Повышение промышленной безопасности эксплуатации трубопроводов путем внедрения безопасных технологий

Повышение промышленной безопасности эксплуатации трубопроводов  путем внедрения безопасных технологий.

Сабирова Диана Римовна

БП-05-01,УГНТУ

 

Аннотация. В данной работе рассматривается разработка методологии экспертизы безопасности длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов на основе математического моделирования процессов в условиях изменяющейся нормативной базы.

       Системы магистральных нефте-, газо-, нефтепродуктопроводов [в дальнейшем магистральные трубопроводы (МТ)] являются одними из важнейших элементов экономики страны, обеспечивающими практически все отрасли промышленности сырьем, топливом, энергией. В то же время МТ являются источником опасности для тех регионов, где они проходят. Аварии на этих трубопроводах приводят к тяжелым последствиям как для окружающей среды, так и для населения.

        С принятием Федерального закона о промышленной безопасности опасных производственных объектов [96] создана система промышленной безопасности [61, 66, 69, 70 и др], основной целью которой является обеспечение безопасности путем экспертизы технических устройств, сооружений, технологий, проектно-технической документации.

Как показала практика, для  эффективного использования этой системы  в качестве инструмента управления безопасностью нефтепроводов, необходимо решить ряд методических вопросов, которые вытекают из особенностей эксплуатации трубопроводов.

        Экспертиза должна дать правильную оценку безопасности на ближайшие 5...10 лет с учётом динамики происходящих процессов, которая, в свою очередь, определяется напряженным состоянием трубопроводов не только от действия внутреннего давления, но и от других воздействий.

         К сожалению, методическая база для проведения экспертизы безопасности длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов недостаточно развита. Она, в основном, касается организационных вопросов, аттестации, аккредитации, подготовки и учёта экспертов, порядка проведения экспертизы и прохождения заключения по инстанциям. По техническим вопросам, главным образом, пользуются нормативной базой, созданной для этапов проектирования и строительства МТ. Основным требованием безопасности всех МТ (и старых, и новых) считается соответствие современным нормативным требованиям. Но старые трубопроводы по определению не могут соответствовать всем требованиям современных документов. Во-первых, как отмечено выше, происходят существенные изменения в трубопроводах, во-вторых, за время длительной эксплуатации сама нормативная база успевает изменяться несколько раз. Если при экспертизе безопасности старых трубопроводов исходить только из условия соответствия современным нормативным требованиям, то неизбежно придётся вывести из эксплуатации более половины нефтегазопроводов. Такой подход был бы неправильным.

         Таким образом, при рассмотрении вопросов безопасности длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов (технологий эксплуатации и ремонта, аварийных ситуаций) невозможно ограничиваться требованиями существующих нормативных документов, а требуются более глубокое изучение процессов и построение соответствующих математических моделей и расчётных программ. По степени важности в первую очередь должны быть созданы математические модели для решения следующих задач: прогнозирования безопасности трубопровода на основе результатов диагностики с учётом динамики процессов; определения напряжений на сложных участках трубопровода с учётом возникающих изменений; оценки безопасности температурных полей при сварочных работах на действующих трубопроводах с учётом теплофизических явлений.

         Развитие методов математического моделирования при экспертизе безопасности позволит повысить достоверность заключений и тем самым обеспечит эффективность управления безопасностью магистральных нефте- газо-продуктопроводов в течение всего срока эксплуатации, определять наиболее эффективные пути обеспечения их безопасности, не требуя в то же время излишних ремонтных работ. Учитывая большую суммарную протяженность магистральных трубопроводов, а также их роль в экономике страны, работы в данном направлении имеют важное народнохозяйственное значение.

          Исходя из этого следует, что математическое моделирование процессов является необходимым инструментом при экспертизе и позволяет более точно и более просто решать различные задачи, встречающиеся при оценке безопасности магистральных трубопроводов. Кроме того, применение математического моделирования процессов позволяет ставить для решения новые задачи. Новые задачи, в свою очередь, потребовали новых моделей. Это инициирует развитие самого математического аппарата и даёт положительные результаты в различных областях, включая диагностику трубопроводов.

