авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование методов проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода

-- [ Страница 1 ] --

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Аграфенин Сергей Иванович

Совершенствование методов проектирования

нефтегазопроводов на основе

нормативного вероятностного подхода

Специальности 25.00.19 Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2009

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»), г. Уфа, и Открытом акционерном обществе «Институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности»
(ОАО «Гипровостокнефть»), г. Самара

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Перов Сергей Николаевич
Научный консультант – доктор технических наук Ямалеев Ким Масгутович
Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор Малюшин Николай Александрович
– кандидат технических наук Аскаров Роберт Марагимович
Ведущая организация – ОАО «Уралтранснефтепродукт» (г. Уфа)

Защита диссертации состоится 27 марта 2009 г. в 1530 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа,
пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 26 февраля 2009 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В Российской Федерации протяженность магистральных нефтегазопроводов составляет более 300 тыс. км. Для их функционирования используются около 800 компрессорных и нефтеперекачивающих станций. Значительное количество магистральных нефтегазопроводов уже имеет срок эксплуатации более 30 лет. При этом аварии и катастрофы, связанные со сбросом продуктов перекачки, составляют до 60 % техногенных чрезвычайных ситуаций с экологическими последствиями. В то же время в течение последних десятилетий в России созданы и продолжают вводиться в строй уникальные по протяженности новые сложные технические системы трубопроводного транспорта природного газа, нефти и нефтепродуктов. Разработка новых месторождений на Сахалине, Камчатке, Дальнем Востоке вызвала необходимость проектирования и строительства новых трубопроводов в районах вечной мерзлоты, сейсмической активности, заболоченности местности и с другими экстремальными природно-климатическими условиями.





В связи с этим задача обеспечения надежности и оценки количественных показателей прочности, безотказности и долговечности конструкций проектируемых нефтегазопроводов приобрела еще большую актуальность. Это достаточно сложная проблема, так как нормативный (детерминированный) метод расчета прочности конструкций по предельным состояниям не позволяет оценивать надежность проектируемых конструкций в ее современном понимании, поскольку не учитывает вероятностную природу характеристик несущей способности и нагрузки.

Нормативный метод расчета по предельным состояниям более тесно связан с вероятностным методом, чем исторически предшествующий ему метод расчета по допускаемым напряжениям. Это достигается благодаря расчленению коэффициента запаса на отдельные компоненты, что позволяет придать ему физический смысл, связанный с изменчивостью тех или иных величин. Однако при таком подходе нормируются только коэффициенты надежности в формулах расчета прочности и устойчивости трубопроводных конструкций.

В то же время подходы к оценке надежности при проектировании трубопроводных конструкций с учетом нестационарного характера процессов изменения несущей способности и нагрузки с учетом фактора времени наименее разработаны. Обеспечение надежности проектируемых нефтегазопроводов за счет комплексного решения задач оценки показателей прочности, безотказности и долговечности рассматриваемых конструкций имеет научную и практическую ценность. Актуальным является совершенствование методов проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода для обоснования выбора проектных решений с учетом зависимости нагрузки и несущей способности конструкции от времени.

Вероятностная методология расчета строительных конструкций на надежность и безопасность, получившая свое развитие в работах В.В. Болотина, А.Р. Ржаницына, Н.С. Стрелецкого и других ученых, практически не встречает возражений ни у теоретиков, ни у практиков проектировочных расчетов.

Аналитической основой решения задач оценки конструктивной надежности нефтегазопроводов являются методы исследований физики отказов и расчетов на прочность и устойчивость, развитые Азметовым Х.А., Агишевым В.Т., Березиным В.А., Бородавкиным П.П., Гумеровым А.Г., Гумеровым Р.С., Иванцовым О.М., Зайнуллиным Р.С., Малюшиным Н.А., Росляковым А.В., Султановым М.Х., Халлыевым Н.Х., Харионовским В.В., Ямалеевым К.М., Ясиным Э.М. и другими учеными.

В последние годы появились новые подходы к решению задач оценки прочностной надежности проектируемых строительных конструкций, задач статистической динамики, к анализу физики отказов и механики разрушения, в связи с чем совершенствуются методы проектирования нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода.

Целью диссертационной работы является обеспечение надежности нефтегазопроводов путем усовершенствования методов их проектирования на основе нормативного вероятностного подхода.

Основные задачи исследований:

1. Анализ методов оценки конструктивной надежности проектируемых нефтегазопроводов;

2. Сравнительная оценка и обоснование выбора метода решения задачи статистической динамики для определения вероятностных характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) участков нефтегазопроводов;

3. Разработка методики оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмический разлом;

4. Разработка математической модели и алгоритма расчета функции надежности с учетом трещинообразования в металле конструкций нефтегазопроводов.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, квалиметрии и механики разрушения, а также расчеты на прочность строительных конструкций.

