстрое возрастание параметра стя при прогнозировании значений за пределами временного диапазона эксплуатационных наблюдений толщины трубопроводов, что может привести к заниженным величинам показателей надежности в дальнейших расчетах.

5. Впервые определены виды законов распределения случайной величины - толщины стенки трубы 5 - в сечении случайного процесса деградации металла НПТ. Рассмотрено 49 выборок. Анализ показывает, что 45 % выборок имеют нормальный закон распределения, 30 % - закон Вейбулла, 25 % - закон распределения с равномерной плотностью.

Анализ зависимости вида закона распределения от времени эксплуатации показал, что в начале работы случайная величина — толщина стенки 5 - подчиняется нормальному закону распределения. С увеличением срока работы трубопровода нормальное распределение, как правило, меняется на закон с равномерной плотностью или Вейбулла.

Для трубопроводов, эксплуатирующихся в нормальных условиях, 15 выборок из 26 имеют нормальный закон распределения, 6 - равномерный, 5

Вейбулла. Тогда как НПТ, эксплуатирующиеся в условиях болот, не имеют выборок с НЗР.

6. Установлено, что наиболее значимым фактором нагрузок, действующих на НПТ, является давление транспортируемой нефтепромысловой жидкости. По статистическим данным измерения внутреннего давления в промысловых трубопроводах рассчитаны параметры стационарного случайного процесса нагрузки — внутреннего давления жидкости: математическое ожидание, среднее квадратическое отклонение, коэффициенты вариации, эксцесса и асимметрии. Проверка согласия статистического распределения нормальному закону распределения по критерию ^ показала состоятельность описания фактора нагрузки - давления с помощью НЗР, с параметрами: математическое ожидание тх = 1,49 МПа, среднее квадратическое отклонение сг5 = 0,19 МПа.

Значения параметров математического ожидания т5 и среднего квадратического отклонения сг3 минимальной толщины стенки трубы для различных конструкционных материалов показывают, что трубы, изготовленные из сталей с лучшими прочностными характеристиками, имеют меньшую минимально допустимую толщину.

7. Впервые создана база данных толщины стенки НПТ обширной номенклатуры при эксплуатации трубопроводов. База данных позволяет классифицировать параметр несущей способности - толщину стенки НПТ -по условиям эксплуатации, номенклатуре НПТ, сроку работы, производить расчеты параметров моделей изменения несущей способности с учетом перечисленных особенностей.

Созданная база данных и модель «нагрузка - несущая способность» позволяют рассчитать количественные показатели надежности НПТ по данным многолетней эксплуатации и использовать эти характеристики для принятия управленческих решений при эксплуатации, таких как: периодичность и объем профилактических мероприятий, состав и размещение запасного количества труб и др. Это позволит существенно повысить экономическую эффективность эксплуатации нефтепроводных систем.

8. По статистическим данным многолетней эксплуатации определены показатели надежности НПТ: вероятность отказа и вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, наработка до заданного уровня ВБР, выигрыш по средней наработке до отказа и по наработке до заданного уровня ВБР. При этом анализировались различные сочетания следующих переменных:

• тип НПТ: 530 х 7,5 мм, 273 х 6 мм, 159 х 5 мм;

• вид модели изменения математического ожидания несущей способности гпя^): линейная, экспоненциальная;

• марка конструкционного материала труб: стали Ст-10, Ст-20, СтЗСП;

• коэффициент вариации несущей способ ости Ал: 5 %, 10 %, 15 %;

• коэффициент вариации нагрузки А8: 5 %, 7 %, 10 %, 30 %;

• вид закона распределения несущей способности: нормальный, экспоненциальный;

9. Проведен анализ рассчитанных числовых значений показателей надежности, который показал следующее:

9.1. ВБР тем выше, чем более прочный материал трубопровода. Наработка заданного уровня ВБР НПТ 530 х 7,5 мм увеличивается при применении стали Ст-20 вместо стали Ст-10 на величину от 9 до 141 % (в зависимости от коэффициентов вариации АЛ и А8), а при использовании стали СтЗСП вместо Ст-10: от 11 до 169 %.

9.2. Для сложных условий эксплуатации, которые характеризуются большими значениями коэффициентов вариации, выигрыш от использования более прочных конструкционных материалов больше, чем для нормальных условий эксплуатации.

9.3. Существует зависимость показателей надежности от типа НПТ. Для трубопроводов большего диаметра ВБР ниже, чем для трубопроводов меньшего диаметра (при прочих равных условиях).

