Suharev_M.G._Nadezhnost_sistem_gazo-_i_neftesnabzheniya

воздухе вызывают пожелтение травы и листвы, не заметное для

людей с обычным зрением. Затем стали пользоваться прибора­ ми, основанными на разнообразнейших физических принци­

пах, - газоаналитическими, акустическими, радиационными,

лазерными и т.д.

Структура системы определяется при перспективном плани­

ровании и проектировании ее развития и реконструкции. Под структурой системы подразумевается взаимное расположение ее

объектов (т.е. конфигурация), а также системные и локальные

резервы. Уже выбором конфигурации магистральных трубопро­

водов, промысловых и распределительных сетей предопределя­

ются возможности маневрирования потоками по системе в це­

лом или управления локальной подсистемой. К способам струк­

турного резервирования относятся кольцевание сетей, питание ответственных потребителей с разных направлений, создание

трубопроводов-перемычек. Резервирование на объектах произ­ водится путем выбора схемы соединения оборудования (обвяз­ ки) и резерва оборудования: агрегатов на перекачивающих стан­

циях, скважин на промыслах, аппаратов в системах промысло­

вой подготовки нефти и газа.

Характерными спрсобами резервирования линейной час­

ти является секционирование многониточных коридоров

путем установки запорной арматуры и сооружения перемы­

чек между параллельными трубопроводами, дублирование

наиболее опасных участков, например переходов через реки

и горные хребты.

Широкое распространение в системах газо- и нефтеснабже­

ния получило так называемое временное резервирование, то есть

создание запасов продукта для покрытия аварийных и пиковых

дефицитов. В России для хранения газа используют выработан­ ные месторождения углеводородов или специально подобран­ ные структуры. Хорошие перспектины имеют подземные емкос­ ти, вымываемые в соляных пластах. В некоторых странах, напри­ мер в Великобритании, из-за отсутствия подходящих горногео­

логических структур широкое распространение получили уста­

новки по сжижению, хранению и регазификации газов и уста­

новки, приготавливающие пропаиа-воздушные смеси. Подзем­

ные хранилища служат для погашения сезонной неравномерно­

сти потребления, сглаживания пиковьiХ и аварийных дефицитов.

Хранилища же, расположенные далеко от районов основного

потребления, играют роль компенсаторов, принимая газ при его

избытке и авариях в системе «За)> хранилищем и отдавая в пико­

вый период и при авариях <<до)> хранилища. Средствами времен-

11

ного резервирования в нефтеснабжении являются резервуарные

парки, которые сооружаются на промыслах, у потребителя и по

трассе нефтепровода.

Говоря о резервах, закладываемых при проектировании объек­

тов газа- и нефтеснабжения, нельзя не упомянуть о нагрузоч­

ном резерве. По определению это тот резерв производственной

мощности, который предназначен для компенсации случайных

и непредвиденных увеличений потребления продукции. У проек­

тировщиков есть еще одна хитрость, которая однако ими не

афишируется. При расчетах они пользуются формулами, содер­ жащими некоторые коэффициенты, так сказать коэффициенты запаса. Коэффициенты назначаются таким образом, чтобы про­ ектируемый объект почти наверняка выполнял свои функции. К той же цели направлены <<щадящие)> расчетные модели. Реаль­

ные объекты, рассчитанные при проектировании с помощью

таких моделей, могут зачастую развивать мощность, превышаю­

щую проектные значения. Тем самым методика расчета негласно

подразумевает резервирование, которое сродни нагрузочному.

В иных случаях это расчетное резервирование непомерно завы­ шено. Так дело обстоит с распределительными сетями газоснаб­ жения. В соответствии с нормативами диаметр трубопровода вы­

бирается из расчета на максимальную часовую нагрузку впери­

од пикового потребления. В результате производственная мощ­

ность (пропускная способность) расnределительных газопрово­

дов используется на четверть, а то и менее.

Управление системой. Системы газо- и нефтеснабжения ямя­

ются системами человека-машинными, или, как иногда гово­

рят, эргатическими. Отказы по вине персонала составляют су­

щественную долю в общем лотоке отказов, которая к тому же

имеет тенденцию к увеличению. Я хочу подчеркнуть, что речь идет именно о доле, то есть об относительном, а не абсолютном значении числа отказов. Это означает, что технологии в целом совершенствуются, а люди ... <<Человеческий фактор)> более инер­ ционен. Из-за недобросовестного отношения лерсонала к своим обязанностям происходит более быстрый износ оборудования. Замедленная реакция и недостаточная слаженность действий в

нештатных ситуациях приводят к увеличению тяжести послед­

ствий и т.д. Все способы подбора, подготовки кадров и повыше­ ния их квалификации являются вкладом на будущее в надеж­ ность предприятия или отрасли. Во всем мире отбор и подготов­

