Оценка вероятности отказа трубопроводных систем с дефектами коррозионного типа по результатам их диагностики тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Бушинская, Анна Викторовна
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Екатеринбург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
БУШИНСКАЯ Анна Викторовна
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗА ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ С ДЕФЕКТАМИ КОРРОЗИОННОГО ТИПА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИХ ДИАГНОСТИКИ
Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и
аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
1 п .:.;/."■ ш
Челябинск - 2012
005016768
Работа выполнена в ФГБУН Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН (НИЦ «НиР БСМ» УрО РАН).
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ Тимашев Святослав Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Москвичев Владимир Викторович (Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН, г. Красноярск)
доктор технических наук, профессор Шефер Леопольд Анатольевич (Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск)
Ведущая организация: Институт машиноведения им. A.A. Благонравова
РАН, г. Москва
Защита состоится <80» мая 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.02при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76,
ауд. 1001.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ».
Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор
Чернявский А.О.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблемы безопасности и надежности элементов критичных инфраструктур выходят в настоящее время на первый план.
Одним из наиболее распространенных элементов критичных инфраструктур являются трубопроводные системы (ТС). Обеспечение надежной и безотказной работы ТС, к которым относятся промысловые и магистральные нефте-, продукто- и газопроводы, трубопроводный транспорт С02, паропроводы, водоводы и др., представляет задачу государственной важности.
Отличительной особенностью деградации ТС является, как правило, наличие множества растущих дефектов различной природы, каждый из которых является потенциальной угрозой для их целостности.
Обнаружение дефектов стенок труб в основном производится в ходе диагностики, с применением различного рода измерительных инструментов (ИИ). Информация, выдаваемая ИИ, неизбежно содержит погрешности измерений (ПИ), которые могут существенно исказить оценку реального состояния эксплуатируемой системы.
В связи с этим весьма актуальной становится задача оценки ПИ измерительного инструмента (ИИ), применяемого на самом объекте для определения его состояния. Знание ПИ позволяет их учесть и получить лучшие оценки истинных значений параметров дефектов, на основе которых можно выполнить более надежные расчеты остаточной прочности, вероятности отказа и остаточного ресурса ТС, а также назначить для них оптимальные сроки следующего обследования.
Для адекватной оценки безопасности ТС необходимо уметь определять ее вероятность отказа/надежность и остаточный ресурс как функции времени. В настоящее время расчет линейных участков трубопроводов, как правило, проводят на основе детерминированных методов механики тонкостенных цилиндрических оболочек. Детерминированные критерии не в состоянии дать оценку вероятности отказа ТС в полной мере, так как не учитывают случайность параметров геометрии и свойств материала трубы, нагружения и параметров дефектов (неопределенность их размеров из-за присутствия ПИ при диагностике). Для решения данной проблемы необходимо использовать вероятностные модели, позволяющие оценивать вероятность отказа/надежность ТС.
Для систем с множеством дефектов классический подход теории структурной надежности - представление системы в виде последовательно-соединенных элементов - не всегда применим на практике. При расчете по этой схеме вероятность безотказной работы всей системы равна произведению вероятностей безотказной работы всех элементов (дефектов). Из-за этого с увеличением числа дефектов надежность системы резко снижается, так что практически невозможно образовать систему, обладающую требуемой (высокой) безотказностью. Основная причина этого в том, что не все дефекты системы дают вклад в вероятность отказа (ВО).
Главная проблема обеспечения целостности и безопасности эксплуатации
ТС заключается в необходимости адекватного прогнозирования их будущего технического состояния, на основе которого определяется время (остаточный ресурс) до наступления предупреждающего, критического или предельного состояния.
Так называемые «предупреждающие» и «критические» отказы не приводят к авариям, поскольку являются условными отказами и вводятся из различных инженерных соображений, которые «запускают» определенные действия по поддержанию системы в работоспособном состоянии (диагностика, ремонт, снижение давления перекачки и т.д.). Эти состояния служат «уровнями», которые потом можно оптимизировать в задаче многоуровневой политики управления ВО сложных объектов. В качестве предупреждающего и критического отказа должны выбираться различные вероятностные показатели и/или физические (геометрические) характеристики системы. Реализация данного подхода требует умения вычислять время наступления этих видов условных отказов.
Из сказанного ясно, что разработка методики предсказательного технического обслуживания является весьма актуальной задачей.
В связи с перечисленным выше возникла необходимость в разработке новых подходов к оценке вероятности отказа/надежности и остаточного ресурса ТС, более точно отражающих их физическую сущность, и позволяющих определять оптимальное время для проведения следующей диагностики. Это и стало целью настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка методики предсказательного технического обслуживания ТС с дефектами коррозионного типа.
Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие задачи:
— построена модель деградации несущей способности как единичного дефектного участка трубы, так и распределенной ТС, обладающей множеством дефектов коррозионного типа, в виде неоднородного Марковского процесса чистой гибели (МПЧГ).
— на основе разработанного МПЧГ предложены:
- подход к прогнозированию гамма-процентного остаточного ресурса ТС и единичного дефектного участка трубы;
- модель оценки оптимального периода выполнения профилактических и ремонтных работ в ТС, минимизирующая средства на ее обслуживание;
— разработана методология оценки энтропии, создаваемой процессом деградации дефектного участка ТС с возможным отказом типа «разрыв», а также всего трубопровода как системы, в целях установления соотношений между различными физическими и вероятностными состояниями ТС и возможностью ранней их диагностики по показателю энтропии;
— разработан метод статистического анализа результатов обследования ТС, обеспечивающий калибровку и повышение точности всех измерений параметров дефектов, на основе совместного рассмотрения результатов диагностики и ограниченного по объему дополнительного диагностического
контроля (верификации);
— проведено исследование влияния на вероятность отказа/надежность дефектного трубопровода случайности параметров геометрии трубы, свойств материала трубы, нагрузки и параметров геометрии дефекта;
— проведен анализ уровня надежности, фактически заложенного в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы»;
— выполнена программная реализация разработанной методики и входящих в нее подзадач.
Объект исследования: процесс деградации ТС с дефектами коррозионного типа.
Предмет исследования: методология оценки вероятности отказа/надежности и остаточного ресурса линейных участков ТС.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории тонких оболочек, механики ТС, теории надежности, теории вероятности и математической статистики, Марковских процессов, теории информационной энтропии, статистического моделирования (Монте-Карло), системного анализа.
