Разработка модели планирования ремонтно-восстановительных работ стальных вертикальных резервуаров

Для нормальной работы всех потребителей, связанных с добычей, подготовкой, транспортом нефти и ее хранением необходимо иметь мощную и надежную систему резервуарных парков. Стальные вертикальные резервуары являются не только наиболее распространенным видом хранилищ для нефти и нефтепродуктов, но и выполняют роль буферных емкостей при авариях на трубопроводах, перекачивающих станциях и технологических установках. На сегодняшний день износ основных фондов топливно-энергетического комплекса составляет более 60%, что существенно увеличивает риск аварии, следовательно, роль резервуарных парков возрастает. Задачу эффективного использования резервуарных парков можно решить, применяя квалифицированное техническое обслуживание и своевременный качественный ремонт, так как правильная эксплуатация резервуаров обеспечивает ритмичную работу предприятия.

Важным показателем качества резервуара является его надежность. В основе понятия надежности лежит понятие отказ. Число отказов в резервуарных парках, в том числе и аварийных, значительно выше отказов прочих элементов системы трубопроводного транспорта. Столь значительное число отказов резервуаров объясняется тем, что большинство стальных вертикальных резервуаров (РВС) эксплуатируются дольше назначенного ресурса.

Резервуары относятся к ответственным сооружениям, так как их аварии приводят не только к серьезным последствиям экологического и экономического характера, но и зачастую к человеческим жертвам. В связи с этим задачи повышения эксплуатационной надежности РВС являются актуальными.

Повышение надежности действующих резервуаров в нынешней экономической обстановке в России возможно только за счет рациональной организации технического обслуживания и ремонта (ТОР). В настоящее время существуют две стратегии ТОР: «по состоянию» и «по наработке». Стратегия ТОР по состоянию является более прогрессивной, но требует дополнительных затрат на поведение аттестации фактического состояния РВС, что в нынешних экономических условиях нецелесообразно. Поэтому фактическое состояние предлагается прогнозировать, т. е. предсказать техническое состояние, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. В рамках проблемы совершенствования системы ТОР предлагается использовать стратегию технического обслуживания и ремонтов резервуаров по состоянию с определением индивидуального остаточного ресурса (ИОР), с учетом специфики проекта, монтажа, условий эксплуатации, количества и качества проведенных ремонтов конкретного резервуара /20, 32, 48, 51/. В результате такого' подхода к ТОР РВС назначаются оптимальные сроки проведения ремонтов, что позволяет повысить надежность эксплуатации РВС, продлить наработку до капитального ремонта или списания и сэкономить материальные и трудовые ресурсы.

При планировании мероприятий ТОР необходимо рационально распределить объемы ремонтных работ и назначать их периодичность таким образом, чтобы обеспечить условия надежности с минимальными затратами времени и средств на ремонты РВС. На сегодняшний день имеется обширная база нормативных документов, позволяющих оценить материальные и трудовые затраты по каждому виду ремонта. Расчет затрат по видам ремонтов является трудоемким процессом, т.к. только по одному виду ремонта иногда приходится учитывать сотни технологических операций и количество возможных вариантов может исчисляться тысячами, поэтому для обработки результатов необходимо использовать ЭВМ. При использовании базы нормативных документов в современной информационной системе ее необходимо предварительно обрабо-щ тать, т.к. ЭВМ пользуется сугубо формализованной информацией.

Для решения этой задачи необходимо предварительно создать методы обработки и формализации исходной информации.

В связи с вышеизложенным можно утверждать, что планирование технического обслуживания и ремонта стальных вертикальных резервуаров на основании прогноза индивидуального остаточного ресурса является актуальной задачей. Для решения данной задачи необходим комплексный подход.

Автор считает своим приятным долгом выразить признательность и благодарность Гумерову Р. С. за оказанную помощь при сборе информации и проведенные научные консультации.

Целью диссертационной работы является разработка методов оптимального планирования технического обслуживания и * ремонта стальных вертикальных резервуаров на основании прогноза индивидуального остаточного ресурса.

Основные задачи исследований.

1. Разработка модели коррозионного износа стальных вертикальных резервуаров с учетом механохимического эффекта.

2. Моделирование материальных и трудовых затрат, связанных с ^ ремонтом стальных вертикальных резервуаров.

