Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние и задачи эффективного управления процессами безопасности наземных объектов нефтегазового комплекса 17
1.1. Объекты нефтегазового комплекса: основные свойства и характеристики 17
1.2. Типовые наземные объекты нефтегазотранспортных систем 27
1.3. Характеристики антропогенного изменения окружающей среды объектами трубопроводного транспорта нефти и газа 38
1.4. Задачи совершенствования системы управления процессами безопасности функционирования наземных объектов нефтегазового комплекса 49
Выводы по главе 1 60
ГЛАВА 2 Исследование методов и разработка алгоритмов идентификации и эффективного управления процессами безопасности нефтегазовых объектов 61
2.1. Методические подходы оценки надежности и ожидаемого ущерба при аварийных ситуациях на объектах трубопроводного транспорта 61
2.2. Определение вероятности аварийных ситуаций для наземных объектов нефтегазового комплекса 75
2.3. Организационно-технические решения по обеспечению экологически безопасных технологий сооружения нефтегазовых объектов 84
2.4. Анализ методов автоматического контроля и особенности процессов диагностики состояний объектов трубопроводного транспорта 94
2.5. Разработка алгоритмов структурно-параметрической идентификации процессов
диагностики объектов трубопроводных систем 113
Выводы по главе 2 129
ГЛАВА 3 Разработка моделей и алгоритмов эффективного снижения экологического риска при сооружении нефтегазовых объектов 131
3.1. Разработка модели расчета зон эколого-технологического риска при аварии на нефтегазовом объекте 131
3.2. Эколого-ресурсная модель наземного объекта нефтегазостроительного комплекса 139
3.3. Алгоритмы прогнозирования и управления процессами снижения экологического риска наземных объектов нефтегазотранспортных систем 144
Выводы по главе 3 150
Заключение 151
Литература 155
Приложения 163
- Объекты нефтегазового комплекса: основные свойства и характеристики
- Методические подходы оценки надежности и ожидаемого ущерба при аварийных ситуациях на объектах трубопроводного транспорта
- Анализ методов автоматического контроля и особенности процессов диагностики состояний объектов трубопроводного транспорта
- Разработка модели расчета зон эколого-технологического риска при аварии на нефтегазовом объекте
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Нефтегазотранспортный комплекс (НГТК) России играет основополагающую роль в бесперебойном снабжении топливно-энергетическими ресурсами практически всех народнохозяйственных объектов промышленного, оборонного и социального значения. Поскольку нефтегазотранспортные объекты подземного и наземного базирования распределены на огромных территориях, где сосредоточены системы нефтегазодобычи, хранения, переработки и потребления углеводородного сырья, то природоохранный статус таких объектов является чрезвычайно высоким с точки зрения требований экологической безопасности и минимизации риска. В составе общей номенклатуры объектов нефтегазового комплекса (НТК) особое место занимают наземные объекты промышленной инфраструктуры - компрессорные (КС) и насосные станции (НС), установки комплексной подготовки газа (УКПГ) и нефти (УКПН), резервуарные парки и хранилища углеводородного сырья, нефте- и газоперерабатывающие заводы, станции электрохимической защиты (ЭХЗ), нефте- и газораспределительные сети, магистральные и промысловые нефте-продуктопроводы и др. Указанные объекты характеризуются сложностью конструктивного исполнения и высоким энергетическим потенциалом техногенного влияния на окружающую среду (ОС). При этом необходимо учитывать как непосредственное влияние функционирующего объекта на компоненты природной среды, так и опосредованное влияние через функциональную работоспособность конструктивно связанных объектов: электросиловых и технологических коммуникаций, линейной части магистральных трубопроводов (МТ) и т.д.
Можно считать, что успешное функционирование НГТК России обеспечивается эффективной работой объектов наземной инфраструктуры. При этом под эффективной работой подразумевается экологически безопасная эксплуатация и высокопроизводительное функционирование таких объектов. На протяжении последних десятилетий в России были освоены и введены в действие многие месторождения углеводородного сырья. Высокими темпами строились трубопроводные системы (ТПС) для транспортировки на огромные расстояния нефти, газа и нефтепродуктов. Сооружены сотни мощных НС и КС, попутные линии электропередач и связи, станции комплексной подготовки газа и нефти, катодные станции ЭХЗ, резерву арные емкости и хранилища и т. п. НГТК относится к видам народнохозяйственной деятельности, обладающим высокой степенью экологической опасности в региональном и общегосударственном масштабе. Имея значительную территориальную рассредоточенность и высокую энергетическую вместимость, наземные нефтегазовые объекты обладают сильным техногенетическим эффектом в отношении негативного воздействия практически на все компоненты природной среды. Общая безопасность систем трубопроводного транспорта (ТПТ) нефти и газа зависит в немалой степени от работоспособности других объектов инфраструктуры. На магистральных нефтепроводах работают 395 насосных станций, резервуарные парки насчитывают 898 резервуаров общей вместимостью 13,1 млн м\ На газопроводах работают 249 компрессорных станций общей мощностью 40,2 млн кВт. Активная мощность 21 подземного хранилища составляет около 80 млрд м . Значительная пожаро- и взрыво-опасность наземных объектов, высокий уровень энергонапряженности, разнохарактерность природных ландшафтов, в которых ведется строительство и эксплуатация объектов по географическим, геолого-минералогическим, природно-климатическим и другим факторам, создают значительные трудности в решении природоохранных и ресурсосберегающих задач.