Личный вклад автора заключается в разработке нового (МПЧГ) и усовершенствовании существующего методов оценки вероятности отказа/надежности, остаточного ресурса и энтропии линейных участков ТС с дефектами коррозионного типа, а также в разработке методологии, позволяющей получать более точные оценки надежности, остаточной прочности и остаточного ресурса за счет повышения точности измерений параметров дефектов, обнаруженных в ходе диагностики ТС.
Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, базирующимся на использовании строгого математического аппарата, инженерных методов анализа надежности и безопасности ТС, современных достижений вычислительной техники, сопоставлением полученных результатов с результатами метода статистических испытаний (Монте-Карло), обсуждением результатов на Всероссийских и международных конференциях и многочисленными положительными отзывами рецензентов на опубликованные работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— Построена оригинальная модель в виде неоднородного МПЧГ, описывающая как стохастическую деградацию несущей способности единичного дефектного участка трубы, так и распределенной ТС, обладающей множеством дефектов коррозионного типа;
— На основе разработанного МПЧГ предложены:
- метод оценки гамма-процентного остаточного ресурса ТС с дефектами и единичного дефектного участка трубы по критерию возможного отказа типа «разрыв»;
- модель оценки оптимального периода выполнения профилактических и ремонтных работ на ТС;
— Предложена методология оценки энтропии, производимой процессом деградации дефектных участков ТС;
— В известный метод Грама-Шарлье-Эджворта (ГШЭ), внесены поправки на нелинейность функции предельного состояния;
— Предложена методика статистического анализа результатов обследования ТС на основе модели измерений, учитывающей не только случайные ошибки используемых инструментов (основного и верификационного), но также постоянное и мультипликативное смещение внутритрубного инструмента.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработана методология предсказательного технического обслуживания и ремонта ТС с дефектами коррозионного типа, к которым относятся дефекты типа «потеря металла» и «несплошность металла стенки трубы». Дефекты несплошности приводятся к поверхностным дефектам типа «утонение стенки трубы — потеря металла» по методике Газпрома СТО 0-03-22-2008. В отличие от существующих методик, предложенная методология построена на полном наборе последовательно наступающих вероятностных и детерминированных критериев предупреждающего, критического и предельного состояния (отказа).
Знание остаточного времени до наступления того или иного вида состояния (отказа) позволяет оператору трубопровода минимизировать расходы на техническое обслуживание и ремонт ТС без создания угроз ее целостности, и принять обоснованное решение, какой из критериев наступления отказа ему следует использовать в данной конкретной ситуации, а также, когда провести необходимые диагностику, техническое обслуживание и ремонт участков ТС.
Разработанные методы были использованы на практике при расчете вероятности отказа/надежности и остаточного ресурса ряда действующих трубопроводов с дефектами, а также для разработки методологии предсказательного технического обслуживания и ремонта ТС. В частности, предложенная методология использовалась: ЗАО НПО «СПЕЦНЕФТЕГАЗ» для сравнительного анализа результатов диагностики, что подтверждено актом внедрения; ООО «Газпром добыча Оренбург» при проведении комплексной оценки остаточного ресурса участка конденсатопровода, что подтверждено отзывом на научную работу, согласно которому предложенная методика позволила выявить дополнительные пути увеличения остаточного ресурса и оптимизации сроков между очередными диагностическими обследованиями и ремонтами; Для оценки точности измерений всех параметров (глубины, длины, ширины) дефектов, полученных ОАО «Диаскан» в результате обследования участка нефтепровода; ЗАО «ВЕКТ» при оценке технического состояния и времени проведения очередной диагностики промыслового подводного трубопровода, находящегося на Тихоокеанском шельфе.
На примере конкретной ТС показана методология оценки влияния на вероятность отказа/надежность дефектного участка ТС параметров геометрии трубопровода (диаметр и толщина стенки трубы), свойств материала трубы (предел прочности и предел текучести), нагрузки (рабочее давление) и геометрии дефекта (глубина и длина).
Проведен анализ уровня надежности, фактически заложенного в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы».
Разработанная Марковская модель позволила впервые описать совместное
поведение множества растущих дефектов в трубопроводе как в распределенной системе. Это устраняет недостаток классического подхода теории структурной надежности - представление системы в виде последовательно-соединенных элементов.
Описание процесса деградации несущей способности единичного дефектного участка и распределенной ТС Марковским процессом чистой гибели разработано по гранту на участие в конкурсе молодежных работ 2010 года УрО РАН.
Все разработанные методы реализованы автором в программном комплексе «PRIMA», предназначенном для управления целостностью и безопасностью магистральных трубопроводов по критерию риска.
Основные результаты, выдвигаемые на защиту:
- модель деградации несущей способности единичного дефектного участка трубопровода и распределенной ТС, обладающей множеством дефектов коррозионного типа, в виде неоднородного Марковского процесса чистой гибели;
- метод оценки надежности дефектного участка трубы и распределенной ТС через условную вероятность их возможного отказа типа «разрыв» на основе МПЧГ;
- метод прогнозирования остаточного ресурса единичного дефектного участка трубопровода и ТС на основе разработанного МПЧГ;
- алгоритм оптимизации времени следующего осмотра/ремонта ТС на основе разработанной Марковской модели деградации остаточной прочности трубопровода;
- методология оценки энтропии, создаваемой процессом деградации сечения трубопровода с дефектом, а также всего трубопровода как системы с использованием вероятностных характеристик МПЧГ;
- метод статистического анализа результатов диагностики ТС, обеспечивающий калибровку и повышение точности всех измерений параметров дефектов, на основе совместного рассмотрения результатов диагностики, и ограниченной по объему верификации;
- методология предсказательного технического обслуживания и ремонта ТС с дефектами коррозионного типа, построенная полном наборе последовательно наступающих вероятностных и детерминированных критериев предупреждающего, критического и предельного состояния (отказа).
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, были представлены на:
- четырех Всероссийских конференциях: И, III и IV Всероссийских научно-технических конференциях «Безопасность критичных инфраструктур и территорий», Екатеринбург; III Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» СО РАН, Красноярск; и
- восьми международных конференциях: International Pipeline Conference (1РС), Cañada, 2008 и 2010; International Conference on Structural Safety and Reliability (ICOSSAR), Japan, 2009; Pipeline Pigging and Integrity Management
Conference, USA, 2009,2012; Conference and Exposition Rio Pipeline, Brasil, 2009, 2011; Pipeline Operations & Integrity Management, Bahrain, 2012.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 18 научных работах автора, в том числе в двух статьях, опубликованных в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК; в 11 статьях, опубликованных в трудах дважды рецензируемых международных конференций1; в пяти тезисах на Всероссийских конференциях, а также в четырех научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации 214 страниц, включая 56 рисунков, 52 таблицы, 175 литературных источников (из них 70 иностранных).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта общая характеристика диссертационного исследования: обоснована актуальность темы; сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость работы; охарактеризованы объект и предмет исследования.
