Трубопроводные системы являются становым хребтом критических инфраструктур любой нефте-газодобывающей страны или региона. Не случайно, что наиболее высокие уровни жизни наблюдаются в странах, инфраструктура которых содержит безопасно функционирующих магистральные нефте-газовые магистрали. Аварии таких систем, ведущие к смертям и увечьям, нарушению окружающей среды приводят, как правило, к дорогостоящим искам против операторов трубопроводных систем и привлечению к ответственности тех лиц, которые допустили аварию или катастрофу.
Методология предсказательного мейнтенанса (технического обслуживания и ремонта), основанная на критерии риска (ПМКР) [16] позволяет заглянуть в будущее состояние трубопровода с гораздо большей ясностью и точностью, чем это позволяют существующие методы, и приводит к улучшенным планам управления целостностью трубопроводов, с расходами и трудозатратами близкими к оптимальным. ПМКР трубопроводов основан на использовании количественного анализа риска при принятии решений по мейнтенансу трубопроводов и использовании различных показателей состояния трубопровода, запускающих те или иные мейнтенанс-действия [17]. Накопленные операторами трубопроводов институциональные знания и мировой опыт позволяет использовать некоторые физические параметры функционирующих трубопроводов в качестве «красных флагов». Вероятность отказа (ВО) трубопроводной системы оценивается на основе практически всех разделов конструкционной механики и надежности. Последствия ВО трубопровода включают в себя потерю собственности, дохода, ухудшение состояния окружающей среды, человеческие потери, и потерю имиджа. Методика ПМКР объединяет все промежуточные результаты с использованием различных инструментов анализа для получения количественной оценки риска.
Коммуникация риска является важной компонентой ПМКР. При информировании руководства трубопроводной компании о результатах ПМКР, форма и содержание предсказательного мейнтенанса должны обеспечивать простоту понимания возникших проблем риска и целостности трубопроводной взаимозависимой критичной инфраструктуры для исполнительного и финансового директоров компании. Говоря о лидерстве, некоторые фирмы подумывают о введении у себя на предприятии должности директора по рискам. Руководство трубопроводных компаний предпочитает простые качественные ответы на вопросы о мейнтенансе своих имущественных комплексов.
С развитием трубопроводной технологии она неизбежно становится все более сложной. Для сохранения при этом «простого» формата процесса принятия решений, необходимо автоматизировать процесс сбора необходимой информации, ее верификации и последующей оценки риска, и представлена в простой визуальной форме. ПМКР удаляет огромный пласт неопределенности и позволяет использование количественных инструментов для вычисления будущих моментов времени, которые запустят диагностику/ мейнтененанс/ ремонт/ изменение режимов перекачки. Это не означает, что трубопровод с таким мейнтенансом будет «абсолютно» безопасным, но частота отказов такой системы будет на порядок меньше чем у трубы, эксплуатирующейся по традиционной технологии.
Для успешного использования ПМКР топ-менеджеры компании должны быть искренне заинтересованы в использовании данного инновационного подхода, который позволяет одновременно повысить безопасность трубопровода, эффективность ее функционирования и существенно улучшить финансовые показатели фирмы. Они должны также иметь в виду, что при использовании последних инноваций они получают «прививку» против возможных исков. Трубопроводная компания должна также соответственным образом обучать свой персонал, занимающийся мейнтенансом трубопровода. В настоящее время все необходимые компоненты ПМ уже разработаны. Фирмы, которые первыми начнут применять эту технологию, выиграют в наибольшей степени. Прогноз показывает, что в течение ближайших лет ПМКР станет зрелой и широко применяемой технологией мейнтенанса трубопроводных систем.
У современного общества нет иного выхода как научится жить в сложном мире, окруженной различными угрозами. В этом контексте необходимо объединить усилия для предотвращения отказы трубопроводов и минимизировать их последствия. Как говорится, нужны двое чтобы станцевать танго. Необходимо установить взаимопонимание между владельцем/оператором трубопровода, диагностом, и фундаментальной и прикладной наукой, чтобы ускорить прогресс трубопроводной индустрии.
В статье описывается комплексная, практическая методология предсказательного мейнтенанса трубопроводных систем с дефектами типа «потеря металла» и «несплошность металла стенки трубы».