3. Разработка методов оптимизации сроков и технологических схем проведения ремонтных работ с учетом последствий принимаемых решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана стохастическая модель коррозионного износа напряженного элемента РВС, учитывающая механохимический эффект введением поправочного коэффициента;

• предложена математическая модель технического обслуживания резервуаров и комплекс прикладных программ, позволяющих установить связь между видами ремонтных работ и затратами, на ремонт;

• при формировании пространства решений предложено использовать так называемое «дерево решений», позволяющее формализовать его структуру и прогнозировать возможные последствия принимаемых решений;

• разработаны алгоритмы и программы формирования матрицы решений и выбора оптимальной схемы ремонта из условия минимума затрат на последующие 20 лет эксплуатации.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты дают возможность совершенствовать систему технического обслуживания и ремонтов вертикальных стальных резервуаров за счет:

• использования математической модели технического обслуживания и ремонта;

• применения нового подхода к формированию смет на ремонт;

• использования компьютерных программ автоматического расчета трудоемкости.

Основные результаты исследований в области оптимизации технического обслуживания и ремонта стальных вертикальных резервуаров, используются на ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод «при автоматическом расчете трудоемкости по видам ремонтов.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации докладывались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», г. Уфа, УГНТУ, 1995;

• 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, УГНТУ, 1997;

• 51-й межвузовской студенческой конференции «Нефть и газ-97», г. Москва, ГАНГ, 1997.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору исследований по системе технического обслуживания и ремонта резервуаров. Анализ опубликованной в литературе информации показывает, что в качестве основного признака, характеризующего стратегии технического обслуживания и ремонта целесообразно принять характер информации о надежности и техническом состоянии объекта, т. е. информации, которая используется при назначении состава и периодичности регламентных работ.

Приведенный в первой главе сравнительный анализ стратегий ТОР РВС показал целесообразность использования стратегии технического ремонта и обслуживания по состоянию с определением индивидуального остаточного ресурса (ИОР), когда все работы по обслуживанию и ремонтам резервуара планируются на основании прогноза его ИОР. В основу этой стратегии положен принцип минимального риска аварий, который достигается за счет эффективной системы диагностирования и прогнозирования технического состояния.

В первой главе показано, что наличие информации о прогнозе ИОР дает возможность назначать оптимальные сроки проведения ремонта, сроки, по истечении которых вероятность наступления отказа конструкции будет достаточно велика. Такая информация позволяет планировать ремонты РВС не только по времени, но и по составу. Становится возможной оптимизация этих планов по критерию минимума затрат на протяжении всего жизненного цикла.

Приведенный в первой главе анализ данных по характеру отказов элементов конструкции РВС и их частоты показал, что одной из основных причин нарушения их работоспособности является коррозия внутренней поверхности оболочки резервуара. Коррозия является наиболее существенным из отказов, регистрируемых в процессе обследований технического состояния, и именно этот вид отказа, как правило, требует проведения капитального ремонта.

В заключении первой главы на основании анализа научно-технических работ сделана постановка основных задач исследований.

Во второй главе исследовалась стохастическая модель коррозионного износа РВС, основанная на предположении о том, что скорость коррозии случайная величина с нормальным распределением. Показано, что используемые в настоящее время модели коррозионного износа РВС приводят к смещению прогнозируемого ресурса в сторону его завышения. Предложено при расчете коррозионного износа стенки РВС учитывать механохимический эффект.

При разработке стохастической модели коррозионного износа, предложено рассматривать случайную величину времени безотказной работы элемента РВС с учетом механохимического эффекта, как функцию случайной величины времени безотказной работы элемента РВС без учета механохимического эффекта. В результате чего расчет времени безотказной работы элементов конструкции РВС с учетом механохимического эффекта сводится к введению поправочного коэффициента.

Проведенные исследования показали, что величина поправки на механохимический эффект не зависит от скорости коррозии, а зависит от геометрических параметров РВС, свойств хранимого продукта и высоты гидростатического столба над рассматриваемой точкой. В пределах одного пояса величину поправки предложено считать постоянной.

Во торой главе диссертационной работы оценивалось значение скорости коррозии ненапряженного элемента для конкретного резервуара, с конкретным характером нагружения, конкретными физическими и химическими свойствами продукта на основании данных толщинометрии. В результате чего была предложена методика, которая позволяет по многолетним замерам толщины стенки более точно прогнозировать скорость коррозии и определить плотность времени безотказной работы конструкции с учетом механохимического эффекта и скорости коррозии ненапряженного элемента.

В третьей главе рассматривается разработка методов формирования схем потоков ремонтов. Показано, что разработанная классификация видов ремонтных работ, позволяет формализовать методы исправлений дефектов, с последующим использованием данных в ЭВМ.

В работе предлагается обобщающая математическая модель ТОР резервуаров (с учетом обобщения имеющихся в настоящее время нормативных материалов). Эта модель позволяет определять трудоемкость восстановления работоспособности конструкции по результатам обследования технического состояния, при этом основные параметры модели формируются в соответствии с разработанной матрицей коэффициентов модели ТОР. Матрица коэффициентов устанавливает взаимно однозначное соответствие между коэффициентом модели и следующей информацией:

• виды основных операций по техническому обслуживанию и ремонту резервуара и его элементов;

• код соответствующей позиции в составе работ;

• состав работ, соответствующих данной операции;

• формулы по подсчету трудоемкости работы данного кода.

Формулы по подсчету трудоемкости работ получены на основании обобщения нормативно-технической документации, в которой значения трудоемкости определены по геометрическим размерам резервуара, наименованию последовательности технологических операций, составу работ и обработки смет на ремонты.

В третьей главе при расчете оптимальных периодов ремонтов предлагается строить план ремонта в виде схем потоков восстановления элементов РВС. Такие схемы позволяют наглядно представить и сроки, и состав ремонтных работ. С учетом схемы восстановления элементов резервуара и многовариантности видов ремонтных работ решается задача о принятии оптимального технического решения на основании топологической схемы «дерева решений», которая дает наглядное представление о состоянии данной системы. Используя «дерево решений», можно оценить (визуально) все последствия принимаемых технических решений, что позволяет выявить все возможные варианты решений, т. е. построить т.н. «пространство решений».

В четвертой главе разрабатываются методы принятия технических решений по ремонту и восстановлению РВС.

Рассматриваются методы выбора оптимальной схемы потоков ' ¦ восстановления (ремонтов) по результатам прогнозирования индивидуального остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров. В качестве показателя эффективности выбранного решения используются суммарные трудовые затраты на период эксплуатации (20 лет).

Рассмотрены варианты переносов сроков проведения ремонтных работ: как на более ранние, так и на более поздние сроки. Показано, что смещение ремонтов на более поздние сроки должно сопровождаться организацией «щадящего» режима эксплуатации, параметры которого могут быть установлены при помощи методик, предлагаемых в четвертой главе диссертации.

В качестве примера в работе представлен расчет выбора оптимальной схемы потоков восстановления (ремонтов) для РВС-5000 с помощью минимаксного критерия, который использует * оценочную функцию, соответствующую позиции крайней осторожности.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1.Показано, что используемые в настоящее время модели коррозионного износа РВС приводят к смещению прогнозируемого остаточного ресурса в сторону его завышения. Установлено, что распределение времени безотказной работы при коррозионном износе, имеет общий характер для всех элементов резервуара, отличия касаются только среднего значение времени безотказной работы каждого элемента конструкции. При расчете времени безотказной работы элементов стальных вертикальных резервуаров предлагается вводить поправку на механохимический эффект.

2.Разработаны методы формализации традиционных видов ремонтных работ стальных вертикальных резервуаров, позволяющие при помощи ЭВМ установить связь межу видами ремонтных работ и затратами на их проведение.

Показано, что при разработке плана ремонтных работ (с учетом материальных и трудовых затрат, связанных с последующей эксплуатацией) приходится сталкиваться с множеством решений. Предложено множество всевозможных схем ремонтов представлять в виде «дерева решений)), что позволяет планировать затраты на капитальные ремонты на любую перспективу (в работе период планирования выбран равным 20-ти годам).

3.Предложена методика уточнения сроков ремонтов. Показано, что смещение ремонтов на более поздние сроки, должно сопровождаться организацией «щадящего» режима эксплуатации, параметры которого могут быть установлены при помощи методик, предлагаемых в диссертации.

Разработаны методы формирования матрицы решений, позволяющие определять оптимальную схему потоков ремонтов на ближайшие 20 лет эксплуатации. Предложены оценочные функции. учитывающие последствия принимаемого технического решения. На основании классических критериев принятия решений предлагается выбор оптимальной схемы ремонта.