Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Нефтегазопроводы, базы и хранилища

Диссертационная работа:

Алероев Бекхан Султанович. Разработка методологии оценки работоспособности магистрального трубопровода по критерию надежности на этапах проектирования и эксплуатации : ил РГБ ОД 71:96-5/45

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Аннотация 2

Введение 6

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГИСТРАЙЬНОГО ТРУБОПРОВОДА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ! А СОБСГВВШЮВ ИССЛЕДОВАНИЕ 16

1.1« Объект исследования и особенности его работы 16

1.1.1. Надежность и долговечность - основные свойства инженерных сооружений 18

1.1.2. Внешние и внутренние возмущения магистральных: трубопроводов, как случайные величины

и случайные функции 23

1.1.3. Классификация предельных состояний линейной части магистрального трубопровода; исследование их влияния на общие характеристики надежности и долговечности 44

1.1.4. Вопросы мётологии по разработке структруных схем надежности 51

1.2. Состояние вопроса по теме исследования 55

Г.З. Формулирование задачи на собственное исследование 64

ВЫВОДЫ ПО ГЛАШ I .68

ГЛАВА 2. ВЫБОР, ОБОСНОВАВДЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ НАДЕЖНОСТИ (ССН) ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ PAC4STA НАДЕЖНОСТИ' "ЭЛЕМЕНТОВ" СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ НАДЕЖНОСТИ 69

2.1. Выбор и обоснование ССН линейной части магистраль ного трубопровода ( л.ч.м.т.), как многопараметри ческой системы и ее трансформация в связи с различ ными типами задач 69

2.2. Критерии оптимального распределения (нормирования) надежности между элементами ССН 75

2.3. Расчет коэффициентов запаса элементов ССН на заданную надежность 92

2.4. Исследование влияния размеров конструкции на

ее прочность и надежность 104

2.5. Методы оценки проектной и эксплуатационной надежности линейной части магистрального трубопровода в точной и упрощенной постановках... 128

2.6. Математические модели для переходных вероятностей из одного предельного состояния в другое. Аппроксимация функции надежности, как системы с накоплением повреждений 161

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 173

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ, УСТОЙЧИВОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ НЕСУЩИХ ЭНЕМЕНГОВ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО РУБОПРОВОДА. МОДИФИКАЦИЯ ИХ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСЧЕТАМ НАДЕЖЮСТИ 176

3.1. Предварительные замечания. Расчет на прочность элементов ССН без дефектов 176

3.2. Метод определения напряженно-дефорігарованного состояния несущих элементов л.ч.м.т. с дефектами различной природы 181

3.3. Расчеты на прочность продольных и кольцевых сварных швов 218

3.4. Метод расчета линейной части магистрального трубопровода на устойчивость и жесткость... 224

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 244

ГЛАЗА 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЕКГЮЙ И ЭКСП ЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖЮСТИ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТ РАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА 246

4.1. Обоснование законов распределения параметров предельных состояний несущих элементов линейной части магистрального трубопровода 246

4.2. Выбор критического уровня надежности и прогнозирование отказов в элементах ССН л.ч.м.т 259

4.3. Методика расчета проектной надежности и оптимизации коэффицентов запаса прочности 267

4.4. Методика расчета эксплуатационной надежности и выбора ее критического уровня, и прогнозирования отказов с последующим планированием сроков инспекционного осмотра и ремонтных работ..272

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 278

ГЛАВА 5. ПРИМЕР РАСЧЕТА И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ... 279

5.1. Краткое техническое описание выбранного объекта исследования ( магистрального газопровода Орен бург- Новопсков) и составление его ССН 279

5.2. Расчет истинного значения проектной надежности и оптимизация коэффициентов запаса по предельным состоянии прочности» устойчивости и жесткости 287

5.3. Расчет эксплуатационной надежности и выбор ее критического уровня 299

5.4. Практические рекомендации по прогнозированию отказов и оптимальному планированию сроков инспекционных осмотров и ремонтных работ Зо9

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 2>15

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ЗІЧ

литература ьгі 

Введение к работе:

В настоящее время уже нет сомнений, что проблема надежности относится к числу приоритетных направлений в создании и эксплуатации конструкций современной техники. Оказанное полностью относится к трубопроводному транспорту, обеспечивающему развитие не только нефтяной и газовой промышленности, но и всего топливно-энергетического комплекса в целом.