Дефекты, выявленные в результате внутритрубной диагностики (ВТД), подразделяются на три категории в зависимости от их вида, размеров и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные. Опасные дефекты - требуют ремонта в кратчайшие сроки. Потенциально опасные дефекты – дефекты, не входящие в категорию опасных, однако размеры, которых превышают требования действующих нормативных документов. Неопасные - не снижают несущей способности трубы и не требуют наружного обследования и ремонта. Данная методика определения степени опасности дефекта, учитывает только сценарий отказа дефекта типа «разрыв».
Для учета обоих сценариев отказа «течь» и «разрыв» строится экспресс-оценка степени опасности дефектных участков трубопровода, которая проводится на компьютере, путем построения графиков, ограничивающие размеры дефектов трубопровода и позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации трубопровода.
Методика, описанная в работе, представлена также для дефектов типа «несплошность металла стенки трубы». Несплошности металла стенки трубы возникают в процессе сталеплавильного и прокатного производства, а также в процессе эксплуатации. К этим дефектам относятся: металлургические расслоения, водородные расслоения, закаты и плотные неметаллические включения. Для дефектов, относящихся к этому типу, оценка степени опасности производится только после приведения дефекта к поверхностному дефекту типа «потеря металла». В работе представлены модели приведения несплошности металла к поверхностным дефектам типа «потеря металла».
Расчет вероятностной оценки прогнозирования остаточного ресурса трубопровода проведено с учетом вероятностного подрастания дефектов. Для этого определяется максимальная, с заданной вероятностью γ, скорость коррозии по всем дефектам. В качестве основного показателя определяется гамма – процентный ресурс, задаваемый двумя численными значениями: наработкой и выраженной в процентах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто.
Данная работа описывает случай успешного применения описанной технологии к наземному трубопроводу с двумя типами дефектов (коррозия и расслоение) транспортирующему сильно действующий коррозионный конденсат.
Основы предсказательного мейнтенанса
1. Классификация выявленных дефектов
Все дефекты, выявленные в результате внутритрубной диагностики (ВТД), подразделяются на три категории, в зависимости от их вида, размеров и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные.
Опасные дефекты - требуют ремонта в кратчайшие сроки. Опасными являются локальные поверхностные дефекты, глубина которых превышает 80% толщины стенки для трубопроводов, транспортирующих некоррозионные среды и 60% толщины стенки для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды; и с запасом прочности относительно разрушающего давления менее, чем для потенциально опасных дефектов.
Потенциально опасные дефекты – дефекты, не входящие в категорию опасных, однако размеры, которых превышают требования действующих нормативных документов (НД). Для этих дефектов требуется наружное обследование и ремонт в плановом порядке.
Неопасные - не снижают несущей способности трубы и не требуют наружного обследования и ремонта. К ним относятся поверхностные аномалии металла труб, допустимые требованиями НД, а так же внутренние металлургические дефекты.
2. Ранжирование дефектов по степени опасности по критерию возможного отказа типа «разрыв»
Коэффициент запаса прочности дефектного участка трубопровода по критерию возможного отказа типа «разрыв», определяется по формуле:
Заметим, что степень опасности дефекта, определяемая по условиям (1), учитывает только сценарий отказа дефекта типа «разрыв».
С помощью коэффициента запаса прочности можно рассчитать допустимое рабочее давление (ДРД) дефектного участка трубопровода по формуле:
1. Экспресс-оценка степени опасности дефектных участков трубопровода
Для экспресс-оценки прочности дефектных участков трубопровода, когда учитываются два возможных сценария отказа «течь» и «разрыв», строятся графики, ограничивающие размеры дефектов трубопровода и позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации трубопровода. Эти графики позволяют также осуществлять классификацию потенциальной опасности дефектов трубопровода в зависимости от области их расположения на графиках (см. рис. 1).
Прямая I представляет собой припуск на коррозию и ограничивает зону 1 проектных условий эксплуатации трубопровода (10% или 20% wt).
График II получают путем пошаговых вычислений по формуле (3) ДРД дефектного участка трубопровода до величины рабочего (проектного или планируемого) давления трубопровода Рop при изменении длины и глубины дефекта в формуле (2), с шагом соответственно 1 мм и 0,05 мм. При этом в трубопроводе допускается рабочее давление с проектным коэффициентом запаса прочности N1 = N2 относительно разрушающего давления.
График III получают путем пошаговых вычислений ДРД дефектного участка трубопровода до величины, при которой разрушающее давление Рf в N1 = [0,8·N2 + 0,2] раза больше рабочего давления трубопровода, при изменении длины и глубины дефекта в формуле (2).
