27. Основные понятия, критерии и пути повышения надежности систем газоснабжения. Отказы восстанавливаемых элементов. Поток отказов.

Под надежностью распределительной системы газоснабжения понимают способность транспортировать потребителям необходимые количества газа с соблюдением заданных параметров при нормальных условиях эксплуатации в течение определенного периода времени.

Характерной чертой распределительных газовых сетей является то, что они представляют собой системы длительного действия. Распределительные системы растут с ростом городов и промышленных объектов, расширяются, реконструируются, износившиеся узлы и элементы заменяются новыми, а существуют так долго, пока не появится новый энергоноситель, способный заменить газ. Расчетное время, которое закладывается при обосновании надежности, должно быть таким, чтобы за этот период не было существенной реконструкции системы, направленной на повышение ее надежности.

Например, для развивающегося населенного пункта с растущей промышленностью проектируемые очереди строительства системы газоснабжения должны иметь различное расчетное время для определения надежности. На первый период может быть предусмотрена тупиковая схема, надежность которой в течение небольшого времени может оказаться достаточной. В следующей очереди строительства необходимо ввести резервирование системы в виде кольцевания сетей или дублирования элементов, что повысит надежность и обеспечит ее должный уровень на длительное время. При дальнейшем развитии системы ее надежность следует уточнять расчетами с учетом введения нового резерва, произведенных реконструкций и изменившихся значений параметра потока отказов элементов.

Другой отличительной особенностью распределительных систем является их социальный характер, так как они обслуживают людей и обеспечивают их нормальную жизнедеятельность. Социальное значение отказов системы должно учитываться в первую очередь. Современные распределительные системы проектируют и строят как единые системы, подающие газ бытовым, коммунально-бытовым и промышленным потребителям. Сети низкого давления обеспечивают газоснабжение селитебной территории, но их надежность также определяется надежностью высокой ступени давления, так как газ они получают от высокой ступени. Следовательно, надежность распределительной системы в целом определяет надежность газоснабжения всех потребителей, включая бытовых потребителей.

Социальный характер систем заключается в том, что при аварийных отказах и прекращении подачи газа потребителям имеет место не только экономический, но и моральный ущерб. Экономический ущерб связан с нарушением работы коммунально-бытовых и промышленных предприятий. Прекращение подачи газа источникам теплоснабжения (отопительным котельным, источникам местных систем отопления, газовым отопительным калориферам и приборам) помимо экономического ущерба приносит ущерб и социального характера. Социальное значение прекращения подачи газа на отопление зданий и нарушение вследствие этого работы систем отопления состоит в том, что снижение температуры воздуха в помещениях приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности людей. Нарушаются условия отдыха и труда населения, увеличивается число заболеваний. В результате снижения количества работающего населения увеличиваются затраты в сфере здравоохранения и социального обеспечения. Прекращение подачи газа для приготовления пищи снижает жизненный тонус людей, нарушает ритм жизни и питания, что также способствует заболеваниям и отрицательно воздействует на состояние организма человека.

Распределительные системы имеют двойственный характер. С одной стороны, исходя из социального значения газоснабжения отказы системы необходимо считать принципиально недопустимыми. Системы должны работать непрерывно и безотказно. Отсюда необходимо устанавливать высокий уровень надежности, который определяет структурное резервирование принципиальной схемы. При отказах элементов система переходит на аварийный гидравлический режим, газ подают большинству потребителей, но, учитывая кратковременность аварийной ситуации, его количество может быть уменьшено по сравнению с расчетным значением, что составляет вторую сторону характера системы. Лимит подачи газа в аварийных ситуациях определяет резерв мощности (пропускной способности) системы.

Для сокращения ущерба при отключении потребителей от газовой сети в аварийных ситуациях необходимо так ее запроектировать, чтобы недоподача газа была небольшая. Этого достигают путем секционирования сети на участки так, чтобы к каждому участку было присоединено ограниченное количество потребителей. Правильным секционированием можно существенно повысить показатель качества функционирования сложной технической системы.