В первой главе рассмотрено общее состояние вопроса и представлен аналитический обзор работ, освещающих проблемы оценки целостности и надежности ТС с дефектами, существующие методы расчетов ТС на прочность, надежность и их недостатки. Сформулирована постановка задач исследований.
Во второй главе представлен метод статистического анализа результатов диагностики ТС. Суть метода заключается в сравнении показаний менее точного инструмента с ограниченным множеством измерений более точного (верификационного). Конечная цель метода - калибровка результатов диагностики, позволяющая более точно оценивать истинные значения параметров всех обнаруженных дефектов.
Метод построен на математической модели измерений:
р,=а+/}рп+Б1, pr=p,r+sv, (1)
где р1г- истинное (неизмеримое) значение измеряемого параметра дефекта, р, -показание внутритрубного инструмента (ВТИ); ру- показание верификационного инструмента (ВИ); а,р - постоянные погрешности измерений ВТИ:а - среднее смещение, /? - мультипликативное смещение; е, -случайная погрешность измерения ВТИ; £,. - случайная погрешность измерения ВИ.
При известном значении дисперсии ПИ ВИ a2cV, которую можно определить по паспорту инструмента, оценки параметров модели измерений (1) а,/? вычисляются по формулам:
Р= 2 - <* = р,-Рр,., (2)
где р,,ру - выборочные средние измерений ВТИ и ВИ соответственно; s],sy -
' Общий объем публикации в трудах международных конференций составляет 8.7 а.п.л.
несмещенные выборочные дисперсии измерений ВТИ и ВИ соответственно, sn, - ковариация измерений ВТИ и ВИ.
Точность ВТИ определяется дисперсией его ПИ:
âh =SI -frêl- (3)
где àl =sf -cri,- - дисперсия истинного значения параметра дефекта р,г.
Оценка истинного размера параметра верифицированного дефекта рассчитывается по формуле:
Р,г=Рг+с2г, (4)
где с, = /(Дст^.сг2, ) вычисляется на основе обобщенного метода наименьших
квадратов; r = p,-à-Ppr остатки (разности) между измерениями ВТИ и соответствующими значениями, полученными из регрессионной модели.
Вариация оценки истинного значения параметра верифицированного дефекта определяется по формуле:
v{p„) = \x c;X'J', (5)
где Сс€ - ковариационная матрица ПИ X = {J) lj - вектор-строка.
Если верифицировано п дефектов, то уточненное значение параметра дефекта для (п + i)-rо неверифицированного измерения ВТИ р"" определяется из уравнения:
p:rH=i+fp",\ (6)
где ^параметры калибровочной линии.
Вариация оценки истинного значения параметра неверифицированного дефекта:
^ ( ДГ1 )=(« - 0" ^ + ^ (г )[(К+1 - ^ )2 - ^ ]+Я2^, (7)
где вариация оценки параметра у равна:
(8)
ту{п-\)
а параметры, входящие в это выражение, вычисляются по формулам:
« 1
Z[(a,-ру)~г{р„-р,)]
("-2) ' '' U2/.v;V, Д<1,
где величина À является корнем уравнения:
(9)
'0 0 ^
с „,-л = 0. (10)
В этом выражении Сл, - ковариационная матрица измерений (р,,/V) • Методика проверена с помощью метода статистических испытаний, путем моделирования разных видов распределений. Ее применение к тестовому
примеру2 представлены на рис 1 и 2. Из них видно, что оценки истинных значений глубин дефектов, полученные по разработанной методике, намного ближе к истинным значениям, чем неоткалиброванные измерения ВТИ.
тг. У, ло с» л; да у> ш ш ¡*>
ifuwiip дзф&к!» г. «озрасга!е:цеД п^сяе.юаарепычк™ ¿uafopeia« '''.ч.мр /Офсета * •ииярсин*
Рисунок 1 - Истинные значения глубин Рисунок 2 - Истинные значения глубин верифицированных дефектов, их оценки и невергфицированных дефектов, их оценки измерения ВТИ и измерения ВТИ
В третьей главе проведен анализ уровня надежности, фактически заложенного в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» и в международные нормы оценки остаточной прочности ТС: B31G, B31Gmod, Batteile, DNV и SheI192.
Согласно проведенному исследованию, СНиП уменьшает за счет сочетания раздельных коэффициентов надежности (зависящих от технологии изготовления трубы, ее диаметра, марки применяемой стали и расчетного давления перекачки) показатели прочности (предел прочности /?,* и предел текучести R'2) материала трубы, на величину, изменяющуюся от 33,7% до 67,2% для Я,* и от 43,5% до 81,8% для RУменьшенные таким образом /?,* и Ä* в статистическом смысле соответствуют квантили бесконечно малого порядка, то есть вероятности того, что реальная прочность материала трубы будет меньше Rl (R2).
Учитывая, что нагрузка и прочность материала трубы - независимые случайные величины (СВ), для вероятности события, на которое фактически рассчитывается трубопровод, получим:
P = P(R,)-p(\-P{nPop)), (11)
где P(R\) - вероятность того, что реальная прочность материала трубы будет меньше /?,; Р{ 1 - Р(пРор))- вероятность того, что нагрузка на трубопровод превысит пРор, где п - коэффициент надежности по нагрузке.
Вышеизложенный анализ применен к реальному наземному нефтепроводу (НП) из трубной стали марки 17ГС и класса прочности К52, с диаметром 720 мм, толщиной стенки трубы 8 мм, III категории по СНиП
2 Было смоделировано 120 измерений глубин дефектов (истинные глубины дефектов распределены логнормально), т которых 30 верифицированы
2.05.06-85*, с проектным давлением 6.2 МПа, допустимым рабочим давлением перекачки Рор = 5,5 МПа, коэффициентом условий работы т = 0,9, коэффициентами надежности по материалу к\ = 1,47 и Аз = 1,15, коэффициентом надежности по назначению трубопровода к = 1 и коэффициентом надежности по нагрузке п = 1,1.
Для данного НП расчетные показатели прочности = 312,25 МПа ий2 = 276,26 МПа.
