Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния и перспективы развития газораспределительной сети россии 8
Раздел 1.1 Исследование тенденции развития сети газораспределения рф 8
Раздел 1.2 Анализ исторических этапов развития трубопроводных систем из полимерных материалов в России 12
Раздел 1.3 Анализ перспектив применения полиэтиленовых газопроводов в россии 15
Анализ конструктивных свойств полиэтиленовых труб 15
Анализ капитальных вложений в объекты распределения газа 18
Анализ классификации трубных марок газопроводов 22
Анализ гидравлических характеристик стальных и полиэтиленовых газопроводов 26
Раздел 1.4 Выводы по главе 31
Глава 2. Анализ существующих методов реконструкции распределительных газопроводов 32
Раздел 2.1 Анализ существующей нормативной базы, регламентирующей порядок ведения работ применительно к распределительным газопроводам 32
Раздел 2.2 Обзор современных методов реконструкции распределительных газопроводов 38
Раздел 2.2.1 Анализ метода реконструкции протяжкой полиэтиленовой трубы без разрушения старого газопровода 40
Раздел 2.2.2 Анализ метода реконструкции протяжкой
Полиэтиленовой трубы с разрушением старого газопровода 46
Раздел 2.2.3 Анализ метода реконструкции плотноприлегающей трубой («u-лайнер»/ «свэджлайнинг») 49
Раздел 2.2.4 Анализ метода реконструкции синтетическим тканево- полиэтиленовым рукавом 54
Раздел 2.2.5 Сравнительный анализ стоимости работ по реконструкции 56
Раздел 2.2.6 Анализ инновационных методов реконструкции 61
Раздел 2.3 Комплексный анализ методов реконструкции 63
Раздел 2.4 Учет территориального зонирования при реконструкции 68
Раздел 2.5 Выводы по главе 78
Глава 3. Разработка методики выбора оптимального метода реконструкции изношенных распределительных газопроводов 79
Раздел 3.1 Разработка алгоритма помощи принятия решения 79
Раздел 3.2 Формирование ключевых факторов, влияющих на выбор метода реконструкции 83
Раздел 3.3 Определение специалистов и разработка алгоритма действий при групповом экспертном анализе 86
Раздел 3.4 Анализ результатов экспертных оценок 96
Раздел 3.5 Практическое применение алгоритма выбора оптимального варианта реконструкции с использованием программного комплекса expert choice 100
Раздел 3.6 Выводы по главе 105
Глава 4. Анализ напряженно-деформированного состояния полиэтиленового газопровода в работе со стальным каркасом 106
Раздел 4.1 Анализ влияния фактора температуры на прочностные Свойства полиэтиленовых труб 106
Раздел 4.2 Инженерная методика расчета прочности полиэтиленовой цилиндрической оболочки с учетом температурного фактора и изотропных свойств материала 114
Раздел 4.3 Выводы 124
Глава 5. Разработка рекомендаций по оптимизации программ реконструкции газораспределительных сетей 125
Раздел 5.1 Постановка задачи выбора оптимальной последовательности реализации набора проектов реконструкции 125
раздел 5.2 Анализ параметров технического состояния, методов контроля и критериев оценки технического состояния подземных стальных распределительных газопроводов 126
Раздел 5.3 Учет финансового потока в процессе выбора оптимальной очередности реализации проектов реконструкции 143
Раздел 5.4 Выводы по главе 148
Общие выводы работы 149
Список литературы 150
- Анализ исторических этапов развития трубопроводных систем из полимерных материалов в России
- Обзор современных методов реконструкции распределительных газопроводов
- Формирование ключевых факторов, влияющих на выбор метода реконструкции
- Инженерная методика расчета прочности полиэтиленовой цилиндрической оболочки с учетом температурного фактора и изотропных свойств материала
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Газораспределительная сеть относится к одному из важнейших звеньев единой системы «добыча - транспортировка - газораспределение - реализация газа».
В настоящее время в Российской Федерации усугубляется проблема обеспечения надежной работы и безопасной эксплуатации газораспределительных сетей, поскольку количество изношенных подземных газопроводов постоянно увеличивается. Наибольшую актуальность данная проблема приобретает в крупных городах России, имеющих широко разветвленные сети газоснабжения.
