Вероятностное прогнозирование ресурса нефтегазового оборудования при эксплуатации в сероводородсодержащих средах
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Законодательными и нормативными требованиями к эксплуатации опасных производственных объектов промышленного комплекса России определены условия и критерии обеспечения допустимых вероятности и риска причинения вреда персоналу, населению и окружающей среде. Источниками причинения вреда при эксплуатации объектов добычи и переработки сероводородсодержащих нефти и газа служат отказы эксплуатируемого в их составе технологического оборудования.
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 путем повышения эффективности эксплуатации оборудования за счет продления его ресурса и предупреждения отказов.
Исследования проводились в соответствии с «Перечнем приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром» на 2006 - 2010 годы», включающим разработки по повышению промышленной безопасности производственного комплекса и управлению рисками, отраслевой программой ОАО «Газпром» «Диагностическое обслуживание объектов добычи газа» и «Перечнем научно-технических работ ООО «Газпром 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 ОАО «Техдиагностика» и применяются при определении возможности, условий и срока продления ресурса технологического оборудования производственных объектов ООО «Газпром добыча Оренбург», ООО «Газпром 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 ОАО «Техдиагностика» 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 А.М. Белостоцкого, Л.Р. Ботвиной, Б.С. Вольфсона, М.М. Гаденина, В.М. Горицкого, А.И. Гражданкина, Н.Н. Коновалова, А.М. Короленка, В.М. Кушнаренко, И.Р. Кузеева, А.М. Лепихина, М.В. Лисанова, Н.А. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, Р.Г. Маннапова, В.В. Москвичева, А.В. Митрофанова, В.Л. Мирочника, Б.Р. Павловского, В.Н. Пермякова, А.С. Печеркина, В.И. Рачкова, В.И. Сидорова, Е.Н. Синицына, О.И. Стеклова, А.П. Фота, Г.М. Хажинского, В.В. Харионовского, О.Ф. Чернявского и др.
В России с принятием Федеральных Законов "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 21.07.1997 г. № 116-ФЗ, "О техническом регулировании" от 27.12.2002 г. №184_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 03-41801 "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 28 марта 2001 г. № 241 и нормативными требованиями РД 03-484-02 "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.