Тем не менее, на этом направлении были достигнуты определенные успехи — главным образом за счет качественного проектирования, совершенствования технологий строительства и обеспечение устойчивой эксплуатации, повышения степени индустриализации, внедрения вахтово-экспедиционной организации работ, укрупнения головных сооружений, применения кустового бурения, реструктуризации предприятий НТК и др. Это позволило последовательно снижать: сроки освоения (активных строительных воздействий), удельные характеристики недопотребления и отвода зе- мель, потребление ресурсов и т.д. Тенденции изменения природосберегающих характеристик освоения северных газоконденсатиых месторождений отражен в табл. 1 [2].
Однако в целом экологический ущерб при развитии НГТК и освоении новых районов остается значительным, так как отсутствует комплексный инженерно-экологический подход на всех этапах освоения: при разведке, изысканиях, промышленном бурении, обустройстве месторождений, строительстве головных сооружений и магистральных трубопроводов, развитии технологической транспортной сети, эксплуатации комплекса, профилактике аварийных и чрезвычайных ситуаций (ЧС), ликвидации последствий аварий и ЧС и, наконец, ликвидации самого комплекса по окончании эксплуатации.
Таблица 1 Природосберегающие характеристики освоения северных газоконденсатных месторождений
, До настоящего времени решаются, как правило, только частные задачи, связанные с обустройством конкретных объектов (совершенствование несущих конструкций, нормирование нагрузок и воздействий, расчеты на прочность и устойчивость и т.п.).
Вместе с тем критерии экологического ущерба и безопасности наземных нефтегазовых объектов не учитываются в соответствующих расчетно-аналитических моделях, что значительно повышает риск на этапах проекти- рования, строительства и эксплуатации.
Отсутствие комплексного подхода к решению проблем охраны природы на всех стадиях формирования и функционирования, т.е. на основных этапах жизненного цикла, объектов НГТК, обусловленное многолетним воздействием затратного механизма в экономике и остаточным принципом финансирования охраны окружающей среды, приводило и приводит к тому, что ущерб остается значительным. На разных этапах жизненных циклов объектов НГТК виды ущерба обусловлены разными видами воздействий, которые характеризуются: на этапе проектирования (прединвестиционные исследования, планирование проекта, разработка проектно-сметной документации, проведение торгов, заключение контрактов, строительно-монтажные работы, сдача проекта) - определяются не только основные тактико-технические характеристики и организационно-технологические показатели объектов НТК, но и формируются условия для возникновения этих ущербов (материалы, из которых производятся составляющие объектов НГТПК, виды технологий производства и строительства, методики испытаний, контроля и диагностики и т.п.). Причем, и это очень важно, все эти факторы внутренних и внешних воздействий могут действовать на протяжении всех этапов жизненного цикла объектов; на этапе формирования (разведка, изыскания, бурение, обустройство, строительство) — относительно кратковременными, но весьма интенсивными воздействиями, преимущественно механическими разрушениями и (для северных районов) тепловыми воздействиями, в меньшей степени - физико- химическим загрязнением почв и поверхностных вод; эти первичные факторы ущерба в свою очередь воздействуют угнетающе на всю биосферу (флору, фауну и человека); на этапе функционирования (эксплуатация месторождений и трубопроводов) - длительными, но относительно менее интенсивными физико-химическими воздействиями: тепловыми на криолитосферу, химическим загрязнением атмосферы, почв и поверхностных вод; в аварийных ситуациях - краткосрочными крайне интенсивными физико-химическими воздействиями в результате отказов, потерь нефти, газа, нефтепродуктов, ремонтно-восстановительных мероприятий, сопровождающимися ущербом во всех компонентах природной среды.
Надежная, длительная, бесперебойная и безаварийная эксплуатация инженерных систем трубопроводов и наземных объектов их инфраструктуры стала одной из глобальных проблем настоящего времени. Одним из путей решения этой проблемы является использование разработанных диагностических и интеллектуальных технологий при строительстве, испытаниях, эксплуатации и ремонте трубопроводов, применение которых способствует как обеспечению, так и повышению уровня эффективности управления процессами безопасности на объектах ТПТ.
