Разработка методов предупреждения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации технологического оборудования объектов добычи и переработки сероводородсодержащего га

На правах рукописи

МИТРОФАНОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

разработка методов предупреждения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации технологического оборудования объектов добычи и переработки СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА

Специальность 05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

в нефтяной и газовой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2006

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе "Системы и технологии обеспечения безопасности. Техдиагностика" (г. Оренбург)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лозовский Владислав Николаевич

доктор технических наук

Хажинский Григорий Моисеевич

доктор технических наук, профессор

Чернявский Олег Федорович

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью
"Оренбурггазпром"

Защита состоится "      "   апреля   2006 г. в   13   часов   30   мин.

на заседании диссертационного совета Д 511.001.02 при ООО "ВНИИГАЗ" по адресу: 142717, Московская обл., Ленинский район, пос. Развилка, ООО "ВНИИГАЗ", 2 этаж, конференц-зал ОНТЦ.

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке ООО "ВНИИГАЗ".

Автореферат разослан "___"   марта   2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Курганова И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Статистика аварий и чрезвычайных ситуаций (ЧС) и данные о тяжести их последствий свидетельствуют о существовании народнохозяйственной проблемы предупреждения ЧС при эксплуатации технологического оборудования (оборудования) опасных производственных объектов (ОПО) газохимических комплексов (ГХК) по добыче и переработке природного газа, содержащего сероводород и другие коррозионные и токсичные компоненты.

Государственной политикой, выраженной Федеральными законами: "О промышленной безопасности опасных производственных объектов"; "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера"; "О техническом регулировании" и др., заданы новые, более высокие, уровни требований по безопасности и приоритетность мер, направленных на предупреждение ЧС при эксплуатации ОПО.

Фактическая частота и тяжесть последствий ЧС, имевших место при эксплуатации оборудования ГХК, превышают допустимые значения и показывают актуальность исследования закономерностей возникновения причин ЧС и методов их предупреждения. Эта ситуация характерна для многих крупных ГХК и, в их числе, для Оренбургского (ОГХК) и Астраханского (АГХК).

По данной проблеме в настоящее время накоплен отечественный и зарубежный опыт эксплуатации оборудования ГХК с учетом результатов диагностирования его состояния, и разработан ряд методических материалов по анализу риска эксплуатации ОПО (РД 03418 и др).

Работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники, решения научно-технических проблем ОАО “Газпром” и программами научно-технических разработок ООО "Оренбурггазпром" и ООО "Астраханьгазпром".

Цель диссертационной работы. Разработка и внедрение методов предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК.

Основные задачи исследования:

1. Исследование проблемы предупреждения отказов и ЧС при длительной эксплуатации оборудования ГХК.
2. Разработка теоретических основ концепции и методов управления безопасностью и предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК по критериям риска и вероятности отказа.
3. Обоснование выбора, достоверности методов контроля и качества программ обследования оборудования.
4. Исследование достоверности выявления и идентификации методами неразрушающего контроля (НК) сероводородных повреждений и деградации свойств металла оборудования.
5. Исследование достоверности расчетных методов оценки прочности и ресурса элементов оборудования ГХК и обоснование параметров и критериев оценки их безопасности по уровням риска и вероятности отказа.
6. Разработка основных технических решений базы данных о состоянии и риске отказа оборудования.
7. Обоснование и разработка состава комплекта и основных положений нормативных документов (НД) по управлению безопасностью и предупреждению ЧС при эксплуатации оборудования ГХК.
8. Создание и развитие специализированной базы по обеспечению научно-технического уровня разработок, качества и оперативности работ.
9. Внедрение концепции и методов управления безопасностью и предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования на производственных объектах ГХК.

Научная новизна

Разработаны концепция и методы управления безопасностью, предупреждения ЧС и поддержания на допустимом уровне вероятности отказа конструктивных элементов и оборудования в целом, учитывающие специфику повреждающего воздействия сероводородсодержащих сред.