Согласно рекомендациям лаборатории С-РЕЯ3, показатели прочности материала трубы распределены нормально с параметрами:
- предел прочности - матожидание т = 1,12-510,00 = 571,20 МПа и СКО а = 0,035-/и= 19,99 МПа;
- предел текучести - матожидание т = 1,10-353,00 = 388,30 МПа и СКО а = 0,035-/я = 13,59 МПа.
Тогда расчетные показатели прочности и К2 будут иметь порядок квантили, равный 5,35Т0"39 и 5,55-Ю"'7 соответственно. Следовательно, вероятность того, что реальная прочность материала трубы будет меньше R|, практически равна нулю (5,35-10"3 ).
Согласно рекомендациям С-РЕК, отношение между рабочим давлением перекачки Рор = 5,5 МПа и проектным давлением Ра = 6,2 МПа описывается Бета-распределением со средним значением т = 0,865-5,500/6.200 = 0,767 и СКО а = 0,084-от = 0,064. Тогда величина пР^/Р^ =1,100-0,887 = 0,975 будет иметь порядок квантили, равный 0,999999929274. Следовательно, вероятность Р( 1 - Р(пР01,)) = 7,07-Ю"8. Таким образом, расчетная вероятность Р из (11) является бесконечно малой (/> = 5,35-10 -7,07-Ю"8).
Далее на примере реального ТП с толщиной стенки трубы 9 мм, диаметром 325 мм, пределом текучести 245 МПа, пределом прочности 410 МПа и проектным рабочим давлением 6,4 МПа, показана методология оценки фактического уровня надежности, заложенного в международные нормы расчета ТС с поверхностными коррозионными дефектами - ВЗШ, ВЗЮтос!, 8Ье1192, ОКУ, РСОЯЯС (ВайеПе) (основанные на едином коэффициенте запасе прочности) и методология исследования чувствительности вероятности отказа (ВО), то есть оценки влияния на вероятность отказа/надежность дефектного участка ТС случайности параметров геометрии трубопровода (диаметр и толщина стенки трубы), свойств материала трубы (предел прочности и предел текучести), нагрузки (рабочее давление) и геометрии дефекта (глубина и длина).
Для оценки ВО используется вероятностный метод на основе ряда Грама-Шарлье-Эджворта, который позволяет учитывать вероятностный характер параметров геометрии и свойств материала трубы, параметров дефекта и давления перекачки, и оценивать вероятность отказа/надежность единичного дефектного участка ТС. Метод представляет собой оценку вероятности того, что функция предельного состояния (ФПС) единичного дефектного участка ТС в рассматриваемый момент времени X положительна. ФПС Г(?) - это разность
3 Reliability-based Design and Assessment of Onshore Natural Gas Transmission Pipelines
A Proposed Standard. C-FER Project No. L128. - 2005
между оценкой давления разрыва (разрушения) в момент времени определяемой по какой-либо обозначенной выше международной норме, и значением рабочего давления перекачки. Неизвестная плотность вероятности ФПС аппроксимируется ортогональным полиномом - частичной суммой ряда ГШЭ.
Для получения более точных оценок ВО дефектного участка ТС в данный метод были внесены поправки на нелинейность ФПС путем уточнения выражений для матожидания и дисперсии СВ }'(/).
Давление разрушения (ДР) идеальной трубы (без дефектов) вычисляется по формуле:
2и7 -<т,
(12)
D
где к t — толщина стенки трубы, D - диаметр трубы, af- напряжение текучести.
Все рассматриваемые нормы вместо напряжения текучести используют либо SMYS либо UTS, прибавляя к ним или умножая их на свой коэффициент, где SMYS и UTS - минимальный предел текучести и предел прочности материала трубы, соответственно.
С помощью метода ГШЭ была получена ВО идеального ТП. Результаты расчета, в зависимости от числа параметров ТП, рассматриваемых как СВ, представлены в таблице 1.
Использование в (12) вместо О/ Все параметры ТП СВ Все параметры ТП СВ кроме
Диаметра Толщины стенки трубы SMYS или UTS Давления
SMYS 7.39-Ю"1'' 7,1010''' 4,38-10'22 6.7 МО'26 8,74-Ю-3"
UTS 1,55'Ю"47 1,3 МО'47 1,4410('2 9,28'10"8'' 5,63-Ю-''6
Согласно таблице 1 наибольшая вероятность отказа идеального ТП наблюдается для случая, когда все его параметры - случайные величины. Наиболее чувствительной ВО оказалась к случайности рабочего давления при использовании SMYS, и к пределу прочности при использовании UTS (ВО в этих случаях минимальна). Далее, в порядке убывания чувствительности ВО, идут: в случае использования SMYS - предел текучести и толщина стенки трубы, в случае использования UTS - давление и толщина стенки трубы. В обоих случаях ВО не чувствительна к диаметру ТП.
На следующем шаге была найдена оценка ВО идеального ТП, в зависимости от используемой нормы расчета ТС на прочность.
По результатам расчета все методики дают наибольшую вероятность отказа, когда все параметры ТП - случайные величины. Наиболее чувствительной ВО оказалась к давлению - для методик B31G, B31Gmod, и к пределу прочности - для методик Battelle, DNV, Shell92. Далее, в порядке убывания чувствительности ВО, идут предел текучести и толщина стенки трубы - для методик B31G, B31Gmod, и давление и толщина стенки трубы — для методик Battelle, DNV и Shell92. Во всех случаях ВО не чувствительна к диаметру ТП.
Для оценки влияния на ВО дефектного участка ТС случайности его
параметров, параметров трубопровода и нагрузки были рассмотрены два характерных дефекта типа «потеря металла»; первый - самый протяженный и неглубокий, второй - самый глубокий, но не протяженный. Параметры дефекта №1 - глубина 2,25 мм и длина 226 мм, у дефекта №2 - глубина 5,62 мм и длина 70 мм.
При оценке ВО этих дефектов рассматривалось шесть случаев: №1 - все параметры СВ. кроме диаметра; №2 - все параметры СВ, кроме толщины стенки трубы; №3 - все параметры СВ, кроме глубины и длины дефектов; №4: все параметры СВ, кроме предела текучести и прочности материала трубы; №5 - все параметры СВ, кроме рабочего давления; №6 - все параметры СВ.
Проведенное исследование позволило сделать следующие общие выводы (см рисунок 3 и 4):
- ВО для всех, методик наиболее чувствительна к случайности глубины и длины дефекта. Разница между оценками ВО в случаях №3 и №6 очень существенна. Когда параметры дефекта - детерминированные величины, вероятность отказа минимальна (надежность максимальна) даже при рассмотрении глубоких или протяженных дефектов.
