Автореферат: Вероятностное прогнозирование ресурса нефтегазового оборудования при эксплуатации в сероводородсодержащих средах

Были проанализированы возможности и выполнен статистический анализ данных результатов натурной диагностики и лабораторных измерений параметров состояния и ресурса с применением основных методов диагностики, установленных нормативными требованиями как обязательные к применению при диагностических обследованиях. И дополнительных методов диагностики и исследований технического состояния, которые применяются в зависимости от их технической необходимости, определяемой уровнем достоверности диагностики основными методами, особенностями и степенью полноты информации о материальном исполнении, конструкции, эксплуатационной нагруженности и доступом к зонам контроля элементов оборудования. Таким образом, с использованием разработанного методического подхода установлены показатели достоверности методов диагностики параметров состояния и ресурса для последующего их учета в модели прогнозирования ресурса.

Исследования и обоснования показателей вариации значений параметров технического состояния, формы конструкции, дефектов и повреждений выполнены на основе анализа данных диагностического обследования, опубликованных и документируемых данных, собственных экспериментальных исследований технического состояния методами и приборными средствами диагностики. В табл. 2 представлены результаты исследований и расчетов показателей вариаций контролируемых значений толщин стенок и непроваров штуцерных узлов оборудования.

Таблица 2 - Показатели вариации контролируемых значений параметров формы конструкции и повреждений элементов оборудования

Результаты исследований показывают, что исполнительные толщины стенок - S_и конструктивных элементов имеют вариацию значений. Без учета вариации S_и прогнозирование ресурса, например по зависимостям (1), приводит к значительным переоценкам ресурса, особенно при значениях измеренной толщины - S_изм близких к S_и. Исследованиями установлено, что при отсутствии данных о прямых измерениях и документируемых данных о вариации - S_и, для оценки влияния S_и на достоверность прогнозирования ресурса величины среднего - и СКО - исполнительной толщины для металлопроката по ГОСТ 19903 могут быть оценены косвенно по номинальному значению толщины стенки - S_н, указанному в технической документации, с использованием полученных эмпирических зависимостей:

; .(2)

Исследования и обоснования показателей вариаций механических свойств и критериев предельного состояния металла были выполнены по результатам анализа и обобщения данных проектной, эксплуатационной, нормативной документации, технических условий, справочной литературы, анализа результатов многократных диагностических обследований, а также по результатам собственных стендовых экспериментальных испытаний и лабораторных исследований металла. В табл. 3 представлены результаты исследований и расчетов показателей вариаций механических свойств и критериев предельного состояния некоторых марок металла оборудования, где: _0,2 и _в - пределы текучести и прочности; - относительное удлинение; KCV - ударная вязкость для образцов типа Шарпи; [] - допускаемое напряжение.

Таблица 3 - Показатели вариаций свойств и критериев предельного состояния металла элементов оборудования.

Результаты исследований показывают, что без учета информации о вариации [] прогнозирование ресурса, например по зависимостям (1), приводит к значительным переоценкам продлеваемого ресурса. Экспериментально доказано, что при отсутствии данных результатов механических испытаний, результатов других исследований и документируемых сведений показатели вариаций критериев предельного состояния металла могут быть оценены косвенно с погрешностью не более 10% по данным контроля твердости (H) с использованием известных корреляционных зависимостей «H-_В», «H-_0,2», полученных для металла оборудования сероводородстойкого исполнения.

Полученные и представленные в табл. 2 и 3 результаты исследований позволяют дополнить недостающие данные диагностического обследования о показателях вариаций параметров формы, дефектов, повреждений и критериев предельного состояния металла.

Для оценок показателей вариаций механических свойств и критериев предельного состояния металла оборудования в случаях, когда в процессе длительной эксплуатации неразрушающими методами обнаружены изменения физико-механических свойств и структуры, влияющие на характеристики прочности и ресурса, был разработан метод отбора легкозаменяемых фрагментов конструкции оборудования, схемы вырезки и изготовления образцов металла для проведения комплекса испытаний на растяжение, ударный изгиб, мало- и многоцикловую усталость, трещиностойкость, лабораторных измерений твердости, спектрального анализа и металлографических исследований. Выполнен комплекс испытаний, проведен анализ их результатов и определены показатели вариации статических механических свойств, ударной вязкости, твердости, характеристик сопротивления усталости и трещиностойкости. Испытания выполнены на образцах, изготовленных из крышки бокового патрубка антипульсационной емкости поршневого компрессора и крышки люка-лаза адсорбера.