Основанные на новом технологическом принципе диагностические технологии позволяют: при строительстве трубопроводов: исключить случаи массового дефектообразования при сварке; уменьшить объемы исправлений и ремонта сварных швов; сократить объемы рентгеногаммаконтроля и УЗ-контроля; сократить в отдельных случаях объемы испытаний, их продолоюитель-ность или вообще отказаться от опрессовок (пневмо-, гидроиспытаний) трубопроводов промежуточных и окончательных; повысить реальную надежность и работоспособность трубопроводов; - сократить сроки строительства и ввода в строй новых участков при эксплуатации трубопроводов; при эксплуатации трубопроводов; предотвратить либо исключить аварии, разрушения и катастрофы, повысить безопасность и улучшить экологическую чистоту; определять и находить с точностью до нескольких сантиметров на ранних стадиях следующие дефекты; - места критических утонений в стенках трубопровода; - места образования трещин, свищей, пробоин и т.д.; - места коррозионных повреждений; определять остаточный срок службы трубопровода; разработать необходимые меры для продления срока службы участков трубопроводной системы; при ремонте объектов трубопроводного транспорта: своевременно выявлять аварийные участки и классифицировать их по степени их надежности; сократить объемы и продолжительность ремонта; повысить качество ремонтных работ.
При средней нормативной продолжительности службы трубопроводов, принимаемой обычно равной 25-40 годам, почти на трети протяженности трубопроводной сети России срок службы их основных конструктивных элементов приблизился к заданному (расчетному) сроку эксплуатации, а с учетом несовершенства антикоррозионной защиты физический износ трубопроводов достиг таких величин, что нефте- или газопроводная система зачастую не может эксплуатироваться в* проектных рамках из-за снижения надежности основных ее конструктивных элементов.
Помимо естественного износа конструктивных элементов трубопровода, выход системы из строя происходит при стихийных бедствиях и техногенных воздействиях. К стихийным бедствиям обычно относят землетрясения, цунами и ураганы. Осадки и деформации фунтов оснований, хотя и являются следст- вием естественных процессов, как правило, являются следствием ошибок в проекте или создаются из-за нарушений правил эксплуатации.
В военное время сохранность трубопроводных систем, поставляющих углеводородное сырье, будет иметь особенное значение для обеспечения нормального функционирования государства и особенно жизнедеятельности промышленной, оборонной и гражданской инфраструктуры. В то же время следует отметить, что практически все магистральные трубопроводы и объекты ТПС не имеют какой-либо серьезной защиты, и в случае диверсионных или прямых военных действий легко могут быть выведены из строя.
При проектировании магистральных трубопроводов не всегда учитываются вопросы надежности и долговечности основных объектов трубопроводной системы, например, без достаточного обоснования принимается расчетный срок эксплуатации в 25 - 40 лет, хотя практика показала, что многие из построенных трубопроводов, отслужив назначенный проектом срок, продолжают транспортировать нефть и газ и, по-видимому, будут эксплуатироваться еще многие десятки лет, при постоянном их ремонте и усилении, с ежегодными значительными материальными затратами на поддержание приемлемого рабочего состояния. То есть, занижая на стадиях проектирования расчетную долговечность и снижая первоначальные капвложения на обеспечение надежности, инвесторы недальновидно создают будущим эксплуатационным службам постоянную «головную боль» с ежегодными материальными и трудовыми затратами, которые могли бы быть значительно меньшими при разумном учете перспективы работы магистральных трубопроводов и квалифицированном долгосрочном прогнозе ожидаемых ситуаций.
Немаловажное значение в обеспечении надежности эксплуатации магистральных трубопроводов имеют материальные ресурсы и наличие специализированной мобильной техники и системы материального обеспечения. Не решены вопросы по разработке методов строительства и восстановления в экстремальных ситуациях, в том числе с учетом охраны окружающей среды и при выполнении работ на радиоактивно загрязненной или зараженной территории.
Расчетные данные и анализ результатов аварий и стихийных бедствий показал, что заблаговременный прогноз, оценка и организованная подготовка предупредительных мероприятий на основе вариантных проектных проработок позволяет сэкономить значительные средства и сократить сроки восстановления при меньших трудозатратах и лучшем качестве работ. Последние обстоятельства особенно важны, так как трубопроводные системы обычно располагаются в различных климатических зонах страны, зачастую в малообжитых районах с плохими дорогами и неустойчивыми транспортными связями и, как правило, со слаборазвитой социально-экономической инфраструктурой [4; 7; 8].
Для определения масштабов опасности в составе действующих систем магистральных и промысловых нефте- и газопроводов следует выделить несколько основных аспектов: сеть магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа с разветвленной добывающей и транспортной инфраструктурой обеспечивает хозяйственно-экономическую деятельность на трети территории России, на которой проживает до 60% населения; объекты трубопроводного транспорта нефти и газа характеризуются высоким энергетическим эквивалентом, который только для газопроводов большого диаметра при расчетной производительности 32 млрд. м3 в год составляет 15,2 млн. кВт/год; системы трубопроводов для транспорта нефти и газа оказывают непосредственное влияние на все компоненты природной среды. Причем, негативное экологическое влияние имеет место как при аварийных, так и при штатных ситуациях. В 50% случаев аварий происходит возгорание газа [10]; при проектировании не в полной мере учитываются все инженерно-технические и социально-экономические факторы, которые влияют на надежность и безопасность объектов в составе магистральных трубопроводов; эксплуатационные службы недостаточно полно и квалифицированно оценивают надежность систем трубопроводного транспорта; при строительстве допускается нарушение технологии строительства и не в полной мере осуществляется контроль качества; не достаточно осуществляется материально-техническое обеспечение процессов строительства и ремонтно-восстановительных работ при эксплуатации основных объектов магистральных трубопроводов.
