WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Разработка методики формирования аварийных запасов труб (на примере газопроводов западной сибири)


На правах рукописи

ЧЕРПАКОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ

АВАРИЙНЫХ ЗАПАСОВ ТРУБ

(НА ПРИМЕРЕ ГАЗОПРОВОДОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тюмень - 2007

Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации.

Научный руководитель: доктор технических наук, Крамской Владимир Федорович
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, Кушнир Семен Яковлевич кандидат технических наук, Жевагин Алексей Иванович
Ведущая организация: ООО «Сургутгазпром», г. Сургут

Защита диссертации состоится 25 мая 2007 г. в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в Российской Федерации около 5% магистральных газопроводов эксплуатируются от 1 года до 10 лет, 39 % - 10 – 20 лет; 32 % - от 20 – 30 лет; 14 % - от 30 – 40 лет; а 10 % превысили 40-ти летний срок эксплуатации. Длительный срок эксплуатации является причиной роста количества аварий и инцидентов, имеющих случайный по месту и времени характер на линейной части магистральных газопроводов, а работы по их устранению наиболее дорогостоящими и продолжительными. Поэтому особую важность приобретают вопросы, связанные с рациональным формированием мест расположения и объёмов аварийных запасов труб, от которых зависит как эффективность профилактических, так и оперативность аварийно-восстановительных работ на линейной части.

Действующие нормативные документы ВРД 39-1.10-006-2000 «Правила технической эксплуатации магистральных газопроводов» и ВРД 39-1.10-031-2001 «Нормы аварийного и неснижаемого запаса труб, стальных газовых кранов, материалов, соединительных деталей и монтажных заготовок на газопроводах» устанавливают требования к сортаменту труб, из которых формируется запас и порядок пополнения этих запасов, а также затрагивают вопрос их объемов.

Данные документы определяют нормы запаса в общем виде для газопроводов в целом, дифференцируя их в зависимости от диаметра трубы и условий пролегания трассы. Нормативные документы, позволяющие при формировании аварийных запасов труб учитывать реальную нагруженность магистральных газопроводов и выработанный ресурс их отдельных участков, отсутствуют.

Разработка научно обоснованных методов формирования аварийных запасов труб для различных участков линейной части магистрального газопровода, учитывающих индивидуальный ресурс их работы под действием реальных спектров внешних и внутренних нагрузок при эксплуатации, является актуальной проблемой.

Цель диссертационной работы разработка методики формирования аварийных запасов труб, учитывающей реальную нагруженность газопроводов и вероятность возникновения аварий на отдельных линейных участках магистральных газопроводов.

Объект исследования – методы формирования аварийного запаса труб для магистральных газопроводов Западной Сибири.

Основные задачи исследований:

    • провести анализ состояния нормативной базы и научных работ в области формирования аварийных запасов труб;
    • исследовать законы распределения давлений и температур транспортируемого газа и определение законов изменения напряжений, возникающих в газопроводе;
    • разработать методику расчета вероятности безотказной работы участков газопровода по критерию усталостной прочности;
    • разработать модель формирования аварийных запасов труб с учетом усталостной прочности отдельных линейных участков.

Научная новизна:

    • разработана методика расчета аварийного запаса труб на основе оценки вероятности возникновения аварий на различных участках газопроводов по критерию усталостной прочности;
    • предложен новый метод оценки числа циклов нагружения труб до разрушения, включающий: установление методами непараметрической статистики фактических законов распределения давлений и температур транспортируемого газа; компьютерное моделирование законов распределения напряжений, возникающих в стенке трубы газопровода и предельных напряжений материала труб; расчет числа циклов нагружения при заданной вероятности безотказной работы;
    • разработана вероятностная модель, позволяющая выделить на линейной части газопровода аварийные участки и ранжировать их исходя из времени достижения предельного состояния труб (потери усталостной прочности).

Практическая ценность заключается в том, что результаты выполненных исследований дают возможность предприятиям, эксплуатирующим магистральные газопроводы, сократить величину ущербов при возникновении аварий и инцидентов за счет своевременного и научно обоснованного формирования аварийных запасов труб.