Для подтверждения выводов и результатов исследований использованы априорная информация о надежности эксплуатируемых трубопроводных систем, экспериментальные данные о работоспособности элементов конструкций нефтегазопроводов.

Научная новизна результатов работы

1. Разработан нормативный вероятностный подход к проектированию нефтегазопроводов, включающий нормативные (детерминированные) расчеты, решение задачи статистической динамики и вычисление функции надежности конструкции с учетом изменчивости нагрузки и несущей способности конструкции с течением времени.



2. Разработан эффективный по трудоемкости и точности способ решения задачи статистической динамики для определения вероятностных характеристик НДС участков нефтегазопроводов на основе метода интерполяционных полиномов.

3. Разработана научно-методическая основа оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмические разломы, включающая детерминированные расчеты, решение задачи статистической динамики методом интерполяционных полиномов и вычисление функций безопасности и риска.

4. Разработан расчетный метод оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкций нефтегазопроводов. Разработан алгоритм реализации метода интерполяционных полиномов для оценки функции надежности при трещинообразовании в металле конструкции. Получены уточненные значения безразмерных коэффициентов в формулах расчета коэффициента интенсивности напряжений.

На защиту выносятся нормативный вероятностный подход, методы и методика оценки конструктивной надежности нефтегазопроводов на этапе их проектирования.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Проектирование нефтегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода, включающего детерминированные расчеты, решение задачи статистической динамики и вычисление функции надежности с учетом изменчивости нагрузки и несущей способности конструкции с течением времени, позволяет формировать проектные нормы надежности, технические решения, качественные и количественные требования по обеспечению и контролю надежности, а также требования к устойчивости нефтегазопроводов к отказам.

2. Разработанная методика оценки конструктивной надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмический разлом позволяет обосновать выбор безопасных проектных решений.

3. Разработанный метод оценки функции надежности нефтегазопроводов при трещинообразовании в металле конструкции позволяет прогнозировать долговечность (ресурс) и обосновать ремонт дефектных участков по техническому состоянию.

Новый нормативный вероятностный подход, разработанные методы и методика оценки конструктивной надежности нефегазопроводов внедрены в проектный технологический комплекс ОАО «Гипровостокнефть» и рекомендуются для применения в проектных организациях ОАО «Транснефть», ОАО «Транснефтепродукт», ОАО «Газпром».

Апробация результатов работы

Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на научно-практических конференциях, отраслевых совещаниях и т.п. по проблемам трубопроводного транспорта, в том числе:

  • на заседании экспертно-технической комиссии при Президенте ОАО «АК «Транснефтепродукт» (г. Москва, 2004 г.);
  • на I Международной практической конференции «Обустройство и инфраструктура месторождений» (г. Москва, 2005 г.);
  • на IV Российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (г. Геленджик, 2006 г.);
  • на отраслевом совещании специалистов ОАО «АК «Транс-нефтепродукт» и ОАО «Гипровостокнефть» по вопросу строительства объектов проекта «Север» (г. Ярославль, 2007 г.);
  • на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2008» (г. Уфа, 2008 г.);
  • на IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2008» (г. Уфа, 2008 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 монография и 3 работы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, библиографического списка использованной литературы, включающего 82 наименования. Изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 32 таблицы и 54 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проведен анализ методов оценки надежности элементов конструкций проектируемых нефтегазопроводов.

Раскрыто принципиальное различие нормативного (детерминированного) метода расчета прочности трубопроводных конструкций, при котором нормируются величины коэффициентов надежности, и вероятностного метода, использующего нормирование количественного показателя надежности – безотказности.

Сочетание детерминированного и вероятностного методов расчета прочности конструкции позволяет обосновать приемлемые значения коэффициентов надежности по материалу, конструкции и нагрузке для расчета по детерминированным величинам. Такой традиционный подход формируется на основе метода оценки надежности как вероятностной прочности.

Очевидным недостатком метода оценки надежности как вероятностной прочности является невозможность учета фактора времени, поскольку прочность и нагрузка здесь считаются не случайными процессами, а лишь случайными величинами в каждый данный момент времени. Это обстоятельство диктует необходимость постановки и решения задачи статистической динамики и вычисления функции надежности с учетом изменчивости нагрузки и несущей способности конструкции как функции времени.