Следует отметить, что существует достаточно широкий выбор технологий и материалов для реконструкции распределительных газопроводов, но при этом не существует универсального метода, правомерного для всех возможных условий выполнения работ. По этому, понимание алгоритма действий при выборе оптимального варианта реконструкции, классификация и определение критериев, влияющих на выбор, а также определение области применения каждого метода реконструкции является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы - разработка методики научно обоснованного выбора оптимального метода реконструкции изношенных распределительных газопроводов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - проведение комплексного анализа состояния и развития сетей газораспределения, методов реконструкции и факторов, определяющих выбор оптимального метода реконструкции распределительных газопроводов;
разработка алгоритма выбора оптимального метода реконструкции распределительных газопроводов на основе многокритериального подхода;
разработка и апробация математической модели и научно-обоснованных процедур комплексной оценки выбора оптимального метода реконструкции, с учетом технических и экономических критериев;
проведение анализа взаимодействия полиэтиленового газопровода со стальным каркасом в процессе работы после реконструкции с применением U-образных труб;
разработка рекомендаций по оптимизации программ реконструкции газораспределительных сетей.
На защиту выносятся:
Методика выбора оптимального метода реконструкции изношенных распределительных газопроводов основе многокритериального подхода;
Методика определения оптимальной очередности реализации проектов реконструкции, учитывающая техническое состояние газопроводов и оптимизацию финансового потока.
Научная новизна:
на основе комплексного анализ существующих и перспективных методов реконструкции распределительных газопроводов разработана научно обоснованная методика выбора оптимального метода реконструкции распределительных газопроводов;
разработана методика расчета полиэтиленового газопровода в работе со стальным каркасом (футляром), роль которого выполняет санируемый стальной газопровод;
разработаны рекомендации по оптимизации программ реконструкции газораспределительной сети.
Практическая значимость:
Разработанная в рамках диссертационной работы методики внедрены в производственную деятельность ООО «Газпром газораспределение Элиста» (ООО «Калмгаз») - разработаны локальные, внутренние руководящие документы, направленные на развитие программы реконструкции сетей, что обеспечило оптимизацию показателей компании и привело к более рациональному использованию трудовых и финансовых ресурсов.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях различного уровня:
«Международная научно-практическая конференция Перспективные вопросы мировой науки» (г. София, 17-25 декабря, 2013 г.);
«VIII Международная учебно-научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт - 2012» (г. Уфа, 8-9 ноября, 2012 г.);
- «66-я Международная молодежная научно-практическая конференция
Нефть и газ 2012», (г. Москва, 17-20 апреля, 2012 г.);
- «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного
транспорта» (г. Новополоцк, 2011 г.);
- «Международная научно-практическая конференция Нефть и газ
2010», (г. Москва, 2010 г.).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 7 научных работ, в том числе в 5 изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем диссертационной работы
Анализ исторических этапов развития трубопроводных систем из полимерных материалов в России
На всем протяжении развития общества задача реализации способов передачи сырья для поддержания продуктивного существования людей стояла на первом месте
В настоящее время по трубопроводам перемещается большое количество продуктов: вода, газ, нефть и нефтепродукты и т.п. В то время как развивается город, у него увеличиваются объемы транспортируемых продуктов, происходит рост типов и количества средств передачи продуктов поддержания жизнедеятельности, которые и являются элементами, обеспечивающими нормальное существование общества.
Применение неметаллических материалов для распределительных сетей имеет более чем пятидесяти летнюю историю. Начало промышленного производства ПЭ материалов можно отнести к сороковым годам двадцатого века, тогда же были получены первые пластмассовые трубы. И с этого момента происходит стремительный рост развития трубной промышленности из полимерных материалов.
Первые пластиковые трубы для самотечных трубопроводов применялись в Германии, Голландии и странах Скандинавии. А из полиэтилена и поливинилхлорида для подземных самотечных трубопроводов применяются с конца 60-х, трубы из полипропилена - с конца 70-х гг. Первые экспериментальные пластмассовые трубопроводы в России стали использоваться в 60-х годах XX в. В 1958 г. специалисты гидрогеологического управления «Геоминводы» впервые стали использовать полимерные трубы в системах минерального водоснабжения. В 1959 г. было начато строительство водопровода хозяйственно-питьевого назначения в Москве, а в 1961 г. были проложены опытные участки полиэтиленовых труб на минеральных источниках Пятигорска, Кисловодска, Мацесты. При строительстве экспериментального водопровода в Москве использовали трубы из полиэтилена с наружным диаметром 40 и 63 мм. [38]
С развитием индустрии строительства трубопроводов из полимерных материалов возник вопрос возможности применения их в нефтяной и газовой отраслях.
Институтом «Мосинжпроект» в 1958-1960 гг. совместно с трестом «Мосгаз» были организованы научные и практические работы по оценке возможности и по определению условий эксплуатации пластиковых подземных газопроводов. [38] Были выполнены исследования газопроницаемости материалов трубопроводов, и они позволили получить положительное заключение по применению труб из поливинилхлорида и полиэтилена при строительстве подземных распределительных газопроводов.
В августе 1959 г. в Москве впервые был построен подземный распределительный газопровод из поливинилхлоридных труб отечественного производства. При строительстве применялись трубы Владимирского химического завода длиной 3 м, рассчитанные на давление 0,25 МПа. В соответствии с проектом винипластовые трубы диаметром 100 и 70 мм были уложены в открытый грунт вместо чугунного газопровода тех же диаметров на глубину 1,25-1,85 м. протяженностью 165 м. Сварка труб в плети длиной 10-12 м из 5-6 труб осуществлялась в заводских условиях по специальной технологии «Мосинжпроекта». Строительство велось силами СУ-7 первого треста «Мосподземстрой». Газопровод успешно эксплуатировался до 1979 г. и был отключен в связи с переводом потребителя на электроснабжение [38].
В Тамбове был построен газопровод из пластмассовых труб в 1964 г., в 1965 г. - в Ленинграде, в 1966 г. - в Саратовской области, в 1969 г. - в Краснодарском крае. [38] Главгаз МКХ РФ инициировал передачу технических наработок применения пластмассовых труб институтом «Мосинжпроект» Саратовскому институту «ГипроНИИгаз». Тогда разработкой технологий сооружений полиэтиленовых газопроводов начали заниматься в Московском институте ВНИИСТ (под руководством К.И. Зайцева) и Киевском институте электросварки (ИЭС) им. Е.О. Патона (под руководством Г.Н. Кораба) [38].
ОАО «ГипроНИИгаз» проведены научно-исследовательские и опытно конструкторские работы, которые позволили принципиально решить большинство технологических задач. Была разработана основная нормативно техническая документация: строительные нормы по газоснабжению (СНиП 2.04.08-87 и СНиП 3.05.02-88), свод правил по строительству (СП 42-101-96) и контролю качества сварных соединений (СП 42-105-99), альбомы технологических карт, инструкции, методические разработки и документы. Таким образом, появилась нормативно-техническая база для промышленного внедрения пластмассовых труб в газоснабжение на территории России, которое обширно развернулось с конца 80-х - начала 90-х гг. XX в.
В этот же период было организовано производство газопроводных труб по специальным ТУ 6-19-352-87 на заводе ОАО «Казаньоргсинтез». При строительстве первых трубопроводов использовалась традиционная траншейная технология, детально разработанная для металлических трубопроводов. Однако гибкость пластмассовых трубопроводов, незначительный вес, отличные от металлических прочностные свойства, безусловно, накладывали специфические требования на выполнение строительных работ . В середине 70-х гг. была разработана нормативная база и технологии основных методов строительства пластмассовых трубопроводов в России [38].
Обзор современных методов реконструкции распределительных газопроводов
Как было показано в Главе 1, изношенные газопроводы приводят к трети всех аварий и инцидентов на распределительных сетях, это связано с особенностями их эксплуатации (утечка газа из арматуры, коррозионные повреждения, отказы оборудования, взрывы, пожары и воспламенения).
К выбору метода реконструкции сети газораспределения или ее части следует подходить с учетом нормативных документов, действующих в настоящее время, а также результатов расчета пропускной способности газопроводов после реконструкции, сравнительного анализа результатов технико-экономических обоснований эффективности применения рассматриваемых методов реконструкции с учетом многофакторного анализа.