Трубопровоцный транспорт нефти и газа давно превратился из узкоспециализированной технической системы в крупную отрасль народного хозяйства, в развитие которого ежегодно вкладываются многомиллиардные средства. Поэтому и неудивительно, что это обстоятельство требует научно-аргументированного подхода к распределению и расходу столь огромных средств.

Намеченная за последнее время тенденция роста строительства трубопроводов больших диаметров, работающих на повышенных давлениях и в сложных природно-климатических условиях, привела к соответствующему ужесточению требований и к надежности магистральных трубопроводов.

Все магистральные газо-и нефтепроводы относятся к взрыво-и пожароопасным сооружениям, отказ в работе которых может привести к очень тяжелым, а в некоторых случаях и непоправимым последствиям - это не только губительное воздействие на флору и фауну, но и возможные человеческие жертвы от такого рода аварий. Поэтому) в настоящее время ( см.ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения"), все большее внимание уделяется безопасности таких традиционных источников передачи энергии, как магистральные нефте-и газопроводы, наравне с крупными тепловыми и гидроэлектростанциями. Вышесказанное позволяет утверждать, что повышение надежности - есть основная и глобальная проблема всего дальнейшего развития технического прогресса в области строительства и эксплуатации магистрального трубопроводного транспорта.

К сожалению, существующие нормативные документы[85,І96І еще не полностью охватывают всего многообразия факторов, силовых воздействий и требований, которые должны учитываться при проектировании трубопроводов. Поэтому, основным мероприятием для повышения их надежности ( кроме повышения технологий качества и строительства), на ваш взгляд, является проектирование на основе более совершенных методов расчета, которые учитывали бы наиболее полно их условия работы. Это конечно не только выбор наиболее точных прочностных методов и расчетных схем, учитывающих в основном все,более или менее значимые воздействия и нагрузки, но и выбор оптимальных, т.е. научно обоснованных, а не принятых интуитивно или на основе накопленного опыта, коэффициентов безопасности по рассматриваемым предельным состояниям.

Выбор таких оптимальных значений коэффициентов безопасности наиболее полно может быть проведен на основе вероятностно-статистических методов, которые рассматривают конструкцию магистрального трубопровода, как некую вероятностную модель, подверженную случайным воздействиям.

Кроме того, такой подход является ециниственно возможным и правомерным,и в решении проблемы прогнозирования надежности (вероятности безотказной работы) и ресурса трубопроводов, ставшей весьма актуальной, особенно за последние годы. Это

объясняется прежде всего тем» что мощная единая система трубопроводного транспорта нефти и газа уже давно находится в эксплуатации и ресурс многих магистралей подошел к своему критическому уровню. Таким образом, только лишь рассмотрение работы магистрального трубопровода как некой стохастической системы, является на наш взгляд, правомерной во всех отношениях.

Ценность статистического подхода обоснована в фундаментальных трудах М.Майера (1926 г.) Н.Ф. Хоциалова (1927-192Эг.г.), В.Вейбулла (1939 г.), Я.Н.Френкеля, Т.А.Конторовой (1943-1945 г.г.), Н.С.Стрелецкого (1935-1947 Г.Г.), А.Н.Рясаницына ( 1947-1980 г.г,), В.В.Болотина (1958-1990г.г.), Синюкова А.М ( с 1970г.).

В основе статистического подхода к расчетам конструкции лежит понятие случайного события, состоящего в ее разрушении в широком смысле слова. Когда мы начинаем говорить о таком понятии применительно к инженерным сооружениям, мы невольно приходим к противоречию, ибо целью любого инженерного расчета является выбор такой конструкции, разрушение которой было бы весьма маловероятным событием и статистическое истолкование вероятности ее разрушения, таким образом, утрачивавт смысл. Однако, такое кажущееся на первый взгляд противоречие, может быть преодолено при сравнении вероятностей разрушения разных конструкций, ибо позволяет оценить степень риска в том или ином случае, или одной и той же конструкции, но в разных условиях работы.