Задача статистической динамики сводится к определению вероятностных характеристик параметров напряженно-деформированного состояния участков нефтегазопроводов по известным вероятностным характеристикам и законам распределения нагрузки и свойств механической системы. Для вычисления функции надежности H(t) решается задача выброса случайного процесса из области со случайными границами. Обосновывается это тем, что допустимая область о является случайной, т.е. граница случайным образом изменяется при переходе от одного состояния к другому. Рассмотрена ситуация, когда оба вектора s и r нагрузки и свойств системы соответственно являются случайными, причем их значения статистически связаны. Совместная плотность вероятности этих величин frs(r, s) является заданной.

В этом случае показана целесообразность применения метода условных функций надежности, который основан на поэтапном решении задачи.

На первом этапе полагается, что вектор нагружения задан при фиксированных значениях s, а вектор r принимает определенное значение. Граница допустимой области o зависит от r и s. Тогда функция надежности представляет собой, по существу, вероятность пребывания системы в допустимой области при условии, что параметры нагрузки и самой системы фиксированы:

(1)

По аналогии с условной вероятностью найденная функция определена как условная функция надежности.

На втором этапе с использованием формулы полной вероятности находится безусловная вероятность безотказной работы на множестве всех возможных значений r и s:

(2)

Здесь интегрирование проводится по области определения значений векторов r и s.

Содержание общего подхода к оценке функции надежности раскрыта на примере участка перехода подземного нефтегазопровода через сейсмический разлом.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора метода решения задачи статистической динамики для определения вероятностных характеристик НДС участков нефтегазопроводов.

Для решения задачи статистической динамики проведена сравнительная оценка применимости методов статистических испытаний (Монте-Карло), эквивалентных возмущений и интерполяционных полиномов. Среди анализируемых методов обоснован выбор метода интерполяционных полиномов, обеспечивающего точность и сравнительно низкую трудоемкость выполнения расчетов. Реализация метода интерполяционных полиномов при решении задачи статистической динамики заключается в следующем. Случайные процессы представляются в форме детерминированных функций времени, содержащих случайные значения входных параметров. Уравнение, описывающее поведение исследуемого объекта, представляется в виде системы дифференциальных уравнений относительно выходных параметров u1, u2,…, un. Случайные функции ui(t) = ui(t, r1, r2, ..., rm) являются решением системы уравнений. Они представляются в виде интерполяционных полиномов.

Для случайных величин r1, r2,..., rm, входящих в систему дифференциальных уравнений, при помощи соответствующего -преобразования и таблиц узлов типа Чебышева и чисел Кристоффеля рассчитываются рабочие узлы для всех значений индексов kj = 1, 2, …, qj ( j = 1, 2, …, m). Для каждого рабочего узла вычисляется соответствующее число Кристоффеля. Далее осуществляется интегрирование заданной системы дифференциальных уравнений в выбранных узлах. Общее количество решений равно количеству выбранных узлов интерполяции. Для независимых случайных величин основная расчетная формула интерполяционного метода имеет вид

(3)

где (Фк) – функция, определяющая форму вероятностных характеристик функционала; Фк – значение функционала от выходных координат в узле интерполяции k, ; k – число Кристоффеля, соответствующее узлу интерполяции k, ; q – общее число узлов интерполяции, ; текущий номер узла интерполяции k находится соответствующим перебором индексов k1, k2,…, km.

Оптимальный выбор узлов интерполяции и чисел Кристоффеля определяется функцией плотности вероятности случайной величины и соответствующей системой ортогональных полиномов относительно веса . Проведено моделирование случайных процессов с помощью неканонического разложения. Для неканонического представления стационарных случайных процессов со сложным спектром использован метод интерполяционных полиномов. Показано, что по установленному порядку выбора числа узлов интерполяции независимых случайных величин неканонического разложения можно добиться требуемой точности представления реализации случайных процессов нагружения трубопровода.

На примере решения задачи статистической динамики для подземного нефтепровода в районе перехода через водное препятствие доказана обоснованность выбора метода интерполяционных полиномов. Для участка нефтегазопровода, не имеющего трещин в металле, за выходной параметр принимается эквивалентное напряжение. В рассматриваемом случае для этих целей выбираются напряжение по Мизесу и нормативное напряжение, рассчитанное по стандарту ASME B 31.4, совпадающее с напряжением Треска. Блок входных параметров составляют четыре случайных параметра: рабочее давление, толщина стенки, температурный перепад и модуль упругости металла.

В таблице 1 представлены вероятностные характеристики напряжений, определенные методом Монте-Карло, при различном числе реализаций. Рисунки 1 и 2 демонстрируют хорошую сходимость результатов, полученных методом Монте-Карло. При увеличении числа реализаций более 100 результаты практически не изменяются.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.