Следовательно, задачи эффективного управления процессами приро-досбережения, поддержки тенденции снижения технико-экономической и социальной опасности объектов в аспекте экологической безопасности НГТК являются весьма многогранными, комплексное решение которых возможно совместными усилиями специалистов различных направлений.
Этим обеспечивается важность и актуальность исследования наземных нефтегазовых объектов каждого вида с точки зрения разработки современных методов снижения экологического риска и формирования адекватных природоохранных способов повышения эффективности управления процессами обеспечения безопасности, что в условиях отсутствия до настоящего времени нормативно-технических требований и рекомендаций по комплексным природоохранным решениям при проектировании, строительстве и эксплуатации наземных объектов нефтегазотранспортных систем, обусловливает необходимость и значимость проведения соответствующих исследований по этим задачам.
Таким образом, тема исследований, включающая задачи разработки современных методов формирования организационно-технологических мероприятий повышения эффективности управления процессами обеспечения безопасности наземных объектов нефтегазотранспортных систем на этапах жизненного цикла является актуальной и имеет важное научно-техническое и прикладное значение, решение которых позволит существенно продвинуться в области создания объектов ТПС нового поколения, снизить вероятность техногенных аварий и укрепить территориальную безопасность в регионах размещения действующих и строительства новых объектов.
Цель работы. Разработка научно-обоснованных методов и алгоритмов поддержки системы целенаправленных организационно-технологических мероприятий повышения эффективности управления процессами безопасности при строительстве и эксплуатации наземных объектов ТПТ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: обоснованы методические подходы оценки надежности и определения ожидаемого ущерба на объектах трубопроводного транспорта через шкалы аварийных ситуаций по 5-ти и 10-ти балльным оценкам; получены расчетные зависимости совокупной оценки вероятности для типовых факторов опасности возникновения аварийных ситуаций с учетом риска на этапах жизненного цикла нефтегазовых объектов наземного базирования; разработаны алгоритмы идентификации и система информационно-математической поддержки процессов контроля и эффективного управления факторами безопасности на этапах принятия решений при сооружении и эксплуатации нефтегазовых объектов; разработаны модели расчета и алгоритмы прогнозирования эколого-технологического риска, определены особенности их структурной организации и природоохранные мероприятия по снижению риска для действующих и проектируемых ТПС.
Объектом исследования являются методы эффективного управления процессами безопасности наземных объектов НТК.
Предметом исследования — организационные взаимоотношения, их формы, технологии автоматического контроля и алгоритмы диагностики и идентификации, обеспечивающие повышение эффективности управления процессами безопасности действующих и проектируемых объектов НТК.
Методы исследования основаны на положениях теории множеств, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений в условиях неопределенности, алгоритмов теории случайных функций, непрерывных дробей и системного анализа, теории управления в организационных системах, экономико-математических методов, теории построения иерархических систем, методов имитационного моделирования организационно-технологических процессов в технических и социально-экономических системах.
Научная новизна исследований. В диссертации предложены новые методические подходы оценки основных показателей безопасности, способы формирования современной стратегии выбора целенаправленных организационно-технологических мероприятий, разработки методов и алгоритмов повышения эффективности управления процессами поддержки построенных и обеспечения безопасности проектируемых ТПС как важнейшего объекта НТК.
Практическая ценность диссертационного исследования. Теоретические исследования завершены созданием на основе полученных результатов методических рекомендаций и предложений по формированию организационно-технологических мероприятий, прикладных способов и алгоритмов повышения эффективности управления процессами безопасности как действующих, так и строящихся объектов ТПС на этапах жизненного цикла.
Практическая значимость научных результатов и выводов подтверждена актами внедрения.
Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения: методические подходы оценки надежности и определения ожидаемого ущерба на объектах нового строительства и при эксплуатации ТПС через шкалы аварийных ситуаций, формирующие теоретические основы анализа и принятия эффективных управленческих решений; расчетные зависимости оценки определения вероятности для типовых факторов опасности возникновения аварийных ситуаций с учетом риска на этапах жизненного цикла нефтегазовых объектов наземного базирования, определяющие направления повышения эффективности, надежности и качества ТПС; алгоритмы структурно-параметрического обнаружения и идентификации дефектов на магистральных трубопроводах и система информационно-математической поддержки процессов контроля и эффективного управления факторами безопасности на объектах ТПС; модели расчета зон эколого-технологического риска с алгоритмами прогнозирующего контроля состояний объектов ТПС и природоохранные воздействия по его снижению, обеспечивающие повышение эффективности целенаправленных организационно-технологических мероприятий на этапах принятия решений.