ка кадров рассматриваются промышленными корпорациями как

задачи первостепенной важности. Достаточно сказать, что пра­ вила приема на рабочие должности по обслуживанию нефте- и

12

газопроводов в США предусматривают более жесткое тестиро­

вание на приверженность к наркотикам и алкоголю, чем в дру­

гих отраслях промышленности. В России, а ранее в СССР, мно­

гое делалось и делается для того, чтобы в отраслях нефтегазово­

го комплекса работали квалифицированные специалисты. Выс­ шее нефтегазовое образование, созданное за многие десятиле­ тия, обесnечивает в основном достаточно высокий уровень пер­

воначальной подготовки инженеров. Успешно функционирует

система nовышения квалификации высшего и среднего звена руководящих кадров. Однако каждый человек есть продукт своей эпохи. В кризисный период часть населения уrрачивает не только интерес к профессии, но и ответственность при выполнении служебных обязанностей. В конечном счете неrативные обществен­ ные настроения должны сказаться и на надежности функциони­ рования предприятий. На мой взгляд, именно в социальной сфере

надо искать причины беспрецедентной полосы авиационных

катастроф в последние месяцы 1997 г.

Организационная структура предприятий и отрасли в целом

также является немаловажным фактором, определяющим каче­

ство управления. Весьма существенные преобразования в дея­ тельности нефтяной отрасли имели место при смене формы соб­ ственности. Более плавно меняются организационные формы в управлении газовой отраслью. Из всех методов влияния на на­ дежность те, которые лежат в социальной сфере, наиболее инер­ ционные. Их эффективность (или, напротив, бесперспектив­ ность) обычно становится заметна через годы.

Все большая роль в управлении производственными про­ цессами отводится системам автоматики и информатизации. Что

и естественно, так как с увеличением масштабов производ­

ства, мощности энергетических потоков, возрастают требова­

ния к диспетчерскому переопалу и другим эксплуатационным

службам. Вспомним в связи с этим о таком печальном событии. Утечки из трубопровода, транспортирующего жидкие и газо­ образные углеводороды из Западной Сибири в Башкирию, при­

вели к катастрофе двух поездов на перегоне Уфа-Челябинск.

По количеству жертв это происшествие вошло в лервый деся­

ток промышленных катастроф, имевших место на Земле. При­ чины можно искать в низком качестве строительства и дефек­

тах труб. Но есть и другая сторона проблемы. Трубоnровод для трансnорта опасного энергоносителя в столь больших объемах (диаметр трубы 820 мм) должен быть автоматизирован, то есть

в состав функций системы уnравления должна входить опера­

тивная идентификация утечек даже из-за сравнительно неболь-

13

ших повреждений трубы. Но технических средств для поиска

утечек при таких расходах транспортируемого продукта в то

время не существовало. Отсюда следует вывод, что проект тру­ бопровода не обеспечивал его безопасность. Надо было бы пойти на большие затраты и построить, например, 2 параллельные

нитки меньшего диаметра, понизив уровень риска при эксплу­

атации трубопровода.

Условия функционирования. Системы газо- и нефтеснабжения

являются составными частями экономической структуры, при­

родной и техногеиной среды и находятся с ними в постоянном

взаимодействии. Надежность, как сказано в определении, - это свойство объекта выполнять заданные функции. Основная фун­ кция наших систем состоит в том, чтобы поставлять газ и нефть

потребителям, обеспечить спрос, а спрос меняется в зависимо­

сти от сезона, от конъюнктуры и других причин. Чем меньше спрос, тем проще его удовлетворить, то есть надежность (обес­ печенность) поставок убывает с увеличением требований к объе­

мам поставок.

Очевидное влияние оказывают на надежность климатические и погодные факторы. Нестабил:ьность грунтов, их подвижки, пу­

чение, явление термокарста, размораживание вечной мерзлоты

приводят к увеличению напряжений в теле трубы, необратимым

(пластичным) деформациям и в конечном счете к отказам -

разрывам, трещинам, свищам. Запьmенность воздуха способствует более быстрому изнашиванию механического оборудования. Раз­

мывание дна и перемещение русел рек передко являются при­

чиной аварий на водных переходах. Полный перечень негатив­ ных воздействий на объекты транспорта и добычи газа и нефти занял бы очень много места. Всего не перечислить, но хотелось бы обратить внимание на то, что в понятие природной среды следует включать также и недра. Это та составляющая природ­ ной среды, которую мы не можем наблюдать непосредственно и поэтому хуже всего знаем. Она способна преподносить неприят­ ные неожиданности. Обводнение скважин, разгерметизация об­ садных колонн, фонтанирование, закупорка призабойной зоны

пласта - все эти явления надо рассматривать как отказы или

частичные отказы скважин. Установлено, что интенсивность этих отказов возрастает в условиях форсированных режимов отборов [3]. Отсюда следует, что для подземных объектов, так же как и

для наземных, надежность находится в тесной зависимости от

нагрузки на объект.

Одной из самых весомых причин аварий на трубопроводах являются так называемые антропоrенные воздействия. Говоря

14

проще, трубопроводы повреждают при рытье канав, котлова­ нов, глубокой пахоте и прочих земляных работах. Причем чем

больше плотность застройки, тем труднее уберечь трубы от ка­

навокопателей. Антагонизм между теми, кто эксплуатирует под­

земные коммуникации, и теми, кто строит новые, проявляется

не только у нас. Даже у пунктуальнейших немцев не обходится

без неприятностей. В специальной германоязычной литературе

появился термин, который в переводе на русский звучит как

<<война канав>>. Старение коммуникаций и все увеличивающаяся

их плотность сделали проблему очень острой: или они (канавы) нас, или мы их. То есть, если не будут в промышленных масш­

табах освоены новые технологии сооружения и ремонта трубо­

проводов, то канавы станут одним из тормозов развития совре­

менной цивилизации.

Заканчиваю комментарий к рис. 1. Я попытался сделать его покороче, но показать тем не менее, как широк круг факторов, оказывающих влияние на надежность систем газо- и нефтеснаб­ жения. Как видите, здесь есть факторы экономические, техноло­ гические, социальные и экологические. Повышать надежность можно путем воздействия в нужном направлении на те факто­ ры, которые оказываются существенными в конкретных обсто­

ятельствах при решении той или иной проблемы.

Как нельзя и как можно

оценивать надежность

Надежность - понятие качественное, но ее можно оценить, вводя различные показатели. Причем обычно одного показателя явно недостаточно для того, чтобы дать удовлетворительную ха­

рактеристику. Тем не менее довольно часто можно встретить

выражение: надежность объекта (системы, изделия и пр.) равна

0,999. Можно сказать без тени сомнения, что человек, упомина­

ющий о «трех девятках» (или «двух», или «четырех девятках>>) слабо разбирается в вопросах надежности. Сейчас поясню поче­

му. Одним из наиболее простых и информативных показателей в

теории надежности является вероятность безотказнойработы R(t). Если ~ - случайная величина - время безотказной работы и

F(t) - функция ее распределения, то

R(t):::: Р{~ ~ 1}= 1- F(t).

15

Как Вы видите, этот показатель должен быть привязан к опре­ деленному промежупсу времени. Вероятность безотказной работы

за месяц существенно отличается от вероятности безотказной ра­

боты за год. И если говорят о <qpex девятках>>, не указывая време­

ни, то становится ясно, что вероятность на самом де:Ле не оцени­

валась, а цифры взяты с потолка в чисто рекламных целях. А про­

верить оценки показателей очень трудно. Ведь отказы при значени­

ях R, равных нескольким десяткам, - редкие события: если R = 0,9999, то в среднем на 1000 испытаний произойдеттолько 1 отказ. К тому же, если 1-й отказ будет иметь место на 10-м испытании, то это еще не значит, что величина R определена неправильно.

Кроме R(t) используют среднее время работы:

Т = Мf. =JtdF(t),

о

интенсивность отказов:

Л.(t) = -d 1п R(t)/dt.

Но, вообще-то, показатели R(t), Т, Л.(t) служат для ха­ рактеристики невосстанавливаемых изделий (объектов). Боль­

шие трубопроводные системы являются восстанавливаемыми.

Для них более информативны другие показатели. Например, для компрессорного оборудования применяются коэффици­ ент технического использования Ка. и коэффициент оператив­

ной готовности Ko.r:

время под нагрузкой за отчетный период; т.- время вынуж­

денного простая; тп.п.р - время планово-предупредительных

ремонтов; Трез - время простоя в резерве (в работоспособном состоянии).

Можно вводить и другие характеристики. Важно лишь, чтобы их употребление было регламентировано нормативными или

руководящими документами и все пользавались одинаковыми

формулами. Тогда показатели помогут сопоставить работу раз-

!6

личных предприятий, а их динамика выявит тенденции в изме­

нении состояния оборудования и/или улучшение или ухудше­

ние качества технического обслуживания.

Для газо- и нефтепроводов хорошим показателем является

коэффициент надежности Кк - отношение математического ожидания пропускной способности Mq к ее номинальному зна­

чению q0:

Коэффициент надежности служит критерием для обоснова­

ния агрегатного резерва при проектировании магистральных га­

зопроводов.

