Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук.
Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
2015. — 397 с.
Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовая отрасль)
Научный руководитель: д.т.н., профессор Кузеев И.Р.
Цель работы: разработка комплексной системы
обеспечения промышленной безопасности эксплуатации трубопроводных
систем на основе снижения уровня нестационарности их
напряженно-деформированного состояния и обеспечения заданных
уровней риска.
Научная новизна: Впервые получены аналитические зависимости запасов прочности трубопроводных систем от нестационарности технологических параметров эксплуатации, включающие величину локального повышения давления в
трубопроводе, геометрические характеристики труб и их соединений, механические свойства металла труб. Установлено, что в реально действующих трубопроводах локальное повышение внутреннего давления на 25 % от рабочего снижает запасы прочности участков трубопровода из труб одинаковой толщины стенок в 1,7 раза, при наличии соединения труб с разным соотношением толщин
стенок запасы прочности снижаются до 1,9 раза и соединения трубы с оборудованием, имеющим абсолютную жесткость на деформацию, – в 2,7 раза.Получена зависимость оптимальной длины вставки промежуточной толщины между оборудованием и трубопроводом от соотношений толщин стенок сопрягаемых элементов, обеспечивающей снижение максимальных напряжений в опасном сечении и повышение запасов прочности до 1,5 раза.
Научно доказано, что применение частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) магистральных насосных агрегатов в условиях
нестационарности технологических параметров эксплуатации обеспечивает безопасность эксплуатации трубопроводных систем. Установлено соотношение между величиной локального повышения давления и протяженностью участка трубопровода, на котором происходит изменение давления в его полости, при которой достигается наибольшее снижение напряжений. Регулирование
параметров изменения режима перекачки позволяет повысить запасы прочности участка трубопровода с постоянной толщиной стенки от 1,2 до 30,0 раз; имеющего соединение труб с разными толщинами стенки – от 1,2 до 2,4 раза и соединения трубопровода с жестким на деформацию оборудованием – от 1,1 до 1,5 раза.
Получены аналитические зависимости параметров регулирования режима перекачки в условиях изменения производительности трубопровода, обеспечивающие приемлемый запас прочности и предотвращение недопустимых деформаций от геометрических характеристик труб, их соединений и механических свойств металла труб.
Впервые предложена модель оценки экономической эффективности обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем с
использованием ЧРЭП определением суммарных затрат на эксплуатацию, основанной на учете снижения риска аварий.
Получена целевая функция суммарных затрат на перекачку нефти в условиях недозагрузки магистрального нефтепровода, связывающая объемы продукта и параметры режима его транспортировки за заданный промежуток времени с учетом количества остановок насосных агрегатов для накопления нефти в резервуарах, решение которой позволяет определить оптимальный режим перекачки жидкости и при этом обеспечить минимальный приемлемый уровень риска аварий.
Установлена аналитическая зависимость риска аварий от координат размещения запорной арматуры на линейной части магистрального нефтепровода, позволяющая определить оптимальное размещение запорной арматуры по критерию минимума риска аварии.
Практическая ценность результатов: Разработан метод оценки напряженно-деформированного состояния, запасов прочности и ресурса трубопроводных систем в зависимости от нестационарности технологических параметров эксплуатации и особенностей
геометрических характеристик труб и их соединений.
Предложена концепция обеспечения приемлемых запасов прочности и риска аварии регулированием режима перекачки магистральными насосными агрегатами, оснащенными ЧРЭП. Определены рациональные параметры регулирования режима перекачки, при которых обеспечиваются приемлемые запасы прочности и риск аварий. Выполнена оценка экономической эффективности применения ЧРЭП.
Разработан метод обеспечения приемлемого риска аварии и минимума суммарных затрат на перекачку в условиях недозагрузки магистральных нефтепроводов. Подтверждена возможность обеспечения безопасности эксплуатации линейной части магистральных нефтепроводов оптимальным размещением запорной арматуры. Созданы оригинальные (патенты № 54414, № 2345875), технико-экономически эффективные методы ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающие безопасность эксплуатации трубопроводных систем.
Результаты работы использованы при разработке отраслевых нормативных документов: Руководящий документ «Положение о порядке
проведения технического освидетельствования и продления срока службы технологического оборудования НПС МН» (РД 153-39.4Р-124-02), Стандарт организации «Правила технического обслуживания и ремонта оборудования и сооружений перекачивающих станций ОАО «АК «Транснефтепродукт» (СО 02-04-АКТНП-008-2005).
Разработан и принят к использованию стандарт предприятия ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» «Методика расчета на прочность трубопроводов с учетом локальных значений коэффициентов запасов прочности в условиях изменения производительности при включении и отключении перекачивающих агрегатов».
Разработанный метод расчета запасов прочности и риска аварий трубопроводных систем от нестационарности технологических параметров эксплуатации используется при проведении занятий в УГНТУ по дисциплинам «Управление безопасностью сложных технических систем как иерархических систем на основе расчета рисков», «Основы теории расчета техногенных рисков» для магистрантов, обучающихся по направлению 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» по программе «Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли» с целью формирования базы знаний по обеспечению промышленной безопасности нефтегазовой отрасли. Содержание
Анализ методов и средств обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем нефтегазовой отрасли
Анализ нестационарности технологических параметров эксплуатации и безопасности трубопроводных систем
Надежность и безопасность эксплуатируемых трубопроводных систем
Анализ методов обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем
Проблемы обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем нефтегазовой отрасли
Исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов и оценка безопасности эксплуатации трубопроводных систем в условиях изменения режима перекачки продукта включением (отключением) перекачивающих агрегатов
Основные исходные положения определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов и метод оценки их безопасности в условиях изменения режима перекачки на основе установления уровня напряжений
Исследование уровня напряжений в стенке трубы в сечении резкого изменения внутреннего давления и оценка безопасности трубопровода
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки трубы в сечении соединения с арматурой и оценка безопасности
Исследование напряженно-деформированного состояния труб в сечении их соединения с разными толщинами стенок и определение параметров безопасности
Действие повышенного давления на участке трубопровода с номинальной (минимальной) толщиной стенки
Действие повышенного давления на участке трубопровода с толщиной стенки больше номинальной
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки трубы на участке соединения с арматурой при использовании вставки промежуточной толщины
Действие на всем участке исследования повышенного давления
Действие на участке трубопровода с номинальной толщиной стенки повышенного давления
Действие во вставке повышенного внутреннего давления
Действие на всем расчетном участке нормативного давления
Исследование и обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводных систем на основе регулирования режима перекачки продукта
Расчет напряжений в стенке трубы и обеспечение безопасности трубопровода в условиях изменения внутреннего давления на ограниченном его участке регулированием режима перекачки
Расчет напряжений в стенке труб и обеспечение безопасности в условиях изменения внутреннего давления на достаточно протяженном участке трубопровода
Исследование и обоснование параметров снижения волны давления в зонах соединения трубопровода с арматурой
Снижение волны высокого давления начиная от сечения соединения трубопровода с арматурой
Повышение внутреннего давления начиная от сечения соединения трубопровода с арматурой
Исследование влияния изменений давления в полости трубопровода на его безопасную эксплуатацию при наличии соединения труб с разными толщинами стенок
Повышенное давление на участке с номинальной толщиной стенки трубы
Повышенное давление на участке трубопровода с толщиной стенки больше номинальной
Исследование и определение параметров регулирования режима перекачки продукта, обеспечивающих безопасность эксплуатации трубопроводных систем
Анализ зависимостей между параметрами перекачки нефти в условиях изменения производительности трубопровода
Определение безопасных параметров изменения производительности перекачки для участка трубопровода из труб с равными толщинами стенок
Определение безопасных параметров изменения производительности перекачки для участка трубопровода, имеющего соединение труб с разными толщинами стенок
Безопасные параметры изменения производительности перекачки для участка нефтепровода, имеющего запорную арматуру
Оценка экономической эффективности применения магистральных насосных агрегатов с частотно-регулируемым электроприводом
Исследование и разработка безопасного и оптимального режима перекачки в условиях недозагрузки магистрального нефтепровода
Анализ эксплуатации оборудования НПС при недозагрузке магистральных нефтепроводов
Влияние числа пусков-остановок насосных агрегатов на безопасность их эксплуатации
Определение безопасных технологических параметров перекачки с остановками насосных агрегатов для накопления нефти в резервуарах нефтеперекачивающей станции
Оценка риска аварий и составление структуры затрат в условиях перекачки нефти с остановками насосных агрегатов для её накопления в резервуарах нефтеперекачивающей станции
Определение оптимального и безопасного режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода с учетом риска аварий
Исследование и разработка эффективных методов и средств обеспечения безопасности эксплуатации магистрального трубопровода в условиях аварийной остановки перекачки и ремонта поврежденного участка трубопровода
Обеспечение безопасности эксплуатации магистрального нефтепровода оптимальным размещением линейной запорной арматуры
Эффективная и безопасная откачка нефти из полости повреждённого участка магистрального нефтепровода
Усовершенствование технологии извлечения на поверхность участка подземного трубопровода
Повышение эффективности правки концов труб перед их сваркой встык
Выбор рациональных параметров центровки участков трубопровода при ремонте с заменой дефектного участка
Научная новизна: Впервые получены аналитические зависимости запасов прочности трубопроводных систем от нестационарности технологических параметров эксплуатации, включающие величину локального повышения давления в
трубопроводе, геометрические характеристики труб и их соединений, механические свойства металла труб. Установлено, что в реально действующих трубопроводах локальное повышение внутреннего давления на 25 % от рабочего снижает запасы прочности участков трубопровода из труб одинаковой толщины стенок в 1,7 раза, при наличии соединения труб с разным соотношением толщин
стенок запасы прочности снижаются до 1,9 раза и соединения трубы с оборудованием, имеющим абсолютную жесткость на деформацию, – в 2,7 раза.Получена зависимость оптимальной длины вставки промежуточной толщины между оборудованием и трубопроводом от соотношений толщин стенок сопрягаемых элементов, обеспечивающей снижение максимальных напряжений в опасном сечении и повышение запасов прочности до 1,5 раза.
Научно доказано, что применение частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) магистральных насосных агрегатов в условиях
нестационарности технологических параметров эксплуатации обеспечивает безопасность эксплуатации трубопроводных систем. Установлено соотношение между величиной локального повышения давления и протяженностью участка трубопровода, на котором происходит изменение давления в его полости, при которой достигается наибольшее снижение напряжений. Регулирование
параметров изменения режима перекачки позволяет повысить запасы прочности участка трубопровода с постоянной толщиной стенки от 1,2 до 30,0 раз; имеющего соединение труб с разными толщинами стенки – от 1,2 до 2,4 раза и соединения трубопровода с жестким на деформацию оборудованием – от 1,1 до 1,5 раза.
Получены аналитические зависимости параметров регулирования режима перекачки в условиях изменения производительности трубопровода, обеспечивающие приемлемый запас прочности и предотвращение недопустимых деформаций от геометрических характеристик труб, их соединений и механических свойств металла труб.
Впервые предложена модель оценки экономической эффективности обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем с
использованием ЧРЭП определением суммарных затрат на эксплуатацию, основанной на учете снижения риска аварий.
Получена целевая функция суммарных затрат на перекачку нефти в условиях недозагрузки магистрального нефтепровода, связывающая объемы продукта и параметры режима его транспортировки за заданный промежуток времени с учетом количества остановок насосных агрегатов для накопления нефти в резервуарах, решение которой позволяет определить оптимальный режим перекачки жидкости и при этом обеспечить минимальный приемлемый уровень риска аварий.
Установлена аналитическая зависимость риска аварий от координат размещения запорной арматуры на линейной части магистрального нефтепровода, позволяющая определить оптимальное размещение запорной арматуры по критерию минимума риска аварии.
Практическая ценность результатов: Разработан метод оценки напряженно-деформированного состояния, запасов прочности и ресурса трубопроводных систем в зависимости от нестационарности технологических параметров эксплуатации и особенностей
геометрических характеристик труб и их соединений.
Предложена концепция обеспечения приемлемых запасов прочности и риска аварии регулированием режима перекачки магистральными насосными агрегатами, оснащенными ЧРЭП. Определены рациональные параметры регулирования режима перекачки, при которых обеспечиваются приемлемые запасы прочности и риск аварий. Выполнена оценка экономической эффективности применения ЧРЭП.
Разработан метод обеспечения приемлемого риска аварии и минимума суммарных затрат на перекачку в условиях недозагрузки магистральных нефтепроводов. Подтверждена возможность обеспечения безопасности эксплуатации линейной части магистральных нефтепроводов оптимальным размещением запорной арматуры. Созданы оригинальные (патенты № 54414, № 2345875), технико-экономически эффективные методы ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающие безопасность эксплуатации трубопроводных систем.
Результаты работы использованы при разработке отраслевых нормативных документов: Руководящий документ «Положение о порядке
проведения технического освидетельствования и продления срока службы технологического оборудования НПС МН» (РД 153-39.4Р-124-02), Стандарт организации «Правила технического обслуживания и ремонта оборудования и сооружений перекачивающих станций ОАО «АК «Транснефтепродукт» (СО 02-04-АКТНП-008-2005).
Разработан и принят к использованию стандарт предприятия ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» «Методика расчета на прочность трубопроводов с учетом локальных значений коэффициентов запасов прочности в условиях изменения производительности при включении и отключении перекачивающих агрегатов».
Разработанный метод расчета запасов прочности и риска аварий трубопроводных систем от нестационарности технологических параметров эксплуатации используется при проведении занятий в УГНТУ по дисциплинам «Управление безопасностью сложных технических систем как иерархических систем на основе расчета рисков», «Основы теории расчета техногенных рисков» для магистрантов, обучающихся по направлению 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» по программе «Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли» с целью формирования базы знаний по обеспечению промышленной безопасности нефтегазовой отрасли. Содержание
Анализ методов и средств обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем нефтегазовой отрасли
Анализ нестационарности технологических параметров эксплуатации и безопасности трубопроводных систем
Надежность и безопасность эксплуатируемых трубопроводных систем
Анализ методов обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем
Проблемы обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем нефтегазовой отрасли
Исследование напряженно-деформированного состояния трубопроводов и оценка безопасности эксплуатации трубопроводных систем в условиях изменения режима перекачки продукта включением (отключением) перекачивающих агрегатов
Основные исходные положения определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов и метод оценки их безопасности в условиях изменения режима перекачки на основе установления уровня напряжений
Исследование уровня напряжений в стенке трубы в сечении резкого изменения внутреннего давления и оценка безопасности трубопровода
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки трубы в сечении соединения с арматурой и оценка безопасности
Исследование напряженно-деформированного состояния труб в сечении их соединения с разными толщинами стенок и определение параметров безопасности
Действие повышенного давления на участке трубопровода с номинальной (минимальной) толщиной стенки
Действие повышенного давления на участке трубопровода с толщиной стенки больше номинальной
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки трубы на участке соединения с арматурой при использовании вставки промежуточной толщины
Действие на всем участке исследования повышенного давления
Действие на участке трубопровода с номинальной толщиной стенки повышенного давления
Действие во вставке повышенного внутреннего давления
Действие на всем расчетном участке нормативного давления
Исследование и обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводных систем на основе регулирования режима перекачки продукта
Расчет напряжений в стенке трубы и обеспечение безопасности трубопровода в условиях изменения внутреннего давления на ограниченном его участке регулированием режима перекачки
Расчет напряжений в стенке труб и обеспечение безопасности в условиях изменения внутреннего давления на достаточно протяженном участке трубопровода
Исследование и обоснование параметров снижения волны давления в зонах соединения трубопровода с арматурой
Снижение волны высокого давления начиная от сечения соединения трубопровода с арматурой
Повышение внутреннего давления начиная от сечения соединения трубопровода с арматурой
Исследование влияния изменений давления в полости трубопровода на его безопасную эксплуатацию при наличии соединения труб с разными толщинами стенок
Повышенное давление на участке с номинальной толщиной стенки трубы
Повышенное давление на участке трубопровода с толщиной стенки больше номинальной
Исследование и определение параметров регулирования режима перекачки продукта, обеспечивающих безопасность эксплуатации трубопроводных систем
Анализ зависимостей между параметрами перекачки нефти в условиях изменения производительности трубопровода
Определение безопасных параметров изменения производительности перекачки для участка трубопровода из труб с равными толщинами стенок
Определение безопасных параметров изменения производительности перекачки для участка трубопровода, имеющего соединение труб с разными толщинами стенок
Безопасные параметры изменения производительности перекачки для участка нефтепровода, имеющего запорную арматуру
Оценка экономической эффективности применения магистральных насосных агрегатов с частотно-регулируемым электроприводом
Исследование и разработка безопасного и оптимального режима перекачки в условиях недозагрузки магистрального нефтепровода
Анализ эксплуатации оборудования НПС при недозагрузке магистральных нефтепроводов
Влияние числа пусков-остановок насосных агрегатов на безопасность их эксплуатации
Определение безопасных технологических параметров перекачки с остановками насосных агрегатов для накопления нефти в резервуарах нефтеперекачивающей станции
Оценка риска аварий и составление структуры затрат в условиях перекачки нефти с остановками насосных агрегатов для её накопления в резервуарах нефтеперекачивающей станции
Определение оптимального и безопасного режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода с учетом риска аварий
Исследование и разработка эффективных методов и средств обеспечения безопасности эксплуатации магистрального трубопровода в условиях аварийной остановки перекачки и ремонта поврежденного участка трубопровода
Обеспечение безопасности эксплуатации магистрального нефтепровода оптимальным размещением линейной запорной арматуры
Эффективная и безопасная откачка нефти из полости повреждённого участка магистрального нефтепровода
Усовершенствование технологии извлечения на поверхность участка подземного трубопровода
Повышение эффективности правки концов труб перед их сваркой встык
Выбор рациональных параметров центровки участков трубопровода при ремонте с заменой дефектного участка