Целями построения модели являются: прогнозная оценка показателей технического состояния объектов и их элементов, комплексного показателя технического состояния в целом и выбор рациональной стратегии эксплуатации объектов на прогнозируемый период, включая определение критических элементов, требующих ремонта.
В качестве показателя работоспособности объекта в целом целесообразно использовать коэффициент готовности (KP) - вероятность того, что объекты трубопроводного транспорта будут находиться в работоспособном состоянии в произвольный момент времени в течение установленного периода эксплуатации.
Для оценки вклада каждого из отдельных объектов в величину этого показателя и построения функциональной зависимости характеристики организационно-технологической надежности (ОТН) системы от надежности отдельных ее объектов логично соотнести с перечнем решаемых задач, в интересах выполнения которых и обеспечивается технологическая работоспособность.
В соответствии с основными задачами прогнозирования показателей технического состояния объектов трубопроводного транспорта наиболее укрупненное деление может быть следующим [1-7]:
- строительно-экологический мониторинг, инструментальный контроль и инженерная диагностика;
- экспертиза промышленной безопасности объектов трубопроводного транспорта;
- расчет и анализ показателей ОТН объектов трубопроводного транспорта;
- проектные работы по ремонту объектов трубопроводного транспорта;
- строительно-монтажные работы в процессе производства ремонта объектов трубопроводного транспорта.
Очевидно, что для решения каждой из перечисленных задач имеет свое значение. Показатель, характеризующий техническую готовность объекта, должен представлять из себя свертку показателей технического состояния и надежности объектов, входящих в состав системы трубопроводного транспорта. При этом для каждого объекта должны учитываться характеристики, определяющие степень надежности объекта (внутренние) и важность данного объекта в общем перечне объектов системы (внешние). В качестве внутренних характеристик логично использовать коэффициенты готовности KPZ, Z = 1, 2, ... , N - количество выбранных объектов системы.
Выбор внешних характеристик связан с учетом вклада отдельных объектов в готовность системы в целом и с получением функциональной зависимости KPС от KPZ. Построение точной функциональной зависимости KPС от KPZ трудновыполнимо из-за различий техногенных объектов, особенностей их конструкции и решаемых ими задач. Поэтому важность каждого из объектов системы целесообразно задать коэффициентом значимости данного объекта KEZ (определяется методом экспертных оценок). Тогда при нормированных KEZ:
При разработке модели приняты следующие исходные положения, допущения и ограничения.
1) Критерием работоспособного состояния подсистемы является работоспособное состояние всех ее элементов.
2) Для каждого элемента подсистемы определено состояние отказа или неработоспособного состояния, при котором выходной эффект данной подсистемы будет ниже заданного уровня.
3) Отказы элементов подсистемы - независимые события, связанные со старением и износом в процессе эксплуатации.
4) Интенсивность отказов элементов на предыдущих по рассмотрению этапах эксплуатации известна и может быть оценена на последующих этапах путем обработки статистических данных эксплуатации.
5) Функции распределения времени восстановления элементов после отказов, а также продолжительность плановых ремонтов элементов подсистем по состоянию на момент рассмотрения известны.
6) Процесс эксплуатации элементов подсистем предполагает комплекс мероприятий по поддержанию технического состояния и обеспечению надежности данных элементов, а также определенные затраты для обеспечения данных мероприятий, которые можно выразить конкретными значениями финансовых показателей.
7) Стоимость, выраженная в денежных единицах, и продолжительность проведения каждого мероприятия по поддержанию технического состояния и обеспечению надежности элементов подсистем известны.
8) Влияние выполнения каждого мероприятия по поддержанию технического состояния и обеспечению надежности элементов подсистем на показатели надежности данных элементов для предшествующих рассмотрению периодов эксплуатации известно, т.е. имеются количественные оценки изменений интенсивности отказов, продолжительности времени восстановления элементов подсистем и т.д.
