CC BY
29
УДК 656.56
ЗАЩИТА ОТ ПОВРЕЖДЕНИЯ СЕТЕВЫХ СТРУКТУР СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
ТАРАРЫЧКИН И.А., д.т.н., проф. кафедры транспортных систем Луганский национальный университет им. Владимира Даля (ЛНР, 91034, г. Луганск, кв. Молодежный). E-mail: donbass_8888@mail.ru
Рассмотрены особенности защиты от повреждения сетевых структур трубопроводных транспортных систем с топологией «дерево». С использованием метода имитационного моделирования показано, что наибольший положительный эффект наблюдается при защите линейных элементов, расположенных преимущественно на низших структурных уровнях. Установлено существование рациональных и иррациональных схем защиты элементов сетевых структур от развития процесса прогрессирующего повреждения. Предложены практические рекомендации, обеспечивающие возможность достижения высокой эффективности защитных мероприятий, осуществляемых на этапе как проектирования, так и эксплуатации систем трубопроводного транспорта.
Ключевые слова: трубопровод, система, защита, структура, повреждения, проектирование.
Трубопроводные транспортные системы применяют в различных областях хозяйственной деятельности для доставки потребителям сырья, материалов, готовой продукции. Такие системы являются сложными инженерными объектами способными функционировать в различных условиях и режимах [1, 2]. Трубопроводные системы, используемые для доставки нефти, легких нефтепродуктов, других воспламеняющихся и токсичных веществ, представляют потенциальную опасность для рабочего персонала и окружающей среды [3, 4].
Такого рода особенность требует проведения целевых мероприятий, направленных на обеспечение их надежной и безопасной эксплуатации [5]. Если развитие аварийной ситуации при эксплуатации подобных объектов связано с последовательным переходом в неработоспособное состояние отдельных линейных элементов (трубопроводов) в случайном порядке, то такой характер повреждения сетевой структуры называется прогрессирующим повреждением [6].
Прогрессирующее повреждение является опасным сценарием развития аварийной ситуации и приводит к последовательному отключению потребителей от источника целевого продукта. Развитие прогрессирующего повреждения
сопровождается разрывом связей между узлами сетевой структуры и в конечном счете к полной деградации системы. В некоторых случаях повреждение даже небольшого числа линейных элементов системы приводит к отключению от источника одного или нескольких потребителей продукта.
Защитить линейные элементы сетевой структуры от повреждения можно с использованием технических, организационных и иных мероприятий, предотвращающих их возможный переход в неработоспособное состояние в течение заданного времени [7-9].
Поскольку защитные мероприятия являются затратными, то практический интерес представляет разработка рекомендаций по выбору ограниченного числа линейных элементов системы, защита которых позволяет получить наибольший положительный эффект.
Рассмотрим трубопроводные транспортные системы с сетевой структурой типа «дерево» [10]. Структуры с такой топологией широко распространены, однако все они характеризуются низкой способностью противостоять развитию процесса прогрессирующего повреждения. По этой причине поиск эффективных схем защиты таких сетевых
Таблица 1
Условные обозначения структурных элементов
НАИМЕНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
Источник продукта Точечный ®
Потребитель продукта Точечный О
Распределительный узел или технологическая единица Точечный о
Трубопровод Линейный
Защищенный трубопровод Линейный
I
Рис. 1. Исходная структурная схема сетевого объекта (а) и производные защищенные структуры с различным расположением симплекса размерности 3 (б), (в), (г)
Структурные уровни
сложных сетевых объектов при развитии процесса прогрессирующего повреждения [6].
Графическое представление структурной схемы трубопроводной системы выполнялось с использованием условных обозначений отдельных элементов, приведенных в табл. 1.
Если защищенные линейные элементы непосредственно связаны между собой, то такой защищенный фрагмент сетевой структуры в дальнейшем называется симплексом. Характеристикой симплекса является размерность, то есть количество защищенных линейных элементов в его составе.
Поскольку анализируемые структуры с топологией «дерево» могут быть сложными и многоуровневыми, то возникает вопрос о том, какова должна быть размерность симплекса и защита каких структурных уровней системы является наиболее предпочтительной.
Рассмотрим в связи с этим структуру трубопроводной системы, представленную на рис. 1а. Предположим, что для защиты такого объекта будет использован симплекс размерности 3.
Рис. 3. Схемы защиты сетевого объекта с использованием одного симплекса с размерностью 3 (а), а также трех защищенных линейных элементов с той же суммарной размерностью (б), (в)
объектов представляет практический интерес и требует проведения дополнительных исследований.
Целью настоящей работы является поиск рациональных схем защиты сетевых структур трубопроводных транспортных систем с топологией «дерево» от возможного развития процесса прогрессирующего повреждения.
Количественная оценка способности системы противостоять развитию прогрессирующего повреждения выполнялась с использованием показателя стойкости Г^, представляющего собой среднюю долю незащищенных линейных элементов, переход которых в состояние неработоспособности в случайном порядке приводит к отключению от источника всех потребителей целевого продукта.