Достоверность и обоснованность научных результатов достигается выбором реальных исходных данных, характеризующих состояние функционирующих и проектируемых объектов нефтегазового строительства, достаточностью их объемов и глубиной представления, научно-обоснованными методами системного анализа, практикой внедрения мероприятий и реализации результатов в НТК, НГСК, ТПТ.
Апробация результатов. Полученные в диссертационной работе основные научные положения, прикладные результаты и рекомендации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, «Теория и практика управления в социально-экономических региональных структурах» (Центр, М., 2002), опубликованы в НТС «Судостроительная промышленность», сер. Системы автоматизации, проектирования, производства и управления (Вып. №35, 2004), научно-техническом отчете «Анализ проблем устойчивого управления и обеспечения безопасности развития экстремальных социально-экономических систем» (Центр, Роснефтегазстрой, 2003), сборнике научных статей «Проблемы устойчивого развития регионов и объектов промышленной инфраструктуры» (Центр, 2003).
Внедрение результатов. Результаты исследований апробированы и внедрены в практическую деятельность РАО «Роснефтегазстрой», ЗАО «Ли-зингстроймаш» и АО «Роснефтегазинтерстрой».
, Публикация результатов. По материалам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ, общим объемом 14,0 п.л., лично автору принадлежит 4,2 п.л., содержание которых отражает основные результаты диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, приложений, списка литературы (99 наименований). Основное содержание диссертации изложено на 154 страницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
Объекты нефтегазового комплекса: основные свойства и характеристики
Надежная и устойчивая работа топливно-энергетического комплекса (ТЭК) — основное условие экономической и национальной безопасности России, Энергетический сектор обеспечивает до 30% всех доходов консолидированного бюджета, почти 45% экспортных валютных поступлений и около 30% объема промышленного производства страны.
Важную роль в обеспечении топливно-энергетической безопасности страны выполняет трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов, другие наземные сооружения и объекты нефтегазовой отрасли, без которых немыслимо жизнеобеспечение населения и нормальное функционирование хозяйственного комплекса.
В Доктрине энергетической безопасности России основными причинами и факторами угроз техногенного характера в отраслях ТЭК, включая и трубопроводный транспорт, указаны [1; 9]: - износ активной части основных фондов, быстро нарастающий вес морально и физически устаревшего оборудования из-за недостатка инвестиций; - низкий уровень природоохранной деятельности; - снижение технического уровня объектов энергетики из-за недостаточного финансирования НИОКР и слабой реализации их результатов; - сокращение подготовки квалифицированных кадров и их отток из отраслей ТЭК; - недостаточное финансирование новых разработок и технологий; - малая эффективность инвестиционных проектов нефтегазостроительного комплекса (НГСК), прежде всего выставляемых на международные тендеры. Трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов -большая сложная техническая система (СТС). В нее входят установки подготовки нефти и газа к дальнейшему транспорту, трубопроводы газовых и нефтяных промыслов, магистральные газопроводы, нефтепроводы и продукто-проводы с КС и насосными (НС) станциями, резервуарные парки, подземные хранилища природного газа, сжиженных газов и нефтепродуктов, распределительные газопроводы. Общая протяженность магистральных систем ТПТ достигла 217 тыс. км, промысловых - около 400 тыс. км и распределительных газопроводов - 385 тыс. км [7].
Трубопроводные магистрали по грузообороту занимают второе место после железных дорог. Природный газ, нефть и нефтепродукты помимо внутренних потребителей поставляются по трубопроводам в 25 стран СНГ и Европы.
Энергетическая безопасность ряда европейских стран напрямую связана со снабжением нефтью и газом из России. В самой России природный газ фактически стал монотопливом, превысив критический уровень энергетической безопасности страны (49,2% производства первичных энергоносителей и 68,3% котельно-печно го топлива).
Все это свидетельствует о большом значении трубопроводного транспорта в бесперебойном снабжении природным газом, нефтью и нефтепродуктами отечественных и зарубежных потребителей.
С другой стороны трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов, отнесенный к категории А третьей группы (куда включены пожаровзрывоопасные объекты и СТС, на которых хранятся, транспортируются продукты, приобретающие при определенных условиях способность к возгоранию или взрыву), при авариях и отказах представляет большую угрозу населению, инженерным сооружениям и природным массивам [8].
Поэтому к трубопроводам и хранилищам предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.
Трубопроводные системы уже в настоящее время накрывают 35% территории страны, на которой проживает 60% населения. В густонаселенной Европейской части 2800 зданий и сооружений находятся на минимально допустимом расстоянии от магистральных трубопроводов, 15 тысяч раз маги страли пересекли железные и шоссейные дороги, 2 тысячи раз реки, каналы и озера. В последние годы на трубопроводах имели место аварии и катастрофы. Тяжелая катастрофа на трубопроводе широкой фракции углеводородов с гибелью людей под Уфой, экологическая катастрофа в республике Коми, связанная с авариями и отказами на нефтепроводе-коллекторе Вазей - Уса. Недавняя тяжелая авария на нефтепроводе Туймазы - Омск - Новосибирск, с попаданием тысячи тонн нефти в реку Ай, образовавшая зоны экологической катастрофы для 10 тыс. человек, и другие.
