2
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..................................................4
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................. 15
1.1 Существующие подходы и методы оценки целостности трубопроводных систем с активно растущими дефектами......... 15
1.2 Существующие пробелы знаний и нерешенные задачи.......... 32
1.3 Цели и задачи исследования............................... 33
2 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИИ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ........................................ 34
2.1 Постановка задачи........................................ 35
2.2 Алгоритм оценки реальной точности ОИИ при измерении параметров дефектов......................................... 37
2.3 Методика повышения точности оценивания размеров дефектов тонкостенных трубчатых элементов............................ 44
2.4 Выводы к главе........................................... 53
3 ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ И СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РОСТА КОРРОЗИИ...................................................... 54
3.1 Предварительные замечания и постановка задачи............ 54
3.2 Детерминированная модель роста коррозии.................. 56
3.3 Стохастическая модель роста коррозионного дефекта с учетом эволюции во времени размера дефекта как случайной величины................................................. 57
3.4 Модель роста коррозионных дефектов как Марковский процесс чистого рождения (МПЧР)..................................... 80
3.5 Алгоритм расчета вероятностей пребывания глубин дефектов в заданных состояниях с использованием Марковских процессов... 88
3.6 Выводы к главе........................................... 98
4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗОВ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ДЕГРАДИРУЮЩИХ ВО ВРЕМЕНИ...................................................... 101
4.1 Постановка задачи........................................ 101
4.2 Оценка надежности трубопроводов при одновременном учете нескольких критериев отказов............................... 103
4.3 Алгоритм оценки надежности поперечного сечения трубопровода с дефектом произвольных размеров............................. 112
4.4 Надежность трубопровода как распределенной системы....... 125
4.5 Метод оценки надежности трубопровода на основе Марковской модели процесса чистого рождения........................... 137
4.6 Выводы к главе........................................... 139
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ИНСПЕКЦИИ И РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДА ПО КРИТЕРИЮ РИСКА................................ 141
3
5.1 Постановка задачи.................................... 141
5.2 Оптимальный период контроля и выполнения профилактических и ремонтных работ.......................................... 141
5.3 Выводы к главе....................................... 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 149
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................... 151
\
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная работа выполнена в рамках планов 2000-2007 гг. бюджетных научно-исследовательских работ Научно-инженерного Центра «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН, утвержденных Отделением энергетики, механики и процессов управления РАИ.
5
ВВЕДЕНИЕ
Трубопроводные системы широко используются в большинстве типов машин, оборудования, в отдельных типах аппаратуры различного назначения и в других сферах, в частности, они составляют значительную часть в летательных аппаратах, двигателях, энергоустановках различного назначения, робототехнических системах. Надежность работы такого типа машин и оборудования энергатехнологического назначения в значительной мерс определяется прочностью и эксплуатационной надежностью их трубопроводных систем.
Для адекватной оценки промышленной безопасности трубопроводных систем необходимо уметь определять реальную надежность и остаточный ресурс трубопровода на основе максимально точно найденных геометрических параметров дефектов, входящих в определяющие расчетные уравнения, и моделей их роста (деградации).
Применяемые подходы к оценке надежности по принципу «слабейшего звена» и структурной надежности последовательно-соединенных элементов, которые традиционно используются при расчете трубопроводов, не учитывают особенностей объекта - трубопровода - как распределенной системы и в ряде случаев могут привести к ошибочным результатам.
Из-за отсутствия научно обоснованных методик анализа измерений дефектов трубы, получаемых с помощью новейших технологий внешней и внутренней дефектоскопии, они не поддаются однозначной трактовке и не даюг информацию, необходимую для проведения расчетов оценки технического состояния, целостности и надежности только что проинспектированных объектов.
Используемые простейшие модели роста параметров дефектов не позволяют адекватно описать случайный рост параметров как отдельных дефектов, так и совокупного поведения всего множества дефектов на отдельных участках трубопроводов.
Существующие решения и перечисленные выше еще не решенные задачи не дают возможности проведения адекватных расчетов оценки целостности и надежности трубопроводных систем. Все это потребовало разработки новых подходов для оценки целостности и надежности трубопроводных систем и
6
определило цель настоящей работы. Результаты работы носят универсальный характер и могут найти широкое применение в других сферах экономики страны, в том числе, в области безопасной эксплуатации разветвленной сети трубопроводного транспорта для топливно-энерге тических ресурсов.
