На правах рукописи

БАРЫШОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ВЕРОЯТНОСТНОЕ Прогнозирование ресурса НЕФТЕГАЗОВОГО оборудования при эксплуатации
в СЕРОВОДОРОДсодержащих средах

Специальность:

05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой
промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Большая часть оборудования этих объектов эксплуатируется с превышением исходного - первоначально назначенного - ресурса. В соответствии с нормативными требованиями дальнейшая эксплуатация этого оборудования возможна при условии проведения работ по продлению ресурса. Для продления ресурса применяются методы вероятностного прогнозирования ресурса. Применяемые методы прогнозирования ресурса не учитывают достоверность диагностики и совместные вариации параметров и критериев оценки состояния и ресурса. И поэтому не позволяют обеспечивать допустимые вероятность и риск ресурсного отказа оборудования в период продлеваемого ресурса.

На объектах добычи и переработки сероводородсодержащих нефти и газа эксплуатируются десятки тысяч единиц оборудования, подлежащего продлению ресурса. С течением времени число такого оборудования продолжает возрастать. Поэтому разработки теоретических положений и методов прогнозирования ресурса, позволяющих обеспечивать допустимые вероятность и риск отказа оборудования в период продлеваемого ресурса, являются актуальными. Применение этих методов позволит внести значительный вклад в экономику нефтегазовой отрасли и страны путем повышения эффективности эксплуатации оборудования за счет продления его ресурса и предупреждения отказов.

Исследования проводились в соответствии с «Перечнем приоритетных научно-технических проблем на 2006 – 2010 годы», включающим разработки по повышению промышленной безопасности производственного комплекса и управлению рисками, отраслевой программой «Диагностическое обслуживание объектов добычи газа» и «Перечнем научно-технических работ добыча Оренбург»».

Цель исследования – разработка методов вероятностного прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования при эксплуатации в сероводородсодержащих средах для обеспечения допустимого риска отказа.

Задачи исследования:

1. Анализ методов прогнозирования ресурса и причин недопустимых вероятности и риска отказа оборудования в период продлеваемого ресурса.

2. Экспериментальные исследования достоверности диагностики и вариаций параметров и критериев оценки состояния.

3. Расчетно-экспериментальные исследования вариаций параметров и критериев прогнозируемого ресурса.

4. Разработка теоретических положений и методов вероятностного прогнозирования ресурса по критериям допустимых вероятности и риска отказа.

5. Разработка методического обеспечения и оценка эффективности
применения методов вероятностного прогнозирования ресурса.

Методы исследования. Комплексные исследования включают применение методов: оценки и прогнозирования ресурса по критериям предельных состояний; диагностики и оценки технического состояния; экспериментального исследования и математического моделирования режимов нагружения и напряженно-деформированного состояния; лабораторных, стендовых испытаний и исследований механических свойств металла; математической статистики.

Научная новизна. Впервые уточнена применяемая детерминированно-вариационная модель вероятностного прогнозирования ресурса с учетом вариаций входящих в нее параметров; установлены недопустимые вероятность и риск ресурсного отказа оборудования в период продлеваемого ресурса, прогнозируемого без учета достоверности диагностики и совместных вариаций параметров состояния и ресурса.

Обоснованы показатели достоверности диагностики и вариаций параметров и критериев оценки состояния и ресурса, новые эмпирические зависимости косвенной оценки показателей их вариаций, показатели достоверности прогнозируемого ресурса.

Разработаны новые теоретические положения, алгоритм и методы вероятностного прогнозирования ресурса на основе: вариационной модели, учитывающей достоверность диагностики и совместные вариации параметров состояния и ресурса; моделей и критериев оценки и обеспечения достоверности прогнозируемого ресурса, требуемого количества измерений параметров состояния и ресурса и допустимых вероятности и риска отказа.

Обоснованы и разработаны новые: нормативно-методическое обеспечение вероятностного прогнозирования ресурса; показатели оценки эффективности и принципы повышения достоверности прогнозирования ресурса, снижения вероятности и риска ресурсного отказа оборудования в период продлеваемого ресурса и повышения эффективности диагностики параметров состояния и ресурса.