9) Комплекс мероприятий по поддержанию технического состояния и обеспечению надежности элементов подсистем может содержать: проведение контроля и диагностики, оценка показателей надежности; определение причин возникновения отказов, разработка и проведение мероприятий по их устранению; ремонт объектов и замена отдельных конструкционных элементов; обеспечение требуемых условий эксплуатации; определение влияния условий и режимов эксплуатации объектов на их надежность; установление новых или продление гарантийных сроков эксплуатации; проведение ремонтно-восстановительных работ; проведение работ по техническому обслуживанию; определение номенклатуры и количества, пополнение запасных изделий (частей), инструмента и материалов; проведение мероприятий по защите от воздействия внешней среды; разработка и совершенствование методов эксплуатации, корректировка соответствующей технической документации; определение и обеспечение режимов рационального использования и хранения комплектующих изделий; сопоставление показателей надежности изделий, изготовленных различными предприятиями.
10) Стратегия эксплуатации системы трубопроводного транспорта (отдельного объекта или подсистемы) - выбор и распределение мероприятий по поддержанию технического состояния и обеспечению надежности на заданном уровне подсистем (элементов подсистем) и, соответственно, распределение материально-технических и денежных средств, проводимое с целью рационального использования ресурса эксплуатируемых систем трубопроводного транспорта и сокращения затрат.
При принятых допущениях подсистему можно представить системой с последовательной структурой с восстановлением (последовательное соединение M ремонтируемых элементов).
Техногенные объекты в составе подсистем могут иметь более сложную структуру, но в общем случае, учитывая резервирование отдельных элементов подсистем, могут быть описаны последовательно-параллельными схемами.
Коэффициент готовности системы с последовательной структурой с восстановлением находится как произведение коэффициентов готовности ее элементов и для Z-ой подсистемы равен:
При этом необходимо отметить разницу при оценивании коэффициентов готовности (как системного, так и элементов) для долгосрочного и краткосрочного прогноза характеристик надежности.
В этом случае элементы подсистемы имеют ВФИ-распределение (возрастающая функция интенсивности отказов) времени безотказной работы. Класс ВФИ-распределений является довольно широким и включает в себя такие часто используемые параметрические семейства, как экспоненциальное, усеченное нормальное, вейбулловское распределение и др. При обосновании выбора одного из названных распределений с соответствующими параметрами можно решать задачу прогноза темпов изменения показателей технического состояния объектов трубопроводного транспорта. Для решения практических задач необходима корректировка модели и получение промежуточных достоверных значений оценок и краткосрочных прогнозов технического состояния с использованием новых данных, полученных по результатам отработки и моделирования исследуемых объектов.
Во втором случае рассматривается такой период эксплуатации подсистемы (TE2), на котором для оценки KPZ можно принять неизменными интенсивности отказов и восстановления. В этом случае использование экспоненциального распределения времени безотказной работы и связанных с ним методов оценки надежности является оправданным и удобным.
В основе построения данной модели прогнозирования темпов изменения показателей технического состояния объектов трубопроводного транспорта лежит использование сочетания долгосрочного и краткосрочного оценивания KPZ [8-10]. При этом отслеживается общая тенденция изменения интенсивности потока отказов элементов подсистем на периоде TE, и на ее основе с учетом новых данных эксплуатации и моделирования производится оценка KPZE, выбор рациональной стратегии эксплуатации и соответствующая корректировка снижения надежности на период TE3.
Продолжительность периода долгосрочного прогноза TE связана со средней продолжительностью жизненного цикла подсистем и с учетом возможных продлений срока эксплуатации может быть выбрана в пределах 20-30 лет.
Выбор продолжительности периода краткосрочного прогноза диктуется практикой сбора и обобщения статистических данных эксплуатации, периодичностью проведения мероприятий по обеспечению надежности, а также принятым периодом финансирования, чему, как правило, соответствует 3-5 лет.
Поскольку при расчетах системных показателей надежности приходится иметь дело с оценками показателей надежности элементов системы, полученных различными способами (статистика испытаний и эксплуатации, моделирование и т.д.) и на основании различных объемов статистических данных, то для обеспечения достоверности результатов целесообразно использование доверительных оценок с заданной доверительной вероятностью [11-12].