Понятие целостности стало одним из основных понятий в проблеме остаточного ресурса и безопасности сложных технических систем, имеющих в своем составе емкости (трубопроводы, сосуды высокого давлении и т.п.). К таким потенциально опасным объектам относятся системы, содержащие трубопроводы для перекачки нефти, широких фракций легких углеводородов, газа, нефтепродуктов, разнообразные сосуды высокого давления (например, газгольдеры), баллоны со сжатым воздухом или другими газами, а также сосуды, содержащие вредные и ядовитые вещества при повышенном и нормальном давлении.
Отличительной чертой целостности как предельного состояния является то, что в ее основе лежат геометрические соотношения и параметры - толщина стенки, диаметр трубы или сосуда, размеры дефекта (глубина, длина, ширина, площадь и объем), а также скорость изменения этих параметров во времени от действия разнообразных внешних факторов.
При решении задач оценки надежности и остаточного ресурса таких систем на первый план выдвигаются методы точного определения всех геометрических параметров, входящих в определяющие уравнения. Задача усложняется тем, что эти измерения должны проводиться, как правило, без остановки функционирования опасных производственных объектов (ОПО).
Для обеспечения таких технологий используются различные методы мониторинга и дискретного неразрушающего контроля и диагностики. Обычно они разрабатываются применительно к той или иной конструкции трубопровода или сосуда и должны учитывать особенности эксплуатации системы и стоимость проведения мониторинга/диагностики.
Важной особенностью сложившейся ситуации является то, что наблюдаемое бурное развитие технологии внутритрубного диагностирования дефектов (вызванное повсеместным принятием законов об обязательной проверке трубопроводов с помощью внешней или внутритрубной инспекции) не сопровождается научно обоснованными методиками анализа получаемых с помощью этой новейшей
7
технологии результатов. В частности, не имеют должного научного обоснования методы калибровки внутритрубиых магнитных дефектоскопов и внешних лазерных измерителей волнистости (шероховатости). Поэтому многие получаемые результаты не поддаются однозначной трактовке и оставляют открытым вопросы остаточного ресурса и целостности только что проинспектированных объектов.
Для решения вышеперечисленных проблем требуется своевременная реконструкция и модернизация наиболее критических участков эксплуатирующихся трубопроводных систем. Основными задачами, возникающими при проведении реконструкции и модернизации, являются: адекватная оценка технического состояния трубопроводов; анализ безопасности их эксплуатации; ранжирование участков трубопроводов но срокам их ремонта или замены; назначение для каждого участка максимального безопасного давления в предремонтный период.
Точность ранжирования по степени опасности участков протяженной трубопроводной системы зависит, прежде всего, от адекватности оценки фактической прочности каждого ее участка, с учетом его реального технического состояния и индивидуальных особенностей конструкции. В свою очередь, адекватность этих оценок определяется возможностями расчетного математического аппарата, применяемого при анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводной системы (как всей трубопроводной конструкции в целом, так и каждого из составляющих ее элементов) при действии всех эксплуатационных (нормативных и ненормативных) и аварийных нагрузок.
Изложенное выше позволяет следующим образом сформулировать цели и задачи данного исследования.
Цель работы: разработка, с системных позиций, комплексной методики оценки целостности и надежности трубопроводов с активно растущими дефектами типа «потеря металла» на основе использования результатов двух независимых (наружных или внутритрубиых и верификационных) измерений.
Исходя из цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
- построение комплекса детерминированных и стохастических моделей роста параметров единичных коррозионных дефектов стенки трубы но фактическим данным дефектоскопии;
8
- разработка метода оценки надежности отдельного дефектного сечения трубопровода по критериям разрыва и течи, основанного на использовании разложения функции распределения предельного соегояния в ряд Грама-Шарлье-Эджворта;
- описание совместного поведения множества активно растущих дефектов, обнаруженных на конкретном участке трубопровода, с помощью Марковской модели процесса чистого рождения (МПЧР);
- разработка на основе МПЧР метода оценки целостности трубопровода через условную вероятность его отказа по критерию течи;
- построение алгоритма оптимизации времени следующего осмотра/ремонта трубопровода на основе Марковской модели роста параметров коррозионных дефектов;
- разработка комплексной методики статистического анализа результатов полевых и верификационных измерений геометрических несовершенств тонкостенных трубчатых элементов, учитывающей конкретные условия проведения измерений и позволяющей более точно определять фактические размеры дефектов.
Объект исследования: процесс деградации трубопроводной системы с
активно растущими дефектами.
Предмет исследования: методология оценки целостности и надежности прямолинейных участков трубопроводных систем.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы механики трубопроводов, теории надежности, теории вероятности и математической статистики, Марковских процессов, статистического моделирования (Монте-Карло), системного анализа.
