Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса формирования проектных норм надежности магистральных трубопроводов 8
1.1 Содержание проблемы обеспечения надежности трубопроводов на этапе проектирования 8
1.2 Подходы к выбору проектных решений 13
1.3 Требования к эксплуатации трубопроводов по критерию надежности 16
1.4 Проектные нормы надежности трубопроводов 21
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Исследование проектных норм надежности трубопроводов на основе нормативно-вероятностного подхода ... 33
2.1 Ограничения на окружное напряжение от рабочего внутреннего давления в трубопроводе 33
2.2 Отношение предела текучести к временному сопротивлению 37
2.3 Допуски на испытательное внутреннее давление в трубопроводе 39
2.4 Вероятность безотказности трубопровода по результатам гидравлического испытания 45
2.5 Оценка дефектности труб по заданной вероятности безотказности 47
Выводы по главе 2 49
ГЛАВА 3. Сравнительный анализ надежности трубопроводов из прямошовных и спирально-шовных труб 50
3.1 Расчетно-экспериментальное обоснование уровня концентрации напряжений в сварных соединениях труб 50
3.2 Сравнительный анализ и оценка толщины стенки труб
3.3 Особенности применения высокопрочных труб 53
Выводы по главе 3 60
Глава 4. Методическое обеспечение формирования проектных норм надежности трубопроводов 61
4.1 Количественные требования по надежности трубопроводов 62
4.2 Качественные требования по надежности трубопроводов .
4.3 Нормирование контроля надежности трубопроводов ... 80
4.4 Оценка уровня технического состояния трубопровода... 85
4.5 Прогнозирование надежности трубопровода на основе технических стратегий 88
Выводы по главе 4 91
Основные выводы и рекомендации 92
Библиографический список использованной литературы
- Требования к эксплуатации трубопроводов по критерию надежности
- Вероятность безотказности трубопровода по результатам гидравлического испытания
- Сравнительный анализ и оценка толщины стенки труб
- Нормирование контроля надежности трубопроводов
Требования к эксплуатации трубопроводов по критерию надежности
В процессе эксплуатации магистральные трубопроводы непрерывно находятся под влиянием многочисленных внутренних и внешних негативных воздействий различного происхождения. Внешние негативные воздействия, связанные со срывами поставки продукта перекачки, энергоснабжения и т.п., а также внутритехнологические воздействия, связанные со сбоями технологических процессов, отказами оборудования, авариями, потребностью перехода на другое внутренне давление и т.п., формируют значимые факторы грузооборота, перекачки углеводородов и гарантированное выполнение договорных обязательств, промышленную безопасность и создают риски аварий.
В связи с этим, важной задачей функционирования магистральных трубопроводов следует считать организацию информационного обеспечения конструктивной и функциональной надежности и промышленной безопасности, которая должна характеризоваться полнотой, оперативностью и скоростной передачей информации о возникшей нежелательной ситуации органам управления соответствующего уровня. Организационно-технические распределительные указания осуществляются лишь тогда, когда руководство, принимающее их, обладает достаточно полной идентифицированной и унифицированной, достоверной и своевременно полученной информацией об управляемом им магистральном трубопроводе. Для этого важно пользоваться номенклатурой показателей надежности и промышленной безопасности трубопроводов, уметь их количественно оценивать уже на этапе проектирования, рассчитывать, прогнозировать и управлять на этапе эксплуатации.
Количественная оценка проектных показателей позволяет, в частности, обосновать выбор элементной базы (труб) трубопроводов по критериям надежности и безопасности, иначе говоря, по критерию риска. Эта задача является актуальной. Эту задачу называют задачей проектирования трубопроводов по критерию риска [5, 7, 8, 25, 44, 50].
Надежностный подход позволил в действующей трубопроводной системе снизить в среднем параметр потока отказов с 3 отказов в год на 1000 км в 70-ых годах 20 века до 0,2 отказов/год на 1000 км к 2010 г.