На основе анализа данных многократных обследований оборудования и выполненных исследований получен массив данных о базовых (исходных), фактических, нормативных и расчетных физико-механических свойствах и критериях предельного состояния для применяемых марок сталей оборудования. Эти данные содержат сведения о замерах твердости, результатах механических испытаний и исследований физико-механических свойств металла, выполненных за 15-ти летний период при диагностическом обследовании более 1000 единиц различных видов оборудования. Данные включают сведения для более 25 наименований наиболее распространенных применяемых для изготовления элементов оборудования марок сталей сероводородстойкого исполнения: Сталь 20, ASTM А106, ASTM A333Gr6, API Х42 и других.

По результатам выполненных исследований разработаны методические подходы, зависимости, алгоритмы, компьютерные программы обработки результатов измерения и оценки показателей вариаций, накоплен значительный банк данных о показателях вариации значений параметров формы конструкции, дефектов и повреждений, механических свойств и критериев предельного состояния металла элементов оборудования. Результаты исследований показывают, что значения параметров и критериев оценки состояния оборудования имеют исходные и накапливаемые совместные вариации значений. Разработанные методические подходы позволяют получить необходимую информацию о показателях достоверности диагностики и вариациях параметров и критериев оценки состояния для прогнозировании ресурса с учетом их совместных вариаций.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований и обоснования показателей вариаций параметров и критериев прогнозируемого ресурса.

Выполнены расчетно-экспериментальные исследования несущей способности и обоснования показателей вариаций критериев оценки технического состояния. Экспериментальные исследования проводились с применением методов тензо-, термо- и виброизмерений, специальных компьютерных программ сбора и обработки данных. Расчетные исследования несущей способности выполнены с применением нормативных расчетов на прочность, расчетов напряженно-деформированного состояния с применением пакетов компьютерных программ расчета методом конечных элементов, методов и программных средств математического и геометрического моделирования. Анализ опубликованных данных и расчетно-экспериментальных исследований несущей способности - прочности, надежности, живучести - показывает, что значения критериев оценки технического состояния, определяемые из условия исчерпания несущей способности, имеют случайный характер и вариацию значений, обусловленные совместными вариациями значений параметров состояния, эксплуатационных нагрузок и критериев предельного состояния металла. В табл. 4 представлены обобщенные результаты исследований и расчетов показателей вариации расчетной толщины стенки - S_р, используемой в качестве критерия оценки технического состояния при прогнозировании ресурса по механизму коррозионного (эрозионного) изнашивания обечаек газосепаратора. Показатели вариации S_р в табл. 4 определены с учетом совместных вариаций значений: Р - рабочего давления (параметра эксплуатационного нагружения); D - внутреннего диаметра (параметра формы); [] - допускаемого напряжения (критерия предельного состояния).

Таблица 4 - Показатели вариаций параметров обечаек.

Выполнены расчетно-экспериментальные исследования и обоснования показателей вариаций параметров эксплуатационного нагружения при квазистатическом и циклическом нагружении, а также анализ вариаций параметров нагружения различного нефтегазового оборудования по данным различных литературных источников. В табл. 5 представлены результаты расчетов показателей вариации значений внутреннего рабочего давления - Р в конденсатопроводе.

Таблица 5 - Показатели вариации рабочего давления

Были выполнены аналогичные исследования и проведен анализ вариаций значений параметров эксплуатационной нагруженности при диагностическом обследовании различного оборудования. Результаты исследований показывают, что без учета информации о вариации параметров формы и эксплуатационного нагружения прогнозирование ресурса, например по зависимостям (1) без учета вариаций P и D, приводит к значительным переоценкам продлеваемого ресурса, особенно при значениях измеренной толщины - S_изм близких к S_р и при малых значениях P и D. В результате исследований установлено, что при отсутствии данных о вариациях параметров состояния и ресурса для оценки влияния их вариации на достоверность прогнозирования ресурса для тех параметров - р, для которых задано и выдерживается их номинальное значение - p_ном, в документации, стандартах, правилах безопасности (ПБ 03-576-03, ПБ 03-584-03.) задано и выдерживается допускаемое относительное ([],%) предельное отклонение, значения среднего () и СКО () могут быть оценены косвенно на основе полученных эмпирических зависимостей: