CC BY
171
Х. Ф. Азизов
— доктор физико-математических наук, профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет
(филиал в г.Нижневартовске),
Г.К.Ходжаева
— научный сотрудник лаборатории геоэкологических исследований, НГГУ
АНАЛИЗ РИСКА АВАРИЙНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ НИЖНЕВАРТОВСКОГО РАЙОНА
АННОТАЦИЯ. В данной статье рассматривается состояние подземных трубопроводов, анализируется поток аварий, происходивших в этой системе с 1990 по 2006 годы; рассчитывается вероятное число отказов на разные времена (сутки, месяц, год, 2, 5, 10 лет) в зависимости от длины трубопровода в системе внутрипромысловых нефтепроводов Нижневартовского района.
The article considers the state of underground pipelines and gives analysis of the failures quaintity from 1990 to 2006. The author envisages the probable number of hazards for different periods of time (24-hour, a month, a year, two/five/ten years) depending on a pipeline length in the system of intra-field oil pipelines in Nizhnevartovsky Region.
Эксплуатация нефтегазовых объектов связана с рисками. Кроме обычных рисков проектов, здесь существует риск аварий, приводящих к материальным потерям, к нарушению экологической обстановки и, что особенно существенно, к жертвам и болезням людей. Производственные объекты хранения, переработки и транспортировки горючих и токсичных веществ являются опасными объектами хозяйственной деятельности.
Ежегодно на нефтепромысловых трубопроводах Нижневартовского района происходит от 500 до 1,5 тысяч отказов. Основные причины аварий на трубопроводах — это коррозия труб (в среднем — 98%), строительный и технический брак, механические повреждения трубопроводов (около 1—2% аварий) [8].
Анализ сезонных изменений числа аварий на нефтепромыслах района за 2003—2005 гг. показал, что аварии на нефтепромыслах происходят в основном в весенние и осенние сезоны года. На некоторых нефтепромыслах пик аварийности наблюдается и в зимний период (декабрь), а спад приходится на летний сезон года [9].
Возможными источниками разлива нефти и нефтепродуктов на месторождениях могут быть любые технологические объекты и емкости, содержащие нефть или нефтепродукты.
К наиболее опасным источникам утечки нефти на месторождениях в плане воздействия последствий аварии на окружающую природную среду можно отнести напорные нефтепроводы на участках. Часто подземные нефтепроводы подвергаются внешнему воздействию в результате наездов на них тяжелой техники, при этом дефектами на теле трубы являются трещины, вмятины или порывы. Заполнение пространства между трубопроводом и стенками траншеи, а также под трубопроводом мягким грунтом с последующим его уплотнением значительно повышает сопротивление трубопровода таким внешним нагрузкам [2].
Основной проблемой промышленной безопасности на объектах нефтяной и газовой промышленности остаются недостаточные темпы обновления устаревшего оборудования, а также слабое оснащение производства надежными системами автоматики и телемеханики. Кроме того, уровень аварий и травматизма на объектах газо-, нефтедобычи и геологоразведки прямо связан с низким уровнем производственной дисциплины и профессиональной подготовки персонала, с неэффективным производственным контролем за соблюдением требований промышленной безопасности. Большинство аварий и случаев смер-
тельного травматизма можно предотвратить при постоянном мониторинге реального состояния опасных производственных объектов, при своевременном проведении мероприятий по их техническому обслуживанию, ремонту и реконструкции, а также при соблюдении безопасного режима работы [3].
Оценка степени риска поражения людей и нанесения ущерба при авариях связана с задачей прогнозирования показателей надежности и остаточного ресурса функционирующей системы. Наиболее важным вопросом является установление допустимых сроков дальнейшей эксплуатации индивидуального объекта при конкретном значении риска аварий.
Одним из основных показателей надежности объекта является вероятность Р(0 безотказной работы на некотором временном интервале или функция надежности. Функция Q(t)=1-P(t), дополняющая Р(0 до единицы и характеризующая вероятность отказа, является функцией риска аварии — поражения людей и нанесения материального ущерба [1].
Для оценки риска применяют некоторые модели теории надежности. Среди них — модели высоконадежных систем, для которых аварийные ситуации представляют редкие события, а также модели стареющих систем, качество которых в процессе эксплуатации ухудшается вследствие ползучести, различных видов усталости, износа и других видов повреждений.
Прогнозирование аварийных ситуаций возможно на основе элементарной статистики и дискретного распределения Пуассона, часто применяемого к редким событиям и природным явлениям. Такие события образуют последовательность событий, называемую обычно потоком событий [6]. Такого рода данные представляют интерес при принятии решений о мерах по снижению степени риска аварий на объектах.
Функцией риска аварии из-за отказа нормального функционирования объекта называют вероятность отказа:
где P(t) — вероятность безотказной работы (функция надежности), X(t) — интенсивность отказов, равная вероятности того, что после безотказной работы до момента времени t авария произойдет в последующем малом отрезке времени [1].
Обычно после небольшого начального периода эксплуатации (приработки) функция X(t) длительный период достаточно стабильна, т.е. X(t) = const. Влияние интенсивного старения за счет коррозионного износа, усталости и других факторов должно исключаться регламентированием допустимого срока службы.