10. Рассмотренные в работе проблемы актуальны и носят межотраслевой характер. Система сбора, классификации, обработки и системного анализа эксплуатационных сведений о параметрах, характеризующих несущую способность объектов, а также опыт применения модели «нагрузка - несущая способность» для расчета работоспособности и надежности нефтепромысловых трубопроводов может быть распространен на другие объекты, такие как магистральные трубопроводные системы перекачки нефти и газа, системы перекачки агрессивных жидкостей и газов, водоводы и т.п.

Результаты данной работы позволяют определять сроки регламентных работ, планово-предупредительных ремонтов, состав и размещение запасных труб, рациональную стоимость замен и возможную рекультивацию земель после разрывов нефтяных промысловых трубопроводов и т.д.

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

2. Антонов, A.B. Оценивание характеристик надежности элементов и систем ЯЭУ комбинированными методами / A.B. Антонов, В.А. Острейковский. М: Энергоатомиздат, 1993. — 368 с.

3. Бабин, JI.A. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов: Учеб. пособие для вузов / JI.A. Бабин, П.Н. Григоренко, E.H. Ярыгин. М.: Недра, 1995. - 246 с.

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

5. Быков, В.А. Технологические методы предотвращения потерь углеводорода на промысле / В.А. Быков. М.: Недра, 1988. - 80 с.

6. Вабищевич, П.Н. Численное моделирование: Учебное пособие / П.Н. Вабищевич. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993 г. - 152 с.

7. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов / Е.С. Вентцель. М.: Высш. школа, 2001. — 575 с.

8. Воробьева, Г.Н. Практикум по вычислительной математике: Учеб. пособие для техникумов / Г.Н. Воробьева, А.Н. Данилова. — М.: Высш. школа, 1990.-208 с.

9. Гетц, К. Access 2000. Руководство разработчика : В 2 т. Т. 1 : Настольные приложения / К. Гетц, П. Литвин, М. Гилберт. К.: BHV, 2000. -1264 с.

10. Гумеров, А.Г. Оценка уровня надежности системы магистральных нефтепроводов / А.Г. Гумеров, Г.В. Журавлев // Обзор, информ. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1982. - 76 с.

11. Димов, JI.A. Методы расчета трубопроводов в условиях болот.: Дисс. докт. техн. наук / Л.А. Димов. М.,1997. -425 с.

12. Джепсон, У. П. Исследования коррозии трубопроводов, проложенных в холмистой местности / У.П. Джепсон // Нефтегазовые технологии. 1997. - № 1. - С. 51-54.

13. Заключение экспертной комиссии государственной экологической экспертизы «Обоснование инвестиций стации 1 проекта «Сахалин 1» Электронный ресурс. / Режим доступа: http://wvm.sakhaHn.environment.ru/oil/ekoekspert/geeprojekt/.

14. Ивченко, Г.И. Математическая статистика / Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев. М.: Высшая школа, 1984. — 248 с.

15. Икусов, А.Е. Неравномерное распределение аварийности по длине участка нефтепровода как фактор надежности / А.Е. Икусов, A.B. Шибиев, A.B. Черникин // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 5. - С. 138 - 139.

16. Кирьянов, Д.В. Самоучитель MathCAD 2001 / Д.В. Кирьянов. -СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 544 с.

17. Козин, И.О. Расчет надежности уникальных объектов методами диффузионных процессов / И.О. Козин, Н.Л. Сальников // Известия вузов. Приборостроение. 1984. - Т. 27, № 11. - С. 92-95.

18. Коннолли, Т. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика / Т. Коннолли, К. Бегг, А. Строган. М.: Вильяме, 2001.- 1120 с.

19. Коррозия внутренней поверхности нефтесборных промысловых трубопроводов / Н.В. Инюшин, A.B. Лейфрид, A.C. Валиев, П.Р. Ривкин // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 3. - С. 85 - 86.

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

21. Кузнецов, Н.П. Состояние и перспективы работ по ингибиторной защите трубопроводов на месторождениях Западной Сибири / Н.П. Кузнецов,

22. B.В. Завьялов, И.В. Прокопьев // Нефтяное хозяйство. — 2002. № 6. - С. 65 — 67.

23. Мазур, И.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов / И.И. Мазур, О.М. Иванцов, О.И. Молдаванов. М.: Недра. - 1990. - 264 с.

24. Мальцев, H.A. Нефтяная промышленность России в послевоенные годы / H.A. Мальцев, В.И. Игревский, Ю.В. Вадецкий. М.: ВНИИОЭНГ. -1996.-307 с.

25. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова,

26. C.А. Вяткин и др.: Под общ ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение. — 1989.-640 с.

27. Марчук, Г.И. Методы вычислительной математики: Учеб. пособие / Г.И. Марчук. М.: Наука. - 1989. - 608 с.