- для методик B31G и B31Gmod вторым параметром по чувствительности ВО является случайность рабочего давления перекачки, а для методик Battelle, DNV и Shell92 - случайность предела прочности материала
Рисунок 3 — Вероятность отказа самого Рисунок 4 - Вероятность отказа самого протяженного дефекта глубокого дефекта
В четвертой главе деградация остаточной прочности (уменьшение значения давления разрушения) единичного дефектного участка ТП и распределенной ТС с дефектами описана неоднородным Марковским процессом чистой гибели (МПЧГ).
Возможный диапазон (Рор; /у(0)] изменения ДР Pf (/) разбивается на М-1 равных непересекающихся интервалов (состояний), где Pf(0) - ДР в начальный момент времени t = 0, Рир - рабочее давление перекачки. Последнее состояние (состояние отказа) принимается равным (0; Рор].
Вероятности нахождения ДР дефектного участка ТП в каждом состоянии в момент времени полученные путем решения системы дифференциальных уравнений, описывающей процесс перехода ДР из некоторого (заданного) в другое состояние, вычисляются по формулам:
= ' = 1.... Ai-l,
Ри (0=1-
где функция р(1)\
мл п> 1 fл exp{-p(,)}+Z^exp{-p(/)}
p(t) = ]/u{r)dT,
14)
В этой формуле /4/) - интенсивность перехода из одного состояние в другое, связанная со скоростью изменения СВ РДО следующим образом:
л/, (15)
где Л1 - ширина интервалов.
Для распределенной ТС выражения (13) принимают вид:
1(') = 1
Pt
ехр{-/7 (/*)}, к = 1,..,А/ —1,
Pi
ркЧ<)
(16)
ехр{-р(/)},
где р, ,рг,~,рм - начальное (при Г = 0) распределение ДР дефектых участков по М состояниям:
р* = Р, (0) = и, (О) / /V, (i = 1,2,.., JW), (17)
где «,(0) - число дефектов, давление разрушения которых в момент времени / = 0 попало в /'-ый интервал, /V - общее число обнаруженных дефектов.
Для ТС с дефектами значение функции p(t) в конкретный момент времени t определяется как выборочная квантиль порядка а набора значений функций р(1) (/' = 1..JV) всех дефектов, т.е. p(i) = p\t), где p\t) - к-ая порядковая статистика вариационного ряда p'(t) < p\t) <, ... , < pN(t) выборки значений функцийpi(t),p2(t), ... ,ptAl) в рассматриваемый момент времени !.к = [aN + 1], где [...] - целая часть, Порядок а выбирается из различных инженерных соображений, или решения соответствующей оптимизационной задачи.
В выражениях (13), (16) вероятность P^t) нахождения СВ Pj(t) в последнем интервале (состоянии отказа) является вероятностью отказа дефектного участка (ТС с дефектами) в момент времени t по критерию «разрыв».
На основе построенного МПЧГ определяется гамма-процентный остаточный ресурс ty единичного дефектного участка (ТС с дефектами), то
есть время, в течение которого поперечное сечение ТП с дефектом (ТС с дефектами) не достигнет предельного состояния по отказу типа «разрыв» с вероятностью у, заданной в процентах, путем численного решения относительно времени / следующего уравнения:
Y 100'
где F{lr) = Pm{tr) функция распределения времени пребывания ДР в первых (М -1 ) состояниях.
На рисунке 5 представлена гистограмма коэффициентов запаса (КЗ) прочности дефектных участков ТП по разрушающему давлению, соответствующих гамма-процентному остаточному ресурсу (ГПОР) при y = 90%. При расчетах использовалась норма B31Gmod. В анализе участвовали 3372 дефекта типа «потеря металла» реального ТП,
145 1.50 1,5b l.eU 1,65 1/0
коэффшивнт а» прочности к по ри^шающшу аапмш параметры которого определены Рисунок 5 - Гистограмма коэффициентов выше, запаса прочности дефектных участков
Согласно проведенному анализу с использованием всех норм прочности, ГПОР дефектов при у = 90% в среднем соответствует КЗ прочности К от 1,5 до 2,0, причем СКО этих коэффициентов во всех случаях не превышает 0,03, что соответствует 1,5 - 2,0 % от их матожидания.
Оптимальный период контроля и выполнения профилактических и ремонтных работ на ТС определяется из условия минимума суммарной функции затрат S(х„) на поддержание трубопровода в исправном состоянии:
S(to,) = C0Pm (j„r)+Clu —--> min , (19)
тог + г,.
где tj - срок эксплуатации трубопровода; г,- — среднее время проведения профилактических и ремонтных работ; С1и - стоимость проведения инспекции/диагностики; С0 — стоимость последствий отказа; Рм(тог) -вероятность того, что в момент тог давление разрушения находится в состоянии отказа; Cç,PsATor) - вероятный убыток от аварии, когда ДР находится в последнем состоянии.
Функция S(xor) непрерывна и дифференцируема при любом тог: d(r,,r) < wt, где d(zor) - глубина дефекта в момент гог, поэтому оптимальный период т„г определяется с помощью численного решения уравнения:
= -, Т" ,2C1L1 + PU (тог)С0 = О. m
(Tor + Tr)
В пятой главе представлена методология оценки энтропии, производимой процессом деградации дефектных участков ТС. Этот физический показатель является более общим чем вероятность. Энтропия дефектного участка ТС как функция времени, производимая деградацией остаточной прочности, вычисляется по формуле:
м
('№(')], (2D
/=1
где Pj(t) - вероятность нахождения ДР дефектного сечения трубы в /'-ом состоянии (/' = 1, 2, ..., АГ) в момент времени /, вычисленная по формулам ( 13).
В предположении, что дефекты независимы между собой, энтропия всего трубопровода как системы дефектов, оценивается по формуле:
N Л' Л/
= = (22)
;=| 1=1 , I
где /у0 - вероятность нахождения ДР /'-го дефектного сечения трубы в /-ом состоянии в момент времени I, вычисленная по формулам (13).
Некоторые результаты проведенного анализа представлены на рисунках
6 м 7.
Рисунок 6 - Изменение энтропии Рисунок 7 - Изменение энтропии шести
дефектного участка, глубиной 60%\у1 дефектных участков ТС (норма ОТч1У)
Согласно проведенному исследованию, максимум энтропии дефектного сечения имеет одинаковое значение, инвариантное относительно используемой нормы, глубины и скорости роста дефекта, что подтверждает его фундаментальную природу. Энтропийный показатель может быть использован для ранней диагностики состояния ТС и оптимизации планирования его технического обслуживания.
В шестой главе представлена комплексная методология предсказательного технического обслуживания и ремонта ТС. По сути эта методика обобщает все разработанные методы, описанные выше. Методология построена на полном наборе последовательно наступающих вероятностных и детерминированных критериев предупреждающего, критического и предельного состояния (отказа) ТС с дефектами, см. таблицу 2.
Таблица 2 - Используемые критерии
№ Используемый критерий Описание критерия
Детерминированные критерии
1 Глубина дефекта ¿¿(г) равна к,г\00% толщины стенки трубы Критерий достижения дефектом критического состояния.
2 ¿(0 = -и* Глубина дефекта с/(1) равна 100% ми. Критерий достижения дефектом предельного состояния
3 II .5° Максимально допустимое рабочее давление Ра{1) равно рабочему давлении! Р,,г. Критерий достижения дефектом критического состояния.
4 РГ(') = Рог Давление разрушения равно Р„р. Критерий достижения дефектом предельного состояния
Продолжение таблицы 2
Вероятностные критерии
5 ВО = Q, ВО дефектного участка ТП равна предельно допустимой ВО £>/. Критерий достижения дефектом уровней риска, в зависимости от нормативных значений О/.
6 'г Гамма-процентный остаточный ресурс, рассчитанный на основе МПЧГ. Критерий достижения дефектом критического состояния.
7 Т„г Оптимальное время ремонта дефекта, вычисленное на основе МПЧГ.
На рисунке 8 представлено время наступления критериев таблицы 2 для самого опасного дефекта ТП. Согласно рисунку 4 критерий 5 достигнут в 2005 году (ВО равна Ю"5) и в 2007 году (ВО равна 10"4). Далее идут: критерий №1 (d(t) = 0,8м>/), критерий №7 (оптимальное время ремонта согласно МПЧГ). критерий №6 (ГПОР согласно МПЧГ), критерий №3 (PJl) = Р0р), и критерий №4 (Pf(t) = Рор) и критерий №2 (d(t) = wt). По сути это описание последовательности развития аварийной ситуации на ТП.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Диссертация выполнена как системное исследование. Она представляет собой совокупность связанных между собой задач, когда решение (выход) первой задачи является исходным (вход) для второй и третьей задач, а результаты их решения используются при разработке методики оптимальной эксплуатации ТС.
Разработана методология предсказательного технического обслуживания и ремонта ТС с дефектами коррозионного типа.
Предложенный метод позволяет принимать обоснованные решения, когда проводить диагностику, техническое обслуживание и ремонт трубопровода и минимизировать эксплуатационные расходы, без создания угроз для его целостности.
Полученные результаты, по мнению автора, имеют универсальный и методический характер и могут найти применение при оценке вероятности отказа/надежности и остаточного ресурса ТС различного назначения.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рецензируемых журналах из списка ВАК:
I Описание процесса деградации тонкостенных трубопроводных систем с дефектами Марковской моделью чистой гибели [Текст] / A.B. Бушинская. С.А. Тимашев // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2010. - № 5. -С. 120-126.
t0I ; Ч''
во - ну ! Р,И);=Г ;
1 Г у) ■ У, ч
ч
Год наступлений критерия
Рисунок 8 - Наступление критериев таблицы 2 в хронологическом порядке
2. Вероятностная методика предсказательного обслуживания трубопроводных систем [Текст] / С.А. Тимашев, А.В. Бушинская // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12, № 1(2).-С. 548-556
В трудах рецензируемых международных конференций:
1. Comprehensive methodology of predictive maintenance of pipelines with different types of defects based on IL1 data analysis [Текст] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Conference and exposition Rio Pipeline. - Rio de Janeiro, Brasil. -September 2011. - Paper #IBP1599_11 (0,8 а.п.л.)
2. Description of pipeline strength degradation as a pure death Markov process and its implementation in IMP [Text] / A.V. Bushinskaya // Proceedings of IPC Conference. Calgary, Canada. - September 2010. - Paper #IPC2010-31275 (0,7 а.п.л.)
3. Diligent statistical analysis of ILI data: implications, inferences and lessons learned [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Pipeline Pigging and Integrity Management Conference. - Houston. - February 2009. - Paper #19 (1,0 а.п.л.)
4. Holistic statistical analysis of structural defects inspection results [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Proceedings of ICOSSAR Conference. - Japan, Osaka. - September 2009. - Paper #ICOSSAR09-0773 (0,7 а.п.л.)
5. Internet - oriented method of reliability analysis of on-shore pipelines with growing defects [Text] / S.A. Timashev, M.G. Malyukova, L.V. Poluian, A.V. Bushinskaya // Proceedings of IPC Conference. - 2008. - Paper #IPC2008-64545 (0,9 а.пл.)
6. On-line method of reliability analysis of pipelines with growing defects [Text] / L.V. Poluyan, A.V. Bushinskaya, M.G. Malyukova, S.A. Timashev // ICOSSAR. -Japan. -2009. Paper #ICOSSAR09-0155 (0,7 а.п.л.)
7. Practical methodology of predictive maintenance for pipelines [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Proceedings of IPC Conference. - Calgary, Canada. -September 2010. - Paper #IPC2010-31197 (0,9 а.п.л.)
8. Predictive maintenance of pipelines [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Pipeline Operations & Integrity Management. - Bahrain. - March 2012,- Paper #7 (1,0 а.п.л.)
9. Predictive maintenance of pipelines with different types of defects [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Pipeline Pigging and Integrity Management Conference. - Houston. - February 2012. - Paper #17 (0.9 а.п.л.)
10. Statistical analysis of real ILI data: implications, inferences and lessons learned [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Conference and exposition Rio Pipeline. - Rio de Janeiro, Brasil. - 2009. - Paper #IBP1566_09 (0,5 а.п.л.)
11. Statistical implications of adjustments of raw ILI data [Text] / S.A. Timashev, A.V. Bushinskaya // Conference and exposition Rio Pipeline. - Rio de Janeiro, Brasil. - 2009. - Paper #IBP1567_09 (0,6 а.п.л.)
Формат 60x84/16. Бумага ВХИ, 80 гр/м.2 Тираж 100 экз. Заказ 145. Изготовлено в полном соответствии с качеством предоставленных оригиналов заказчиком в ООО "Типография "ЧИПС", 454080, г. Челябинск, ул. Энтузиастов, 6, тел. (351) 215-06-39.