По данным Минэнерго, только в 2001 г. на трубопроводах нефтяных и
газовых промыслов произошло 26371 прорыв, т.е. в среднем 73,2 прорыва в сутки. При этом аварийные ситуации на промысловых трубопроводах в последние годы остаются практически на одном уровне [3; 30; 47].
Поэтому, несмотря на тенденцию к снижению аварийности на трубопроводных магистралях, благодаря широкому использованию внутритрубной диагностики и выборочному ремонту опасных дефектов по ее результатам, обеспечение безопасности прилегающих к трубопроводам территорий и их населения является главной задачей надежного функционирования трубопроводных систем.
Основные фонды ТПТ, как и вся техносфера, стареют, магистрали деградируют с всевозрастающей скоростью, что неизбежно приближает кризисные явления. Газопроводы со сроком службы более 20 лет составляют 43,8% от общей протяженности, 20,2% - исчерпавшие нормативный срок службы. Еще больший срок эксплуатации имеют магистральные нефтепроводы: 73% протяженности - более 20 лет и 40,6% — свыше нормативного срока в 33 года. Более 34% протяженности продуктопроводов построено 30 лет назад. Использование внутритрубной диагностики магнитными и ультразвуковыми снарядами в сочетании с электрометрией и другими способами позволило осуществлять политику ремонта и реконструкции трубопроводов по техническому состоянию. В первую очередь производится ремонт опасных дефектов, выявленных и оцененных по специальным методикам [50 - 54].
Методические подходы оценки надежности и ожидаемого ущерба при аварийных ситуациях на объектах трубопроводного транспорта
Повышение надежности работы трубопроводных систем согласно современным нормам (ГОСТ 27.202-83. Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции) можно обеспечить тремя путями: 1 - гарантированной защитой конструкций трубопроводов от повреждений и коррозии, повышением долговечности элементов объектов газо- или нефтепровода и сохранности прочностных характеристик на весь расчетный период эксплуатации объекта; 2 - разработкой и созданием оперативных способов достоверной диагностики состояния трубопроводов, систем перекачки топлива и обслуживающей их инфраструктуры; 3 - оперативным ремонтом и упрощенными технологиями восстановления поврежденных элементов в системе газо- и нефтеснабжения. Надежность строительных систем, в том числе объектов НТК, при их проектировании, возведении и эксплуатации должно обеспечиваться за счет выполнения следующих условий: - правильного выбора расчетных схем и предварительных данных для расчетов; - достоверности и полноты инженерно-геологических и гидрологических изысканий; - выбора проектных решений, отвечающих современным требованиям изготовления и возведения объектов на основе заранее разработанных конструктивных и организационно-технологических схем для принятия экономически целесообразного варианта; - выбора оптимального материала с соответствующими прочностными характеристиками, принимаемого согласно заданному сроку службы системы и условиям ее эксплуатации; - возможности реконструкции и экономного восстановления объектов с учетом перспектив развития предприятия; - учета природно-климатических, силовых и других воздействий, возникающих в процессе возведения и эксплуатации системы; - реализации требований стандартов на строительные материалы, изделия и конструкции, а также государственных и ведомственных нормативных документов по проектированию, строительству и эксплуатации; - строгого пооперационного контроля процессов изготовления, монтажа и эксплуатации; - возможности быстрого ремонта и качественного восстановления работоспособности объектов в экстремальных ситуациях мирного времени, ЧС, в условиях проведения террористических актов и в военное время. Нарушение хотя бы одного из этих условий может понизить надежность трубопроводной системы и вызвать нарушения, повреждения и даже создать аварийные ситуации. Поэтому для повышения надежности и долговечности рассматриваемой системы необходимо контролировать и прогнозировать фактическое состояние объектов в составе ТПС и разработать комплекс мероприятия, позволяющих предотвращать возникновение аварийных и кризисных ситуаций. Для квалифицированного планирования и оперативного выполнения восстановительных работ в случае возникновения экстремальных ситуаций необходимо иметь данные по состоянию объектов трубопроводного транспорта _и уметь оценивать уровень ожидаемого ущерба, так как нарушение физической и эксплуатационной надежности объектов ТПТ, вызванной недостаточной несущей способностью или прочностью какой-либо его части или отдельной конструкции, может вызвать аварийную ситуацию и нанести существенный ущерб окружающей среде и сфере обитания человека. Обычно различают два вида ожидаемого ущерба (потерь): - общий объем ущерба, под которым понимается полный учет всех потерь, включая гибель и травмирование людей, загрязнение окружающей среды и т.д.; - локальный ущерб, учитывающий потери только на объектах в системе трубопроводного транспорта. В составе параметрических данных, определяющих последствия аварийных ситуаций на объектах ТПТ обычно должны учитываться следующие основные характеристики: - продолжительность эксплуатации объекта или какой-либо его части; - условия защиты объекта от нагрузок и природных воздействий; - темп (скорость и время) коррозионной агрессии; - возможность землетрясения с учетом повторяемости и интенсивности воздействия; - ветровые воздействия, в т.ч. ураганы, бури, тайфуны за период 5, 20, 50 и 100 лет; - селевые и оползневые явления по трем и пяти уровням; - зональность и степень проявления природных и техногенных аварий; - социально-политическую ситуацию на данный момент времени; - уровень загрязнения окружающей среды и др. Эти параметры и характеристики используются в расчетных зависимостях при определении ожидаемого ущерба и возможных потерь в различных экстремальных ситуациях, включая коммерческий риск и страховые выплаты. Ответственность объектов трубопроводного транспорта и надежность основных его несущих конструкций должна обеспечиваться по трем признакам: 1. Соблюдение сохранности технологических процессов систем, в которые они входят. 2. Безопасность людей и материальных ценностей; сохранность окружающей среды. 3. Собственная целостность конструкций объекта и его частей. В соответствии с этими признаками под экономическим ущербом в системах добычи нефти и газа и их транспорта понимается вероятностная комплексная величина потерь, включая затраты на полное восстановление эксплуатационных параметров рассматриваемого объекта и на реабилитацию окружающей среды, вызванную предельным состоянием несущих и ограждающих конструкций и их оснований.