Результатами исследования зависимости прогнозируемых значений остаточного ресурса и вероятности достижения предельного состояния V элементов оборудования установлены и обоснованы: тесная корреляционная связь с коэффициентом до –0,9 между lgV и ; области уровней риска отказа Ra1Ra5 относительно допустимой вероятности отказа, уровней вероятности Va1Va5 и тяжести последствий С1С5 отказа элементов оборудования; границы значений и соответствующие им области значений вероятности отказа поврежденных элементов оборудования, определяющие уровни вероятности отказа элементов оборудования Va1 Va5 в качестве критерия распределения элементов оборудования по уровням риска отказа Rа1 Rа5 для различных уровней тяжести последствий возможного их отказа С1 С5.

Теоретически обоснованы и подтверждены экспериментально: принцип оценки и модель выбора и обоснования поэлементного качества программы обследования оборудования и критерии допустимой вероятности необнаружения заданных параметров дефектов; новые значения параметров, условия и зависимости, повышающие достоверность НК и оценки несплошностей основного металла, сварных швов и механических свойств металла элементов оборудования сероводородстойкого исполнения.

На основе метода оценки уровней риска и критериев вероятности отказа элементов оборудования впервые разработаны: структурно-аналитическая модель анализа состояния и риска отказа, прогнозирования ресурса и планирования обследований элементов оборудования; схема замкнутого цикла информационного потока базы данных по результатам обследования, принятия и исполнения технических решений профилактики отказов и условий безопасности для подконтрольной эксплуатации поврежденных элементов оборудования; схема оптимизации сроков и программы обследования оборудования, позволяющая обеспечить уровень вероятности отказа его элементов в допустимой области значений на прогнозируемый период.

На защиту выносятся следующие положения:

– концепция и методы управления безопасностью, предупреждения ЧС и поддержания на допустимом уровне вероятности отказа элементов при эксплуатации оборудования ГХК, учитывающие специфику повреждающего воздействия сероводородсодержащих сред;

– результаты исследования и экспериментально-теоретического обоснования: обобщенного показателя состояния элементов оборудования – уровня вероятности отказа как критерия оценки области значений вероятности отказа по результатам обследования и определения остаточного ресурса работы; принципа оценки качества, модели выбора и обоснования программы обследования элементов оборудования и критериев вероятности необнаружения дефектов; новых значений параметров, условий и зависимостей, повышающих достоверность НК и оценки несплошностей основного металла, сварных швов и механических свойств металла элементов оборудования сероводородстойкого исполнения;

– результаты разработки и внедрения: структурно-аналитической модели анализа состояния и планирования обследований элементов оборудования по критериям риска и вероятности отказа; схемы замкнутого цикла информационного потока базы данных для подконтрольной эксплуатации поврежденных элементов оборудования; схемы оптимизации сроков и программ обследования оборудования, позволяющей обеспечить уровень вероятности отказа его элементов в допустимой области значений на прогнозируемый период.

Основные методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использованы методы: модельных и натурных исследований достоверности НК и идентификации специфических сероводородных коррозионных повреждений металла оборудования; статистические и расчетно-экспериментальные методы исследования повреждаемости, напряженно-деформированного состояния (НДС), прочности и долговечности элементов оборудования.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Концепция и методы управления безопасностью и предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования внедрены на ОГХК и АГХК. По результатам внедрения выявлено и отремонтировано более 3000 элементов оборудования, имевших недопустимые дефекты, более 10 000 единиц оборудования и трубопроводов, выработавших проектный ресурс работы, находятся в подконтрольной эксплуатации, сроки безопасной эксплуатации большинства из них прогнозируются до 2030 года при заданных параметрах и мерах предупреждения отказов.

