Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса повьшения эксплуатационной надежности резервуаров и постановка задачи исследования
1.1. Эксплуатационная надежность резервуаров 7
1.1.1. Коррозия вертикальных стальных резервуаров 11
1.2. Постановка задач, исследования 16
2. Исследование и разработка модели функции распределения времени безотказной работы резервуаров 18
2.1. Исследование общих закономерностей развития отказа резервуаров
2.2. Определение предельного износа элементов конструкции резервуара . 35
2.2.1. Определение параметров функций распределения времени безотказной работы резервуаров 56
3. Исследование и оптимизация системы технического обслуживания и ремонта стальных вертикальных резервуаров
3.1. Выбор модели технического обслуживания и ремонта резервуаров и критериев оптимальной периодичности ремонта. 60
3.2. Исследование влияния характеристик надежности элементов резервуара и параметров модели обслуживания на периодичность капитальных ремонтов 70
3.3. Методика установления оптимальных сроков капитальных ремонтов стальных вертикальных резервуаров с учетом их неполного восстановления... 79
3.4. Управление надежностью резервуара на межремонтном периоде эксплуатации 88
3.5. Исследования по установлению сроков средних ремонтов для поддержания заданного уровня надежности.
3.6. Исследования по установлению срока службы резервуаров
4. Техническое резервирование для обеспечения ТО ремонтного обслуживания резервуаров
4.1. Особенности организации технического резерва... 102
4.1.1. Математическая модель определения резерва для обеспечения надежной эксплуатации 103
4.2. Методика расчета резерва материально-технических средств для обеспечения капитальных ремонтов 107
Выводы и рекомендации 110
Литература
Приложение. 121
- Постановка задач, исследования
- Определение предельного износа элементов конструкции резервуара
- Исследование влияния характеристик надежности элементов резервуара и параметров модели обслуживания на периодичность капитальных ремонтов
- Методика расчета резерва материально-технических средств для обеспечения капитальных ремонтов
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года поставлена задача обеспечить к 1985 году добычу нефти (с газовым конденсатом) в объеме 620-645 млн.тонн /I// Значительная роль при этом отводится дальнейшему развитию Западно-Сибирского энергетического комплекса.
Наряду с наиболее полным извлечением нефти из недр остается актуальной задача более рационального использования добытой нефти за счет сокращения ее потерь при подготовке, транспорте, переработке и дальнейшем хранении.
Для обеспечения нормальной работы всех потребителей, связанных с добычей, подготовкой, транспортом нефти, ее переработкой и хранением необходимо иметь мощную систему резервуарных парков. Отечественный и зарубежный опыт проектирования резервуарных парков показывает, что в среднем на I тонну добываемой нефти необходимо иметь 0,4-0,5 м3 резервуарной емкости /б8/.Следовательно, к 1985 году для хранения нефти и газового конденсата необходимо иметь ре-зервуарный парк вместимостью 320 млн. м3.
Статистический анализ развития нефтедобывающей и сталеплавильной промышленности показывает, что темпы роста добычи нефти значительно опережают темпы роста производства стали. По данным Статистического ежегодника /55/ добыча нефти ( с газовым конденсатом) с 1970 по 1982 год возросла на 75 %, в то время как производство листовой стали- на 50 %. В результате такого несоответствия снижается коэффициент резервуарной обеспеченности, что приводит к серьезным затруднениям в обеспечении народного хозяйства нефтепродуктами. Эти проблемы в какой-то степени могут быть решены за счет организационных мер, обеспечивающих надежную и эффективную эксплуатацию как действующих, так и вновь строящихся резервуаров. Поэтому,
в последние годы все более высокие требования предъявляются к проектной и эксплуатационной надежности резервуарных парков и отдельных резервуаров.
Надежность резервуарного парка определяется его способностью обеспечивать бесперебойную работу всей системы нефтеснабжения при условии заданной резервуарной емкости. Недостаточная надежность резервуаров может привести к большим затратам трудовых и материальных ресурсов, а также к ущербу от недопоставок нефти народному хозяйству. С другой стороны, повышение надежности требует привлечения дополнительных средств на сооружение и эксплуатацию резервуаров. Поэтому, в исследованиях последних лет важное значение придается вопросам установления оптимального нормативного уровня надежности резервуарных конструкций и обеспечения заданного уровня в процессе эксплуатации. Однако, исследований по разработке теоретически обоснованных и практически применимых методов по обеспечению надежности резервуаров как на стадии проектирования, так и при эксплуатации пока недостаточно. В связи с этим оба направления - определения нормативной надежности и сохранение заданного уровня надежности при эксплуатации в настоящее время являются актуальными.
Следует отметить, что в условиях низкой резервуарной обеспеченности вопросы повышения эксплуатационной надежности приобретают особо важное значение, что и определило выбор темы настоящего исследования.
Данная работа посвящена исследованию возможности повышения эксплуатационной надежности резервуаров за счет рациональной организации технического обслуживания и ремонта, а именно: - определению оптимальной периодичности технического обслуживания и ремонта резервуаров,
- б -
определению срока службы резервуаров;
определению запаса на ремонтные средства, необходимого для осуществления оптимального плана ремонтов.
Постановка задач, исследования
Работе /79/ показано, что максимальная скорость коррозии в язвах и свищах, где напряжение достигает предела прочности материала на разрыв Dg в 5 раз превышает значение скорости в ненапряженных элементах, расчеты выполнены по формуле I.I. Эта оценка подтверждается экспериментальными наблюдениями, так на образцах равномерная коррозия составляет 0,2-0,5 мм/год, а в язвах 1,5 мм/год /48/.
В исследованиях В.Б.Галеева /15/ отмечалось, что в ходе эксплуатации основания резервуара подвержены значительным неравномерным осадкам, что вызывает перераспределение напряжения по периметру стенки и, согласно зависимости I.I, к разбросу значений скоростей коррозии в интервале ( \/с 5 V0 )» т«е» к значительной дисперсии значений скорости. Увеличение дисперсии значений скорости возможно также из-за неоднородности металла и разброса характеристик нефтей, объединенных в одну группу по коррозионной активности, что обуславливает случайный характер величины V Случайный характер скорости коррозии по периметру приводит к тому, что коррозия резервуаров носит, как правило, местный характер, площадь поврежденного участка может достигать нескольких квадратных метров (несколько листов в поясе) /28/.
Из опыта исследований по коррозии внутренней поверхности резервуаров, можно сделать вывод, что в задачах надежности резервуар следует рассматривать не как отдельный элемент, а как систему последовательного соединения поясов стенки, крыши и днища. Такой же вывод сделан в работе /27/ по характеру развития разрушений стенки. Учитывая постепенный характер развития коррозионного отказа следует разработать методику прогноза появления отка-зового состояния, применимую для резервуаров любой вместимости и любого вида хранимого продукта, и провести исследования ряда задач, направленных на совершенствование существующей системы технического обслуживания и ремонта. 1.2. Постановка задач исследования
Проведенный выше анализ сущности и состояния вопроса повышения эксплуатационной надежности резервуаров, и в частности управления надежностью своевременным проведением технического обслуживания и ремонта, показывает, что постановка данного вопроса является актуальной.
Следует заметить, что в некоторых отраслях промышленности, например электроники, машиностроения и др. /34,62/ отдельные вопросы управления надежностью в процессе эксплуатации оборудования получили довольно широкое распространение. Новым перспективным направлением в исследовании надежности является физика отказов /41,62/. В нефтяной промышленности в последние годы проведены исследования по нормированию показателей надежности оборудования нефтеперекачивающих станций, магистральных нефтепроводов /47/, разработаны методики определения периодичности обслуживания магистральных нефтепроводов/45,76/, а что касается резервуаров, то исследования по управлению надежностью резервуаров еще только начинают формироваться как новый этап в решении задач повышения надежности оборудования. Важным шагом в решении этого вопроса явились исследования В.Е.Шутова по установлению необходимого уровня надежности резервуаров на стадии проектирования /80/. Результаты этих исследований позволяют подойти к решению задач организации технического обслуживания и ремонта (ТОР) с целью обеспечения заданного уровня надежности.
Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать следующие основные задачи. 1. Исследовать физическую природу развития коррозионного отказа и получить математическую модель прогноза (функцию распределения) времени безотказной работы каждого независимого элемента резервуара и резервуара в целом.2. Исследовать влияние на надежность резервуаров параметров системы ТОР и параметров функции распределения времени безотказной работы.
Разработать методику и определить рациональные сроки ТОР резервуаров, позволяющие поддержать требуемый уровень надежности в эксплуатации с наименьшими затратами средств.3. Исследовать вопрос об установлении срока службы резервуаров.
4. Разработать рекомендации по установлению необходимого запаса материалов и средств, обеспечивающего выполнение плана ТОР с учетом возможных внеплановых восстановлений.