График IV получают путем пошаговых вычислений ДРД дефектного участка трубопровода до величины рабочего давления трубопровода при изменении длины и глубины дефекта в формуле (2) и коэффициенте запаса прочности N1, ограничивающим предельные размеры потенциально опасных дефектов.
График V строят путем пошаговых вычислений расчетного разрушающего давления Рf дефектного участка трубопровода до величины рабочего давления трубопровода Рop при изменении длины и глубины дефекта в формуле (2), то есть определяют размеры дефектов, способных вызвать разрушение трубопровода при рабочем давлении и N1 = 1.
Горизонтальные участки, ограничивающие предельную глубину дефектов, получают переносом точки с графика IV в месте, соответствующем 60% или 80% толщины стенки трубы на графики II и III.
В зависимости от области расположения данных ВТД на графиках определяют условия дальнейшей эксплуатации или ремонта дефектных участков трубопровода:
Область 1 – припуск на коррозию, проектные условия эксплуатации трубопровода.
Область 2 – допустимое состояние эксплуатации трубопровода, содержащего допустимые дефекты в условиях, обеспечивающих эффективную электрохимическую и ингибиторную защиту.
Область 3 – участок трубопровода содержит потенциально опасные дефекты и подлежит ремонту. В плановом порядке проводится ремонт, если дефект находится ниже желтой линии графика III, делящего область 3, и в течение года, если дефект находится выше желтой линии графика.
Область 4 – участок трубопровода содержит опасные дефекты и подлежит ремонту в кратчайшие сроки (внеплановый ремонт).
Область 5 представляет собой условную область разрушения, найденную согласно используемой методики для вычисления давления разрушения.
Данная экспресс-оценка прочности дефектных участков трубопровода, в отличие от оценки степени опасности дефектов, определяемой по условиям (1), учитывает не только сценарий отказа дефекта по типу «разрыв», но и сценарий по типу «течь».
1. Модели приведения дефекта типа «несплошность стенки трубы» к поверхностному дефекту типа «потеря металла»
Несплошности металла стенки трубы возникают в процессе сталеплавильного и прокатного производства, а также в процессе эксплуатации. Согласно [6, 7] к ним относятся: металлургические расслоения, водородные расслоения, закаты и плотные неметаллические включения.
Модели приведения [6, 7] несплошности металла к поверхностным дефектам типа «потеря металла» и определения приведенного дефектного слоя металла стенки трубы, для непротяженных несплошностей, когда длина дефекта меньше либо равна 0.2 диаметра трубы (l ≤ 0.2D) приведены на рис. 2. На рис. 2 d – толщина обнаруженной несплошности, d* - толщина приведенного дефекта (после приведения используется как глубина), l – длина несплошности вдоль оси трубопровода, wt – толщина стенки трубы, 
- остаточная толщина стенки трубы.
Согласно рис. 2 во всех случаях, за исключением одного (см. последний пример рис. 2), приведенная толщина несплошности равна обнаруженной толщине, то есть приведение дефекта не требуется.
Для протяженных несплошностей (l > 0.2D) без выхода на поверхность стенки трубы глубина приведенного дефектного слоя равна наибольшему перепаду расположения расслоения по окружности трубы и половине перепада расположения расслоения вдоль трубы:
Величина приведенного дефектного слоя для протяженных несплошностей металла стенки трубы определяется по формуле:
Металл, со стороны наружной поверхности трубы, несет часть нагрузки от давления совместно с бездефектным слоем металла. Приведенная величина дефектного слоя металла стенки трубы в этом случае определяется по формуле:
Для дефектных участков трубопровода типа «несплошность металла трубы» после приведения их к дефектам типа «утонение стенки трубы» оценка степени опасности производится как для дефектов типа «потеря металла». Формулы для других случаев приведения можно найти в [6, 7].
Пример. Рассмотрим дефекты типа «расслоение», параметры которых приведены в табл. 1. Приведем дефекты типа «расслоения» к поверхностным дефектам типа «потеря металла». Оба дефекта протяженные, так их длина по оси трубы l>0.2D=65 мм.