28. Масленникова, В.Н. Дифференциальные уравнения в частных производных: Учебник / В.Н. Масленникова — М.: Изд-во РУДН, 1997. — 447 с.

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

30. Медведев, А.П. Об усиленной коррозии трубопроводов систем сбора нефти / А.П. Медведев, А.Н. Маркин // Нефтяное хозяйство. 1995. -№11.-С. 56-59.

31. Методы, средства и программное обеспечение для систем коррозионного мониторинга трубопроводов / А.Г. Гумеров, А.П. Медведев, А.Т. Фаритов и др. // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 10. - С. 130- 137.

32. Мингалёв, Э.П. К вопросу о механизме коррозионного разрушения нефтесборных коллекторов / Э.П. Мингалёв, A.A. Силаев // РНТС. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1981. - № 4. - С. 1820.

33. Муравьев, И.И. Системный анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов в условиях болот Западной Сибири (на примере трубопроводов Нефтегазодобывающего управления «Фёдоровскнефть»): Дисс. канд. техн. наук. / И.И. Муравьев. Сургут, 2002.-196 с.

34. Муравьев, И.И. Исследование надежности нефтяных промысловых трубопроводов в условиях болот / И.И. Муравьев, В.А. Острейковский // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО / Тр. международ, симпоз. // Под ред. А.Н. Андреева и др. Пенза, 2001. - С. 366-367.

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

36. Низамов, K.P. Разработка методов повышения эксплуатационной надежности НПТ / K.P. Низамов, A.A. Калимуллин // Нефтяное хозяйство. -2001.-№11.-С. 35 -36.

37. Нуряев, A.C. Охрана природы и рациональное природопользование в ОАО «Сургутнефтегаз» / A.C. Нуряев, JI.A. Малышкина // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 8. - С. 122 - 124.

38. Обеспечение надежности промысловых трубопроводов на месторождениях ТНК / C.B. Брезицкий, А.П. Медведев, А.Г. Гумеров и др. // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 12. - С. 106 — 110.

39. Орехов, В.В. Процесс формирования качества в линейном трубопроводном строительстве / В.В. Орехов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 1999. - № 3-4. - С. 24-28.

40. Осецкий, А.Ю. Разработка автоматизированной системы контроля работоспособности оборудования (на примере оборудования Смоленской АЭС): Дисс. канд. техн. наук / А.Ю. Осецкий. Обнинск, 1998. - 151 с.

41. Острейковский, В.А. Многофакторные испытания на надежность / В.А. Острейковский. -М:. Энергия, 1978. 152 с.

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

43. Острейковский, В.А. Вероятностное прогнозирование работоспособности элементов ЯЭУ / В.А. Острейковский, Н.Л. Сальников. — М:. Энергоатомиздат, 1990. — 416 с.

44. Острейковский, В.А. Старение и прогнозирование ресурса оборудования атомных станций / В.А. Острейковский. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 288 с.

45. Острейковский, В.А. Теория и расчет надежности трубопроводов большого диаметра атомных станций / В.А. Острейковский. — Обнинск: ИАТЭ, 1990.-126 с.

46. Острейковский, В.А. Физико-статистические модели надежности элементов ЯЭУ / В.А. Острейковский. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 200 с.

47. Оценка экономической целесообразности применения противокоррозионной защиты НПТ / С.А. Гуров, A.A. Даминов, В.В. Рагулин, Е.Ф. Смолянец. // Интервал. Передовые нефтегазовые технологии. — 2002. -№ Ю.-С. 65-67.

48. Попов, A.A. Экологические проблемы ТЭК / A.A. Попов //Ядерное общество. 2001. - № 1. - С. 20-22.

49. Послед, Б.С. Access 2000. Базы данных и приложения. Лекции и упражнения / Б.С. Послед. М.: Диасофт, 2000. - 512 с.

50. Промысловые исследования влияния кислорода на усиление коррозии трубопроводов / P.M. Саматов, Ф.Г. Арсланов, Ф.С. Гарифуллин и др. // Нефтяное хозяйство. 2003. - № 1. - С. 72 - 73.

51. Промысловые трубопроводы / В.Д. Куликов, A.B. Шибнев, А.Е. Яковлев, В.Н. Антипьев. М.: Недра, 1994. - 298 с.

52. Проников, A.C. Надежность машин / A.C. Проников. М: Машиностроение, 1978. - 592 с.

53. Пчелкин, В.Н. К вопросу о диагностике состояния и паспортизации трубопроводов / В.Н. Пчелкин, В.А. Каспаров, A.C. Лещенко // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. -1996.-№6-7. -С. 4-9.