В связи с этим, нам хотелось бы остановиться на возражениях, которые выдывигались в.прошлом, да и сейчас выдвигаются противниками статистических методов в строительной механике. Эти возражения в основном сводятся к следующим двум группам.

Первая группа - это сомнения в возможности получения опытных данных в количестве, достаточном для последующей обработки их методами теории вероятностей. Такие сомнения, имевшие основания может быть в прошлом, в настоящее время не должны прини -маться серьезно во внимание, ибо обеспечение автоматической регистрации и даже планирование самого эксперимента, а также широкое внедрение ЭВМ, позволяющие весьма быстро обрабатывать большие объемы статистической информации снимает не только принципиально, но технические трудности [55J .

Вторая группа возражений, выдэигаемых против статистических методов, сводится к следующему. Утверждают, что в эксплуатации любого технического изделий мы имеем дело с конкретным объектом и предсказать разрушение или неразрушение не представляется возможным в силу наличия разнообразных факторов, случайных по своей природе, в то время, как выводы вероятностного характера применимы только лишь к массовым событиям и изделиям (сооружениям). "Но вероятность есть некоторая объективная мера наступления события. Она сохраняет свой смысл независимо от того, является это событие многократно воспроизводимым или нет... Вероятность надежной работы конструкции в течение установленного срока эксплуатации остается объективная показателем и в том случае, когда конструкция выполнена в единственном экземпляре" « [бб] . Действительно, говоря, например, о надежности конкретного трубопровода или какого-либо его участка, следует иметь в виду совокупность всех трубопроводов или участков, существующих пусть даже в абстракции, но с одним условием, чтобы они все были одного типа и эксплуатируема в однородных условиях. Тогда надежность, которая является объективной мерой уверенности нераз рушения в среднем для всей совокупности, в целом может быть перенесена и на каждый отдельный Экземпляр™ из этой совокупности.

Приведенные возражения живучи главным образом потому» что в настоящее время, к нашему большому сожалению, ".... не существует такой всеобъемлющей статистической теории деформирования и разрушения твердых тел, которая позволила бы с единой точки зрения описать процессы пластической деформации, ползучести, хрупкого разрушения и накопления повреждений при циклических нагрузках" [53,55]. Но для достижения этой цели в настоящее время недостаточно развиты даже и предпосылки на которых основывалась бы такая теория.

Кроме того, отсутствие учебных и справочных пособий по теории и практике надежности, а также полное отсутвие в вузовских программах и планах соответствующих разделов оставляет много пробелов подготовке инженерно-технического персонала, которые ведут, в свою очередь, или к полному непониманию, или в лучшем случае, бессознательному применению вероятностшх методов в задачах строительной механики. Но все же, в существующих нормативных документах при проектировании конструкций, в том числе и магистральных трубопроводов, вводятся различив коэффициенты, такие как коэффициент запаса, коэффициенты надежности, условий работы, безопасности по материалу и т.д., которые так или иначе, подсознательно, уже сейчас,учитывают случайный характер возмущающих параметров и характеристик несущей способности конструкции. Поэтому, очевидно, что статистическое толкование, например, коэффициента запаса открывает возможность для более обоснованного и глубокого способа оценки надежности инженерного сооружения. Оуществугощие значения коэффициентов за паса, а также тесно связанные с ними значения нормативных нагрузок и нормативных сопротивлений вырабатывались, исправлялись и уточнялись главным образом путем обобщения многолетнего опыта проектирования и эксплуатации конструкции. Но между тем, как видно из сказанного выше, возможны и строгие теоретические подходы с широким привлечением аппарата теории вероятности и теории надежности.

Существующее множество работ, посвященных проблеме надежности магистральных трубопроводов условно можно разделить на две большие группы.

Первая, более многочисленная группа работ, относится к исследованию надежности оборудования и систем компрессорных (КС) и насосных (НС) станций, запорной, регулирующей и т.п. арматуры и аппаратуры, используемой на магистральных трубопроводах. Это направление является наиболее разработанным, ибо отказы на агрегатах КС и НС и т.д. являются массовыми событиями, относительно изучения которых уже имеется хорошо разработанный аппарат математической теории надежности и теории надежности электронных и вычислительных систем.

В некотором отношении к этой группе можно отнести и работы, в которых отказы на м.т. рассматриваются как потоки с различными функциями интенсивности. Однако, нужно отметить, что слабой стороной этих исследований является использование в расчетах надежности вновь проектируемых и сооружаемых трубопроводов, статистики по отказам уже эксплуатируемых или бывших когда-то в эксплуатации п аналогов", и конечно, простой перенос их функций интенсивностей отказов является неправомерным. Конечно, здесь есть большой соблазн применения хорошо разрабо тайного математического аппарата в случае задания интенсивнос-тей отказов "элементов" системы магистрального трубопровода и, наверное, на начальном этапе проектирования (предэскизного решения) этот подход действительно имеет место, но.получение достоверных характеристик надежности, на наш взгляд, пока сомнительно.

Ко второму направлению, менее разработанному чем первое, можно отнести исследования так называемой прочностной (конструктивной) надежности только линейной части магистрального трубопровода ( л.ч. м.т.), без КС, НС, основной и вспомогательной арматуры и аппаратуры. Здесь, в основном, рассматриваются задачи определения надежности (вероятности безотказной работы -в.б.р.) л.ч.м.т., в смысле нецостижения ее предельдах состояний за все время эксплуатации, и конечно, связанные с нею вопросы нормирования и прогнозирования надежности, оптимизации коэффициентов запаса.

Нужно сказать, что общие методические вопросы этого направления исследований относительно любых инженерных конструкций, разработаны в достаточном полном объеме [55,111,187,..Л. Однако, например, применительно к конструкции л.ч.м.т. многие задачи этой крупной проблемы решены или с большими ограничениями, или же вовсе не решены. Потому, настоящая диссертационная работа и посвящена попытке создания, а в основном обоснования существующего, но трансформированного к нуждам исследуемой проблемы, теоретического и методического аппарата, который позволил бы не только оценивать проектную и конструктивную (эксплуатационную) надежность, но и прогнозировать вероятность безотказной работы и ресурс л.ч.м.т. в целом.

Глава первая посвящена описанию объекта исследования и особенностям его работы. Здесь же излагается подход к проблеме надежности, как основному свойству всех инженерных конструкций и сооружений. Рассматривается стахастическая природа нагрузок, воздействий и параметров несущей способности л.ч.м.т. Представлена классификация предельных состояний л.ч. и проанализировано их влияние на общие характеристики надежности.

Далее изложены вопросы методологии по разработке структурных схем надежности (ССН), приведен обзор по исследуемой тематике и сформулированы задачи на собственное исследование.

В начале второй главы освещены вопросы выбора и обоснования ССН л.ч.м.т. как сложной многопараметрической системы с дальнейший трансформациями этих ССН применительно к различным типам задач. Приведены некоторые основные критерии оптимизации, используемые в задачах надежности. Здесь же предлагаются и обосновываются собственные критерии нормирования надежности по элементам ССН, на основе которых проводится дальнейшая оптимизация коэффициентов запаса л.ч.м.т. Большое место уделяется и вопросам влияния масштабности элементов ССН на прочность и надежность.

Во второй части главы второй получены расчетные зависимости оценок проектной и эксплуатационной надежности, как в точной (функциональный подход), так и в упрощенной ( квазистатический подход) постановках. Кроме того, рассмотрена задача вычисления переходных вероятностей элементов ССН из одного предельного состояния в другое и приведены соображения, позволяющие определять аналитическую форму функции надежности в случае представления л.ч.м.т. как системы с накоплением повреждений различной природы.

Материал третьей главы посвящен определению напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов ССН как без дефектов, так и с дефектами различной природы Произведена трансформация методов расчета на прочность, устойчивость и жесткость в интересах статистического моделирования.