Анализ методов автоматического контроля и особенности процессов диагностики состояний объектов трубопроводного транспорта
Методы автоматического контроля сложных систем обычно основаны на том утверждении, что все возможные состояния объекта разделяют на два класса - «состояние работоспособности» или «состояние отказа», и назначение алгоритмов контроля заключается в определении состояния, в котором находится указанный объект ТПС в заданный момент времени.
Если в результате проведения контроля установлено, что объект находится в состоянии отказа, то следующим шагом должно быть определение места (причины) отказа. Данная задача, называемая также задачей обнаружения неисправностей (поиска дефекта), особенно актуальна для восстанавливаемых автоматически или после соответствующего ремонта объектов контроля и связана с необходимостью дополнительного разбиения класса отказовых состояний ТПС на ряд подклассов, каждый из которых соответствует какому-то виду отказа, а соответственно и дефекта вполне определенного типа.
Действительно, любая трубопроводная система в реальных условиях функционирования неизбежно претерпевает изменения, связанные с появлением и развитием дефектов, снижающих в той или иной степени надежность и безопасность трубопровода. Дефекты в линейной части трубопровода могут образовываться на всех этапах его жизненного цикла: при производстве труб, при строительстве трубопровода и при эксплуатации, которые собственно и определяют классы отказовых состояний. Как показывает опыт эксплуатации МТ, большинство отказов, за исключением случаев явного нарушения правил эксплуатации, связаны именно с наличием дефектов в металле труб, образующихся при их производстве, дефектов в сварных швах, образующихся на этапах строительства трубопровода или его ремонта на этапе эксплуатации. В зависимости от условий возникновения отказы на линейной части МТ происходят из-за коррозии, брака строительно-монтажных работ, заводского брака труб, из-за нарушений нормальных условий эксплуатации, под действием рабочих эксплуатационных нагрузок (табл. 2.17), а также из-за нарушения герметичности трубопровода сторонними лицами или при возникновении аварий в случаях ЧС.
В целом по статистике отказов и аварий в составе причин, вызывающих нарушение герметичности трубопровода, преобладают дефекты строительства и низкое качество изготовления труб. Поэтому при разработке системы безопасной эксплуатации и продления срока службы магистральных трубопроводов на основе изложенной выше концепции о многоуровневости системы управления процессами обеспечения безопасности ТПС на первый план выступает ее информационно-алгоритмический аспект, связанный с определением фактического состояния трубопровода, т.е. с получением данных о наличии, месторасположении, форме и размерах дефектов.
А это относится уже к задачам технической диагностики, изучающей формы проявления отказов в сложных технических устройствах и системах, с помощью методов их обнаружения и алгоритмов поддержки процессов диагностирования. Объектом исследования при техническом диагностировании может быть любое техническое устройство ТПС, участок магистрального трубопровода, КС и т.д., удовлетворяющее следующим двум условиям: а) это устройство находится в рассматриваемый момент времени в од ном из двух взаимоисключающих и различимых состояний (работоспособ ности и отказа); б) в устройстве можно выделить различные функциональные элемен ты, каждый из которых также находится в одном из двух указанных состоя ний (для КС - турбина или силовой агрегат, для УМТ - конкретная труба, запорная арматура). Число таких элементов, на которые разбивается объект диагностирования, является в значительной степени условным и определяется не только перечнем возможных отказов, но и располагаемыми возможностями восстановления отказавших элементов. Будем полагать, что любое возможное состояние объекта диагностирования, состоящего из N элементов (не обязательно однородных), можно представить с помощью ТУ-мерного вектора состояния S, і-я компонента которого равна 1, если /-и элемент объекта работоспособен, или же равна 0, если этот элемент отказал. Например, вектор состояния 5 = (10110) означает, что объект диагностирования включает в себя / = 5 элементов, причем отказ объекта вызван отказом 2-го и 5-го элементов. Общее, т.е. максимально возможное, число состояний, в которых может находиться объект, равно 2 (в это число включено и исправное состояние объекта и такое его состояние, которое соответствует одновременному отказу всех N элементов). Вместе с тем задача диагностирования существенно упрощается, если из всех отказовых состояний объекта рассматриваются лишь N его состояний, которые имеют наибольшую вероятность и обусловлены отказом одного из элементов в составе объекта.