Существуют два основных пути повышения надежности газоснабжающих систем. Первый путь — это повышение надежности и качестваэлементов, из которых состоит система. Здесь имеется в виду использование для изготовления труб и оборудования материалов с лучшими показателями (стали с повышенными прочностными характеристиками, более долговечные изоляционные материалы и пр.), повышение требованийк качеству конструкций и изготовлению изделий (труб, задвижек, оборудованию газопроводов), повышение качества строительно-монтажныхработ и повышение требований к контролю качества строительства. Для повышения надежности газоснабжающих систем используют преждевсего именно этот путь, который реализуют при конструировании, изготовлении и приемке элементов и узлов в эксплуатацию. Но когда исчерпываются технические возможности повышения качества элементов иликогда дальнейшее повышение качества оказывается экономически невыгодным, тогда идут по второму пути — пути резервирования. Второй путь необходим, когда надежность системы должна быть выше надежности элементов, из которых она состоит.

Р абота элемента системы газоснаб­жения представляется следующим об­разом. Элемент работает до отказа. После отказа его выключают из сис­темы, ремонтируют (заменяют) и вновь включают в работу. Матема­тическая модель процесса функциони­рования элемента показана на рис. 9.4. В любой момент времени t элемент может находиться или в состоянии исправности, или в состоянии отказа. Сам процесс функционирования пред­ставляется чередующейся последова­тельностью величины: и, т₂,..., Ъ, "г,, где Ъ—длительность г'-го периода исправной работы, а т_; — длитель­ность г'-го ремонта (периода отказа). Последовательность отказов элемента во времени составляет поток отказов. Поток отказов характеризуется пара­метром потока отказов со, который яв­ляется аналогом интенсивности отка-зов к. Для потоков отказов ординар­ных и не имеющих последействия эти понятия совпадают. Вместе с тем они имеют различную природу: a)(t) приб­лиженно равно безусловной вероятно­сти отказа элемента за единицу вре­мени (которая достаточно мала), а kt является условной вероятностью /отказа за единицу времени при усло­вии, что элемент проработал безот­казно до момента t.

Р ассмотрим основные характери­стики ремонтируемых изделий. Предпо­ложим, что имеется возможность наблюдать за состоянием N одинаковых участков газопроводов, каждый из ко­торых длиной / (км), или за сос­тоянием Л' задвижек, установленных на газопроводах, в течение t лет. За это время на каждом участке газо­провода или на каждой задвижке было обнаружено по m{t) повреждения (отказов), которые были устранены. В таком случае среднее число отказов до наработки t будет:

В пределе при очень большом числе наблюдаемых объектов полу­чаем характеристику потока отказов

Для газопроводов и их оборудова­ния период приработки отсутствует, так как возможные дефекты обнару­живают во время испытания при при­ емке, и функцию H(t) можно считать линейной: H(t)=mt.

З десь величина ш= const — пара­метр потока отказов. Его опреде­ляют экспериментально или из статис­тических данных повреждений, фикси­руемых эксплуатирующими службами. Если за время наблюдения (обычно At принимают равным одному году) каждый элемент из Л' наблюдаемых отказал пг, раз, тогда

В еличину, обратную параметру по­тока отказов Т= 1 /со, измеряемую в годах (часах), называют наработкой на отказ. Величина Т — это среднее время работы элемента (участка газо­провода, задвижки, компенсатора и т. д.) между отказами. Параметр потока отказов газопроводов обычно относят к 1 км длины. В этом слу­чае

Современный уровень строительст­ва, контроля качества строительно- монтажных работ, а также эксплуа­тации газовых сетей обеспечивает весьма малую величину параметра по­тока отказов. Малая вероятность от­казов газовых сетей является так­же следствием простоты их конструк­ций и статического режима работы, при котором они не несут предусмот­ренных расчетом знакопеременных и инерционных нагрузок. Отказы возни­кают при случайном совпадении по­вышенных нагрузок на ослабленных элементах, поэтому отказ является случайным и редким событием. Слу­чайные отказы элементов системы га­зоснабжения относят к простейшему потоку случайных событий или одно­родному процессу Пуассона. Такие процессы характеризуются стационар­ностью, отсутствием последействия и ординарностью. Покажем, что эти условия выполняются и для систем газоснабжения.

С тационарности отвечает такой по­ток случайных событий, когда вероят­ность наступления определенного их числа на заданном промежутке време­ни зависит от длительности рассматри­ваемого промежутка, но не зависит от его сдвига на ту или иную величину по оси времени. В процес­се эксплуатации параметр потока от­казов элементов систем газоснабже­ния сохраняется примерно постоян­ным. Следовательно, число отказов пропорционально рассматриваемому промежутку времени и не зависит от его сдвига в пределах времени эксплуатации. Таким образом, элемен­ты системы газоснабжения обладают свойством стационарности. Если эле­мент характеризуется отсутствием последействия, то это значит, что отка­зы возникают независимо друг от друга. Распределительные газопрово­ды проектируют таким образом, что­бы разрыв одного участка газопрово­да не мог послужить причиной пов­реждения другого. При выключении из работы параллельного, кольцующего участка или оборудования расходы га­за через другие участки возрастают, но при этом давление в городской сети не увеличивается, поэтому не уве­личивается и нагрузка на трубу. Из изложенного следует, что системы га­зоснабжения не имеют последействия. Ординарностью обладают такие сис­темы, у которых практически невоз­можно появление двух или несколь­ких отказов за малый промежуток времени. Системы газоснабжения об­ладают свойством ординарности. Ве­роятность m отказов за время t в простейшем потоке событий Р,„(() распределяется по закону Пуассона Вероятность того, что в интерва­ле времени t не будет ни одного отказа, равна:

Эта вероятность есть функция на­дежности элементов системы газо­снабжения и подчиняется экспонен­циальному закону.

Надежность ремонтируемых эле­ментов характеризуется коэффициен­том готовности К_г, который равен вероятности застать элемент в ис­правленном состоянии. Для расчетов обычно используют стационарный ко­эффициент Кг, к которому стремится Kr(t) с ростом времени. Коэффи­циент готовности определяют по фор­муле Кг=Т/(Т+Т_е),

где Т — наработка на отказ, Т= 1 /со, Т„— сред­нее время восстановления

Для элементов систем газоснабже- - •ния время наработки на отказ несоизмеримо больше среднего време­ни ремонта (примерно на четыре порядка), поэтому коэффициент готов­ности практически равен единице и не используется для оценки надежности элементов газовых сетей.

Основными видами повреждений распределительных газопроводов яв­ляются механические, коррозионные и разрывы сварных швов.

Механические повреждения под­земных газопроводов обычно возни­кают при неправильном или небреж­ном производстве строительно-мон­тажных работ вблизи мест их прок­ладки, но определенная часть меха­нических повреждений носит случай­ный характер, которую следует учи­тывать при расчетах надежности распределительных газовых сетей.

Значительное количество повреж­дений газопроводов возникает из-за коррозионного воздействия грунта или блуждающих токов. Активные корро­зионные процессы протекают в местах нарушения изоляции газопроводов. Нарушения изоляции являются след­ствием случайных дефектов, которые наблюдаются при ее нанесении, транс­портировании труб или их укладке в траншею. Дефекты изоляции носят местный и случайный характер распре­деления по длине трубы. Возмож­ность нескольких повреждений по дли- не окружности трубы является собы­тием весьма маловероятным. Таким образом, дефекты изоляции можно рассматривать как случайные и редкие события, количество которых мало за­висит от диаметра газопровода, и их можно считать лишь пропорциональ­ными длине.

Другим видом повреждений под­земных газопроводов являются раз­рывы сварных швов, которые происхо­дят при случайном совпадении пони­женных сопротивлений швов из-за де­фектов сварки и увеличенных нагрузок на трубопровод, обычно связанных с дефектами строительства. Для об­наружения дефектов качество сварки городских газопроводов контролируют физическими методами, однако конт­ролю подвергают не все стыки. Но и при контроле могут оказаться случаи, когда дефектные швы будут незаме­ченными и в дальнейшем при пере­грузках произойдет их разрушение.

Сварные соединения разрушаются под действием напряжений, возника­ющих в трубопроводах в продольном направлении. Эти напряжения или не зависят от диаметра трубы, или ука­занная зависимость незначительна. Это положение подтверждают статис­тические данные, из которых следует, что параметр потока отказов газопро­водов, вызванных разрывами стыко­вых соединений, не зависит от диамет­ра. Практическая независимость пара­метра потока отказов со распре­делительных газопроводов от их диаметра имеет большое значение при выборе структурного резерва кольцевых сетей. Надежность в дан­ном случае будет определяться только схемой сети и не будет зависеть от диаметров участков.

Повреждения отключающей арма­туры подразделяют на два вида. Пер­вый вид повреждений характеризуется нарушением плотности перекрытия га­за задвижкой и приводит к потере ее работоспособности. В результате возникает необходимость увеличивать длину участка газопровода и отклю­чать большее число потребителей для производства ремонта на участке. Ко второму виду относят такие повреж­дения, которые приводят к утечкам газа через арматуру. Второй вид повреждений представляет наиболь­шую опасность, так как в резуль­тате утечек может произойти за­газованность соседних зданий и соо­ружений.

Выше были рассмотрены повреж­дения, влияющие на надежность сис­тем, но не все повреждения требуют отключения элемента из сети для про­изводства ремонта. Мелкие поврежде­ния ликвидируют на действующей сис­теме. Такие повреждения не сказыва­ются на газоснабжении потребителей и, следовательно, не являются отка­зами. Если для производства ремонта поврежденного элемента его необходи­мо отключить от системы, то такое повреждение приводит к отказу эле­мента. Отказы элементов нерезерви­рованных систем приводят к отказу системы. Если система резервирован­ная, тогда отказ элементов может и не привести к отказу системы. Это зави­сит от степени резервирования. Учи­тывая изложенное, все повреждения элементов газовых сетей следует раз­делить на две группы: 1) повреж­дения, приводящие к отказу элемента и требующие его отключения для про­изводства ремонта; 2) мелкие повреж­дения, которые могут быть ликви­дированы без снижения давления газа и отключения участка (т. е. не приво­дящие к отказу).

К первой группе повреждений отно­сятся: трещины в сварных швах га­зопроводов и их разрывы; сквозные коррозионные повреждения труб раз­мером примерно более 5 мм; трещи­ны в корпусах задвижек и пробко­вых кранах; отрывы фланцев; утечки в фланцевых соединениях, требующие замены прокладок; разрывы сварных швов и коррозионные повреждения линзовых компенсаторов и корпусов конденсатосборников. К этой группе следует отнести также разрывы газо­проводов и оборудования, вызванные механическими повреждениями.

Ко второй группе повреждений относятся: несквозные коррозионные

повреждения в виде каверн; мелкие сквозные повреждения размерами примерно менее 5 мм; коррозионные свищи в сварных швах; утечки в саль­никовых уплотнениях задвижек и кра­нов; утечки из кранов трубок кон- денсатосборников и коррозионные повреждения этих трубок.

Отказы элементов газовых сетей, в свою очередь, могут быть разде­лены на две неравные группы. Пер­вую группу составляют внезапные от­казы, вторую — постепенные. К вне­запным отказам следует отнести такие крупные повреждения элементов сис­тем, которые вызывают необходимость немедленного отключения участка. При установлении места такого пов­ реждения сразу выявляют участок се­ти, который должен быть отключен, извещают всех потребителей, присое­диненных к этому участку, о прекра­щении подачи им газа и участок отключают от газовой сети. К вне­запным отказам могут привести и ме­нее серьезные повреждения, если они расположены вблизи жилых и общест­венных зданий, при этом есть опас­ность попадания вытекающего газа в эти здания. Классификация повреж­дений газопроводов и их оборудова­ния приведена в табл. 9.1, где указа­ны доли внезапных повреждений как для газопроводов, так и оборудования.

Для выявления значений показате­лей надежности был проведен анализ повреждений на газовых сетях круп­ных городов и областных систем. В результате были получены следую­щие значения параметра внезапных отказов, которые являются основой при расчете надежности систем, 1/(км•год):

Приведенные расчетные значения параметра потока отказов для подзем­ных газопроводов и их оборудования характерны для газовых сетей, эксплу­атируемых в 60...70-е годы. На перс­пективу значение параметра потока отказов будет уменьшаться в связи с прогрессом технических решений, по­вышением качества строительных ра­бот и эксплуатации, улучшением конт­роля качества строительства. Учиты­вая изложенное, расчетные значения параметров потока отказов для проек­тируемых систем можно рекомендо­вать следующие:

для газопроводов

со_р = 2 • 10 ^—31 / (км • год);

для чугунных задвижек

со_р= 1,7-10 ~³1 /год;

для стальных задвижек

со_р=0,3 • 10 ~³1 /год;

для кранов

со_р=0,2 • 10 ^—31 /год.