Авторефераты диссертаций >> Разработка методов предупреждения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации технологического оборудования объектов добычи и переработки сероводородсодержащего га
Основываясь на работах многих авторов, занимающихся проблемой сероводородной повреждаемости металла оборудования: Ботвиной Л.Р., Кушнаренко В.М., Легезина Н.Е. и др., в работе ставится и решается задача установления возможности выявления повреждений и других дефектов в элементах оборудования на ранней стадии их возникновения и принятия адекватных предупредительных мер до того, как поврежденные элементы привели к отказу.
Во второй главе представлены результаты разработки теоретических основ концепции и методов управления безопасностью и предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК. Разработка выполнена на основе работ известных ученых в области надежности и безопасности ответственных конструкций: Беляева Б.И., Болотина В.В., Махутова Н.А., Ржаницына А.Р., Светлицкого В.А. и др. и результатов выполненных исследований.
Сущность концепции заключается в классификации всего множества единиц оборудования ГХК по уровням безопасности – риска отказа элементов оборудования и применении дифференцированных, соответствующих риску управляющих воздействий по коррекции безопасности и мониторингу состояния. Управляющие воздействия планируются и осуществляются на системной основе путем применения определенных методов, объемов и периодичности контроля и коррекции состояния, основанных на критериях выявляемости и достоверности идентификации повреждений, и методов прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации в зависимости от уровня риска отказа. При этом для элементов оборудования с высоким риском отказа управляющие воздействия основываются на критерии – вероятность отказа.
Концепция реализуется в виде технологического комплекса по мониторингу состояния и профилактике отказов оборудования ГХК (технологический комплекс), рисунок 1, и системы предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК (система), рисунок 2.
Рисунок 1 – Модель технологического комплекса по мониторингу состояния и профилактике отказов оборудования ГХК
Для управления безопасностью эксплуатации оборудования ГХК определены роль и назначение, разработаны технические и технологические решения, нормативное и методическое обеспечение элементов системы:
– политики предприятия, эксплуатирующего оборудование, основанной на положениях государственных, отраслевых и собственных нормативных, методических и др. документов, устанавливающих ответственность, полномочия, нормативы и критерии безопасности, финансирование, планирование и производство работ, учет и отчетность, и многие другие правила и процедуры, в совокупности определяющие системность действий предприятия по поддержанию допустимого уровня безопасности при эксплуатации оборудования и предупреждению ЧС;
– мониторинга состояния и профилактики отказов оборудования, основанных на информационно–аналитическом обеспечении методов поддержания состояния оборудования на требуемом уровне безопасности;
– анализа качества работ, эффективности системы и разработки корректирующих мер;
– совершенствования системы путем пересмотра действующих и разработки новых документов, нормативов и критериев; повышения уровня квалификации специалистов; развития материально-технической базы и адаптации методов и средств обследования и коррекции состояния элементов оборудования с учетом специфики ГХК.
Рисунок 2 – Структурная схема системы предупреждения ЧС при эксплуатации оборудования ГХК
Представленная система по сути является подсистемой системы управления промышленной безопасностью ОПО ГХК. Система соответствующим образом включается также в государственные системы промышленной безопасности и предупреждения ЧС.
В концепции анализ риска отказа элементов оборудования основывается на полуколичественном методе. Качественный метод применяется для предварительного ранжирования по степени риска оборудования, по которому недостаточно данных для полуколичественного анализа, например, для новых объектов. Количественный метод применяется в виде оценки времени эксплуатации до достижения совокупностью наиболее поврежденных элементов оборудования максимально допустимой вероятности отказа.
Для анализа состояния, риска отказа, прогнозирования ресурса и планирования обследований элементов оборудования ГХК по критериям риска и вероятности отказа теоретически обоснована, разработана и применяется модель, представленная на рисунке 3. С целью оценки и распределения элементов оборудования ГХК по уровням риска отказа приняты и обоснованы следующие градации: Ra5 – высокий риск, Ra4 – риск выше среднего, Ra3 – средний риск, Ra2 – низкий риск, Ra1 – очень низкий риск. Для установления уровня риска отказа элементов оборудования ГХК полуколичественным методом обоснованы, апробированы и применяются: пять уровней тяжести последствий возможного отказа С1С5; пять уровней вероятности отказа Va1Va5; и зависимость (1, рисунок 4) уровней риска отказа Ra1Ra5 от Va1Va5 по C1C5.
Rai = f(Vai, Ci) (1)
Рисунок 3 – Комплексная модель анализа состояния и планирования обследований оборудования по критериям риска и вероятности отказа
Уровни Va1 Va5 теоретически обоснованы и подтверждены экспериментально по установленной (глава 6) корреляционной зависимости прогнозируемых значений величин остающегося ресурса работы и вероятности V отказа элементов оборудования и определяются по критериям, приведенным на рисунке 5, в зависимости от остающегося ресурса работы элемента до наступления предельного состояния, по доминирующему механизму повреждения, с учетом уровня качества обследования (KIi), по результатам которого этот ресурс определен (2). Результаты исследования и разработки критериев оценки уровня качества обследования оборудования ГХК представлены в главе 3.
Vai = f(, KIi) (2)
 |
 |
Рисунок 4 – Матрица полуколичественного
|
Рисунок 5 – Диаграмма для оценки уровня вероятности отказа элементов оборудования ГКХ в зависимости от уровня качества обследования и значения остающегося ресурса работы |
Показатель Vai выражает обобщенный уровень состояния и область значений вероятности отказа элементов оборудования. Исследованиями установлено, что показатель Vai зависит от поврежденности и скорости повреждаемости и не зависит от механизма и вида повреждения.
Уровни тяжести последствий отказа элементов оборудования ГХК определяются по установленным критериям (рисунок 6) и параметрам, представленным в выражении (3), с учетом вида возможного разрушения элемента: образование свища или полное разрушение.
Сi = f(Q,, Tраб, L, pH, PН2S) (3)
Основываясь на результатах анализа многих отечественных, зарубежных и международных норм, устанавливающих предельные значения вероятности аварии в различных отраслях промышленности, установлены предельные значения вероятности отказа, как возможной аварии при эксплуатации оборудования ГХК, для каждого уровня тяжести последствий.
Рисунок 6 – Критерии уровней тяжести последствий и предельные значения вероятности отказа оборудования ГХК
Планирование обследований оборудования с риском отказа Ra5, а по решению менеджмента объекта – и оборудования с риском отказа Ra4, осуществляется на основе результатов расчета времени эксплуатации до достижения совокупностью наиболее поврежденных элементов оборудования максимально допустимого (предельного) значения вероятности отказа (рисунок 7).
Рисунок 7 – График зависимости вероятности возникновения отказа V от периодичности обследования (T) и мероприятий по коррекции состояния оборудования (V)
В третьей главе выполнено исследование и обоснование выбора, достоверности методов контроля и качества программ обследования оборудования ГХК. По результатам анализа выборки данных о повреждениях и дефектах оборудования ГХК и трудов авторов Ивановой В.
Основываясь на литературных данных, работах известных ученых в области оценки результатов технического диагностирования: Кургановой И.Н., Нефедова С.В., Харионовского В.В., выполнено исследование вероятности необнаружения заданных значений отклонения ПТС и критериев VНО по уровням качества программ обследования оборудования ГХК и установлено, что: показатель уровня качества (KIi) программы может отвечать определенным требованиям по параметру VНО за счет количества проведенных независимых контролей и применяемых при этом методов и объемов НК; максимальные допустимые значения VНО, как критерии оценки KIi, могут быть приравнены к значениям [V]:
VHO (Rai (Ci)) [V (Ci)], i=1…5, (4)
где VНО (Rai(Ci)) – VНО в элементе с уровнями риска Rai и тяжести последствий отказа Ci; [V(Ci)] – [V] для элемента c уровнем тяжести последствий Ci; повторное применение (рисунок 8) программы обследования уровня качества KIi независимым оператором приводит к снижению значения VНО в элементе по степенной зависимости.
1 – при контроле одним оператором; 2 – при дублировании контроля вторым оператором; i – уровень качества программы обследования (i=1…4); j – количество независимых операторов (контролей) (j=1…2); – области VНО
Рисунок 8 – График оценки уровня V
НО в зависимости от количества независимых контролей (KIij)Показано решение задачи установления требуемых объемов, методов и количества контролей элементов оборудования ГХК по критерию [V] путем применения соответствующего алгоритма и компьютерной программы, основанных на оценочных показателях вероятности отказа элементов по результатам предыдущего обследования.
На основе установленных критериев разработана и предложена модель выбора и обоснования (рисунок 9) уровня качества программ обследования элементов оборудования ГХК по результатам анализа риска и тяжести последствий отказа.
Рисунок 9 – Модель выбора и обоснования уровня качества программ обследования элементов оборудования ГХК по результатам анализа риска отказа
В четвертой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований достоверности выявления и идентификации методами НК типичных дефектов оборудования ГХК – ВИР и несплошностей угловых сварных швов. Согласно выбору методов (глава 3) исследования выполнены по действующим методикам ультразвукового контроля (УЗК). УЗ исследования проводились эхо-методом на натурных образцах с ВИР толщиной стенки 19 мм, использовались автоматизированный сканирующий комплекс М500/600 фирмы "Canon" (Япония) и ручная сканирующая рамка с дефектоскопом, позволяющие получать, регистрировать и обрабатывать эхо-сигналы по точкам, расположенным одна от другой на расстоянии не более размера пластины УЗ преобразователя. По результатам строились “C” (в плане) и “В” ( в выбранном сечении) модели дефектов от ВИР при различной чувствительности контроля: по самому высокому классу ГОСТ 22727 – диаметр плоскодонного отражателя 3 мм, а также по двум уровням повышенной чувствительности – диаметры плоскодонного отражателя 2 мм и 1,4 мм. Образцы разрезаны по выбранным сечениям, и выполнен металлографический анализ. Модели дефектов сравнены с реальными дефектами на шлифах (рисунок 10 а, б). Результаты показывают лучшую сходимость (погрешность 46% по размерам и 03% по глубине) при чувствительности, задаваемой плоскодонным отражателем 2 мм. Более низкая чувствительность, равно как и более высокая, приводят к большей потере эхо-сигналов и, особенно, сигналов о структуре дефекта по толщине – ступеньках слияния ВИР. Подобные результаты получены при исследованиях ВИР с другими толщинами образцов, что позволило установить новые, отличные от приведенных в ГОСТ 22727, параметры настройки чувствительности УЗ аппаратуры (рисунок 10 в) для получения модели ВИР с погрешностью не более 10% и выявления ступенчатости ВИР.
 б) |
 в) |
Рисунок 10 – УЗ исследования ВИР: а) – дефект; б) – модель дефекта; в) – параметры настройки чувствительности |
|
По результатам исследования разработан стандарт предприятия (СТП), и такой контроль внедрен в производство, выбракованы и заменены два трубопровода 720 мм протяженностью 2100 м с ВИР, представлявшие повышенную опасность, осуществляется мониторинг состояния потенциально опасному по ВИР оборудованию ОГХК и АГХК.
УЗ исследования в целях уточнения параметров, разработки приспособлений и СТП для контроля угловых сварных швов штуцерных узлов оборудования проведены по схемам и параметрам, рекомендованным ОСТ 26-2044. Полученные условные размеры дефектов при различных параметрах УЗК сравнивались с фактическими на металлографических шлифах по характерным сечениям сварного шва. Результаты тестирования групп из 10 дефектоскопистов на подобных образцах показали техническую возможность получения достоверной, с доверительной вероятностью не ниже 0,7, информации о несплошностях сварных швов штуцерных узлов, ранее в соответствии с НД на изготовление оборудования ГХК считавшихся неконтролепригодными, в частности, штуцерных узлов малых диаметров – менее 100 мм и "тангенциальной" конструкции.
По результатам исследований разработаны и применяются СТП, специальные приспособления и образцы (рисунок 11).
Внедрение результатов исследования позволило осуществить УЗ контроль более 3000 штуцерных узлов, ранее не контролировавшихся, выявить более 1000 штуцерных узлов с несплошностями в сварных швах, более 500 из них отремонтировать, по остальным осуществить мониторинг несплошностей, исключающий "погрешность оператора" путем применения разработанных и представленных приспособлений.”
а) б)
в) г) д)
а) принципиальная схема приспособления для “ручного” контроля сварных швов штуцеров малого диаметра; б) образец-имитатор сварного соединения; в) схема монтажа приспособления для автоматизированного контроля; г) дефектограмма сварного шва "тангенциального" штуцера; д) конструкция приспособления на штуцере
Рисунок 11 – Приспособления, образец и дефектограмма по результатам УЗК сварного шва штуцера
В пятой главе, на основе развития работ Давиденкова Н.Н., Марковца М.П. и др. по исследованию зависимостей между твердостью и характеристиками прочности металлов, поставлены эксперименты и решена задача повышения и оценки достоверности определения предела прочности и предела текучести сероводородстойких сталей посредством безобразцового измерения твердости для осуществления мониторинга СМС металла элементов в процессе длительной эксплуатации оборудования. По результатам выполненных исследований установлены:
1. Значительное (до 14%) расхождение результатов оценки по действующим НД значений 0,2, В через значения твердости НВ, HV, HL образцов металла из сероводородстойких сталей, измеренные приборами различного типа, относительно значений 0,2, В, полученных по результатам механических испытаний этих образцов на разрыв.
2. Новые, отличающиеся от приведенных в РД 12-411 и ГОСТ 22761, корреляционные зависимости между твердостью по шкалам Лейба (5,
рисунок 12 а) и Виккерса (6), измеренной безобразцовым методом приборами DynaMIC (шкала HL), EQUOTIP (шкала HL), SONOHARD (SH75) (шкала HV), и В сероводородстойких сталей. По результатам измерений погрешность составляет не более 5%.
b=-5,31·10-3·HL2 + 6,118 ·HL – 1080 (5)
b=-4,344·10-3·HV2 +4,091 ·HV – 58 (6)
3. Новая, дополнительно к приведенной в РД 12-411, корреляционная зависимость (7,
рисунок 12 б) между твердостью, измеренной безобразцовым методом по шкале HV, прибор SH75, и 0,2 сероводородстойких сталей. Величина погрешности составляет не более 9%.
0.2=-5,471·10-3·HV2 +3,808 ·HV – 91 (7)
 |
 |
Рисунок 12 – Графики зависимостей значений а) – В от твердости НL и б) – 0,2 от твердости НV |
|