© Бушинская А.В., 2012
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» Уральского отделения Российской академии наук
На правах рукописи
Бушинская Анна Викторовна
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗА ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ С ДЕФЕКТАМИ КОРРОЗИОННОГО ТИПА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИХ ДИАГНОСТИКИ
Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Тимашев Святослав Анатольевич
Екатеринбург - 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.........................................................................................................4
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 5
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................................16
1.1 Существующие методы оценки целостности трубопроводных систем с активно растущими дефектами............................................................................16
1.2 Существующие пробелы знаний и нерешенные задачи.............................43
1.3 Цели и задачи исследования..........................................................................46
2 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИАГНОСТИКИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ............................................................................. 48
2.1 Постановка задач.............................................................................................48
2.2 Статистический анализ и калибровка результатов внутритрубной диагностики...........................................................................................................49
2.3 Алгоритм статистического анализа результатов диагностики трубопроводных систем.......................................................................................76
2.4 Выводы к главе................................................................................................84
3 АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗА ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ С ДЕФЕКТАМИ К СЛУЧАЙНОСТИ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ..........................................................................................................85
3.1 Постановка задач.............................................................................................85
3.2 Методика оценки вероятности отказа/надежности дефектных участков трубопроводных систем.......................................................................................85
3.3 Анализ уровня надежности, фактически заложенного в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы»........................................................................93
3.4 Анализ уровня надежности, фактически заложенного в международные нормы расчета трубопроводных систем...........................................................102
3.5 Анализ чувствительности вероятности отказа трубопроводной системы с дефектами к случайности ее параметров.......................................................... 108
3.6 Выводы к главе.............................................................................................. 114
4 ВЕРОЯТНОСТЬ ОТКАЗА, ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС И ОПТИМИЗАЦИЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ИНСПЕКЦИИ/РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ...............................................................................................................115
4.1 Постановка задач...........................................................................................115
4.2 Описание процесса деградации остаточной прочности трубопроводной системы с дефектами Марковским процессом чистой гибели......................115
4.3 Оценка скорости роста параметров дефектов............................................125
4.4 Оценка гамма-процентного остаточного ресурса.....................................128
4.5 Оптимизация срока проведения профилактических и ремонтных работ на трубопроводной системе....................................................................................135
4.6 Алгоритм разработанной методологии......................................................136
4.7 Выводы к главе..............................................................................................141
5 ЭНТРОПИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ, ДЕГРАДИРУЩИХ ВО ВРЕМЕНИ................................................................................................................142
5.1 Постановка задач........................................................................................... 142
5.2 Энтропия, производимая деградацией дефектных участков
трубопроводных систем.....................................................................................142
5.3 Анализ энтропии трубопровода и его дефектных участков.....................144
5.4 Выводы к главе..............................................................................................163
6 МЕТОДИКА ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ........................................164
6.1 Постановка задачи........................................................................................164
6.2 Метод оценки времени наступления критического и предельного
состояния трубопроводной системы с дефектами коррозионного типа.......165
6.3 Пример численного расчета.........................................................................173
6.4 Выводы к главе..............................................................................................182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................184
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................186
ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................205
ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................206
ПРИЛОЖЕНИЕ В...................................................................................................208
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная работа выполнена в рамках планов 2008-2010 гг. бюджетных научно-исследовательских работ Научно-инженерного Центра «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН, утвержденных Отделением энергетики, механики и процессов управления РАН. Результаты этих исследований были использованы для решения ряда прикладных задач по заказу промышленности в интересах ЗАО НПО «СПЕЦНЕФТЕГАЗ», ООО «Газпром добыча Оренбург», ОАО «ДИАСКАН».
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современные технологии, обеспечивающие жизнеобеспечение общества и выпуск современной конкурентоспособной продукции, осуществляются системами из машин, приборов, аппаратуры и конструкций, которые, в совокупности, образуют инфраструктуры, распределенные на некоторой территории. Наиболее важные инфраструктуры называются критичными инфраструктурами (КИ), а важнейшие из них -стратегическими инфраструктурами (СИ).
Одним из наиболее распространенных элементов КИ являются трубопроводные системы (ТС). К ним относятся основные элементы трубопроводов АЭС и ТЭЦ, систем управления самолетами и судами. ТС транспортируют нефть, нефтепродукты, газ, С02, воду, пар, рудную и угольную пульпу и составляют основу экономики всех развитых стран, в том числе России. От их безопасного функционирования зависит устойчивая эксплуатация систем, элементами которых они являются.
Обеспечение надежной и безотказной работы крупных транспортных ТС, к которым относятся промысловые и магистральные нефте-, продукто- и газопроводы, трубопроводный транспорт С02, паропроводы, водоводы и др. представляет задачу государственной важности [33]. Многие из них имеют стратегическое значение, так как обеспечивают энергетическую безопасность страны и служат важным инструментом защиты интересов России на международной арене.
Основной причиной деградации ТС является разрушение стенок труб от коррозии, эрозии, накопления усталостных повреждений, воздействий ударных нагрузок и т.п. При этом отличительной особенностью деградации таких систем является, как правило, наличие множества активно растущих дефектов различной природы, каждый из которых является потенциальной угрозой для их целостности. Нарушение целостности приводит к потере содержимого трубопровода: воды, пара, теплоносителя (например, лития или натрия в
тепловых контурах АЭС), природного газа, нефти, керосина, бензина и т.д. Это нередко приводит к ущербам, которые могут достигать нескольких миллиардов рублей.
Обнаружение дефектов стенок труб в основном происходит в ходе диагностики с применением различного рода измерительных инструментов (ИИ). Информация, выдаваемая ИИ, неизбежно содержит постоянные (систематические) и случайные погрешности измерений (ПИ), которые могут сильно исказить реальное состояние изучаемой системы.
Если ИИ переоценивает размеры дефектов, то это существенно ухудшает реальное состояние трубопровода, что приводит к существенным экономическим затратам из-за необоснованного ремонта дефектов. При недооценке размеров дефектов возможно возникновение аварийных ситуаций, приводящих к большим экологическим и экономическим потерям.
Таким образом, очевидно, что при оценке опасности дефекта одним из самых главных компонентов ее состоятельности является то, насколько точно были определены параметры правильно выявленных и опознанных дефектов. Наиболее правильно определять эти размеры с учетом реализуемой величины ПИ для каждого конкретного инструмента и конкретного трубопровода.
В связи с этим весьма актуальной становится задача оценки ПИ измерительного инструмента (ИИ), применяемого на конкретном объекте для определения его состояния. Знание ПИ, проявленных ИИ при его применении в условиях реального объекта, позволяет их учесть и получить наилучшие оценки истинных значений параметров дефектов, на основе которых можно выполнить более надежные расчеты остаточной прочности, надежности и остаточного ресурса ТС, а также назначить для них оптимальные сроки следующего обследования.