Четвертая глава в основном посвящена разработке методик по оценке и оптимизации надежности л.ч.м.т. с различных позиций. Далее проведен сравнительный анализ этих методик с последующим выявлением той из них, которая наиболее приемлема в инженерной практике. Здесь же отдельно рассмотрена проблема выбора критического (минимально допустимого) уровня надежности элементов ССН,с последующим прогнозом появления отказов, а следовательно и планирования ремонтных работ на потенциально опасных участках линейной части,

В пятой главе на базе исходной статистической информации параметров внешних и внутренних возмущений, для конкретного примера расчета, выбранного из реальной жизни, проведена ап-пробация полученных в работе результатов.

И наконец, в приложениях, вынесенных в виде отдельного тома, представлены материалы математического и экспериментального обеспечения основных положений диссертационной работы.

Рекомендации и выводы по работе, также и методики в ней разработанные, нашли свои реализации: в темах 133/30-81,82,83 "Развитие теории прочности магистральных трубопроводов в Северном исполнении" (МИНХиГП им, Губкина, г. Москва); 122/30-84 "Разработка систем технической диагностики линейных частей магистральных трубопроводов и компрессорных станций" (отчет

МШХ и Ш им. И«М» Губкина; 186 - 90 - "Расчет динамики изменения величины конструктивной надежности газопровода ОРЕНБУРГ-КОЗШСКОВ" ( отчет НИСИприкаопийокнефтегазвтрой, г.Оренбург); в регламенте "Измерения, необходимые для диагностики механической надежновти л.ЧрМвт#" и в методиках "норшрование коэффициентов запаса прочности и сравнительной оценки механической надежности участков магистрального газопровода", "Определение несущей способности трехслойного элемента трубопровода типа "труба в трубе", утвержденной Мингазпромом СССР; в "Методике оптимизации коэффициентов запаса прочности при.сооружении л.чвм„т.", утвержденной трестом Мосгазпроводстрой; в "Методике расчета проектной надежности и оптимизации коэффициентов запаса прочности и л.чем.т., утвержденной АОЗТ "ЭСТТ-Нефть", г0 Нижневартовск; в Методике расчета эксплуатационной надежности, прогнозирования отказов и планирования ремонтных работ на участках л.ч.м.т, утвержденной проектным институтом "Грозгипронефтехим" и концерном "Грознефтехим", г.Грозный и ШЛО "Сибнефтегазпром", г, Нижневартовск» а так же докладывались на Всесоюзных, отраслевых и

Международной конференциях и опубликованы в 25 печатных работах.

Подобные работы
Иванова Ольга Николаевна
Метод формирования и использования моделей ГТД на различных этапах проектирования, доводки и эксплуатации
Бороздин Дмитрий Николаевич
Повышение эффективности ГПС мелкосерийного производства на этапах их проектирования и эксплуатации за счет использования имитационного моделирования
Болгов Сергей Владимирович
Автоматизированное проектирование строений с заданным уровнем безопасности функционирования на этапе эксплуатации
Фатеев Владимир Петрович
Совершенствование систем пожарного водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов и разработка рекомендаций по их проектированию и эксплуатации
Аккулов Руслан Иршатович
Исследование и разработка технических норм и методик для проектирования и эксплуатации пассиковых агрегатов межоперационных транспортных систем микроэлектроники
Кульчицкий Валерий Владимирович
Проектирование специальных профилей и разработка технологии бурения наклонно направленных скважин применительно к эксплуатации месторождений механизированными способами
Никулин Максим Вячеславович
Интенсификация разработки и эксплуатации систем принятия решений в области машиностроения (На примере автоматизации проектирования пресс-форм для литья термопластов)
Шкляров Михаил Иванович
Разработка и внедрение методов повышения динамической надежности и снижения вибрации турбоагрегатов на стадиях проектирования, доводки и эксплуатации
Красных Александр Анатольевич
Разработка основ проектирования и создание комплекса электрозащитных средств и устройств мониторинга состояния воздушных линий электропередачи напряжением до 35кВ для повышения безопасности их эксплуатации
Волков Александр Викторович
Разработка методологии повышения эффективности и надежности эксплуатации теплоэнергетического насосного оборудования

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net