CC BY
18СЛЕПЦОВ, ЛЫГЛАЕВ, БОЛЬШАКОВ, СТРУЧКОМ
УДК 539.4:620.1 (985)
Обеспечение промышленной безопасности стареющих технических устройств, эксплуатирующихся в условиях Севера
О.И. Слепцов, А.В. Лыглаев, A.M. Большаков, Г.П. Стручкова
Высокие темпы развития техносферы и достижения научно-технического прогресса привели к возникновению и нарастанию не существовавших ранее потенциальных и реальных угроз человеку, обществу и среде обитания. В первую очередь это относится к возникновению и развитию атомной, космической, авиационной, энергетической, нефтегазовой и химической техники и технологий. Положительные и отрицательные факторы данного развития составляют дилемму научно-технического прогресса, 100%-е разрешение которой не достигается из-за , невозможности полного исключения аварий и катастроф, которые оказались неустранимыми в прошлом и настоящем и не могут быть исключены в будущем. В этой связи концепция ненулевого риска аварий и катастроф сложных технических систем (СТС) стала базовой концепцией техногенной безопасности и научно-технического развития.
' High rates of development of engineering and the achievements of scientific and technical progress have given in origin and increase of not existing before potential and actual threats to the man, society and environment. First of all it treats to \ origin and development of nuclear, space, air, energy, oil and gas, chemical technique and technologies. The positive and negative factors of the given development make a dilemma of scientific and technical advance, 100% which resolution are impossible because of impossibility ofcomplete exclusion ofemergencies and catastrophes, which have appeared unavoidable in the past and present and can not be eliminated in the future. Concept of non-zero risk of emergencies and catastrophes of complex technical systems (CTS) became the base concept of technical safety and scientific and technical development.
В настоящий момент Россия обладает самым большим металлофондом, заключенным в нефтегазопроводах, сооружениях добывающей и перерабатывающей отраслей. С освоением основных сырьевых провинций Западной Сибири и Крайне-| го Севера объем строительства новых транспортных систем значительно снизился, но на поддер-i жание в рабочем состоянии и аварийный ремонт этих систем расходуются миллионы тонн проката, главным образом, в виде труб различного диаметра.
Увеличение срока эксплуатации нефтегазопроводов, систем коммунального хозяйства, оборудования предприятий и т.д. приводит к естественному старению металла, снижению сопротивляемости, разрушению и неуклонному росту потока аварийных отказов, все чаще приводящих к человеческим жертвам и экологическим катастрофам.
Темпы роста аварийных разрушений металлоконструкций с увеличением продолжительности работы тем выше, чем жестче условия эксплуатации. Так, анализ аварийных разрушений трубопро-
СЛЕПЦОВ Олег Ивкентьевич, директор ИФТПС СО РАН, Д.т.н.;
ЛЫГЛАЕВ Александр Васильевич, зам. директора ИФТПС СО РАН, д.т.н.;
БОЛЬШАКОВ Александр Михайлович, зам. директора ИФТПС СО РАН, к.т.н.;
СТРУЧКОВА Галина Прокопьевна, с.н.с. ИФТПС СО РАН, к.т.н.
водов и оборудования в системе ОАО «Газпром» за последние 7-8 лет, где более 60% магистральных трубопроводов уже отработало более 20-30 лет, показал, что в регионах Крайнего Севера и Западной Сибири интенсивность отказов в 10...12 раз выше, чем в центральных районах страны. По официальным данным, ущерб от аварийных разрушений газопроводов в северных районах составил для ОАО «Газпром» в 2000 г. более 300 млн дол. США, а затраты на разработку и проведение всех видов диагностики - только около 12 млн дол. США [5].
До настоящего времени и у нас, и за рубежом проблему старения материала в процессе эксплуатации и, как следствие, снижение надежности конструкции решали, главным образом, путем утилизации объекта, чей наработанный ресурс приблизился или достиг проектного.
Выросшая до колоссальных размеров металлоемкость инфраструктуры добывающей, перерабатывающей, транспортирующей и т.п. отраслей, определяющих социально-экономический облик любого государства, не позволяет решать проблемы надежности традиционным путем.
Вопросам продления срока службы ответственным конструкциям, выработавшим проектный ресурс эксплуатации, в последние несколько лет уделяется большое внимание как у нас, так и за рубежом. В 1997 г. страны Евросоюза создали межгосударственную научно-техническую комиссию по
разработке программы диагностики, мониторинга и продления срока службы особо ответственных объектов и отдельных конструкций. К числу этих объектов относятся все сооружения, разрушение которых может привести к экологическим потерям и человеческим жертвам [3].