1. Оценка с заданной вероятностью максимальной скорости развития дефектов
Фактически скорость коррозии является случайной величиной. Некоторые операторы трубопроводов, учитывающие этот факт, используют метод прогнозирования будущего состояния трубопровода, на основе оценки максимальной скорости роста обнаруженных дефектов. При этой оценке предполагается, что функция плотности вероятности глубин обнаруженных дефектов, как правило, описывается двухпараметрическим законом Вейбулла, который имеет вид:
В случае, если распределение обнаруженных дефектов имеет нормальное или приближенно нормальное распределение, то максимальная глубина дефекта с вероятностью γ определяется по формуле (квантиль нормального распределения):
где U - квантиль нормального распределения в зависимости от доверительной вероятности γ, γ, Vd- выборочный коэффициент вариации дефектов.
Срок проведения последующей ВТД должен быть не более величины гамма-процентного ресурса (τrl g), минус один год.
Срок проведения последующей ВТД должен быть не более величины гамма-процентного ресурса (τrl g)
минус один год.
Некоторые результаты анализа
Анализ был проведен для участка трубопровода, протяженностью 11 км, со следующими параметрами: внешний диаметр (D) - 325 мм; толщина стенки трубы (wt) - 9 мм; SMYS - 245 МПа; рабочее давление перекачки - 6.4 МПа.
ВТД была проведена в 2005 году, в результате которой было обнаружено 3384 дефекта типа «потеря металла» и 11 дефектов типа «расслоение». Часть дефектов была верифицирована.
На первом этапе анализа, с помощью методики, описанной в [13, 14, 15] получены оценки истинных размеров глубин верифицированных и неверифицированых дефектов, которые использовались в дальнейшем анализе.
Методика, описанная в работах [13, 14, 15] позволяет найти последовательные и беспристрастные оценки истинных (неизмеримых) размеров параметров дефектов и их дисперсий для случая, когда необходимая информация об инструменте ВТД и верификационном инструменте получена из полевых или лабораторных измерений. Методика позволяет оценить статистические параметры погрешностей измерений инструментов, используемых при ВТД и дополнительном диагностическом контроле, для случая, когда одно измерение производится каждым инструментом. Методика также позволяет калибровать инструменты ВТД и тем самым оценить истинные размеры неверифицированных параметров дефектов.
На втором этапе дефекты типа «расслоение» приведены к поверхностным дефектам типа «потеря металла» по методу описанному выше.
Для оценки давления разрушения использовалась методика B31Gmod [2] с разным коэффициентом формы дефекта kf, который равен 0.67 для внешних дефектов и 1.0 – для внутренних.
На третьем этапе проведена экспресс-оценка степени опасности дефектов, результаты которой представлены на рис. 3-5.
Согласно рис. 3 и 4, три дефекта типа «потеря металла» подлежат ремонту в течение года после проведения ВТД, т.к. эти дефекты находятся между линиями графиков III и IV; четыре дефекта, находящиеся между линиями графиков II и III, должны быть отремонтированы в плановом порядке.
Для дефектов типа «расслоение», согласно рис. 5, шесть дефектов подлежат срочному ремонту; четыре дефекта необходимо отремонтировать в течение года после проведения ВТД (эти дефекты находятся между линиями графиков III и IV); и один дефект, находящийся между линиями графиков II и III, должен быть отремонтирован в плановом порядке.
На следующем этапе, для прогнозирования будущих размеров параметров дефектов и оценки остаточного ресурса по методу, описанному выше, оценена скорость роста параметров дефектов типа «потеря металла». Расчет произведен для вероятности γ = 0.95. Время эксплуатации трубопровода до проведения ВТД лет. Согласно проведенному анализу, для множества оценок истинных размеров глубин дефектов наиболее подходящим является нормальное распределение. Такое же предположение сделано и для длин дефектов. Тогда максимальная глубина и длина дефекта, которую имеет или превышает при ВТД (1-γ)-ая доля дефектов, и максимальная скорость коррозии, с вероятностью γ, равна значениям, представленным в табл. 2.
Далее, на основе оценок скоростей роста параметров дефектов, по формуле (10) для каждого дефекта типа «потеря металла» определен остаточный ресурс. Результаты расчета представлены в табл. 3 и на рис. 6, согласно которым, у девяти дефектов остаточный ресурс менее 10 лет. В табл. 3 красным цветом выделены дефекты, подлежащие срочному ремонту; оранжевым – ремонту в течение года; и желтым – плановому ремонту.