Защищаемые положения:

- экспериментально-теоретическое обоснование недопустимых вероятности и риска отказа оборудования в период продлеваемого ресурса, прогнозируемого на основе применяемой детерминированно-вариационной модели без учета достоверности диагностики и совместных вариаций параметров состояния и ресурса;

- расчетно-экспериментальное обоснование показателей достоверности диагностики и совместных вариаций параметров и критериев оценки состояния и ресурса, эмпирических зависимостей косвенной оценки показателей их вариаций, показателей достоверности прогнозируемого ресурса;

- теоретические положения, алгоритм и методы вероятностного прогнозирования ресурса на основе: вариационной модели с учетом достоверности диагностики и совместных вариации параметров состояния и ресурса; моделей и критериев оценки и обеспечения достоверности прогнозируемого ресурса, требуемого количества измерений параметров состояния и ресурса и допустимых вероятности и риска отказа;

- обоснование и разработки: нормативно-методического обеспечения вероятностного прогнозирования ресурса; показателей оценки эффективности и принципов повышения достоверности прогнозирования ресурса, снижения вероятности и риска ресурсного отказа оборудования в период продлеваемого ресурса и повышения эффективности диагностики параметров состояния и ресурса.

Достоверность и обоснованность научных результатов исследований подтверждается результатами многократных диагностических обследований, оценок повреждаемости, несущей способности и ресурса, накопленных за более чем 15–ти летний период, результатов натурного контроля и лабораторных исследований повреждаемости, лабораторных и стендовых испытаний и исследований свойств металла, модельных и натурных исследований несущей способности и напряженно-деформированного состояния. Применением метрологически поверенного испытательного оборудования, стандартизованных и аттестованных методик и математических методов, сертифицированных и верифицированных пакетов компьютерных программ анализа экспериментальных данных и несущей способности. Проверкой прогнозных значений параметров состояния и ресурса результатами экспериментов и мониторинга состояния.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическую значимость представляют научно обоснованные и разработанные методы вероятностного прогнозирования ресурса, внедрение которых позволяет обеспечивать законодательно и нормативно установленные допустимые вероятность и риск отказа нефтегазового оборудования в период продлеваемого ресурса в условиях сероводородсодержащих сред.

Разработан и применяется нормативный документ «Методические положения по прогнозированию ресурса безопасной эксплуатации оборудования объектов добычи и переработки сероводородсодержащих газа, конденсата, нефти с продлеваемым сроком безопасной эксплуатации». Разработанные методы внедрены в и применяются при определении возможности, условий и срока продления ресурса технологического оборудования производственных объектов ООО «Газпром добыча Оренбург», добыча Астрахань», а также при подготовке специалистов в области экспертизы промышленной безопасности и продления ресурса нефтегазового оборудования в условиях сероводородсодержащих сред. По результатам внедрения откорректирован продлеваемый ресурс более 1000 единиц оборудования, вероятность и риск отказа которых не отвечали установленным нормативным требованиям.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили положительную оценку на: IV, V, VI Международных научно-технических конференциях «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию H2S-содержащих сред» (г. Оренбург, 2002, 2004, 2006); II и III научно-технических конференциях «Обеспечение промышленной и экологической безопасности трубопроводного транспорта углеводородов» (г. Оренбург, 2007, 2008); III Российской научно-практической конференции «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования» (г. Тюмень, 2006); V и VI Международных научных конференциях «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2005 , 2008); научно-практической конференции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития. Безопасность техносферы и инфраструктуры жизнеобеспечения» (г. Иркутск, 2007); научно-технических конференциях «Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (г. Оренбург, 2007, 2008); семинаре кафедры прикладной механики, динамики и прочности машин Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск, 2008) г. и др. научно-технических конференциях и семинарах.

Публикации по теме. Основные результаты исследований опубликованы в 59 научных работах, в том числе - 14 в изданиях, входящих в "Перечень…" ВАК Минобрнауки РФ, одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения; изложена на 368 страницах; содержит 112 рисунков, 59 таблиц и список использованных источников из 227 наименований.

Автор благодарит специалистов за помощь в проведении исследований и обсуждения результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследования, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе представлены результаты анализа методов прогнозирования ресурса и причин недопустимых вероятности и риска ресурсных отказов нефтегазового оборудования с продлеваемым ресурсом в условиях сероводородсодержащих сред (далее – оборудования).

Проблемам безопасности, оценок риска, ресурса, несущей способности, диагностики, оценок состояния и сероводородной повреждаемости нефтегазового оборудования посвящены работы многих известных ученых, в их числе , , , , ,
, , и др.

В России с принятием Федеральных Законов "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 01.01.2001 г. , "О техническом регулировании" от 01.01.2001 г. № 000‑ФЗ заданы требования и условия безопасной эксплуатации производственных объектов. Требования и условия определяют приоритет мерам и решениям по предупреждению аварий. Меры и решения должны основываться на результатах оценки риска и обеспечивать приемлемый (допустимый) уровень риска, определяемый вероятностью и тяжестью последствий причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу и окружающей среде. Нормативными требованиями (ГОСТ Р 51901.1–2002 "Менеджмент риска. Анализ риска технологических систем", РД 03–418-01 "Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов") установлены основные методические принципы анализа риска и критерии обеспечения допустимого риска отказа технических устройств и оборудования, эксплуатируемых в составе производственных объектов.

Большинство объектов добычи и переработки сероводородсодержащих нефти и газа было сооружено в середине второй половины прошлого века. Для оборудования этих объектов был определен исходный - первоначально назначенный - ресурс 10, 12, 15, 20 лет. К настоящему времени текущий срок эксплуатации большого числа оборудования превосходит исходный ресурс. Опыт эксплуатации показывает, что в подавляющем большинстве такое оборудование обладает запасом работоспособности, что позволяет продолжать его дальнейшее эффективное и безотказное использование. В соответствии с требованиями Постановления Правительства "О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации" от 01.01.01 г. № 000 и нормативными требованиями
РД "Положение о порядке продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах" дальнейшая эксплуатация такого оборудования допускается при условии проведения работ по продлению ресурса, который должен назначаться в пределах прогнозируемого остаточного ресурса.

Величина прогнозируемого ресурса и назначаемый в пределах него продлеваемый ресурс всегда характеризуются некоторой вероятностью (VLF) наступления предельного состояния, т. е. возникновения ресурсного отказа (далее - отказа), до исчерпания ресурса. Возникновение отказа приводит к различной степени тяжести (ULF) их последствий. Сочетание VLF и ULF приводит к возникновению различной величины риска (RLF) отказа. Поэтому анализ и обеспечение допустимых вероятности ([V]LF) и риска ([R]LF) отказа оборудования в период продлеваемого ресурса занимает одно из центральных мест в обеспечении допустимого риска, отвечающего установленным законодательным и нормативным требованиям. В этом случае продлеваемый ресурс должен назначаться в пределах прогнозируемого ресурса, определяемого на основе вероятностного прогнозирования продлеваемого ресурса (далее – прогнозирования ресурса), в пределах которого обеспечивается нормативно установленная величина допустимой вероятности отказа.

К настоящему времени за более чем 30-ти летний период эксплуатации оборудования выполнен большой объем работ и накоплен значительный массив данных диагностики состояния, анализа несущей способности, стендовых испытаний и лабораторных исследований металла, оценки ресурса и др. исследований состояния оборудования. Анализ накопленных данных и собственный опыт показывают, что модель прогнозирования ресурса может включать в себя несколько десятков параметров и критериев оценки состояния и прогнозируемого ресурса (далее - параметров состояния и ресурса): исходные, промежуточные и текущие значения параметров формы конструкции, дефектов, повреждений, эксплуатационного нагружения и кинетики повреждаемости; критерии предельного состояния металла и оценки технического состояния; наработку. Как показывают результаты исследований, за длительный период эксплуатации оборудования выполняется значительное число мероприятий по поддержанию работоспособного и безопасного состояния оборудования: «входной» контроль; ревизии; технические обслуживания; освидетельствования; мониторинг состояния; испытания; исследования металла; диагностические обследования; ремонты; замены. Поэтому в модели прогнозирования ресурса необходимо учитывать все множество данных параметров состояния и ресурса. А при прогнозировании ресурса элементов оборудования с несколькими возможными предельными состояниями общее число параметров состояния и ресурса возрастает в несколько раз. В этих условиях сложность решения задачи прогнозирования ресурса оборудования значительно возрастает.

На основе анализа нормативных требований, накопленных данных, опыта многократных диагностических обследований и собственного опыта разработана детерминированно-вариационная модель (ДВ-модель) прогнозирования ресурса (рис. 1 а), которая применяется при поэтапном продлении ресурса оборудования. Модель включает в себя следующие параметры состояния и ресурса: t – время; h0 и hк – исходные и контролируемые (диагностируемые) значения параметров состояния (формы конструкции, дефектов и повреждений); [h] – критерии оценки технического состояния, определяемые с учетом параметров эксплуатационного нагружения и критериев предельного состояния металла из условия исчерпания несущей способности; h(t) – закономерность кинетики повреждаемости; tи, tп и ti– исходный, продляемый ранее и прогнозируемый ресурс; tи– наработка по окончании tи; tпj и tн – наработки до 1-го, 2-го, …, j-го промежуточного обследования, контроля состояния и до текущего (настоящего) обследования; 1 и 2 - эмпирическая и теоретическая функции вероятности отказа - VLF(t). Особенностью ДВ-модели является учет вариации (изменчивости) значений контролируемых параметров состояния - hi, в то время как остальные параметры состояния и ресурса учитываются в виде детерминированных значений. Вариация контролируемых значений hi (рис. 1 а) приводит к вариации значений ресурса - ti и вероятности отказа - VLFi. С использованием ДВ-модели решением обратной задачи выполняется прогнозирование ресурса - ti, соответствующего заданной вероятности возникновения отказа - VLFi.

Как показывают результаты исследований, параметры состояния и ресурса, соответствующие исходному состоянию оборудования, имеют исходные вариации значений. В процессе длительной эксплуатации оборудования под влиянием специфического повреждающего воздействия рабочих сред к исходным вариациям добавляются систематически увеличивающиеся вариации значений этих параметров. По мере увеличения срока эксплуатации вариации значений параметров состояния и ресурса продолжают возрастать. В табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований вариаций параметров состояния и ресурса сосуда, эксплуатируемого в сероводородсодержащем газе.

Рисунок 1 – ДВ-модель прогнозирования ресурса (а), модель и результаты анализа влияния методов прогнозирования ресурса на вероятность и риск отказа оборудования в период продлеваемого ресурса (б); - недопустимые
вероятность и риск отказа

С использованием разработанной ДВ-модели (рис. 1 а) в работе выполнен анализ влияния методов прогнозирования ресурса и совместных вариаций параметров состояния и ресурса на вероятность и риск отказа оборудования в период продлеваемого ресурса. На рис. 1 б показана модель и результаты анализа на примере обечаек сосуда, подверженных коррозионному изнашиванию, где: 1 и 2, 3 и 4 – эмпирические и теоретические функции вероятности отказа - VLF(tДВ), VLF(tВ) соответственно; tДВ - прогнозируемый ресурс, рассчитанный по ДВ-модели с учетом вариации измеренных (Sизм) значений толщины стенки (параметра повреждений) и детерминированных значений прочих параметров состояния и ресурса (табл. 1); tВ - ресурс, рассчитанный с учетом данных о вариациях и с учетом совместных вариаций параметров состояния и ресурса (табл. 1).

Прогнозирование ресурса - t по механизму коррозионного изнашивания выполнено с использованием зависимостей:

; , (1)

где, параметры состояния и ресурса: tн – срок эксплуатации до обследования (текущая наработка); Sи, С0, D - исполнительная толщина стенки, плюсовой допуск к толщине стенки, внутренний диаметр (параметры формы конструкции); Р – рабочее давление (параметр эксплуатационного нагружения); [s] – допускаемое напряжение (критерий предельного состояния металла). Значения параметров состояния и ресурса, используемые в расчетах tДВ и tВ, представлены в табл. 1, где: р – обозначение (наименование) параметра; рном – номинальное значение параметра; N – объем выборки; pmin и pmax – минимальное и максимальное выборочные значения; r, m, s, и r - размах вариации, выборочные среднее, среднее квадратическое отклонение (СКО) и коэффициент вариации.

Таблица 1 – Данные о вариациях параметров состояния и ресурса.

Сравнительный анализ влияния методов прогнозирования ресурса на вероятность и риск отказа оборудования в период продлеваемого ресурса показывает, что значения VLF(tДВ) < VLF(tВ) (линии 2 и 4, рис. 1 б). Это приводит к тому, что при определенной заданной допустимой вероятности отказа - [V]LFi прогнозирование ресурса из условия VLF(tДВ)£ [V]LFi, по отношению к прогнозированию ресурса из условия VLF(tВ)£ [V]LFi приводит к переоценке прогнозируемого ресурса, в пределах которого должна обеспечиваться [V]LF, на 80% и более (tДВ>tВ, рис. 1 б). В этом случае продление ресурса в пределах tДВ, прогнозируемого без учета совместных вариаций параметров состояния и ресурса, приводит к недооценке VLF(VLF(tДВ)) по отношению к VLF(VLF(tВ)), определяемой с учетом совместных вариаций параметров состояния и ресурса, (, рис. 1 б) и не позволяет обеспечивать нормативно установленные допустимые вероятность и риск отказа оборудования в период продлеваемого ресурса.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5