Достоверность н обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, базирующимся на использовании строгого математического аппарата, сопоставлением оригинальных результатов с результатами, полученными с помощью метода Монте-Карло, обсуждением результатов на Всероссийских и международных конференциях, положительными отзывами рецензентов на опубликованные работы, использованием другими
9
исследователями результатов данной работы при постановке своих задач исследования.
Научная новизна.
1. Впервые построен комплекс детерминированных и стохастических моделей роста параметров (длины, глубины и ширины) единичных коррозионных дефектов стенки трубы по фактическим данным внешней или внутритрубной инспекции.
2. Создан новый метод оценки надежности отдельного дефектного сечения трубопровода по критериям разрыва и течи, основанный на использовании разложения функции распределения предельного состояния в ряд Грама-Шарлье-Эджворта.
3. Впервые получено решение задачи описания совместного поведения множества активно растущих коррозионных дефектов, обнаруженных на конкретном участке трубопровода, на основе Марковского процесса чистого рождения (МПЧР).
4. Разработан на основе МПЧР метод оценки надежности участка трубопровода по критерию течи по данным о расположенном на нем множестве дефектов.
5. На основе Марковской модели роста параметров коррозионных дефектов построен алгоритм оптимизации времени следующего осмотра/ремонта трубопровода.
6. Разработана методика статистического анализа результатов полевых и верификационных измерений геометрических несовершенств тонкостенных трубчатых элементов, учитывающая конкретные условия проведения измерений и позволяющая более точно определять фактические размеры дефектов.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
7. Разработана комплексная методика оценки вероятности отказа, надежности и оптимизации ремонтов трубопроводов на основе результатов внешней или внутритрубной инспекции, позволившая восполнить существовавший пробел в знаниях по оценке надежности и целостности трубопроводных систем с активно растущими дефектами. Методика может быть использована для различных сложных технических систем, имеющих в своем составе емкости. Это позволит значительно повысить безотказность работы многих видов машин и оборудования, применяемых в различных областях техники и технологии.
10
8. Примерами практического использования разработанной методики являются выполненные расчеты оценки надежности ряда действующих трубопроводов с дефектами, принадлежащих различным государственным и частным трубопроводным компаниям. Результаты диссертационной работы использованы ЗАО НПО «Спектр» для проведения сравнительного анализа точности определения параметров дефектов на реальном участке трубопровода. Методика рекомендована к использованию в отделе обработки информации и в лаборатории оценки ЗАО НПО «СПЕЦНЕФТЕГАЗ» для сравнительного анализа результатов внутритрубной дефектоскопии, что подтверждено актом внедрения.
Основные результаты, выдвигаемые на защиту:
- комплекс детерминированных и стохастических моделей роста параметров единичных коррозионных дефектов стенки трубы по фактическим данным дефектоскопии;
- метод оценки надежности отдельного дефектного сечения трубопровода по критериям разрыва и течи, основанный на использовании разложения функции распределения предельного состояния в ряд Грама-Шарлье-Эджворта;
- модель описания совместного поведения множества активно растущих дефектов, обнаруженных на конкретном участке трубопровода, с помощью Марковского процесса чистого рождения (МГТЧР);
- метод оценки надежности трубопровода через условную вероятность его отказа по критерию течи на основе МПЧР;
- алгоритм оптимизации времени следующего осмотра/ремонта трубопровода на основе Марковской модели роста параметров коррозионных дефектов;
- комплексная методика статистического анализа результатов полевых и верификационных измерений геометрических несовершенств тонкостенных трубчатых элементов, учитывающая конкретные условия проведения измерений и позволяющая более точно определять фактические размеры дефектов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации 172 страницы, включая 26 рисунков, 13 таблиц, список литературы - 199 источников (из них 68 - иностранных).
Апробация работы. Разработанная методика апробирована: 1) на реальном трубопроводе при проведении статистического анализа дефектов типа «коррозия» (по
1!
заказу ЗАО НПО «Спектр»); 2) при расчете прочности и вероятности отказа ряда реальных трубопроводов (использовалась ЗАО «ВЕКТ»).
Полученные результаты докладывались и получили положительную оценку на 8 Всероссийских и 8 международных конференциях, Школах, совещаниях и семинарах, посвященных проблемам обеспечения промышленной безопасности эксплуатации объектов нефтегазового комплекса, в том числе:
- Pipeline Pigging & Security Conference & Expo. «The human dimension of pipeline integrity and safety». Amsterdam. - November. - 2003;
- International Pipeline Conference. «Role of human factor in On-line Method of Reliability Analysis of Pipelines with Growing Defect pipeline safety». Houston, USA. -February 5-6. - 2004;
- International Pipeline Conference. «Role of human factor in On-line Method of Reliability' Analysis of Pipelines with Growing Defects». Calgary, Canada. - October 4-8. -2004;
- Школе «Оценка остаточного ресурса магистральных трубопроводов». Доклад «Система мониторинга безопасности и остаточного ресурса». Санкт-Петербург. - 16-21 февраля. - 2004;
- XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий
контроль и диагностика». Доклад «Полный системный статистический анализ результатов внутритрубной дефектоскопии». Екатеринбург. - 5-11 сентября. - 2005;
- XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий
контроль и диагностика». Доклад «ПРИМА — Программный комплекс менеджмента риска эксплуатации магистральных трубопроводов». Екатеринбург. - 5-11 сентября. -2005;
- XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий
контроль и диагностика». Доклад «Влияние человеческого фактора на результаты измерений при внутритрубной дефектоскопии». Екатеринбург. - 5-11 сентября. -2005;
- XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий
контроль и диагностика». Доклад «Метод оценки надежности трубопроводов с активными коррозионными дефектами» Екатеринбург. - 5-11 сентября. - 2005;
- International Pipeline Conference. «А holistic approach to the statistical analysis
12
of ILI RESULTS». Houston, USA. - February 15-16. - 2006;
- Урало-Сибирской научно-практической конференции «Научно-
промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири». Доклад «Целостность и безопасность трубопроводных систем». Екатеринбург. - 19-23 июня. - 2007;
- International Pipeline Conference & Exposition. «Markov Description of
Corrosion Defects Growtn and Its Application to Reliability Based Inspection and Maintenance of Pipelines». Calgary, Alberta, Canada. - September 26-29. - 2008;
- International Pipeline Conference & Exposition. «Internet-Oriented Method of Reliability Analysis of On-Shore Pipelines with Growing Defects». Calgary, Alberta, Canada. - September 26-29. - 2008;
- XII Международной научно-практической конференции по проблемам
защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций «Междисциплинарные исследования и проблемы обеспечения безопасности жизнедеятельности населения в современных условиях». Доклад «Безопасность и целостность трубопроводных систем». Москва. - 2008;
- II Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность
критичных инфраструктур территорий». Доклад «Программный комплекс оценки риска при ЧС(Н)». Екатеринбург. - 2008;
- International Pipeline Conference ICOSSAR - September 12-17. - 2009, Japan. «Reliability Based Inspection and Maintenance of Pipelines with Markov Type Corrosion Defects Growth»;
- International Pipeline Conference ICOSSAR - September 12-17. - 2009, Japan. «On-line Method of Reliability Analysis of Pipelines with Growing Defects».
Публикации. Основные научные результаты но теме диссертации опубликованы в 21 научной работе, основными из которых являются 2 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК (выполнены без соавторов); 2 статьи в иностранном периодическом научном издании; 7 статей в трудах Всероссийских и международных конференций.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
13
В первой главе рассмотрено общее состояние вопроса и представлен аналитический обзор работ, освещающих проблемы оценки целостности и надежности магистральных трубопроводов с активно растущими дефектами, типы отказов, классификацию дефектов, математические модели, описывающие кинетику коррозионного процесса, существующие методы расчетов трубопроводов на прочность, надежность и их недостатки. Сформулирована постановка задачи исследований.
Во второй главе представлен новый метод статистического анализа результатов полевых и верификационных измерений несовершенств тонкостенных трубчатых элементов, учитывающий конкретные условия проведения измерений и позволяющий более точно определять фактические размеры дефектов. Метод включает алгоритм оценки реальной точности основного измерительного инструмента (внешнего или внутритрубного дефектоскопа) при измерении параметров дефектов конкретной инспектируемой трубы в условиях, когда у основного измерительного инструмента отсутствует систематическая ошибка измерения, а верификационный инструмент считается «абсолютно» точным или «опорным» и статистическую методику повышения точности оценивания размеров дефектов тонкостенных трубчатых элементов на основе учета корреляционной связи между размерами параметров дефектов.
В третьей главе рассмотрено построение моделей коррозионного износа, позволяющих адекватно описать как случайный рост параметров отдельных дефектов, так и совокупное поведение всего множества дефектов на отдельных участках трубопроводов на основе фактических данных внутритрубной дефектоскопии. Предложено два способа нахождения прогнозных оценок параметров роста для единичных и множественных коррозионных дефектов.