Расчетное значение 0 < < 1 устанавливалось с использованием разработанной программы имитационного моделирования, позволяющей анализировать поведение
Рис. 2. . Структурная схема трубопроводной транспортной системы с топологией «дерево»
Т\- 0,293
в
Возможные варианты расположения симплекса с включением в его состав точечных элементов, принадлежащих различным структурным уровням, показаны на рис. 1б и 1г. Результаты расчета значений Fv для каждого из вариантов защиты также приведены на рис. 1.
Видно, что защитные свойства симплекса заданной размерности проявляются в наибольшей степени в том случае, если он расположен на минимальном удалении от источника целевого продукта.
В рассмотренном примере, однако, симплекс размерности 3 сохранял свою целостность для всех вариантов его расположения в составе сети. На рис. 2 показана структурная схема трубопроводной системы с топологией «дерево». Защита такого сетевого объекта выполнялась с использованием одного симплекса размерности 3, а также трех не связанных между собой защищенных линейных элементов.
Результаты расчета значений Fv, показанные на рис. 3, однозначно указывают на целесообразность включения в состав симплекса линейных элементов, находящихся на низших структурных уровнях. Кроме того, отдельный интерес представляют собой оценка целесообразности образования последовательности защищенных линейных элементов, включающих узлы, расположенные на разных структурных уровнях.
Так, на рис. 4 представлены сетевые структуры, защита которых выполняется при помощи симплексов размерности 3, с топологией «линия». Установленные для каждого из рассмотренных вариантов защиты значения показателя стойкости также приведены на рис. 4.
Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы.
1. Для сетевых объектов с топологией «дерево» наибольшими защитными свойствами характеризуются прежде
Рис. 5. Структурная схема трубопроводной транспортной системы
I
Рис. 4. Схемы защиты сетевого объекта при помощи симплексов с топологией «линия», в состав которых включены элементы, принадлежащие различным структурным уровням
Ру = 0,305
Ру = 0,272
всего симплексы, в составе которых присутствуют элементы, расположенные на низших структурных уровнях.
2. Потенциал роста эффективности защиты при использовании нескольких симплексов существует и связан с возможностью повышения их суммарной размерности.
3. Увеличение размерности симплекса с целью наращивания защитных свойств целесообразно осуществлять путем первоначального включения в его состав узлов, расположенных на низших уровнях, с последующим добавлением при необходимости узлов, расположенных на более высоких структурных уровнях системы.
Установленные закономерности могут быть использованы при выборе рациональных схем защиты сетевых структур с топологией «дерево».
Так, для представленной на рис. 5 структурной схемы трубопроводной транспортной системы можно указать такую последовательность добавления в состав симплекса защищенных линейных элементов, для которой обеспечивается высокая эффективность их использования.
Порядок включения в состав симплекса отдельных линейных элементов по мере увеличения его размерности в соответствии с данными рис. 6 обеспечивает рациональную
Рис. 6. Последовательность включения в состав симплекса новых линейных элементов при реализации рациональной схемы защиты
а
б
Рис. 7. Последовательность включения в состав симплекса новых линейных элементов при реализации иррациональной схемы защиты
Рис. 8. Зависимость показателя стойкости от размерности симплекса и принятой схемы защиты сетевой структуры
(или близкую к ней) схему защиты сетевого объекта. При решении этой задачи учитывались установленные закономерности и представленные ранее практические рекомендации.
Отметим, что наряду с рациональной можно указать и иррациональную схему, при которой защитный эффект с использованием симплекса заданной размерности оказывается минимальным или находится на низком уровне.
Последовательность включения в состав симплекса отдельных линейных элементов обеспечивающая иррациональную (или близкую к ней) схему защиты сетевого объекта, показана на рис. 7.
На первом этапе компьютерного моделирования симплексы размерности 3 для рациональной и иррациональной схем защиты формировались в соответствии с данными, показанными на рис. 6 и 7.
На следующем этапе значения показателей стойкости оценивались для рациональной и иррациональной схем защиты в случае применения симплексов размерности 6.
В дальнейшем указанная последовательность формирования новых симплексов, размерность которых увеличивалась с шагом 3, повторялась вплоть до достижения симплексом размерности 15. Такой симплекс обеспечивает максимально возможный уровень защиты сетевого объекта, а значение показателя стойкости для этого варианта защиты будет: = 1.
На рис. 8 приведены расчетные значения показателя стойкости, установленные для рассмотренных вариантов защиты анализируемой структуры с использованием рациональной и иррациональной схем.
Видно, что для трубопроводной транспортной системы, структурная схема которой показана на рис. 5, отличия в значениях показателей стойкости при формировании симплекса с размерностью 6 могут превышать 30% в случае использования рациональной и иррациональной схем.
Таким образом, поиск рациональных схем защиты сетевых объектов является важной практической задачей, успешное решение которой может быть основано на установленных закономерностях и сформулированных практических рекомендациях.
Выводы
1. Установлено, что защитный эффект от использования симплекса заданной размерности существенным образом зависит от принятой схемы его формирования.