Принимая для периода нормального (спокойного) функционирования X(t) = const, из (1) получаем экспоненциальное распределение
причем в = 1/ 2 — математическое ожидание срока службы (ресурса) или средняя наработка на отказ [1]. Функцию риска теперь можно записать в виде
При функции надежности в виде (2) частота отказов в системе однотипных объектов (поток случайных событий) соответствует дискретному распределению Пуассона
f t \
н (t) = і - p (t), P(t) = exp - J
(1)
\ G
A(t ) =- P '(t) і P (t),
P(t) = exp(-At) ,
(2)
(3)
Q(N,At) = ^AtT exp(-At), N — G, 1, 2, ... Xt > G
(4)
Согласно данной формуле, аварии на временном интервале т(^ ^ + т) произойдут N раз с вероятностью Q(N, Ат), а отсутствие аварийных ситуаций (отсутствие отказов) — с вероятностью
Q(0, Ат) = ехр(-Ат). (5)
Вероятность того, что аварии произойдут п раз при n<N (т.е. менее N раз), определяется функцией распределения
Qo(п <N = Ш/,Лт) = 1 -д(,Лт) , (6)
1=0
ад
,Лт) = Qo (п > N) = £Q(i,Лт).
1=1
Вероятность Q возникновения хотя бы одной аварии представляет оценку риска аварий на объекте в период т:
Q = 1 - Q(o, Лт) = 1 - ехр(- Лт). (7)
Ниже рассматривается динамика отказов во времени в системе внутрипромысловых трубопроводов Нижневартовского района общей протяженностью 21 тыс. км. Анализируется поток аварий, поступающих в эту систему с 1990 по 2006 гг.
Параметр потока отказов А для данной системы равен ~ 6-10-2 1/км-год [5]. В таблице представлены вероятности N аварий на 1 км длины трубопровода в зависимости от времени. В последнем столбце этой таблицы указаны значения функции риска аварийности Q (т).
Существуют различные способы уменьшения риска. Самый прямой из них — снижение вероятности наступления неблагоприятных событий или их последствий путем принятия технических или организационных мер.
Таблица
Вероятность числа отказов (ЭД в системе внутрипромысловых трубопроводов Нижневартовского района за время т (на 1 км длины трубопровода): значения функции Q(N, Лт)
Чт п \ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Q
н о 1 1,644-10-4 1,351 • 10-8 7,402-10"13 0 0 0 0 0 0 0 0
1 мес. 0,995 4,907-10-3 1,21 • 10-5 1,989-10-8 2,452-Ю"11 2,419-10"14 0 0 0 0 0 0,005
3 мес. 0,985 0,015 1,078-10-4 5,318-10-7 1,967-10-9 5,82-10"12 1,435 • 10-14 0 0 0 0 0,015
6 мес. 0,971 0,029 4,25-10"4 4,192-10-6 3,10110-8 1,835-10"10 9,049-10"13 3,825-10-15 0 0 0 0,029
1 год 0,942 0,057 1,695-10-3 3,3910-5 5,086-10-7 6,10310-9 6,103-Ю'11 5,231 -10-13 3,923-10"15 0 0 0,058
2 года 0,887 0,106 6,386-10"3 2,554-10-4 7,663-10'6 1,839-10"7 3,678-10"9 6,306-Ю'11 9,458-10"13 1,261 • 10-14 0 0,113
5 лет 0,741 0,222 0,033 3,334-10-3 2,5-Ю"4 1,5-10-5 7,501-10-7 3,215-10"8 1,205-10"9 4,018-Ю"11 1,205-10-12 0,259
10 лет 0,549 0,329 0,099 0,02 2,964-10"3 3,556-10"4 3,556-10"5 3,048-10"6 2,286-10"7 1,524-10-8 9,145-10-10 0,451
Таковыми могут быть меры по технике безопасности, проектирование специальных защитных систем, обучение персонала, создание запасов комплектующих на случай аварии и т.д.
В настоящее время разработаны методы контроля [4] (ультразвуковой, магнитный, метод акустической эмиссии), которые позволяют производить диагностику состояния нефтепроводов, обнаруживать опасные дефекты, что существенно повышает надежность работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие / Под ред. К.Е.Кочеткова, В.А.Котлярского, А.В.Забегаева. М., 2001. Кн. 2.
2. Гумеров А.Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов / Под ред. А.Г.Гу-мерова. М., 1998.
3. Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях: Учебник для студентов высших учебных заведений. 2-е изд. М., 2004.
4. Павлова Е.И. Экология транспорта: Учебник для вузов. М., 2006.
5. Паламарчук Е.Н. Компьютерное моделирование регионального риска аварийности и заболеваемости // Сб. науч. тр. аспирантов и соискателей Нижневартовского государственного гуманитарного университета / Отв. ред. С.И.Горлов. Нижневартовск, 2007. Вып. 4. С. 273—285.
6. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М., 1979.
7. Сдвижков О.А. Математика в Excel 2003. М., 2005.
8. Состояние окружающей среды и природных ресурсов в г.Нижневартовске и Нижневартовском районе в 2006 году: Обзор. Нижневартовск, 2008. Вып. 7. С. 56—58.
9. Ходжаева Г.К. Анализ сезонности аварий в нефтепромыслах Нижневартовского района ХМАО— Югры // Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: Теория, методы, практика: Доклады III Междунар. научно-практич. конф. (Нижневартовск, 25—27 октября 2006 г.) / Отв. ред. Ф.Н.Рянский, О.Ю.Вавер. Нижневартовск, 2006. С. 276—278.