В первом случае (для единичных дефектов) получены оценки функции плотности распределения вероятностей (ФИВ) глубины коррозии, являющейся в свою очередь, функцией случайных величин (СВ) - начальной глубины коррозии, параметров уравнения скорости коррозии и времени эксплуатации трубопровода.
Во втором случае построена стохастическая модель активного роста коррозионного дефекта в трубопроводной системе, находящейся в условиях агрессивной внутренней или внешней окружающей среды. Процесс роста глубины
14
дефекта представлен как Марковский процесс чистого рождения (МПЧР). Разработанная эмпирическая Марковская модель для параметров роста дефектов (длины, глубины и ширины) основана на использовании внутритрубных и верификационных измерений. Построенная модель дает возможность найти вероятность нахождения всего множества глубин дефектов в некотором состоянии, вероятности их перехода из этого состояния в следующее.
В четвертой главе разработаны два метода оценки надежности деградирующих трубопроводов. Один метод основан на разложении функции распределения предельного состояния (ФПС) в ряд Грама-Шарлье-Эджворта (ГШЭ). Он позволяет получить оценку надежности трубопроводной системы для наиболее опасного поперечного сечения трубопровода с единичным дефектом произвольных размеров. Этот комплексный метод двусторонней оценки надежности деградирующих трубопроводов использует два критерия потери целостности (разрыв и течь) трубопроводной системы: вследствие превышения глубиной коррозии (дефекта) заданного предельного значения толщины стенки трубы и выброса внутреннего давления как случайной величины за допустимый уровень. Условия прочности трубопровода оцениваются по методикам АИ81/А8МЕ ВЗЮ (базовой) и ВЗЮ модифицированной.
Второй метод основан на использовании Марковской модели процесса чистого рождения. Он реализуется через поведение всего множества дефектов, которые обнаружены на определенном участке трубопровода. В этом смысле метод превращает множество величин, описывающих рост параметров дефектов со временем, в случайный процесс, позволяет определить условную вероятность отказа участка трубы и на этой основе оценить ее целостность.
В пятой главе построен алгоритм, основанный на Марковской модели деградации трубопроводной системы и позволяющий оптимизировать время следующего осмотра/ремонта. Выбор оптимального периода, по истечении которого необходимо проводить профилактические и ремонтные работы, позволяет минимизировать затраты на их выполнение и при этом сохранить нормальное функционирование трубопровода.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены выводы по всей диссертации.
15
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Существующие подходы и методы оценки целостности трубопроводных систем с активно растущими дефектами
В развитие теоретических основ оценки целостности и надежности трубопроводных систем большой вклад внесли ведущие ученые нашей страны в области фундаментальных и прикладных наук: A.A. Аладинский. В.В. Болотин,
Е.С.Васин, А.Г. Гумеров, О.М. Иванцов, Р.Г. Маннапов, H.A. Махутов, Б.И. Мирошниченко, В.В. Москвичев, Г.Х. Мурзаханов, С.В. Нефедов, А.Р. Ржаницын, В.Н. Сызранцев, С.А. Тимашсв, В.В. Харионовский. В.И. Харитонов,
В.Ф.Чабуркин, А.О. Чернявский, О.Ф. Чернявский и др.
Из зарубежных ученых значительный вклад внесен М. Ahammed, F. Caleyo, J. Collins, A.S. Copner, G. Desjardins, A.M. Edwards, C.E. Jaske, G.P. Marsh, T. Morrison, I.D. Palmer, J.N.K. Rao, D.II. Richardson, W.A. Jr. Thompson, R.Worthingham и др.
В обзоре проследим состояние изучаемой проблемы по поставленным задачам, решаемым в главах 2-5.
Статистический анализ геометрии коррозионных дефектов трубопроводов. Значительная часть трубопроводов высокого давления различного назначения, применяемых в атомных и тепловых электростанциях, нефтехимических заводах, нефтегазовой промышленности и т. д., по многим причинам (малый диаметр, неустранимые конструктивные сужения проходного сечения, крутые изгибы, повороты, отсутствие устройств для пуска/приема внутритрубных дефектоскопов и т.д.) не может быть проинспектирована внутритрубными инструментами (ВТИ). К этой же категории относятся трубчатые элементы буровых и добывающих морских платформ. Вес измерения, связанные с обнаружением, локацией и образмериванием дефектов таких конструкций, проводятся снаружи трубы. Существует достаточно большой арсенал основных измерительных инструментов (ОИИ), позволяющих производить подобные
- Київ+380960830922