Обоснованность и достоверность результатов. При выполнении исследований автором использованы основные положения системного анализа, теории надежности и риска, методов непараметрической статистики при обработке фактических данных контроля параметров транспортируемого газа. Результаты исследований согласуются с практикой формирования и расходования на ремонтные работы аварийных запасов труб ООО «Сургутгазпром».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России», - г. Тюмень, 1999 г.; расширенном заседании кафедры «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» ТюмГНГУ, - г. Тюмень, 2001 г.; международном семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», - г. Тюмень, 2002 г.; расширенном заседании кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», ТюмГНГУ - г. Тюмень, 2007 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, 25 рисунков, 24 таблицы и состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка литературы включающего 98 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи исследований.

В первом разделе проведен анализ:

    • состояния систем трубопроводного транспорта;
    • ущерба от произошедших аварийных ситуаций;
    • состояния аварийно восстановительных служб;
    • существующей нормативной базы и научных работ в области формирования аварийных запасов.

Выполненный анализ выявил увеличение интенсивности инцидентов и аварий на магистральных газопроводах всех диаметров в зависимости от времени их эксплуатации. Выявлена зависимость величины ущерба от времени доставки материалов к месту аварии. Определено, что распределение материально-технических ресурсов выполняется на основании личного опыта руководителей и без технико-экономического анализа эффективности принимаемых решений. Существующая на сегодняшний день нормативная база не содержит рекомендаций и методик формирования аварийных запасов труб с учетом срока эксплуатации магистральных газопроводов и истории их нагружения. Ранее работы в данном направлении проводились такими авторами как Бородавкин П.П., Гумеров А.Г., Галиулин З.Т., Альшанов А.П., Гуссак В.Д.

Во втором разделе проведен анализ изменения нагрузок, действующих на магистральный газопровод в течение всего срока его эксплуатации, определено влияние таких факторов, как давление и температура газа на срок безаварийной работы газопровода.

Рассмотрен газопровод Уренгой-Сургут-Челябинск (I нитка с 0 км до 1480 км). Данные по изменению давления нагнетания (Рнагн), температуры нагнетания (Тнагн), давления всасывания (Рвсас) и температуры всасывания (Твсас) для ряда участков (компрессорных станций - КС) приведены на гистограммах (рис.1 - 4).

 Функция плотности распределения Рнагн за 2006 г. КС Губкинская. -0

Рис. 1. Функция плотности распределения Рнагн за 2006 г. КС Губкинская.

 Функция плотности распределения Тнагн за 2006 г. КС Приобская. -1

Рис. 2. Функция плотности распределения Тнагн за 2006 г. КС Приобская.

Анализ статистических данных показал, что Рнагн изменяется в пределах от 5,87 МПа до 7,6 МПа, Рвсас в пределах от 4,01 МПа до 6,98 МПа. При этом изменение температуры происходит следующим образом, Тнагн изменяется от - 4 °С до 55 °С, Твсас изменяется от - 1 °С до 25 °С.

Из анализа существующих работ сделан вывод, при расчетах прочностной надежности магистральных газопроводов традиционно принимается, что закон распределения давления и температуры не противоречит нормальному. В то же время, представленные на рисунках 1 - 4 гистограммы функций плотности распределения Рнагн, Рвсас, Тнагн, Твсас свидетельствуют, что эти законы не только далеки от нормального распределения, но и не могут быть описаны на основе стандартных законов, предложенных и исследованных в рамках параметрической статистики.

 Функция плотности распределения Рвсас за 2006 г. КС Вынгапуровская. -2

Рис. 3. Функция плотности распределения Рвсас за 2006 г. КС Вынгапуровская.

 Функция плотности распределения Твсас за 2006 г. КС Тобольская. -3

Рис. 4. Функция плотности распределения Твсас за 2006 г. КС Тобольская.

Подобные показанным на рисунках функции плотности распределения давления и температур получены при обработке результатов измерения (более 50 тыс. значений) давления газа и температуры на входе и выходе 15 компрессорных станций, расположенных на территории Западной Сибири за 2006 год эксплуатации.