54. Разработка методов эффективной эксплуатации системы нефтесбора НГДУ «Альметьевнефть» / Н.Г. Ибрагимов, М.Ш. Залятов, А.Ф. Закиров, Р.Ш. Закиров // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 9. - С. 49 - 51.

55. Расчет и проектирование нефтепромыслового оборудования: Учебное пособие для вузов / Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, A.M. Рабинович и др. М.: Недра, 1987. - 422 с.

56. РД 39-132-94. Правила по эксплуатации, ревизии, ремонта и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов / Госстрой России М.:ГУП ЦПП, 1994.-326 с.

57. Реформатская, И.И. Оценка стойкости низкоуглеродистых трубных сталей при коррозии в условиях теплотрасс / И.И. Реформатская, А.Н. Подобаев, Г.М. Флорианович // Защита металлов, 1999. Т. 35, № 1. -С. 8-13.

58. Руденко, Ю.Н. Надежность систем энергетики / Ю.Н. Руденко, H.A. Ушаков. М.: Наука, 1986. - 44 с.

59. Семенова, И.И. Алгоритм оценки скорости внутренней и наружной коррозии магистральных трубопроводов по результатам аппаратной диагностики / И.И. Семенова // Нефтяное хозяйство. 2001. - № 10.-С. 79-81.

60. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов / Под ред В.Д. Черняева. М.: Недра. - 1997 г. - 516 с.

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

62. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М.: Стройиздат, 1985.-54 с.

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

64. Советов, Б.Я. Моделирование систем: Учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. М.: Высш. школа, 2001 г. - 343 с.

65. Сотсков, Б.С. Анализ надежности элементов с учетом влияния внешних воздействий / Б.С. Сотсков // Технические средства управления и вопросы их надежности. — М.: Наука, 1974. С. 37-44.

66. Стальные трубы. Справ, изд. Пер. с нем. / Под ред. Д. Шмидта. -М.: Металлургия, 1982. 536 с.

67. Степанов, Г.М. Неразрушающий контроль трубопроводов и резервуаров / Г.М. Степанов, A.C. Лещенко // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. — 1998. — № 3-4. С. 11-19.

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

69. Султанмагомедов, С.М. Повышение долговечности промысловых трубопроводов, подверженных канавочной коррозии / С.М. Султанмагомедов // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 11. - С. 104 - 108.

70. Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / P.A. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. М.: Недра, 1988. - 368с.

71. Тугунов, П.И. Нестационарные режимы перекачки нефти и нефтепродуктов / П.И. Тугунов. М.: Недра, 1984. - 224 с.

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

73. Уметбаев, В.В. Анализ данных эксплуатации промысловых трубопроводов в АНК «Башнефть» / В.В. Уметбаев, М.В. Голубев // Нефтяное хозяйство. 2002. - № 4. - С. 86 - 87.

74. Харионовский, В. В. Проблема ресурса газопроводных конструкций / В.В. Харитоновский // Газовая промышленность. 1994. - № 7. С. 17—20.

75. Эксплуатационная надежность магистральных нефтепроводов / В.Д. Черняев, Э.М. Ясин, В.Х. Галюк, И.И. Райхер. М.: Недра, 1992. - 264 с.

76. An assessment of low pressure crude oil pipelines and crude oil gathering lines in California. April 1997 Электронный ресурс. / Режим доступа: http://osfm.fire.ca.gov/pdf/pipeline/Lowpresspipe/alpcCHAPTER4.pdf

77. Ayyub, В.М. Reliability and Stability Assessment of Concrete Gravity Structures (RCSLIDE): Theoretical Manual Электронный ресурс. / В.М. Ayyub, Ru-Jen Chao, R.C. Patev, M.A. Leggett // Режим доступа: http://www.wes.army.mil/ITL/pdf/tritl986.pdf

78. Logan, К. H. Corrosion Handbook / K.H. Logan (H.H. Uhlig). Wiley & Sons. - p.450.

79. Sorensen, J.D. Modelling of loads and strengths Электронный ресурс. / J.D. Sorensen / Режим доступа: http://www.waterbouw.tudelft.nl/ public/gelder/citatie4.pdf

80. Tjernberg, A. Fatigue assessment of components in construction equipment Электронный ресурс. / A. Tjernberg // Режим доступа: http://www.lib.kth.se/Sammanfattningar/ tjernbergO 10405.pdf

81. Wilcocks, J. Risk based inspection and integrity management of pipeline systems Электронный ресурс. / J. Wilcocks, Y. Bai // Режим доступа: http://www.eagle.Org/news/TECH/offshore//RiskandIntegrity.pdf