На следующем этапе проведена прогнозная экспресс-оценка степени опасности дефектов, ресурс которых, менее 10 лет (табл. 3), для десяти прогнозных моментов времени t = 1, 2,.., 10 лет. Полученные результаты представлены на рис. 7 и 8.
Согласно полученным результатам один дефект потребует срочного ремонта через 2 года после проведения последней ВТД; один дефект – через 4 года; один дефект – через 6 лет и один дефект – через 9 лет. Эти дефекты будут представлять опасность с точки зрения потери целостности трубопровода по типу «течь», т.к. пересекают горизонтальную часть (60% wt) красной линий IV.
Если из табл. 3 исключить все дефекты, подлежащие срочному ремонту и ремонту в течение года, то остаточный ресурс и гамма-процентный ресурс трубопровода будут иметь значения, представленные в табл. 4.
Согласно табл. 4 следующую ВТД рекомендовалось провести через 6 лет после проведения последней инспекции. По предлагаемой методике эту инспекцию вполне безопасно можно было выполнить на один год позже, что существенно уменьшило эксплуатационные расходы.
Список использованной литературы
1. National Standard of USA ANSI/ASME B31G-1991 «Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines», NY: ASME, 1991. 140 p.
2. Kiefner J.F., Vieth P. Н. A Modified Criterion for Evaluating the Remaining Strength of Corroded Pipe / AGA Pipeline Research Committee. Report PR 3-805, 1989. 78 p.
3. Recommended Practice DNV-RP-F101. Corroded pipelines. Det Norske Veritas, Norway, 2004.
4. Stephens D.R., Leis B.N. Development of an Alternative Criterion for Residual Strength of Corrosion Defects in Moderate- to High-Toughness Pipe, Volume 2 // Proceedings of the Third International Pipeline Conference (IPC 2000), Calgary, Canada, American Society of Mechanical Engineers, 2000. pp. 781-792.
5. Ritchie D., Last S. Burst Criteria of Corroded Pipelines - Defect Acceptance Criteria // Proceedings of the EPRG/PRC 10th Biennial Joint Technical Meeting on Line Pipe Research, Cambridge, 1995. Paper 32.
6. СТО ООО «Оренбурггазпром» 0-13-28-2006. Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при ВТД / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, А.В. Швец, Б.Р. Павловский, Д.Н. Щепинов [и др.]. Введ. 2006–08–14. Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2006. 65 с.
7. СТО 0-03-22-2008. Техническая безопасность эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата. Оренбург: «ОренбургГазпром», ВНИИГАЗ, АНО НТП «Технопарк Оренбургского государственного университета», 2008.
8. Kiefner J.F., Maxey W.A., Eiber R.J., and Duffy A.R. The Failure Stress Levels of Flaws in Pressurised Cylinders, ASTM STP 536, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1973, pp. 461-481.
9. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М: Физматлит, 2006. 816 с.
10. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Practical methodology of predictive maintenance for pipelines // Proceedings of IPC Conference, Calgary, Canada, 2010. Paper #IPC2010-31197
11. Тимашев С.А., Бушинская А.В. Вероятностная методика предсказательного
обслуживания трубопроводных систем. // Известия Самарского научного центра
Российской академии наук. Т. 12, № 1(2), 2010, 548-556 с.
12. Бушинская А.В., Тимашев С.А. Статический анализ результатов внутритрубной дефектоскопии для оптимального управления целостностью трубопроводов // II Всероссийская научно-техническая конференция, Симпозиум, XII Школа молодых ученых «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» Екатеринбург: НИЦ «НиР БСМ» УрО РАН, 2008.
13. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Statistical analysis of real ILI data: implications, inferences and lessons learned // Conference and exposition Rio Pipeline, Rio de Janeiro, Brasil, 2009. Paper #IBP1566_09.
14. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Diligent Statistical Analysis of ILI Data: Implications, Inferences and Lessons Learned // Pipeline Pigging and Integrity Management Conference, Houston, 2009.
15. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Holistic Statistical Analysis of Structural Defects Inspection Results. // Proceedings of ICOSSAR Conference, Japan, Osaka, 2009. Paper #ICOSSAR09-0773.
16. Тимашев С.А. Надежность больших механических систем. М.: Наука, 1982. 184 с.
17. Тимашев С.А., Бушинская А.В., Малюкова М.Г., Полуян Л.В. Целостность и безопасность трубопроводных систем. Екатеринбург: АМБ, 2013. 589 с.