2. Сформулированы практические рекомендации по формированию симплексов для защиты от повреждения сетевых структур трубопроводных транспортных систем с топологией «дерево», связанные с включением в состав симплекса линейных элементов, расположенных преимущественно на низших структурных уровнях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Г.Г. Трубопроводный транспорт нефти: учеб. для вузов / Г.Г. Васильев, Г.Е. Коробков, А.А. Коршак и др. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. Т. 1. 407 с.
2. Коршак А.А. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учеб. / А.А. Коршак, А.М. Нечваль. Ростов: Феникс, 2016. 540 с.
3. Коршак А.А. Основы транспорта, хранения и переработки нефти и газа: учеб. пособ. / А.А. Коршак. Ростов: Феникс. 2015. 365 с.
4. Тетельмин В.В. Нефтегазопроводы / В.В. Тетельмин, В.А. Язев. М.: Сайнс-пресс, 2008. 256 с.
5. Другов Ю.С. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов / Ю.С. Другов, А.А. Родин. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. 270 с.
6. Тарарычкин И.А. Структурный синтез трубопроводных транспортных систем стойких к повреждениям линейных элементов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Вып. 1 (107). С. 96-106.
7. Курочкин В.В. Эксплуатационная долговечность нефтепроводов / В.В. Курочкин, Н.А. Малюшин, О.А. Степанов и др. М. ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. 231 с.
8. Ланчаков Г.А. Работоспособность трубопроводов / Г.А. Ланчаков, Е.Е. Зорин, Ю.И. Пашков и др. В 3 ч. Ч. 2. Сопротивляемость разрушению. М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. 350 с.
9. Теплинский О.А. Управление эксплуатационной надежностью магистральных газопроводов / О.А. Теплинский, И.Ю. Быков. М.: Центрлитнефтегаз, 2007. 400 с.
10. Домнин Л.Н. Элементы теории графов: учеб. пособ. / Л.Н. Домнин. Пенза: Изд. Пенз. гос. ун-та, 2007. 144 с.
PROTECTION AGAINST DAMAGE TO THE POWER STRUCTURES OF SYSTEMS OF PIPELINE TRANSPORT
TARARYCHKIN I.A., Dr. Sci (Tech), Prof. of the Department of Transport Systems
Lugansk National University named after Vladimir Dal (Molodezhnyy Kvartal, 91034, Lugansk, LNR).
E-mail: donbass_8888@mail.ru.
ABSTRACT
The features of the protection from the damage of network structures pipeline transportation systems with the topology of the «tree». Using the simulation method it is shown that the largest positive effect is observed in the protection of linear elements located mainly in the lower structural levels. The existence of the rational and the irrational security elements of network structures from the development process of progressive damage. Offers practical recommendations to provide the ability to achieve a high efficiency of protective measures implemented both at the stage of designing and operation of pipeline transport systems.
Keywords: pipeline system, protection, structure, damage, design. REFERENCES
1. Vasil'yev G.G., Korobkov G.Ye., Korshak A.A. Truboprovodnyy transport nefti [Pipeline transportation of oil]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2002, vol. 1. 407 p.
2.Korshak A.A., Nechval' A.M. Proyektirovaniye i ekspluatatsiya gazonefteprovodov [Designing and operation of gas and oil pipelines]. Rostov, Feniks Publ., 2016. 540 p.
3. Korshak A.A. Osnovy transporta, khraneniya i pererabotki nefti i gaza [Basics of transport, storage and processing of oil and gas]. Rostov, Feniks Publ., 2015. 365 p.
4. Tetel'min V.V., YAzev V.A. Neftegazoprovody [Oil and gas pipelines]. Moscow, Sayns-press Publ., 2008. 256 p.
5. Drugov YU.S. Rodin A.A. Ekologicheskiye analizy pri razlivakh nefti i nefteproduktov [Environmental analysis in oil spills and oil products]. Moscow, Binom. Laboratoriya znaniy Publ., 2014. 270 p.
6. Tararychkin I.A. Structural synthesis of pipeline transportation systems resistant to damage of the linear elements. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2017, no. 1 (107), pp. 96-106 (In Russian).
7. Kurochkin V.V., Malyushin N.A., Stepanov O.A. Ekspluatatsionnaya dolgovechnost' nefteprovodov[Operational longevity of oil pipelines]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2001. 231 p.
8. Lanchakov G.A., Zorin Ye.Ye., Pashkov YU.I. Rabotosposobnost truboprovodovCH. 2. Soprotivlyayemost' razrusheniyu [Working capacity of pipelines. Part 2. Resistance to destruction]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2001. 350 p.
9. Teplinskiy O.A., Bykov I.YU. Upravleniye ekspluatatsionnoy nadezhnostyu magistral'nykhgazoprovodov [Management of operational reliability of gas mains]. Moscow, Tsentrlitneftegaz Publ., 2007. 400 p.
10. Domnin L.N. Elementy teoriigrafov [Elements of graph theory]. Penza, Penz. gos. un-ta Publ., 2007. 144 p.