Результаты моделирования также дают обоснованные основания для решения о продлении или прекращении эксплуатации подсистем, значения KP которых в предстоящем или следующих периодах эксплуатации опускаются ниже критического уровня.
Решение о прекращении эксплуатации Z-ой подсистемы может быть принято на основе следующих данных прогнозирования:
1) KPZ подсистемы в следующем прогнозируемом периоде снижается ниже критического уровня;
2) стоимость компенсации снижения KPZ подсистемы до требуемого уровня выше заданной.
При заданных значениях критических уровней KPZ.CR значение критического уровня системы KP.CR.S определяется выражением:
Поэтому при оптимальном распределении выделенного ресурса на очередной период эксплуатации решающим правилом для лица, принимающего решение [13-15], по которому проводится оценка целесообразности замены элемента подсистемы (объекта трубопроводного транспорта), является снижение прогнозного значения KP.S ниже KP.CR.S. При возникновении такого события из приведенного выражения определяется подсистема или подсистемы с KPZ ниже KPZ.CR. Далее анализируется прогнозное состояние критических элементов данных подсистем.
Общий алгоритм выбора рациональной стратегии эксплуатации может быть реализован как на весь период TE, так и на отдельных его участках. Оптимальное прогнозирование с помощью описанной модели будет при периодической ее коррекции (с периодом TE3) по результатам реальной эксплуатации и моделирования. Для калибровки модели при выборе нижних доверительных оценок коэффициентов готовности подсистем трубопроводного транспорта целесообразно использовать результаты имитационного моделирования и известные статистические методы .
Литература
1. Антипьев В.И., Бахмат Г.В., Земенков Ю.Д. Техническая и параметрическая диагностика в трубопроводных системах. - Тюмень: Вектор Бук, 2002, - 432 с.
2. Хренов Н.Н. Основы комплексной диагностики северных трубопроводов. Наземные исследования. - М.: Газоил пресс, 2005. - 608 с.
3. СТО Газпром 2-2.3-412-2010. Инструкция по определению потенциально опасных стресс-коррозионных участков и техническому диагностированию технологических трубопроводов газа компрессорных станций. - М.: Газпром экспо, 2010. – 33 c.
4. СТО Газпром РД 1.10-098-2004. Методика проведения комплексного диагностирования трубопроводов и обвязок технологического оборудования газораспределительных станций магистральных газопроводов. - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - 68 с.
5. Костюков В.Е., Ващев Ю.В., Вышиванный И.Г. и др. Диагностика и мониторинг технического состояния газопроводов при обеспечении надежности, экологической безопасности и управляемости транспорта газа. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет (НГТУ), 2007. - 204 с.
6. Шаммазов А.М., Мастобаев Б.Н., Писаревский В.М. и др. Основы технической диагностики трубопроводных систем нефти и газа. - СПб.: Недра, 2009. - 511 с.
7. Р Газпром 2-2.3-922-2015. Экспертиза промышленной безопасности технологических трубопроводов и оборудования компрессорных станций ОАО «Газпром». Основные требования. - М.: Газпром экспо, 2014. - 19 с.
8. Павлов И.В. Статистические методы оценки надежности сложных систем по результатам испытаний. - М. : Радио и связь, 1982. - 168 с.
9. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. - СПб.: Политехника, 2000. - 248 с.
10. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. - М.: Недра, 2000. - 467 с.
11. Труханов В. М. Методы обеспечения надежности изделий машиностроения. - М. : Машиностроение, 1995. - 336 с.
12. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа анализа и контроля надежности. - М.: Советское радио, 1968. - 288 с.
13. Демидова Л.А., Кираковский В.В., Пылькин А.Н. Принятие решений в условиях неопределенности. - М.: Горячая линия - Телеком, 2012. - 288 с.
14. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде. Количественный подход. - М.: Физматлит, 2005. - 176 с.
15. Трахтенгерц Э.А., Степин Ю.П. Методы компьютерной поддержки формирования целей и стратегий в нефтегазовой промышленности. - М.: Синтег, 2007. - 344 с.