Разработанные и апробированные научно-технические решения реализованы в ряде НД, основными из которых являются:

– Положение об организации технического обслуживания, ремонта и замены арендованных и собственных основных средств ООО "Оренбурггазпром" по фактическому техническому состоянию (утв. ОАО "Газпром" 27.01.2003 г., согл. Госгортехнадзором России 15.11.2002 г.);

– Положение о диагностировании технологического оборудования и трубопроводов газонефтедобывающих и перерабатывающих предприятий ОАО "Газпром" (утв. ОАО "Газпром" 16.12.2000 г., согл. Госгортехнадзором России 05.12.2000 г.);

– Положение об организации ремонта основных производственных средств газонефтедобывающих и перерабатывающих предприятий ОАО "Газпром" (утв. ОАО "Газпром" 16.12.2000 г., согл. Госгортехнадзором России 05.12.2000 г.);

– Методика диагностирования технического состояния фонтанных арматур скважин, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред, на объектах газодобывающих предприятий ОАО “Газпром” (утв. ОАО “Газпром” 23.12.2000 г., согл. Госгортехнадзором России 20.12.2000 г.);

– Положение о диагностировании технологического оборудования и трубопроводов предприятия "Оренбурггазпром", подверженных воздействию сероводородсодержащих сред (утв. ОАО "Газпром" 30.05.1998 г., согл. Госгортехнадзором России 27.05.1998 г.);

– Положение о диагностировании технологического оборудования и трубопроводов Астраханского газоперерабатывающего завода (утв. РАО “Газпром” 01.06.1996 г., согл. Госгортехнадзором России 30.05.1996 г.);

– Стандарты предприятия, инструкции и положения, определяющие специальные требования по видам НК, обучению и аттестации специалистов НК, поверочным расчетам прочности и качеству работ.

По результатам внедрения концепции и методов управления безопасностью и предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК постановлением Правления ОАО “Газпром” №47 от 21.08.2003 г. работа отмечена премией и дипломом ОАО “Газпром” в конкурсе 2003 г. “За создание, освоение и внедрение новой техники, прогрессивных технологий, высокоэффективной продукции и материалов, имеющих первостепенное значение для решения важнейших проблем развития газовой промышленности, направленных на повышение надежности и эффективности функционирования объектов”.

Разработанные и представленные в диссертации технические решения и НД по управлению безопасностью и предупреждению ЧС при эксплуатации оборудования ГХК используются в процессе подготовки специалистов, занимающихся безопасностью оборудования.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах, включая:

– Международные научно-технические конференции “Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред”, г. Оренбург, 20-22 октября 1997 г., 23-27 февраля 1999 г., 20-24 ноября 2000 г., 18-22 ноября 2002 г., 22-25 ноября 2004 г.;

– Международный тематический семинар “Диагностика оборудования и трубопроводов КС”, г. Калининград, сентябрь 1999 г.;

– 3-ю Международную конференцию “Энергодиагностика и Condition Monitoring”, г. Нижний Новгород, сентябрь 2000 г.;

– 3-ю Международную конференцию “Диагностика трубопроводов”, г. Москва, 21-26 мая 2001 г.;

– 4-ю Международную научную конференцию “Прочность и разрушение материалов и конструкций”, г. Оренбург, 15-17 февраля 2005 г.;

– Международные деловые встречи по диагностике магистральных трубопроводов и энергомеханического оборудования ОАО “Газпром”: “Диагностика – 932005”, всего 11 деловых встреч.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано более 100 печатных работ, в том числе одна монография, шесть НД отраслевого уровня и 10 работ входящих в "Перечень…" ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения; изложена на 378 страницах; содержит 180 рисунков, 69 таблиц и список использованных источников из 194 наименований.