В Институте физико-технических проблем Севера СО РАН исходя из вышесказанного решается целый ряд крупных научно-технических задач, позволяющих успешно развиваться не только горнодобывающей и нефтегазовой промышленности Республики Саха (Якутия), но и аналогичным отраслям Сибири и Крайнего Севера.
Обеспечение надежности газопроводов, энергетических систем, металлоконструкций коммунального хозяйства, слежение за природными катаклизмами и предупреждение их разрушительных последствий для Республики Саха (Якутия) является особенно важным, т.к. регион находится в зоне экстремально низких климатических температур. Разработанные и апробированные в этом регионе методы и средства, диагностики и прогнозирования ресурса эксплуатации металлоконструкций, системы мониторинга водных артерий могут быть использованы в других регионах с аналогичными природно-климатическими условиями.
Развитие и реализация средств и методов диагностики, мониторинга протяженных металлоконструкций базируется на таких фундаментальных науках, как физика твердого тела, механика сплошных сред, механика разрушения и т.д., что делает необходимым объединение усилий специалистов разных отраслей науки и техники.
Управление эксплуатационной безопасностью сложных технических систем сводится к установлению параметров технического обслуживания, приводящих к приемлемому уровню значений параметров надежности при минимальной стоимости эксплуатации. Риск эксплуатации промышленного объекта считается приемлемым, если ради выгоды, получаемой от эксплуатации объекта, общество готово пойти на этот риск. Область применения данного принципа ограничивается сооружениями, при отказах которых нехарактерна массовая гибель людей. В этих условиях критерием принятия решения, наиболее полно и информативно характеризующими функционирование сложных технических систем, выступают экономические факторы [1-3].
Наиболее эффективные меры повышения безопасности эксплуатации СТС могут быть рассмотрены в трех направлениях:
- предотвращение возникновения аварийных ситуаций;
- управление возникновением аварийных ситуаций;
- оценка эффективных методов оценки остаточного ресурса стареющих металлоконструкций (рис. 1).
Текущие механические сво йстш материала треи^.иастайкость уда рная вязкость
"-.-Г.-.....
: блза^аииыч I ло дефектности ; коисп ручции
Ооноаиыз па Ьаза-данных
Г
№од<адй огшсыааахц^е егзроний материала
Мрдеш элисыэ,аюи^е роет и развь+ти«? трещи»
титявяжт
Шштш
ЯЁ^ЯЬва.:.: •/!= ■№»;ЖЯ&ХЪ.^
Рис. 1. Схема оценки надежности стареющих СТС на примере трубопроводов
В целях предотвращения возникновения аварийных ситуаций Институтом ФТПС предложены следующие направления исследований:
- разработка расчетно-экспериментальных методов оценки хладостойкости крупногабаритных металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера;
- разработка теоретических основ создания новых хладо-, износостойких материалов с высоким сопротивлением замедленному разрушению для техники и конструкций, эксплуатирующихся в горно-добывающей и нефтегазовой промышленности, на железнодорожном транспорте в Арктическом регионе;
- разработка новых сварочных технологий и критериев оценки прочности и ресурса для техники Крайнего Севера;
- исследование прочности и надежности горнотранспортной техники в условиях Крайнего Севера.
В рамках управления возникновением аварийных ситуаций ведутся следующие научные исследования:
- разработка кибернетических геоинформационных систем управления целостностью магистральных газопроводов Севера;
- экспертная система контроля и надзора за потенциально опасными объектами, адекватное при-
СЛЕПЦОВ, ЛИГЛАЕР, НО-
)Вп
нятие решении о недопущении аварийных ситуаций (рис. 2).
Комплексное решение задач, которые решаются в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН, затрагивает научную концепцию основ создания техники Севера [3].
В инженерном понимании решение проблемы хладостойкости металлоконструкций заключается в том, чтобы в течение всего расчетного ресурса при воздействии заданных рабочих нагрузок предотвратить разрушение элементов техники и металлоконструкций в условиях низких климатических температур эксплуатации (ниже минус 40°С).
"ПЧЬ'ЛН 1 1С ,г 11 о. п киси • " I:"- >ш Гь, I «■"т-оЛ .омим.* ч кшучч:'!! »1______'х-ьд—^.■аич.г
КЩЖ:.
^__
.'«»■миг кк' 'Я
•,Смйи*»1
Рис. 2. Экспертная система контроля и надзора за потенциально опасными объектами, адекватное принятие решений о недопущении аварийных ситуаций
Еще в конце семидесятых годов прошлого столетия путем анализа причин отказа элементов техники и сложных технических систем (ЭК - элемент конструкции) в условиях низких климатических температур в работе [1] была сформулирована следующая постановка задачи надежности ЭК:
Ат = (т2 - т,) —► [СЩ-С(Ат)} > О,
Ш1П
(1)
где т2 - количество отказов ЭК в экстремальных условиях эксплуатации; т1 - количество отказов в нормальных условиях эксплуатации в зоне с умеренным климатом; С(Ь) - стоимость потерь при недовыполнении объема работ Ь из-за отказов элементов ЭК; С(Дт) - стоимость работ по ликвидации отказа ЭК путем повышения качества конструкций.
Как видно, в то время одним из путей решения задачи (1), т.е. решения проблемы хладостойкости ЭК было повышение качества продукции в совет-
'•.'лпк пг|>?.<\;>ях промышленности, производящем технику в сео^рном исполнении. В действительности в наше рыночное время опыт эксплуатации западной высококачественной техники в полярных горных карьерах или, например, использования в строительстве северных газопроводов японских и западно-германских труб большого диаметра из высококачественных сталей показал достоверность данного утверждения о путях решения проблемы хладостойкости ЭК.
В настоящее время проблема хладостойкости ЭК видится со следующих позиций. Известно, что фундаментальные и прикладные научные исследования в области обеспечения техногенной безопасности требуют дополнительных мер по координации и консолидации усилий. При этом главной является инвестиционная политика, которая должна основываться на результатах инвентаризации состояния основных производственных фондов. Основная цель - определить остаточный ресурс эксплуатации основного технологического оборудования и реализовать мероприятия по замене оборудования, отработавшего нормативный срок службы.
В условиях ограниченных инвестиционных возможностей приоритетным направлением должно стать проведение комплекса мероприятий по развитию технической диагностики оборудования, отработавшего расчетный ресурс эксплуатации, что позволит обеспечить его работоспособность в период до замены на новое оборудование.
Для стареющих СТС в северном исполнении формулировка задачи обеспечения безопасности СТС подобна (1), но только С(Аот) будет определять стоимость работ:
- по предотвращению возникновения аварийных ситуаций;
- по управлению возникновением аварийных ситуаций, которое в основном включает использование экспертной системы контроля и надзора за потенциально опасными объектами СТС.
Рассмотрим пример применения данного подхода для газопроводов в северном исполнении. Трубопроводы, особенно газопроводы, аккумулируют большое количество энергии перекачиваемого продукта, что может вызвать протяженные вязкие или хрупкие разрушения, которые происходят в условиях высоких динамических нагрузок. Кроме того, в трубопроводах аккумулируется энергия упругой деформации металла, что также усложняет условия работы металла в конструкции.
Ранее в исследованиях [3] было показано следующее. На рис. 3 приведены результаты оценки
вторых критических температур вязкохрупкого перехода 1:кр для стали 09Г2С. Определение статической трещиностойкости Ка производилось на полнотолщинных образцах на трехточечный изгиб по ГОСТу 25.506-85. Образцы вырезались из катушек труб после десяти лет эксплуатации (труба 1), после пяти лет эксплуатации (труба 2) и в состоянии поставки (труба 3). Труба 3 была японской поставки, сталь которой аналогична марке 09Г2С, но микролегирована Т1 и А1. Результаты стандартных механических образцов показали, что даже после двадцати лет эксплуатации не наблюдается существенных изменений сертификационных механических свойств. Но из рис. 3 видно, что наблюдается некоторая тенденция ухудшения статической трещиностойкости (сгС0 - номинальное напряжение разрушения образца), особенно по сравнению с японской сталью в состоянии поставки. Оценка вторых критических температур вязкохрупкого перехода по результатам испытания стандартных образцов при статическом показала, что после десяти лет эксплуатации изменение механического состояния металла таково, что имеется большая вероятность того, что разрушение может начаться при напряжениях ниже предела текучести ст0 2 в интервале климатических температур эксплуатации трубопровода.
Безотказное функционирование механической системы во многом определяется уровнем запаса прочности, что в свою очередь связано с назначением величины допускаемых напряжений при расчетах на прочность. Следовательно, под тем характерным явлением повышения Дт в условиях эксплуатации на Севере можно подразумевать некоторое смещение границ допускаемых напряжений, которое было принято в расчетах на прочность при проектировании элементов конструкций. Данная аналогия в теории надежности механических систем [4] означает, что надежность конструкций, как вероятность безотказной работы, имеет тенденцию к понижению:
. ... ЧИ-. К, , МП»
200
(2)
где N - общее количество элементов конструкций; г - время эксплуатации.
Анализ причин отказов магистральных газопроводов, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, показывает, что 84,2% отказов происходят при низких температурах эксплуатации. Вместе с тем более 40% всех отказов газопровода приходятся на кольцевые сварные соеди-
ью 180 И1.> 2>,о
Верхмлс 1-: I - 1>:-'ЛС 10 .'107 .ч.ч'п у ат а Ш1 п
2 - поазе 5 лег жеп;}уз;зшш; в госчоитш пооак
■~ч)"Т, К
Рис.3. Результаты испытания материала трубы из стали 09Г2С после десяти (верхний индекс 1), пяти (верхний индекс 2) лет эксплуатации и в состоянии поставки (верхний индекс 3)
нения, в том числе отказы, обусловленные появлением сквозных трещин в монтажных кольцевых соединениях, сваренных в условиях низких температур, составляют 90,0% [3].
Для оценки вероятности безотказной работы магистрального газопровода используют функцию Вейбулла в виде
/?(0 = ехр
/ л* г
\"в у
(3)
где tв, Ъ - параметры распределения.
Оценка параметров вышеприведенной формулы по данным разрушения кольцевых сварных соединений северных газопроводов показала, что ¿>=3,6 ; /в = 83,4 [5]. При этом вероятность отказа газопровода за определенный промежуток времени I оценивалось по формуле:
РОТК (/,, = Ротк (г) - Ротк ). ^
Существующие методы определения условий хрупкого разрушения основаны на экспериментальных наблюдениях с последующей разработкой расчетных методов для практического использования, которая заключается в ранжировании конструкционных сталей по уровню сопротивления хрупкому разрушению. Практически сдвиг критической температуры вязко-хрупкого перехода означает меру склонности элемента конструкции к хрупкому разрушению. Или, иными словами, возрастает вероятность хрупкого разрушения.
Основополагающие требования к функциональным задачам системы мониторинга природно-тех-нических систем Республики Саха (Якутия) вытекают из определяющих тенденций обеспечения природной и техногенной безопасности объектов территории.
СЛЕПЦОВ, ЛЫГЛАЕН, БОЛЬШАКОВ, СТРУЧКОМ
Для повышения эффективности системы управления территориальными объектами необходимо обеспечить:
- геоинформационное отображение территории республики;
- оценку уровня социально-экономического развития территорий;
- инвентаризацию объектов повышенной опасности на территории;
- районирование территорий по степени рисков от ЧС природного и техногенного характера;
- прогнозирование и оценку развития сценариев чрезвычайных ситуаций на объектах повышенного риска;
- разработку и реализацию комплекса эффективных мер по предупреждению ЧС в регионах Республики Саха (Якутия).
Решение задач описания объектового состава природно-технических систем целесообразно осуществлять с геопространственными данными масштабов 1:2000 -1:50 ООО, в зависимости от характера локализации (компактные площадные или линейные). На этом уровне добавляются: схемы изученности лицензионных участков (скважины, профили); структурные карты по данным сейсмической разведки и бурения; контуры водонефтяно-го контакта; кустовые площадки; схемы кустования скважин; расположение наземного оборудования; внутриплощадочные коммуникации и другие. При описании промысловых трубопроводов показываются трассы их прохождения, размещения оборудования и места их пересечения с водотоками, инженерными коммуникациями. Показывается размещение вантузов, запорной арматуры, учитываются данные о порывах и отказах, сведения о надежности и коррозионной устойчивости сегментов трубопроводов.
Транспорт и дорожная сеть должны быть описаны на нескольких уровнях с показом общей схемы транспортного обеспечения региона, вертолетных площадок, баз, схем внутри промысловых автомобильных дорог на фоне окружающих ландшафтов, отображения транспортных объектов:
мостов, съездов, переправ, зимников, гаражей, складов.
Рассмотренная схема формирования геоинформационного обеспечения может с успехом быть использована как при решении задач мониторинга природно-технических систем объектов нефтегазового комплекса, так и других промышленных комплексов, связанных с разработкой месторождений полезных ископаемых. Для отображения геопространственного представления текущей ситуации целесообразно использовать следующие виды геоинформационных данных: цифровые топографические карты; цифровые планы городов; цифровые пространственные трехмерные модели местности и объектов местности; цифровые ортои-зображения и ортофотопланы; цифровые ортофо-токарты. Характерной особенностью создания перечисленных видов геоинформационных продуктов в ходе проведения мониторинга является широкое использование для этих целей данных дистанционного зондирования.
Литература
1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Функционирование и развитие сложных народно-хозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем, систем связи и коммуникаций. Раздел первый. М.: МГФ «Знание», 1998. 448 с.
2. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Функционирование и развитие сложных народно-хозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем, систем связи и коммуникаций. Раздел второй. М.: МГФ «Знание», 1998. 416 с.
3. Ларионов В.П. Техногенный риск и устойчивое развитие северных регионов в XXI веке // Материалы I Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: В 6 т. Т. 1. Якутск: ОИФТПС СО РАН, 2002. С. 3-15.
4. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.
5. Ларионов В,П. и др. Сварка и проблемы вязкохруп-кого перехода. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. 593 с.
— ❖ ❖ ❖ —