С позиции системного подхода авторами [58] выделены три уровня надежности магистральных трубопроводов. Сюда входят: - конструктивная надежность; - функциональная надежность; - надежность технологической системы (системная надежность). Для конструктивной надежности критерием отказа является достижение предельного состояния, сопровождающегося разгерметизацией и разрушением локального участка трубопровода. Для функциональной надежности магистрального трубопровода критерием ненадежности является изменение (в худшую сторону) качества функционирования, связанного с безотказностью и ущербом.
Для технологической надежности трубопроводной системы критерием отказа является нарушение качества и ритма функционирования. Каждая из них характеризуется номенклатурой показателей надежности. Применительно к промышленной безопасности привлекательны такие показатели, как вероятность безотказной работы, параметр потока отказов и технический ресурс. Выявление и установление закономерных связей этих показателей с характеристиками физики отказов позволяет оптимально и правильно обосновать нормативные положения к элементной базе [35, 54, 55, 72]. Применительно к трубам используется методика усталостных испытаний [103].
С позиции промышленной безопасности и надежностного подхода выделены две характеристики риска аварий. Это частота отказов (параметр потока отказов) и тяжесть последствий [27, 29].
Согласно [88] в номенклатуру показателей промышленной безопасности трубопроводов входят: частота отказов; ожидаемые последствия для персонала, населения, окружающей среды и материальных объектов; показатели спада качества жизни и деятельности человека, качества окружающей среды и качества функционирования самой трубопроводной системы.
В трубопроводных Компаниях отработано и активно внедряется программно-целевое планирование обеспечения надежности системы магистральных трубопроводов с координацией на уровне Компании локальных решений дочерних обществ. В портфель стратегических инициатив Компании по обеспечению надежности функционирования магистральных трубопроводов входят предупредительные меры снижения ожидаемой частоты отказов, защитные меры снижения возможных последствий аварий и меры по повышению эффективности функционирования системы. Блок-схема формирования мер показана на рисунке 1.1.
Программно-целевое планирование преследует цель взаимной координации и концентрации усилий всех дочерних обществ Компании, участвующих в технической эксплуатации трубопроводов, на решение узловых проблем поддержания надежности действующей трубопроводной системы, технического и надзорного сопровождения при вводе новых объектов и их эксплуатации.
Вероятность безотказности трубопровода по результатам гидравлического испытания
Согласно [26, 55, 68, 75] трубы для магистральных трубопроводов испытываются гидростатическим давлением, величина которого вызывает в стенках труб окружное (кольцевое) напряжение - R = хмси равное 0,95І?2Н, где 2 - нормативное значение предела текучести металла труб; В продолжении тому, в нормах [68] сказано, что при величине испытательного давления, на заводе-изготовителе менее требуемой должна быть гарантирована возможность доведения испытательного испытания при строительстве до давления, вызывающего напряжение, равное 95 % нормативного предела текучести. Такое утверждение требует уточнения. В принципе, величина испытательного внутреннего давления зависит от двух показателей. Это показатель качества труб и конструкции трубопровода, который оценивается уровнем качества по критичности дефектов, также показатель податливости к деформации (упругопластичности) металла труб пт, который характеризуется отношением предела текучести к пределу прочности металла. Чем больше величина допустимой дефектности, тем ниже величина испытательного давления. Это значит, что чем больше Ki, тем меньше должна быть величина испытательного давления. Например, бесшовные трубы с Kj = 1,55 должны испытываться, при прочих равных условиях, меньшим гидравлическим давлением. Но это утверждение нарушается, потому что углеродистые стали для бесшовных труб имеют пт 0,75.
Чем меньше пт или больше податливость деформации металла трубопровода, тем выше величина испытательного внутреннего давления. Таким образом, бинарные отношения критичности дефектов и податливости металла трубопровода соответственно предопределяют установление величины внутреннего испытательного давления. Если уровень критичности дефектов трубопровода на стадии сооружения выше уровня критичности дефектов самих труб, то испытательное внутреннее давление при строительстве должно быть ниже, чем испытательное давление на заводе-изготовителе труб.
По нормам [68] величина испытательного внутреннего давления Ри при производстве для всех типов труб определяется по величине нормативного предела текучести металла по следующей зависимости
Решается задача подтверждения показателя безотказности трубопровода при установленной (заданной) величине показателя критичности дефектов. При этом верхняя граница внутреннего давления устанавливается только из физической природы пластического течения металла. Согласно [68], за верхнюю границу внутреннего давления принимается оисп = 0,95 R2 .
Здесь нет никакого объяснения и доказательства справедливости такого тождества. Можно ведь утверждать, что 0,9 оВисп 1,17?н в зависимости от марки стали. Далее представим решение этой задачи. Нижняя граница внутреннего давления Jисп определяется расчетным методом в зависимости от изначально заданного уровня критичности дефектов, т.е. от к или Кj и пТ, где к коэффициент изменчивости (вариации) прочности.
Согласно [105] интервальное оценивание заключается в установлении границы безотказной работы и оценки расположения относительно нее рабочей границы, то есть границы работоспособного состояния. По такому утверждению получается, что работоспособное состояние обеспечивается тогда, когда рабочая граница не выходит за границу безотказности. При условии наложения верхней границы нагрузки на нижнюю границу прочности расчетным путем устанавливается нижняя граница максимальных напряжений от основной нагрузки, которую можно принимать за параметр испытательного внутреннего давления трубопровода.
Базируясь на теории вероятностей и математической статистики для оценки границ интервала рассеяния случайных величин прочности и нагрузки учитываются толерантные (допустимые) пределы, которые с заданной (установленной) надежностью у0 = 0,9 содержат не менее заданной доли у = 0,95 членов генеральной совокупности. Согласно [97] величины у и уо характеризуют надежность установления нормы и надежность оценки показателей прочности и нагрузки соответственно.
Нижняя граница внутреннего давления - 7исп необходима для обязательной оценки безотказности трубопровода при изначально заданном уровне дефектности, т.е. при заданном Kj и к. При этом закладывается отсутствие разрушения трубопровода. Если это произойдет, то этим констатируется необходимость уточнения показателей Kj и к. Это утверждение является условием для приемлемой дефектности трубопровода, формирующие .
Верхняя граница стисп предполагает реализацию концепции контроля наличия недопустимых дефектов, случайно возникших при производстве труб и сооружения трубопровода. Такая норма установлена в строительных правилах [68].
При таком подходе испытательное давление находится в интервале: Таким образом, интервальное оценивание прочности трубопровода нацелено на проверку безотказности трубопровода по нижней границе испн, и на «выжигание» возможных дефектов по верхней границе испв.
Следует отметить, что при проведении повышенным внутренним давлением испытаний при кольцевых напряжениях более сп, следует предусматривать неразрушающий контроль на предмет выявления после испытаний возможных новообразованных трещин в основном металле и сварных соединениях. Метод интервального оценивания уровня испытательного давления позволяет также решить задачи оценки и нормирования частных коэффициентов запаса прочности, т.е. Кь Кн, т, п. Для коэффициентов надежности по материалу - Kj и нагрузке - п нормирование осуществляется в интервале возможных значений характеристик прочности и нагрузки, как случайных величин, заключенных между доверительными границами, вычисляемыми по выборочным данным и доверительной вероятности.
Для коэффициента условий работы нормирование осуществляется исходя из возможного пересечения с определенной долей вероятности двух комбинированных событий - распределения прочности и нагрузки.
Нами получена формула [84], где установлена зависимость коэффициента Ьн от коэффициента изменчивости - сек и показателя деформативности металла - пТ, где Ьн - нижняя граница коэффициента перегрузки давления, определяется как относительная величина (по отношению к кольцевых напряжений от испытательного давления.
Сравнительный анализ и оценка толщины стенки труб
В современных условиях техническое регулирование нацеливает на то, чтобы система обеспечения качества должна быть комплексирована в саму технологическую систему, в частности, система обеспечения качества труб с управлением надежностью магистральных трубопроводов. Это содействует решению задачи создания высоконадежных трубопроводных систем, обеспечения их безотказности и требуемой долговечности.
Общими элементами комплексной системы являются процедуры контроля качества (ТК) и производственного контроля (ТП). Производителя труб, а также процедуры контроля и приемки труб самим Заказчиком (назовем как инспекционный контроль (ИК)). Применительно к магистральным нефтепродуктопроводам в работе [101] приведена модель управления качеством труб и надежностью нефтепродуктопроводов.
Для функционирования комплексной системы обеспечения качества труб и надежности трубопроводов требуется отработка взаимосогласованной технической спецификации на трубы.
Согласно [28, 67, 71, 73, 89, 90] техническая спецификация на трубы включает следующие основные разделы с требованиями к: условиям эксплуатации; контролю и испытаниям; маркировке и упаковке; изоляционному покрытию; приемке труб; поставке и документации. Так, в спецификации отражается: - количество заказанных труб (масса, длина); - вид (тип) труб; - нормативно-техническая документация на производство и инспекцию труб; - размер и толщина стенки труб, допуски и ограничения; - конструктивное исполнение труб; - характеристика продукта перекачки; - расчетная температура перекачки; - допустимое кольцевое напряжение на стенке труб при эксплуатации; - число циклов нагружения труб внутренним давлением; - характеристика стали; - химический состав основного металла и эквивалент по углероду; - механические показатели основного металла и сварного соединения; - геометрические параметры труб, установленные путем измерения диаметра, торцов и корпуса, кривизны, овальности, длины, толщины, разделки торцов, высоты и ширины сварных швов, смещений кромок сварных соединений и сварных швов и др.; - показатели качества наружной и внутренней поверхностей основного металла и сварного соединения, торцевой части труб и качество маркировки; - показатели сплошности основного металла и сварного соединения по результатам неразрушающего контроля; - остаточный магнетизм на концах труб и уровень радиоактивности металла; - способы и методы контроля показателей качества труб, допуски и ограничения; - способы и методы испытаний образцов основного металла и сварных соединений; - результаты испытания труб повышенным внутренним давлением; - уровень приемки для неразрушающего контроля основного металла и сварных соединений; – условия на ремонт основного металла и сварных соединений при изготовлении труб; – технологические операции производства и инспекционного контроля; – условия инспекционного контроля потребителя на заводе-изготовителе труб; – условия отгрузки и приемки труб, подготовки и передачи сопроводительной документации на продукцию.
При изготовлении труб с изоляционным покрытием в техническую спецификацию включается нормативная база производства и инспекции труб с изоляцией, включая конструктивное оформление, показатели качества, результаты неразрушающего контроля и испытания изоляционного покрытия. В частности, содержание инспекционного контроля труб для магистральных нефтепродуктопроводов раскрыто в стандарте организации [90]. Согласно [89, 90] инспекционный контроль направлен на соблюдение условий поставок труб, отраженных в Технической спецификации и Договоре на поставку. Инспекционный контроль выполняется только по согласованным требованиям, способам и методам, отраженным в нормативно-технической документации на поставку труб. Обычно инспекционный контроль труб формируется из двух этапов: - пооперационный контроль и приемка труб на стадии их производства; - входной контроль на месте разгрузки и приемки труб после транспортировки. Нами обобщены основные операции инспекционного контроля и отражены в работе [47]. Конкретно операции инспекционного контроля на стадиях производства труб и приемки труб после их доставки до пункта назначения представлены в таблицах 4.3 и 4.4.
Нормирование контроля надежности трубопроводов
Здесь есть особенности решения задачи определения Зк в части внутритрубной диагностики. Так как внутритрубная диагностика решает вопросы сплошного дефектоскопического контроля металла трубопровода, то затраты на эту процедуру Зj составляют только часть Зк. Поэтому после определения Зк на внутритрубную диагностику выделяется только З,- Зк. Так как информативная эффективность внутритрубной диагностики составляет не более 0,6 [78], то, при прочих условиях, можно принять Зj=0,6-Зк. (4.11) Экономически целесообразно применять внутритрубную диагностику, если выполняется Зj 0,6Зк.
Суммарные затраты, связанные со строительством и эксплуатацией трубопровода для конкретного технологического процесса перекачки углеводорода, определяются суммой приведенных затрат на сооружение и эксплуатацию трубопровода, а также годового ущерба от отказов (аварий). При этом расчеты выполняются на приведенную длину, т.е. на L км протяженности трубопровода.
Суммарные затраты, связанные с созданием и функционированием трубопровода заданной протяженности в течение времени t определяются, согласно[82], как сумма затрат З = 1З i, (412) г=0 где Зі - капитальные затраты на сооружение трубопровода заданной протяженности, руб.; 32 - эксплуатационные вложения, не зависящие от объема перекачки, руб.; 33 - эксплуатационные вложения, зависящие от объема перекачки, руб.; 34 - ущерб от аварии эксплуатируемого трубопровода, руб. В настоящее время для сооружения трубопровода капитальные вложения формируются из основного вложения на создание трубопроводной конструкции и переменного вложения, которые учитывают конструктивную надежность в процессе функционирования трубопровода. Это говорит о том, что при проектировании и строительстве трубопровода существует некий риск. Объясняется это несовершенством технологии проектирования и строительства трубопроводов и невозможностью учета всех эксплуатационных факторов, оказывающих влияние на его безотказность и долговечность.
Затраты на техническое диагностирование не учитываются в суммарных капитальных вложениях, а получаются в процессе эксплуатации трубопровода в виде расходов на диагностику для организации эффективного ремонта и восстановления работоспособности или повышения надежности конструкции, включая замену трубопровода. Тогда, согласно [82], формула (4.12), оценивающая суммарные затраты, примет следующий вид
Если опасность отказов участков трубопроводов будет величиной постоянной, т.е. Я(0 = const, то тогда она равна средней частоте отказов, т.е. a (t) = Цt) = Л = const .[9 - 11, 100]. Пусть Тт - среднее значение наработки участка трубопровода до первого отказа.
Принимая, что участки трубопровода является ремонтируемыми конструкциями, считаем tm как среднее значение наработки ремонтируемого участка между отказами. Тогда, при A(t) = const; Тт = tm и Тт =— [41].
Таким образом, по формуле (4.17) можно оценить Зк, а затем и обосновать целесообразные затраты на диагностики уже на стадии проектирования трубопровода.
Пример расчета. Пусть базовое значение наработки на отказ составляет 8 лет. Проектируемому трубопроводу назначается наработка на отказ 6 лет. Среднее значение ущерба от отказа составляет 400 тыс. руб. на L км.
Количественная оценка затрат на диагностику позволяет выбрать проектные решения, которые обеспечивают конструктивную надежность в трубопроводе на стадии эксплуатации. 4.4. Оценка уровня технического состояния трубопровода
Под уровнем технического состояния трубопровода понимается степень соответствия требованиям нормативно-технической документации фактических значений показателей технического состояния трубопровода заданной протяженности.
Для определения уровня технического состояния трубопровода предлагается применять коэффициенты дефектности. Коэффициент дефектности трубопровода определяется по формуле = -ЁЯ/Ч, (4.18) п i=\ где т - число всех дефектов, встречающихся на трубопроводе; п - объем выборки (число участков трубопровода); dt - число дефектов і-ого вида; В) - коэффициент весомости і-ого дефекта, который может выражаться в денежном выражении или в баллах при балльной оценке.
Различают два метода определения коэффициентов весомости дефектов - стоимостной и балльный. При стоимостном методе коэффициент весомости дефекта определяется суммой затрат на его устранение. Балльный метод определения коэффициентов весомости дефектов заключается в том, что эксперты группируют все встречающиеся на трубопроводе дефекты по группам в зависимости от их значимости. Значение коэффициента весомости дефекта определенной группы в баллах назначается таким образом, что наиболее критические и тяжелые по последствиям получают наибольшее количество баллов, дальнейшее ранжирование групп ведется по тому же принципу.
При известных коэффициентах дефектности технический уровень трубопровода - Ту определяется по формулам: при стоимостном методе определения коэффициента дефектности Ту=1- ; (4.19) K с при балльном методе определения коэффициента дефектности у Т=1 к к" (4.20) где с - стоимость ремонта трубопровода с заменой труб; К - максимально возможное значение К, которое определяется как K =В -d, (4.21) где В - максимальное значение коэффициента весомости в баллах; d - максимально возможное количество наиболее серьезных дефектов, отнесенных к опасным в текущий момент времени дефектам.