Определение предельного износа элементов конструкции резервуара
В настоящее время среди опубликованных работ по эксплуатационной надежности резервуаров вопросы установления предельного состояния элементов конструкции исследованы незначительно. Существуют лишь некоторые практические рекомендации по выбору допустимых значений износа элементов резервуарных конструкций /14,30/. Согласно /14/ предельно допустимый износ листов кровли и днища не должен превышать 50%, окраек днища и несущих конструкций ферм- 30 %» В настоящее время рекомендации /30/ устанавливают нормы отбраковки листов стенки по 25 % износу, хотя по данным ПО "Союзнефтеавтоматика" в отдельных случаях резервуары эксплуатируются с 50 % снижением высоты заполнения по сравнению с проектной при износе нижних поясов значительно превышающих отбраковочные значения. Этот факт свидетельствует о том, что вопрос об установлении норм отбраковки листов стенки требует обоснования.
На основе существующих рекомендаций по эксплуатации резервуаров с пониженным уровнем заполнения проведен расчет значений X max Для каждого пояса стенки резервуаров. Значение Хгшх для каждого пояса определялось из условия сохранения прочности стенки при уровне заполнения резервуара, соответствующем 25 % износу нижнего пояса. Для этой цели были использованы результаты расчетов зависимости изменения уровня заполнения резервуара от глубины равномерного коррозионного износа каждого отдельного пояса/60/. Расчет напряженного состояния стенки резервуара проводился по теории тонких упругих оболочек, с учетом особенностей работы верхних и нижних узлов в зависимости от конструктивного исполнения основания и кровли/11/. Оценка прочности стенок резервуара проводилась по энергетической теории прочности, которая для стальных конструкций дает результаты наиболее близкие к экспериментальным. В качестве критерия прочности применялось условие бО) -(a)иг иг , (2.ID где О 7 - приведенное напряжение в стенке резервуара с
уменьшенной толщиной, Па , Qп - приведенное напряжение в стенке резервуара с проектной толщиной, Па . Выполнение условия (2.II) достигалось уменьшением величиныбх, за счет снижения расчетного уровня заполнения резервуара при коррозионном износе поясов стенки. Все расчеты 0 , 0 г, ПР" водились по методике, предложенной В.Л.Березиным и В.Е.Шутовым /II/. Значения величин, необходимые для расчета приведенных напряжений, приведены в табл.2.5.
Построенные по результатам расчетов зависимости предельного уровня заполнения от глубины коррозионного износа поясов РВС-5000,10000,20000,50000 представлены в виде номограммы на рис 2.5-2.8.
По номограммам можно определить предельный износ каждого пояса, соответствующий определенному снижению уровня заполнения. Принимая для 1-го пояса допустимый предельный износ 25 % от проектной толщины, по номограмме находим предельный уровень заполнения, по значению которого определяем допустимый по критерию прочности износ остальных поясов резервуара (табл.2.6). %, что свидетельствует о возможности повысить отбраковочные значения отдельных поясов и, следовательно, продлить их срокслужбы.
При эксплуатации с пониженным уровнем заполнения нередко наблюдаются случаи полной или частичной потери устойчивости верхних поясов резервуаров/9/. Наиболее часто встречаются случаи потери устойчивости из-за ненадежной работы клапанов.
Уменьшение толщины листов корпуса из-за коррозии в некоторых случаях ведет к потере устойчивости резервуаров также от вертикальных нагрузок /9/. Как показали исследования /9/, при потере устойчивости от избыточного вакуума повреждения получают в основном пояса стенки резервуара, находящиеся в зоне газового пространства. В случае потери устойчивости от избыточного давления, главным образом, выпучиваются участки корпуса и кровли в месте их стыкования. Экспериментальные исследования по устойчивости цилиндрических оболочек /21/ свидетельствуют о том, что уменьшение толщины оболочек в первую очередь сказывается на потере устойчивости от вакуума.
В связи с этими замечаниями появляется необходимость проверки на устойчивость оболочки, состоящей из верхних поясов, находящихся в газовом пространстве. Исходя из условия устойчивости следует назначать предельный износ верхних поясов и корректировать значения A max , полученные по критерию прочности.
Рассмотрим оболочку резервуара, составленную из поясов, находящихся в газовом пространстве. Эта оболочка подвергается в ходе эксплуатации одновременному действию вакуума, ветровой нагрузке и осевого сжатия, которое обусловлено весом кровли, поясов и снегового покрова.Расчет на устойчивость цилиндрической оболочки проводился согласно GH и П 11-23-81 /69/ по критерию
Исследование влияния характеристик надежности элементов резервуара и параметров модели обслуживания на периодичность капитальных ремонтов
Критерии оптимальности (3.2),(3.5),(3.6), принятые в п.3.1 для установления периодичности плановых капитальных ремонтов, зависят от вида функции распределения наработки на отказ элементов резервуара F (t) » соотношения между длительностями и стоимостями плановых и неплановых ремонтов.
Исследование поведения критериев оптимальности удобно проводить в безразмерных единицах времени , введенных в главе 2, Ч = Т Лу » где "J" - среднее время безотказной работы элемента резервуара. В единицах 1J критерии (3.5),(3.6) примут вид
Для исследования зависимостей (3.7),(3.8) и (3.9) была составлена программа табулирования функций при различных значениях входящих в них параметров. Результаты табулирования представлены на рис 3.3-3.5.
Анализ графических зависимостей показал, что оптимальное значение % по всем критериям существует на конечном интервале только в случае Т\ ТП , С С- п , в противном случае планирование ремонтов не имеет смысла. Учитывая, что для резервуаров длительность планового ремонта Y 0925 года/71/, и по данным эксплуатации резервуарных парков НПС "Г 0,5 года, можно сделать вывод о сзпцествовании оптимальной по критерию готовности (3.7) продолжительности ремонтного цикла для резервуаров. Аналогичный вывод получен и для критериев (3.8),(3.9), так как отношение -.75 bf\/Q по последствиям коррозионных отказов специалистами оценивается величиной порядка 3 5.
Таким образом вопрос о необходимости установления оптимальных сроков ТОР резервуара решается однозначно.
Для того, чтобы учесть особенности "старения" элементов резервуара при назначении периодичности ТОР была исследована зависимость оптимальных значений % от параметров функции распределения наработки на отказ элементов резервуара Т и Uv Результаты исследования зависимости Ък для критерия готовности (3.7) представлены на рис З.б. Такая же закономерность характерна для других критериев.
Таким образом оптимальное значение продолжительности ремонтного цикла, выраженное в безразмерных единицах времени, определяется параметром и v - вариацией скорости коррозии.
Принимая во внимание результаты исследований, проведенных в главах I и 2, где показано, что для всех элементов резервуаров и у =0.3 , дальнейшее исследования будем проводить для фиксированного значения вариации скорости.
На рис 3.7 показана зависимость оптимального значения Т»с для критерия минимума удельных затрат (3.8) от отношения С А/ для 0 у =0,3. Такая зависимость характерна для всех элементов резервуара независимо от средней наработки. Расчеты показали, что оптимальные значения Ъ по критерию максимальной эффективности (3.9) совпадают со значениями %z (см.рис 3.7).
Для параметров ТОР, характеризующих современную технологию ремонтно-восстановительных работ "Тп =0,25 года, Тд =0,5 года Ь(\/р = 3 оптимальные значения определяются следующим образом
Значения 1 ,%с (3.10) являются границами зоны оптимальных решений любых оптимизационных задач по определению периодичности ТОР, в том числе и для задач с ограничением.
При решении задач, связанных с организацией системы ТОР любого вида оборудования появляется необходимость исследования эффективности ее использования. Для решения вопроса применения ТОР с целью обеспечения надежности резервуаров исследованы зависимости оптимальных значений критериев (3.7-3.9) от средней наработки на отказ элементов. Результаты исследований представлены на рис. 3.8. Анализируя графические зависимости можно установить границу параметра ПГ - средней наработки на отказ, ниже которой обеспечение надежности только за счет ТОР является малоэффективным средством. Для значений [ вплоть до 10 лет наблюдается резкое возрастание эффективности с ростом [" , начиная с 10 лет эффективность существннно не меняется. Это позволяет сделать вывод, что для элементов с высокой интенсивностью отказов "Г =3,5,7 лет необходимо предусмотреть меры, позволяющие увеличить и перевести элемент в область эффективности ТОР. Такими мероприятиями могут быть применение средств защиты от коррозии, понижающих скорость коррозионного износа элементов, а также бандажирование нижних поясов, повышающее прочность и долговечность конструкции. Что касается области Т - 10 лет, вопрос о необходимости еще большего повышения эффективности ТОР за счет применения указанных методов требует обоснования.
В результате проведенных исследований установлено:- существуют конечные оптимальные значения продолжительности ремонтного цикла по всем выбранным критериям, которые образуют зону оптимальных значений гС0Пт ( C R)- плановые капитальные ремонты являются эффективным средством повышения надежности для стальных вертикальных резервуаров
Методика расчета резерва материально-технических средств для обеспечения капитальных ремонтов
Расчет коэффициента запаса для создания ТР главным образом, необходим при планировании выполнения капитальных ремонтов. Исходными данными для расчета являютсяр - заданная вероятность бесперебойного функционированиярезервуаров (достаточности ТР) \-[%) функция распределения вероятности безотказной работы элементов резервуара(в безразмерных единицах времени) " - среднее время безотказной работы элемента, TR - средняя длительность :непланового восстановления, 2ВД- дисперсия длительности непланового восстановления, Тп- средняя длительность планового восстановления, U - оптимальный межремонтный период.
Порядок расчета следующий1. Определяются длительности планового и непланового восстановления в безразмерных единицах времени Х к= А/г »4 = /Т2. Вычисляются средняя длительность ремонтного периода м (%Л и ее дисперсия )(То) по формулам (4,3).3. Вычисляются значения вариациии отношение планового межремонтного периода к среднему времени безотказной работы на периоде4. Определяется требуемый коэффициент запаса для обеспечения заданной вероятности бесперебойного функционирования резервуаров Ро как наименьшее значение У , удовлетворяющее условию (4.6).
Для исследования зависимости У от характеристик системы ТОР ОТ.ТА ТП И вероятности Р0 была составлена программа расчета критерия (4,6), Расчеты выполнялись для Х0 «0,6; 0,7; 0,8; 0,9. Т «10,15,20,25,30 лет, ТЛ «0,5 года, Тп "0,25 года.
Результаты расчетов показали, что коэффициент запаса У при заданном уровне достаточности Р0 не зависит от среднего ресурса элемента Т. і т.е. для всех элементов и для резервуара в целом можно рекомендовать одно значение Т.
На рис 4.1 представлена зависимость коэффициента запаса "У от периодичности капитальных ремонтов Ь0 . Анализ полученных результатов показал, что с достаточной надежностью при оптимальной периодичности проведение ремонтов Ъ0 а 0,8 коэффициент запаса, необходимый для бесперебойной работы резервуаров, определяется значением 1,05. Выводы1. Предложена методика расчета запаса на материалы и средства, необходимые для выполнения плана ремонтов с учетом случайного характера восстановлений.2. Установлена зависимость коэффициента запаса от периодичности плановых капитальных ремонтов и уровня достаточности (надежности) . 1. Впервые проведено системное изучение вопросов управления адежностью эксплуатации резервуаров за счет оптимизации периодич-ости технического обслуживания и ремонта. Разработаны модели и ме-оды, доведенные до применения в реальной практике эксплуатации РВС,2. Получена функция распределения времени безотказной работы езервуаров при коррозионном износе. Показана адекватность модели татистическим данным об отказах. Модель позволяет строить упрежда-щий прогноз времени безотказной работы и предупреждать момент на-тупления отказа.3. Разработана модель расчета допустимого износа поясов стенки езервуара по критерию прочности и устойчивости с учетом опыта экс-луатации. Установленные по модели нормы отбраковки стенки стальных ертикальных резервуаров позволяют обоснованно продлить периодичность емонтов основных элементов резервуаров.4. Впервые разработана методика оптимизации периодичности тех-ического обслуживания и ремонта резервуаров с учетом неполного вос-тановления показателей надежности. Методика позволяет определить птимальный план проведения капитальных и средних ремонтов. Разрабо-аны рекомендации по определению срока службы резервуаров с учетом дельных затрат на проведение ремонтов и сооружение. Установлено,:то для РВС-5000, 10000, 20000 нормативный срок 20 лет существенно анижен. Оптимальный по минимуму удельных затрат сроки службы превышают нормативное значение на 5-Ю лет.5. Исследован вопрос обеспечения необходимого запаса материа ;ов и оборудования с учетом случайного характера отказов резервуаров.
Результаты исследования показали, что коэффициент запаса при заданном уровне достаточности не зависит от среднего ресурса элементов, т.е. для всех элементов и для резервуара в целом можно рекомендовать единое значение коэффициента запаса.При оптимальной периодичности ремонтов с достаточной надежностью 0,99 коэффициент запаса.необходимый для бесперебойной работы резервуаров, определяется значением 1,05.