Для адекватной оценки безопасности ТС необходимо уметь определять ее реальную вероятность отказа/надежность и остаточный ресурс как функции времени.
В настоящее время расчет трубопроводов как правило проводят на основе
детерминированных методов механики тонкостенных цилиндрических оболочек. Детерминированные критерии не позволяют в полной мере дать оценку вероятности отказа ТС, так как не учитывают случайность геометрии трубопровода (толщина, диаметр и размеры возможных вмятин), свойств материала трубы (предел текучести и предел прочности), нагружения (изменение давления перекачки), наличия большого числа растущих во времени дефектов различной природы, неопределенность их размеров из-за присутствия неустранимых погрешностей измерений при диагностике трубопровода.
Для решения данной проблемы необходимо использовать вероятностные методы, позволяющие адекватно оценивать вероятность отказа/надежность ТС.
Для систем с множеством дефектов классический подход теории структурной надежности - представление системы в виде последовательно-соединенных элементов (дефектных сечений) - не применим на практике. При расчете по этой схеме вероятность безотказной работы всей системы равна произведению вероятностей безотказной работы всех элементов. Показатели надежности такой системы оказываются значительно ниже соответствующих показателей элементов.
В реальных ТС число дефектов может быть весьма велико и формальное применение классического подхода структурной теории к оценке надежности приводит к неправдоподобным результатам, резко отличающимся от реальной картины явления. Основная причина этого заключается в том, что не все дефекты системы дают вклад в вероятность отказа (ВО) при фиксированном временном горизонте прогноза целостности. Однако в классическом расчете ВО все они участвуют, и существенно влияют на ее значение. Кроме того, данный подход не учитывает того обстоятельства, что ТС - это восстанавливаемая система.
Основная проблема обеспечения целостности и безопасности эксплуатации трубопроводов заключается в необходимости адекватного прогнозирования их будущего технического состоянии, на основе которого
определяется время (остаточный ресурс) до наступления предупреждающего, критического или предельного состояния.
Согласно принципу активного технического обслуживания для потенциально опасных сооружений и конструкций, к которым принадлежат различного рода трубопроводы, к категории «условно-предельных» могут быть отнесены состояния, реализация которых не обязательно приводит к необходимости прекращения функционирования по назначению или снятию объекта с эксплуатации. Только истинно предельные состояния приводят к физическим авариям и катастрофам или к необходимости немедленной остановки/ремонту объекта. Так называемые «предупреждающие» и «критические» отказы не приводят к авариям, поскольку являются условными отказами и вводятся из различных инженерных соображений чтобы зафиксировать момент наступления некоторых характерных состояний объекта, которые «запускают» определенные управляющие действия по поддержанию системы в работоспособном состоянии (диагностика, ремонт, снижение давления перекачки и т.д.). Эти состояния служат «уровнями», которые оптимизируются в задаче многоуровневой политики управления вероятностью отказа сложных объектов. В качестве предупреждающего и критического отказа должны выбираться различные вероятностные показатели и/или физические (геометрические) характеристики системы. Реализация данного подхода требует умения достаточно точно вычислять время наступления этих видов условных отказов.
Из сказанного ясно, что разработка методики предсказательного технического обслуживания и ее отдельных компонент является весьма актуальной задачей.
В связи с перечисленным выше возникла необходимость в разработке новых подходов к оценке вероятности отказа/надежности, остаточного ресурса трубопроводных систем, более точно отражающих их физическую сущность, и позволяющих определять оптимальное время для проведения следующей диагностики или ремонта ТС. Это и стало целью настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка методики предсказательного технического обслуживания ТС с дефектами коррозионного типа, к которым относятся дефекты типа «потеря металла» и дефекты, которые с помощью специальных моделей можно привести к дефектам этого типа.
Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие задачи:
— Построена модель деградации несущей способности единичного дефектного участка трубы и распределенной ТС, обладающей конечным множеством дефектов коррозионного типа, в виде неоднородного Марковского процесса чистой гибели (МПЧГ). Модель позволяет управлять процессом эксплуатации ТС на основе вероятности ее отказа;
— На основе разработанного МПЧГ предложены:
- подход к прогнозированию гамма-процентного остаточного ресурса
ТС и единичного дефектного участка трубы;
- модель оценки оптимального периода выполнения
профилактических и ремонтных работ в ТС, минимизирующая средства
на ее обслуживание;
Разработана методология оценки энтропии, создаваемой процессом деградации дефектного участка ТС с возможным отказом типа «разрыв», а также всего трубопровода как системы, в целях установления соотношений между различными фундаментальными физическими и вероятностными состояниями ТС и возможностью ранней их диагностики по показателю энтропии;
— Разработан метод статистического анализа результатов обследования ТС, обеспечивающий калибровку и повышение точности всех измерений размеров параметров дефектов, на основе совместного рассмотрения результатов диагностики и ограниченного по объему дополнительного диагностического контроля (верификации);
— Проведено исследование влияния на вероятность отказа/надежность ТС с дефектами случайности параметров геометрии трубопровода, свойств
материала трубы, нагрузки и параметров дефекта;
— Проведен анализ уровня надежности, фактически заложенного в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы;
— Выполнена программная реализация разработанной методики и входящих в нее подзадач.
Объект исследования: процесс деградации трубопроводной системы с растущими дефектами коррозионного типа.
Предмет исследования: методология оценки вероятности отказа/надежности, энтропии и остаточного ресурса линейных участков трубопроводных систем.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории тонких оболочек, механики ТС, теории вероятности и математической статистики, теории информационной энтропии, Марковских процессов, статистического моделирования (Монте-Карло), системного анализа.
Личный вклад автора. Этот вклад заключается в разработке нового (МПЧГ) и усовершенствовании существующего методов оценки вероятности отказа/надежности, остаточного ресурса и энтропии линейных участков ТС с дефектами коррозионного типа, а также в разработке методологии, позволяющей получать более точные оценки остаточной прочности, надежности и остаточного ресурса за счет повышения точности измерений параметров дефектов при их диагностике.
Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, базирующимся на использовании строгого математического аппарата, инженерных методов анализа надежности и безопасности ТС, современных достижений вычислительной техники, сопоставлением полученных результатов с результатами метода статистических испытаний (Монте-Карло), обсуждением результатов на Всероссийских и международных конференциях, многочисленными
положительными отзывами рецензентов на опубликованные работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— По�
