Совершенствование методов проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода

Актуальность работы.

В Российской Федерации протяженность магистральных нефтегазопроводов составляет более 300 тыс. км. Для их функционирования используются около 800 компрессорных и нефтеперекачивающих станций. Значительное количество магистральных нефтегазопроводов уже имеет срок эксплуатации более 30 лет. При этом аварии и катастрофы, связанные со сбросом продуктов перекачки, составляют до 60% техногенных чрезвычайных ситуаций с экологическими последствиями. В то же время в течение последних десятилетий в России созданы и продолжают вводиться в строй уникальные по протяженности новые сложные технические системы трубопроводного транспорта природного газа, нефти и нефтепродуктов. Разработка новых месторождений на Сахалине, Камчатке, Дальнем Востоке вызвала необходимость проектирования и строительства новых трубопроводов в районах вечной мерзлоты, сейсмической активности, заболоченности местности и с другими экстремальными природно-климатическими условиями.

В связи с этим задача обеспечения надежности и оценки количественных показателей прочности, безотказности и долговечности конструкций проектируемых нефтегазопроводов приобрела еще большую актуальность. Это достаточно сложная проблема, так как нормативный (детерминированный) метод расчета прочности конструкций по предельным состояниям не позволяет оценивать надежность проектируемых конструкций в ее современном понимании, поскольку не учитывает вероятностную природу характеристик несущей способности и нагрузки.

Нормативный метод расчета по предельным состояниям более тесно связан с вероятностным методом, чем исторически предшествующий ему метод расчета по допускаемым напряжениям. Это достигается благодаря расчленению коэффициента запаса на отдельные компоненты, что позволяет придать ему физический смысл, связанный с изменчивостью тех или иных величин. Однако при таком подходе нормируются только коэффициенты надежности в формулах расчета прочности и устойчивости трубопроводных конструкций.

В то же время подходы к оценке надежности при проектировании, трубопроводных конструкций с учетом нестационарного характера процессов изменения несущей способности и нагрузки с учетом фактора времени наименее разработаны. Обеспечение надежности проектируемых нефтегазопроводов за счет комплексного решения задач оценки показателей прочности, безотказности и долговечности рассматриваемых конструкций имеет научную и практическую ценность. Актуальным является совершенствование методов проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода для обоснования выбора проектных решений с учетом зависимости нагрузки и несущей способности конструкции от времени.

Вероятностная методология расчета строительных конструкций на надежность и безопасность, получившая свое развитие в работах В. В. Болотина, А. Р. Ржаницына, Н. С. Стрелецкого и других ученых, практически не встречает возражений ни у теоретиков, ни у практиков проектировочных расчетов.

Аналитической основой решения задач оценки конструктивной надежности нефтегазопроводов являются методы исследований физики отказов и расчетов на прочность и устойчивость, развитые Азметовым Х. А., Агишевым В. Т., Березиным В. А., Бородавкиным П. П., Гумеровым А. Г., Гумеровым Р. С., Иванцовым О. М., Зайнуллиным Р. С., Малюшиным Н. А., Росляковым А. В., Султановым М. Х., Халлыевым Н. Х., Харионовским В. В., Ямалеевым К. М., Ясиным Э. М. и другими учеными.

В последние годы появились новые подходы к решению задач оценки прочностной надежности проектируемых строительных конструкций, задач статистической динамики, к анализу физики отказов и механики разрушения, в связи с чем совершенствуются методы проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода.

Целью диссертационной работы является обеспечение надежности нефтегазопроводов путем усовершенствования методов их проектирования на основе нормативного вероятностного подхода.

Основные задачи исследований:

1. Анализ методов оценки конструктивной надежности проектируемых нефтегазопроводов;

2. Сравнительная оценка и обоснование выбора метода решения задачи статистической динамики для определения вероятностных характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) участков нефтегазопроводов;

3. Разработка методики оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмический разлом;

4. Разработка математической модели и алгоритма расчета функции надежности с учетом трещинообразования в металле конструкций нефтегазопроводов.

Методы решения поставленных задач.

При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, квалиметрии и механики разрушения, а также расчеты на прочность строительных конструкций.

Для подтверждения выводов и результатов исследований использованы априорная информация о надежности эксплуатируемых трубопроводных систем, экспериментальные данные о работоспособности элементов конструкций нефтегазопроводов.

Научная новизна результатов работы.

1. Разработан нормативный вероятностный подход к проектированию нефтегазопроводов, включающий нормативные (детерминированные) расчеты, решение задачи статистической динамики и вычисление функции надежности конструкции с учетом изменчивости нагрузки и несущей способности конструкции с течением времени.

2. Разработан эффективный по трудоемкости и точности способ решения задачи статистической динамики для определения вероятностных характеристик НДС участков нефтегазопроводов на основе метода интерполяционных полиномов.

3. Разработана научно-методическая основа оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмические разломы, включающая детерминированные расчеты, решение задачи статистической динамики методом интерполяционных полиномов и вычисление функций безопасности и риска.

4. Разработан расчетный метод оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкций нефтегазопроводов. Разработан алгоритм реализации метода интерполяционных полиномов для оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкции. Получены уточненные значения безразмерных коэффициентов в формулах расчета коэффициента интенсивности напряжений.

На защиту выносятся нормативный вероятностный подход, методы и методика оценки конструктивной надежности нефтегазопроводов на этапе их проектирования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Проектирование нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода, включающего детерминированные расчеты, решение задачи статистической динамики и вычисление функции надежности с учетом 5 изменчивости нагрузки и несущей способности конструкции с течением времени, позволяет формировать проектные нормы надежности, технические решения, качественные и количественные требования по обеспечению и контролю надежности, а также требования к устойчивости нефтегазопроводов к отказам.

2. Разработанная методика оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмический разлом позволяет обосновать выбор безопасных проектных решений.

3. Разработанный метод оценки функции надежности нефтегазопроводов при трещинообразовании в металле конструкции позволяет прогнозировать долговечность (ресурс) и обосновать ремонт дефектных участков по техническому состоянию.

Новый нормативный вероятностный подход, разработанные методы и методика оценки конструктивной надежности нефегазопроводов внедрены в проектный технологический комплекс ОАО «Г ипровостокнефть» и рекомендуются для применения в проектных организациях ОАО «Транснефть», ОАО «Транснефтепродукт», ОАО «Газпром».

Апробация результатов работы.

Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на научно-практических конференциях, отраслевых совещаниях и т. п. по проблемам трубопроводного транспорта, в том числе:

— на заседании экспертно-технической комиссии при Президенте ОАО «АК «Транснефтепродукт» (г. Москва, 2004 г.);

— на I Международной практической конференции «Обустройство и инфраструктура месторождений» (г. Москва, 2005 г.);

— на IV Российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (г. Геленджик, 2006 г.);

— на отраслевом совещании специалистов ОАО «АК «Транснефтепродукт» и ОАО «Гипровостокнефть» по вопросу строительства объектов проекта «Север» (г. Ярославль, 2007 г.);

— на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии — 2008» (г. Уфа, 2008 г.);

— на IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2008» (г. Уфа, 2008 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Разработан нормативный вероятностный подход к проектированию нефтегазопроводов, включающий нормативные (детерминированные) расчеты, решение задачи статистической динамики и вычисление функции надежности конструкции с учетом зависимости нагрузки и несущей способности конструкции от времени. Такой подход позволяет формировать проектные нормы надежности, включающие проектные решения, качественные и количественные требования по обеспечению и контролю надежности, а также требования к устойчивости нефтегазопроводов к отказам.

2. Обоснован выбор метода интерполяционных полиномов для определения вероятностных характеристик НДС участков нефтегазопроводов по входным вероятностным характеристикам нагрузки и несущей способности конструкции, позволяющий, по сравнению с методами Монте-Карло и эквивалентных возмущений, на порядок сократить необходимое число расчетов и снизить трудоемкость, сохраняя при этом требуемую точность получаемых результатов.

3. На основе нормативного вероятностного подхода разработана методика оценки надежности перехода подземного участка нефтегазопровода через сейсмический разлом, включающая детерминированные расчеты, решение задач статистической динамики методом интерполяционных полиномов и вычисление функций безопасности и риска, необходимые для нормирования надежности и обоснования выбора безопасных проектных решений при сейсмическом воздействии.

4. Разработан расчетный метод оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкций нефтегазопроводов по вероятности пребывания трещины в допустимой области на определенном отрезке времени, необходимый в задачах прогнозирования долговечности (ресурса) нефтегазопроводов и обоснования их ремонта по техническому состоянию. Разработан алгоритм реализации метода интерполяционных полиномов для оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкций нефтегазопроводов. Проведенные аналитические исследования численного метода расчета коэффициента интенсивности напряжений для несквозных трещин эллиптической формы с использованием МКЭ-пакета ANSYS позволили обосновать и предложить безразмерные поправочные коэффициенты в формулах расчета коэффициентов интенсивности напряжений для осевой и окружной трещин в трубах.