В теории прочности при решении задач оценки вероятности безотказной работы или прогнозирования ресурса используют различные законы распределения случайных величин: нормальное распределение, гамма – распределение, распределение Вейбула и другие. Все эти законы являются унимодальными и имеют легкие «хвосты» распределения плотности. Полученные на основе обработки конкретных экспериментальных данных гистограммы (рис. 1, рис. 3) функций плотности распределения величин давления характеризуются несколькими экстремумами, что при решении задач прочностной надежности трубопроводов исключает возможность использования методов параметрической статистики. В качестве примера на рисунках 1 - 4 показаны результаты восстановления функций плотности распределения давления и температуры нагнетания, а также давления и температуры всасывания с использованием математического аппарата, разработанного в рамках теории непараметрической статистики путем минимизации функции эмпирического риска.

Для оценки неизвестной функции плотности распределения использовано разложение по системе тригонометрических функций:

, (1)

где i, – коэффициенты, определяемые в процессе минимизации функции эмпирического риска, M – число членов разложения, , .

Для генерирования выборок исследуемых случайных величин (давления и температуры) на основе функции (1) разработан непараметрический датчик. Восстановленный закон изменения функции плотности является основой для реализации численных алгоритмов расчета вероятности безотказной работы магистрального газопровода по критериям прочности.

В третьем разделе разработана методика формирования аварийных запасов труб на основе оценки ресурса участков магистрального газопровода при заданной вероятности безотказной работы. Для расчета выборки числа циклов до разрушения использована зависимость:

, (2) в которой механические характеристики стали, - предел прочности (),-9, (2)

в которой механические характеристики стали, - предел прочности (), предел выносливости () представлены случайными величинами с нормальным законом распределения, а генерирование выборки действующих в газопроводе напряжений () (рис.5 а) осуществляется на основе значений давлений (Рi) и температуры (Тi), рассчитанных с помощью непараметрического датчика и восстановленных функций плотности распределения давления и температуры газа в исследуемом участке магистрального газопровода.

, (3)

, (4)

, (5)

где -,, E - коэффициенты Пуассона и линейного расширения материала, модуль его упругости;, Dвн - толщина стенки и внутренний диаметр трубы; nз - коэффициент запаса.

В результате компьютерного моделирования на основе выборки с использованием функции (1) решается задача восстановления функции плотности распределения числа циклов N (на рисунке 5б в качестве примера показан один из вариантов расчета), которая позволяет путем решения интегрального уравнения:

(6)

где - величина квантиля, ,

; ,

определить прогнозируемое число циклов до разрушения (N*) для любого значения квантиля.

Разработанная и реализованная в комплексе программ методика расчета позволяет выполнять различные исследования по влиянию на долговечность участка трубопровода: геометрических параметров трубы; механических характеристик сталей; изменения внешних условий (давления, температуры) при эксплуатации магистрального газопровода.

а)  б) Функции плотности распределения напряжений и числа-21
б)  Функции плотности распределения напряжений и числа циклов до-22

Рис.5. Функции плотности распределения напряжений и числа циклов до разрушения N*

Определено влияние на ресурс работы газопровода толщины стенки трубы и величины давления газа. Вычислено, что при уменьшении толщины стенки трубы на 2 мм расчетный ресурс трубопровода для наиболее нагруженных участков (30-ти километровая зона от КС в сторону нагнетания газа) уменьшается в 3-3,5 раза. При снижении давления в трубопроводе на 1,0 МПа расчетный срок службы увеличивается в 10-14 раз. Понижение температуры перекачиваемого газа с 21 до 16 градусов Цельсия увеличивает ресурс работы трубопровода в 1,3 раза.

Разработанная методика позволяет производить уточнения в расчетах вероятности безотказной работы для каждого участка магистрального газопровода за счет постоянного накопления данных по температуре и давлению транспортируемого газа и введения в расчеты таких критериев, как изменение свойств металла трубы, утонение стенки трубы и т.д.

В четвертом разделе на основе разработанной автором методики проведен расчет прогнозируемого числа циклов до разрушения различных линейных участков (таблица 1).

Таблица 1.