Математическое моделирование  следует применить в первую очередь  в следующих задачах:

-   статистическая обработка  информационных массивов;

-   определение напряженно-деформированного  состояния трубопровода в процессе  ремонтных работ;

-   определение температурных  полей в стенке трубопровода  при ведении ремонтно-сварочных  работ без опорожнения трубопровода;

-   оценка остаточного  ресурса трубопровода по результатам  обследования трубопровода разными  методами;

-   оценка точности  прогнозов.

      В настоящей работе рассмотрены несколько типовых задач, встречающихся при экспертизе безопасности, и предложены новые или усовершенствованные математические модели, позволяющие существенно повысить качество заключений при экспертизе безопасности магистральных трубопроводов.

       При экспертизе безопасности магистральных трубопроводов приходится обрабатывать и анализировать диагностическую информацию достаточно больших объёмов, которая получается при комплексных обследованиях. Информация может быть, например:

-   о состоянии изоляционного  покрытия, получаемая электрометрическими  измерениями [14, 93];

-   о дефектах труб  вдоль трубопровода, получаемая  при внутритрубных обследованиях [18, 57];

-   о коррозионном  состоянии поверхности труб, получаемая  при шурфовых обследованиях [87, 90].

Диагностическая информация о трубопроводе может быть разной степени полноты и точности.

       Информация является полной, если на обследованном участке трубопровода выявлены все дефекты рассматриваемого типа. Для получения такой информации необходимо провести сплошное обследование (каждый метр трубопровода). Полная информация получается, например, при обследовании трубопровода электрометрическими измерениями.

       Диагностическая информация является неполной (выборочной), если трубопровод обследован только в отдельных точках или на отдельных участках. Тогда полученный набор информации представляет собой некоторую выборку, которая приблизительно характеризует состояние трубопровода. Неполная информация, например, получается при обследованиях методом акустической эмиссии и шурфовых обследованиях.

        Точность диагностической информации определяется техническими характеристиками измерительных приборов. Как известно, все физические измерения обладают погрешностью, которая отражается на точности прогноза.

      Целью обработки диагностической информации может быть оценка остаточного ресурса трубопровода при заданных режимах эксплуатации и оптимальное планирование ремонтных работ.

      Следующая  часть работы посвящена разработке методов моделирования напряженно-деформированного состояния сложных участков трубопроводов. Сложными участками, например, являются переходы трубопровода через водные преграды, места производства ремонтных работ, участки на пересечённой местности. При экспертизе таких участков напряженно-деформированное состояние играет определяющую роль, но методы диагностики его не доведены до широкого практического применения. Этот недостаток должен быть компенсирован разработкой надёжных расчётных моделей.

       При  этом значительное внимание уделено моделированию взаимодействия трубы с грунтом с учётом его изменения в процессе выполнения земляных работ, а также правильному использованию граничных условий, которые заранее неизвестны и должны уточняться в процессе решения задачи.

      Значительное внимание уделено анализу нагрузок и воздействий на трубопровод, разложению напряжений на отдельные составляющие по трем признакам: по происхождению, ориентации (направленности), методике расчетов.

        Расчётные модели основаны на методе конечных элементов и позволяют определять напряженно-деформированное состояние любых сложных участков трубопроводов. Решение системы уравнений выполняется итерационным методом, при котором одновременно с поиском решения уточняются нагрузки, перемещения, реакция грунта на всех участках. По сути, происходит численное моделирование взаимодействия трубопровода со всеми заданными механизмами, грунтом, с другими участками трубопровода с учётом всех заданных особенностей и параметров. В качестве примера рассмотрены различные технологии ремонта магистральных трубопроводов с заменой изоляции.

      Подробнее  была изучена математическая  модель тепловых процессов при  сварочных работах на действующем  трубопроводе.

     Ведение сварочных работ на действующем трубопроводе, транспортирующем нефть, газ, нефтепродукты или другие горючие вещества, представляет собой чрезвычайно опасную технологическую операцию. Такие работы нельзя выполнять без должного обоснования безопасности. Только всесторонне изучив все явления, происходящие при этом, можно обосновать безопасность сварочных работ на действующих газонефтепроводах. Одним из эффективных методов исследования является математическое моделирование с применением численных решений. В данном разделе диссертации предлагается математическая модель формирования тепловых полей при сварке, основанная на методах конечных разностей [26, 28, 41, 49] и конечных элементов [104].

      Безопасность при сварочных работах на действующих газонефтепроводах может быть обеспечена только при сохранении герметичности. Через стенку трубы, ослабленную сварочной дугой, продукт не должен вырваться наружу под собственным давлением. Прочностью стенки на месте сварки вполне можно управлять, подбирая режимы сварки. Для этого необходимо изучить взаимосвязь режимов сварки с образуемыми температурными полями в стенке трубы с учетом наличия продукта в трубопроводе.

       Перекачиваемый продукт на зону сварки оказывает двоякое действие: во-первых, охлаждает стенку трубы при сварке, тем самым поддерживает более высокими механические свойства твердой части металла под сварочной ванной; во-вторых, своим давлением он создает нагрузку на ослабленную зону стенки трубы на месте сварки.

        Разгерметизация трубы в процессе сварки может произойти по нескольким механизмам: прожог стенки трубы (когда сварочная ванна распространилась на всю толщину стенки трубы); выпучивание и разрыв ослабленной зоны (подобно мембране под высоким давлением); выдавливание ослабленной зоны (как прошивка листа при горячей штамповке).

        Определение безопасных технологических параметров ремонта трубопровода с применением сварки заключается в том, чтобы найти такие сочетания параметров "режим сварки - давление в трубе - внешняя нагрузка", которые исключают все три механизма разгерметизации трубы. Для этого в первую очередь необходимо исследовать тепловые поля в стенке трубы при сварке с учётом действия потока продукта.

         Таким образом можно сделать  следующий вывод, что изучение механизмов физического и морального старения магистральных трубопроводов, а также причин ряда характерных аварий показало, что простое сравнение характеристик трубопроводов с требованиями действующих нормативных документов, как того требует современная система промышленной безопасности, недостаточно для формулирования объективного заключения. Экспертиза должна быть основана на прогнозе реальной безопасности с учётом динамики: изменения свойств материалов (металла труб и изоляции), развития дефектов, изменений на трассе, условий эксплуатации. Прогноз безопасности на различные сроки должен быть основан на математическом моделировании процессов, происходящих при длительной эксплуатации трубопроводов, это и является основным направлением в данной работе.

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1      Абрамова Б.Г., Картавцева В.Ф. Цветные индикаторы температуры. - М.: Энергия, 1978.-216 с.

 

2       Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой А.В. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов. -Уфа: Гилем, 2003. -100 с.

 

3       Абдуллин   И.Г.,   Гареев   А.Г.,   Худяков   М.А.   и   др.   Коррозионное растрескивание магистральных нефтепроводов // Сб. научных трудов "Инновационные       проблемы       развития       машиностроения       в Башкортостане". -Уфа: Гилем, 2003. -С. 150-161.

4      ВРД 39-1.10-026-2001. Методика оценки фактического  положения и состояния   подземных   трубопроводов.   М.:   ОАО   "Газпром",   ООО "ВНИИГАЗ",2001.

5      ВСН     006-89.     Строительство     магистральных     и     промысловых трубопроводов. Сварка. -М.: Миннефтегазстрой, 1990. -216 с.

 

6      ВСН     51-1-97.     Ведомственные     строительные     нормы.     Правила производства    работ    при     капитальном    ремонте    магистральных газопроводов.