Разработка модели расчета зон эколого-технологического риска при аварии на нефтегазовом объекте
Анализ полученных результатов при исследовании проблемы обеспечения безопасности наземных объектов НГТПТ позволяет сделать вывод о том, что на этапах жизненного цикла МТ - подготовка проекта, проектирование, строительство и эксплуатация сложных распределенных систем одной из важнейших задач является разработка многоуровневой системы контроля параметров и диагностики его состояния в реальном масштабе времени. С целью получения оперативной и достоверной информации о текущем состоянии таких объектов, как правило, система контроля и диагностики строится на основе многовариантного принципа с включением предпроектного, а затем постоянного экологического и геодинамического мониторинга трасс МТ [3; 80].
Многовариантность системы контроля и диагностики включает множество различных его способов, среди которых имеются контактные и без-контактные, аэрокосмические и полевые методы. При оценивании состояния объектов ТПС и принятии оперативных решений по управлению должна осуществляться выработка интегрированного критерия текущего состояния объекта.
В данной работе предлагается способ эффективного определения местоположения возможного порыва линейных УТ, как элемента распределенных систем на основе информации, связанной с транспортируемым потоком продукта, обладающего различными физико-химическими свойствами и особенностями. Предположим, что на концах выделенного УТ измеряется информативный параметр давления для определения линейной скорости движущего потока [81; 82]. Измерения выполняются в равноотстоящие моменты времени, результаты которых затем накапливаются в ЭВМ. Будем считать, что движение потока осуществляется в номинальном режиме, другими словами, процесс пополнения информации осуществляется постоянно.
В таком случае, в условиях нормального функционирования большую значимость приобретает величина периода дискретизации At между равноотстоящими отсчетами измерений контролируемого параметра, с которой как бы связывают точность цифровой системы дискретизации. Однако это, в свою очередь, приводит к заполнению базы данных ненужной информацией большого объема и к трудностям функционирования интеллектуальной алгоритмической обработки полученной информации. При этом алгоритмическое обеспечение, без потери точности, ориентировано на максимально возможный для этого период дискретизации Atmax, причем он позволяет легко адаптировать алгоритмическое обеспечение для случая осуществления более высокой частоты съема информации, вызванной необходимостью контроля развивающейся нештатной ситуации [83].
Так как местоположение возникновения нештатной ситуации неизвестно, то измерение отклонения информативного параметра осуществляется с некоторым переменным запаздыванием т = var. Знание этого времени, с учетом периодичности измерений, характеризующих длину линейного участка и линейной скорости потока в МТ, дает возможность восстановить местоположение возникновения данной ситуации на длине контролируемого участка ТПС. Полученная информация является основой для оперативного управления, но проблема точности определения местоположения связана с периодом дискретизации, так как простая констатация факта возникновения внештатной ситуации внутри периода дискретизации влечет идентификацию продолжительного участка, что существенно ухудшает качество и эффективность системы оперативного управления.
Таким образом, возможность точной оценки переменного запаздывания г для многих сложных объектов выступает как диагностический параметр, характеризующий изменчивость процессов работы контролируемого объекта. Учет этого положения определяет содержание способа оценки переменного временного запаздывания с заданной точностью по результатам дискретных измерений. Сущность подхода заключается в следующем: 1) по измерениям сигнала на входе линейного участка ТПС идентифицируется период сигнала и начальный момент времени, связанный с длиной линейного участка МТ; 2) по дискретным измерениям параметра в равноотстоящие моменты времени определяются отклонения от номинального режима (если отклонения равны нулю, то это свидетельствует о наличии номинального режима); 3) появление ненулевых отклонений свидетельствует о возникновении нештатной ситуации, а использование алгоритма структурно-параметрической идентификации на основе непрерывных дробей позволяет получить дискретную передаточную функцию линеаризованного объекта; 4) путем использования принципа вариации периода дискретизации, который определяет условия эквивалентности дискретной и непрерывной моделей процессов, восстанавливается непрерывная передаточная функция объекта; 5) с использованием базы знаний динамическая характеристика линеаризуемого объекта представляется в форме непрерывной временной его реакции, связанной с возникшей ситуацией; 6) начиная от первого нулевого измеренного отклонения методом обратного табулирования непрерывной функции, вычисляется с заданной точностью момент возникновения нештатной ситуации, который и определяет его местоположение на линейном участке ТПС.