В мировой практике в настоящее время существуют следующие основные методы реконструкции изношенных подземных распределительных газопроводов с использованием различного оборудования:
1. Метод протаскивания полиэтиленовых труб диаметром до 315 мм, изготовленных по [49], и диаметром 355 мм и более - по ТУ заводов-изготовителей: - протаскивание во внутреннюю полость изношенного стального газопровода секций из полиэтилена. Следует отметить, что в данном случае происходит уменьшение внутреннего диаметра санируемого газопровода; - протаскивание, но с увеличением диаметра на один сортамент и разрушением ремонтируемого трубопровода (пневматическим, гидростатическим методом или непосредственно протаскиваемой трубой), что позволяет создать трубопровод, не меньшего диаметра чем восстанавливаемый;
2. Метод реконструкции плотноприлегающей трубой. При данном методе происходит санация полиэтиленовыми трубами, наружный диаметр которых такой же или больше, чем диаметр реконструируемого стального газопровода. ПЭ труба подвергается предварительному обжатию термическим или термомеханическим способом: - метод холодного (горячего) профилирования (технология «U лайнер») предусматривает протаскивание плети трубы, поперечное сечение которой подверглось профилированию и которая после протаскивания под действием подаваемого пара с повышенной температурой и давлением принимает опять цилиндрическую форму, плотно прилегая к внутренней поверхности стальной трубы без какого либо клея, минимизирует тем самым уменьшение восстановленного газопровода.
Во время экструзионного процесса круглая полиэтиленовая труба по всей длине складывается в U (С)-образную форму. Таким образом, поперечное сечение уменьшается на 35 % и труба может легко вставляться в восстанавливаемый трубопровод. После протяжки труба принимает исходную форму при помощи пара. - метод холодного обжатия («Сведжлайнинг») - протяжка полиэтиленовых труб большего наружного диаметра, чем внутренний диаметр восстанавливаемого стального газопровода, с предварительным уменьшением сечения полиэтиленовой трубы путем пропускания ее через специальные обжимные вальцы в холодном состоянии и последующим восстановлением сечения путем нагрева теплоносителем (пар, вода).
3. Метод реконструкции тканево-полиэтиленовым рукавом (технология «Феникс») – облицовка внутренней поверхности газопровода с применением цельнотянутых тканевых шлангов, изготовленных из полиэфирных и нейлоновых нитей.
4. Инновационные методы восстановления. Примерами перспективных методов реконструкции стальных газопроводов могут служить такие как «Primus Line», а также применение многослойных полимерных труб (полиэтиленовые армированные трубы (ПАТ) – металлопластиковые, стеклопластиковые или армированные синтетическими нитями).
5. Реконструкция открытым способом с извлечением существующего газопровода и прокладкой нового. Традиционный способ реконструкции, предусматривающий разработку траншеи и замену сталь на сталь. [9, 10]
Раздел 2.2.1 Анализ метода реконструкции протяжкой полиэтиленовой трубы без разрушения старого газопровода В настоящее время достаточно обширное распространение приобрел метод санации реконструируемого стального газопровода секциями из ПЭ труб или полиэтиленовой плети.
В реконструируемый стальной газопровод, после того как его отключили, продули и очистили, протягивается круглая ПЭ труба или ПЭ плеть меньшего диаметра. Рабочие функции газопровода переходят к ПЭ трубопроводу. Диаметр газопровода после реконструкции уменьшается. Стальной изношенный трубопровод выполняет функцию каркаса, но может быть использован на отдельных участках в качестве футляра. Для соединения протянутых участков полиэтиленовых труб диаметром до 630 мм (включительно) применяются детали с ЗН по ГОСТ Р 52779, более 630 мм, имеющие разрешение на применение, полученное в установленном порядке. Разрешается использование деталей с трубными концами, присоединяемых к трубопроводу при помощи муфт с ЗН.
Степень очистки реконструируемого стального трубопровода минимальная и должна исключать возможность повреждения полиэтиленовой трубы при протягивании. Максимальная протяженность прямого участка реконструируемого стального газопровода назначается в зависимости от допустимой величины тягового усилия, требуемого для протяжки ПЭ трубы. Происходит проталкивание ПЭ трубы в старую с помощью сцепного устройства и лебедки.
Формирование ключевых факторов, влияющих на выбор метода реконструкции
Рассматривая вопросы проектирования и строительства сетей газораспределения невозможно игнорировать международный опыт по обеспечению безопасности.
Как отмечают Э. Микалопулос и С. Бабка, можно выделить два подхода к проектированию газораспределительных систем. При традиционном подходе все возможные переменные, которые могут оказать влияние на газопровод, условно объединяются в один коэффициент безопасности, который учитывается при проектировании. Таким образом, достигается максимальная безопасность (за счет «запаса», который создается коэффициентом). Единое решение для всех возможных ситуаций упрощает проектирование и дальнейшую эксплуатацию, однако во многих случаях такие меры безопасности могут оказаться излишними, что отрицательно скажется на экономической эффективности. Вероятностный подход - это учет всех случайных факторов (качество материалов, возможные ошибки в ходе строительства, испытаний и проектирования, особенности физических свойств материалов и т.д.) и оценка рисков в каждой конкретной ситуации, однако, организовать его на практике слишком сложно. Во многих стандартах во всем мире стремятся, так или иначе, привнести элементы анализа рисков в процесс проектирования, в той или иной форме вводя учет различных меняющихся обстоятельств.
Помимо учета разнообразных технических характеристик и климатических особенностей, во многих случаях используются коэффициенты, отражающие возможную угрозу для газопровода со стороны человека (и, соответственно, возможные последствия аварии). Человеческий фактор зачастую играет принципиальную роль, так как риски, связанные с экстремальными климатическими условиями, сейсмической активностью и т.д. во многих странах несущественны, в то время как влияние человеческой деятельности в зоне прокладки газопровода существует везде.
Впервые идея классификации зон в зависимости от плотности населения возникла в 1955 году. До этого в нормативных документах США существовали отдельные требования только для населенных пунктов вообще и для компрессорных станций. В городах максимальное рабочее давление было ограничено 50% от минимального предела текучести (а на компрессорных станциях - 63%), в остальных случаях оно составляло 72%.
В 1952-1955 гг. была признана необходимость большей дифференциации зон в зависимости от плотности населения и других факторов, а также снижения в этих зонах максимального рабочего давления (и, соответственно, увеличения толщины стенки) из соображений безопасности. Большая плотность населения вдоль трассы газопровода увеличивает шансы аварий и повреждений газопроводов - например, из-за земляных работ, связанных с прокладкой водопроводов или электрических кабелей, строительством дорог и т.д. Поэтому давление в этих зонах должно быть снижено, чтобы в случае аварии возможный ущерб был минимальным.
К тому времени многие ГРО так и поступали, хотя никаких нормативных документов, регламентирующих «промежуточную» величину давления, еще не было. Эти компании устанавливали разные ограничения давления для разных территорий, принимая в расчет также наличие пересечений с железными и автодорогами, однако единого утвержденного критерия не было, и каждая компания руководствовалась собственными соображениями на этот счет.
Классификация строений также влияет на толщину стенки в тех или иных зонах. Например, газопровод, пересекающий шоссе или железную дорогу в зоне класса 1 (72% SMYS), имеет строения типа В (60% SMYS) в месте пересечения.
Для определения класса размещения подсчитывается количество зданий, расположенных на полосе шириной в 0,25 мили вдоль 1 мили газопровода. Газопровод разбивается на участки длиной в 1 милю так, чтобы на протяжении этого участка располагалось максимальное количество зданий, подразумевающих присутствие людей. При этом каждый жилой блок многоквартирного дома считается отдельным зданием.
Первоначально для определения класса размещения использовался коридор в 0,5 мили вокруг газопровода. Такое расстояние было выбрано произвольно, по размеру стандартной фотографии с воздуха. Предполагалось, что данные по газопроводам будут собираться именно путем фотографирования. Однако в 1970 г. вышел CFR 49.192 «Трубопроводный транспорт природного и иных газов: минимальные федеральные стандарты» (Transportation of natural and other gas by pipeline: minimum federal standards) [93], в котором размер коридора вокруг трубы для определения класса размещения был уменьшен до современного 0,25 мили, так как исследования показали, что рассматривать более широкую зону не имеет смысла - зона за пределами 0,25 мили вряд ли способна оказать влияние на газопровод, равно как и последствия аварии на ней не сказываются. При строительстве также должны учитываться и места периодических скоплений людей (церкви, стадионы, школы и т.д.). В некоторых случаях возможно отнесение таких зон к более высокому классу размещения, чем тот, что получается при формальном расчете. Также при проектировании следует учитывать перспективы развития района, которое может в будущем изменить класс размещения газопровода.