Условные обозначения

Q – обобщенная характеристика нагруженности элементов оборудования; Траб – рабочая температура; L – обобщенная характеристика конструктивного исполнения элементов оборудования; pH, PH2S – характеристики рабочей среды; N, f – обобщенные характеристики режимов нагружения (наработка, частота и т.д.); l – обобщенная характеристика дефектов элементов оборудования; R – обобщенная характеристика несущей способности материалов элементов оборудования; t – время эксплуатации элементов оборудования; Qk, [Rk], lk, [lk], Nk, [Nk], и др. – текущие значения параметров технического состояния (ПТС), изменение которых приводит элемент оборудования в k-е предельное состояние (ПС), и их допустимые значения (критерии ПС) соответственно; а = dlk/dt, dlk/dN, dQk/dt, dRk/dt и др. – скорость изменения ПТС и критериев ПС; - расчетная величина остаточного ресурса работы элементов оборудования; А – разность между фактическим значением ПТСk и критерием ПСk, значение, достижение которого приводит элемент оборудования в k-е предельное состояние по ведущему механизму повреждения; Vai – показатель уровня вероятности отказа; KIi – показатель уровня качества обследования; Сi – показатель уровня тяжести последствий отказа, как возможной аварии; Rаi – показатель уровня риска отказа; V – прогнозируемое значение вероятности возникновения отказа; pS(S) – распределение плотности вероятности резерва прочности, т.е. плотность распределения случайной величины как разности законов распределения несущей способности и нагрузки; [V] – максимальное допустимое (предельное) значение вероятности отказа, учитывающее повреждающее воздействие рабочих сред, технические, экономические и другие факторы, удовлетворяющее требованиям государственных и отраслевых норм и правил; TV - время достижения значением V элементов оборудования величины [V]; TN – период эксплуатации оборудования ГХК между экспертными обследованиями, установленный нормативной документацией; n = 210 – коэффициент запаса по и по времени достижения значений V элементов оборудования величины [V], учитывающий потенциальную опасность оборудования и объекта; Т – назначенный ресурс (время) эксплуатации оборудования до очередного обследования, ремонта, замены; VНО – вероятность необнаружения заданных значений дефектов–отклонений ПТС элемента оборудования при обследовании; В – предел прочности; 0,2 – предел текучести; HB– твердость по шкале Бринелля; HL – твердость по шкале Лейба; HV – твердость по шкале Виккерса; Ra – шероховатость поверхности; – относительная деформация; P – внутреннее давление; ф – физический ресурс; ПО – предыдущее обследование; ТО – текущее обследование; ДК – дополнительный контроль; ПК – промежуточный контроль; ОО – очередное обследование; TТО, Р - время до технического обслуживания или ремонта оборудования; НОЭ – потенциально не опасные элементы оборудования; ПОЭ – потенциально опасные элементы оборудования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи исследования, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость и реализация результатов исследования.

В первой главе представлены результаты исследования проблемы предупреждения отказов и ЧС при длительной эксплуатации оборудования ГХК. Рассмотрены: литературные данные и первоисточники по негативным событиям, характеризующим проблему аварийности при создании и развитии зарубежных и отечественных ГХК; специфика коррозионной повреждаемости металла оборудования, эксплуатируемого на этих объектах, проявляющаяся в виде сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН), водородиндуцированного растрескивания (ВИР) и сульфидного износа металлических поверхностей. Выполнен анализ опыта применения известных методов предупреждения дефектов оборудования на этапах его проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.

Результаты исследования причин имевших место отказов и ЧС при эксплуатации оборудования ОГХК за 25-летний период от начала эксплуатации (около 2000 случаев) показали: основной причиной ЧС являются отказы элементов оборудования; причины отказов имеют системный, многофакторный характер – 70% из них обусловлены двумя и 29% - тремя факторами; частота и тяжесть последствий отказов значительно превышают допустимые. Практически во всех случаях проявилась коррозионная специфика рабочей среды, а также дефекты изготовления и монтажа, ошибки в выборе материалов и конструкций, недостатки антикоррозионных мер и системы обеспечения безопасности.

Основываясь на результатах исследования опыта применения и литературных данных о методах предупреждения отказов, сделано предположение, что предупредить ЧС при эксплуатации оборудования ГХК возможно путем разработки и внедрения методов управления безопасностью его элементов на заданном уровне по критериям риска и вероятности отказа.