Прогнозируемое число циклов нагружения труб до разрушения

Название КС Рmax, МПа Рmin, МПа Tmax, С Tmin, С Минимальное кол-во циклов, тыс.
ГКС 7,6 6,51 37 -4 24,0
Ягенетская 6,75 5,87 9 4 340,0
Пурпейская 6,83 6,08 18 4 190,0
Губкинская 7,6 6,22 35 7 30,2
Вынгапуровская 7,6 6,86 49 16 8,05
Ортъягунская 7,65 6,65 39 15 18,0
Аганская 7,6 6,64 34 5 28,7
Приобская 7,6 6,51 38 9 22,0
Южно-Балыкская 7,6 6,5 49 10 9,5
Самсоновская 7,6 6,26 54 29 6,7
Демьянская 7,6 6,12 51 17 8,0
Туртасская 7,6 6,27 55 17 6,6
Тобольская 7,6 6,26 49 14 9,6
Ярковская 7,57 6,1 52 1 11,0
Богандинская 7,6 6,42 55 30 7,35

Предложены рекомендации по срокам и местам формирования аварийных запасов для газопровода Уренгой – Сургут – Челябинск (I нитка) (рис. 6).

Рис. 6. График безаварийной работы линейного участка

- соответствует продолжительности безаварийной работы линейного

участка по критерию усталостной прочности при вероятности 95%.

На основе проведенных исследований и нормативных документов предлагается производить формирование аварийных запасов не для всех участков в одно и тоже время в регламентированном объеме (что фактически выполняется в настоящий период времени), а индивидуально для каждого линейного участка магистрального газопровода между компрессорными станциями с учетом усталостной прочности труб в условиях эксплуатации. Предложенный подход позволит производить плановую замену участков, вырабатывающих свой ресурс, снизить риск возникновения вероятных аварий и инцидентов, время ликвидации и как следствие, уменьшить экономические затраты и экологический ущерб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

  1. Предложена методика расчета аварийного запаса труб, основанная на оценке вероятности возникновения аварии по критерию усталостной прочности на различных участках магистральных газопроводов.
  2. Исследование законов распределения давлений и температур транспортируемого газа показало, что их описание на основе моделей параметрической статистики в большинстве случаев является некорректным и требует применения математического аппарата непараметрической статистики.
  3. Разработана методика определения закона изменения напряжений, возникающих в стенке трубы газопровода, и прогнозирования ресурса труб по усталостной прочности, которая включает восстановление неизвестных законов распределения случайных величин и расчет на их основе ресурса при заданной вероятности безотказной работы.
  4. Выявлено, что формирование аварийных запасов труб для линейных участков газопровода согласно нормативной документации, не учитывающей усталостную долговечность труб, не является рациональным. На основе проведенных исследований предложены рекомендации по формированию новых и корректировке существующих аварийных запасов труб и их рациональному распределению вдоль трассы газопровода.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Черпаков В.В. Особенности нормативной системы технического обслуживания и ремонта газотранспортных систем. / Иванов В.А. // Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России: тез. докл. науч. - техн. конф. – Тюмень: Запсибгазпром, 1999. – С. 121-122.
  2. Черпаков В.В. Показатели надежности линейной части газотранспортных систем. / Иванов В.А. // Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России: тез. докл. науч.-техн. конф. – Тюмень: Запсибгазпром, 1999. – С. 127-130.
  3. Черпаков В.В. Влияние газотранспортных систем на экологические процессы в условиях многолетнемерзлых грунтов / Новоселов В.В. // Проблемы эксплуатации и ремонта промысловых и магистральных трубопроводов: сб. науч. тр. – Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. – С. 40-42.
  4. Черпаков В.В. Принципы управления риском и страхование как метод управления безопасностью магистральных газопроводов. / Новоселов В.В., Конев А.В. // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: материалы международного семинара. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. – С. 164-167.
  5. Черпаков В.В. Совершенствование системы формирования аварийного запаса материалов как метод снижения ущерба от аварий. / Бачериков А.С. // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: сб. науч. тр. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – С. 16-19.
  6. Черпаков В.В. Подходы к системе формирования аварийных запасов газопроводов – Журнал «Известия вузов. Нефть и газ»., 2007. №1. – С. 60-61.

Подписано к печати Бум. писч. №1

Заказ № Уч. – изд. л.

Формат 60 84 1/16 Усл. печ. л.

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

__________________________________________________________________________________

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.