Помимо вычисления необходимой толщины стенки трубы и давления, класс размещения влияет также и на толщину засыпки над газопроводом, на процесс проведения испытаний, на прочность (что в свою очередь влияет на определение максимального допустимого давления), на расстояние между запорной арматурой, а также на частоту проверок газопровода.
Аналогичные классификации зон используются при проектировании газопроводов и во многих других странах. Особенностью американского стандарта является подразделение класса 1 на две подкатегории. В других зарубежных стандартах используется, как правило, только четыре класса, определяемых схожим образом.
Инженерная методика расчета прочности полиэтиленовой цилиндрической оболочки с учетом температурного фактора и изотропных свойств материала
В современных условиях успешная реализация отдельно взятых проектов уже не является достаточным условием успешной работы в целом организации – необходимо эффективное выполнение всех проектов, реализуемых в рамках инвестиционных программ, т.е. оптимизация программ реконструкции газопроводов.
В диссертации разработана методика, направленная на формирование последовательности реализации проектов реконструкции, позволяющая, во-первых определить очередность вывода объектов в реконструкцию и во-вторых определить очередность реализации проектов с точки зрения построения финансового потока с учетом финансовых ограничений.
В настоящее время с учетом возрастающих объемов изношенных газопроводов остается актуальной задача формирования требований и разработка алгоритма вывода подземных распределительных газопроводов в реконструкцию. Определение степени изношенности и оценка технического состояния планируемых к реконструкции распределительных газопроводов является первостепенной задачей в процессе определения последовательности их реализации. Кроме того, реализация проектов по реконструкции распределительных газопроводов, как и любое другое строительство, подразумевает большие инвестиции на значительный срок и возникающие при этом финансовые потоки компании достаточно динамичны и объемны 126 и должны обеспечить полноценное функционирование организации. В такой ситуации, возникает задача определения оптимальной очередности реализации инвестиционных проектов с целью обеспечения финансового потока, удовлетворяющего некоторым заданным критериям оптимальности. Отсюда рождается задача определения порядка реализации проектов компании. При этом в основу критерия выбора очередности в диссертации положены два фактора – техническое состояние газопровода и финансовый поток, формируемый от реализации проекта реконструкции.
Раздел 5.2 Анализ параметров технического состояния, методов контроля и критериев оценки технического состояния подземных стальных распределительных газопроводов
Современные нормативные документы требуют, чтобы эксплуатация объектов сетей газораспределения проводилась по техническому состоянию, а управлять сроками службы объектов сетей газораспределения необходимо на основе анализа риска аварии.
Проведение технического диагностирования объектов газораспределительной системы с целью формирования очередности вывода газопроводов в реконструкцию предлагается проводить поэтапно: - функциональное диагностирование; - комплексное техническое диагностирование; - анализ риска; Функциональное диагностирование объекта (мониторинг технического состояния и условий эксплуатации) должно включать определение параметров технического состояния в автоматизированном режиме. 127 По результатам функционального диагностирования техническое состояние объекта газораспределительной системы может быть признано: - исправным; - работоспособным; - частично неработоспособным (неработоспособным).
В случае признания объекта неработоспособным (частично неработоспособным) или обнаружения в ходе функционального диагностирования скрытых дефектов, а также после завершения срока службы объекта, установленного проектом, следует проводить комплексное техническое диагностирование (экспертное обследование) объекта.
По результатам функционального диагностирования и/или комплексного технического диагностирования необходимо выполнить оценку риска аварии. По результатам анализа риска аварий делается вывод во-первых о возможности дальнейшей эксплуатации объекта, разрабатываются и выполняются мероприятия по сохранению или уменьшению риска аварии и во-вторых по степени риска определяется очередность реализации проектов реконструкции.