Надежность снабжения потребителей может быть охаракте­

ризована такими показателями, как средняя величина неудовле1J1-

воренного спроса за период Т, средняя вероятность дефицита про­ дукта за период Ти др. В условиях <<экономики неШiатежеЙ>> все эти показатели мало кому нужны. Но при нормализации эконо­ мической ситуации надежность снабжения станет одним из важ­

нейших компонентов во взаимоотношениях между поставщи­

ком и потребителем. Если потребитель хочет иметь продукт в

достаточном количестве в период ликового спроса и не страдать

при авариях в трубопроводной системе, он должен оплатить те

затраты, которые поставщику понадобятся на создание резер­

вов мощности и запасов продукта.

Применительно к газоснабжению разработана методика, по­ зволяющая всесторонне оценить надежность поставок [2]. Она может служить базой для разработки договорных отношений

между газотранспортными и газораспределительными предпри­

ятиями или между газораспределительными предприятиями и

конечными потребителями. Результирующий показатель надеж­

ности имеет балльную оценку. В баллах выражаются неравномер­

ность поставок за квартал, месяц, декаду, сутки, а также часто­

ты допустимых снижений давления и минимальные границы этих снижений. А сами оценки получаются как компромисс интере­

сов договаривающихся сторон.

Все возможные показатели трудно перечислить даже в специ­ альной литературе [2, 4]. Их состав расширяется по мере углуб­

ления исследований по надежности и в связи с новыми пробле­

мами, которые ставит жизнь перед отраслями нефтегазового комплекса. Введены, например, показатели живучести, режим­

ной управляемости, комплексные показатели, характеризующие

сразу несколько единичных свойств надежности. Зачастую абсо-

17

лютные значения показателей трудно поддаются интуитивному

восприятию - основное их назначение состоит в сопоставлении

альтернативных вариантов проекта или различных мероприятий

по повышению надежности.

Я до сих пор ничего не говорил о показателе, чаще других

употребляемом для оценки надежности трубопроводных систем.

Узаконенное его название - параметр потока отказов (ro), но иногда употребляют также термины: интенсивность отказов, удельная интенсивность отказов, частота отказов. Параметр по­

тока отказов измеряют обычно количеством отказов собственно

трубопроводов на 1000 км в год. Для оценки параметра подсчи­ тывают общее число отказов линейной части за год и делят на

суммарную длину трубопроводов (в тыс. км).

По значениям ro судят об общем положении в отрасли или на

предприятии. Это как температура тела или давление у человека: высокая температура или большое давлениезначит, дело плохо.

Аналогия здесь, правда, не полная: в технике чем ниже значе­

ние ro, тем лучше состояние отрасли.

Рис. 2 заимствован из работы [5]. На нем приведены сведе­

ния о динамике параметра потока отказов на магистральных

газопроводах ЕСГ с 1987 г. по 1994 г., а также составляющие этого параметра по причинам, вызывающим отказы. Выделе­ ны 5 составляющих: внутренняя и внешняя коррозия, дефек­

ты сварки и строительства, антропогенные воздействия, де­

фекты труб, прочие (вклад каждой причины определяется «Ши­

риной полосы>>: нижняя <mолоса>> соответствует коррозии, сле­

дующаядефектам сварки и строительства и т.д.). Как видно из рис. 2, за 7-летний период интенсивность аварий снизилась более чем вдвое. Если рассмотреть данные за больший проме­ жуток времени, отступая в прошлое, то успехи будут еще за­ метнее: в первой половине 70-х годов параметр ro был близок к значению 1 ав./1000 км ·год.

По показателю ro можно сравнивать надежность трубопро­ водных систем в разных индустриальных регионах мира. Данные о параметре ro для систем газоснабжения Северной Америки и Западной Европы близки к уровню, достигнутому в России. Раз­

ница только в том, что там обычно рассматриваются все газо­

проводы - магистральные и распределительные, а статистика,

отраженная на рис. 2, относится к РАО «Газпром>>, в ведении

которого находятся только магистральные и промысловые газо­

проводы. Параметр ro для распределительных сетей, где исполь­

зуются трубы меньших диаметров, обычно выше, чем для маги­

стральных газопроводов.

18

Рис. 2. Среднегодовые значения nараметра потока отказов магистральных газоnроводов России

Для того чтобы сопоставить различные трубопроводные сис­

темы по показателям надежности, надо эти показатели оценить.

Говоря об оценке, нелишне будет иметь в виду два обстоятель­ ства. Во-первых, серьезные отказы (аварии) - редкие собьпия. Поэтому для оценки приходится пользоваться скудной инфор­ мацией. А это значит, что оценки показателей надежности обыч­ но имеют малую точность. Во-вторых, официальную информа­ цию об отказах нельзя считать достоверной. Аварии - весьма

неприятные явления, и если они прошли незаметно для посто­

роннего глаза, то зачем выносить сор из избы. Негативную ин­ формацию скрывают как у нас, так и у них. Независимые запад­

ные эксперты пишут, например, что сведения об авариях и не­

поладках при строительстве и вводе в эксплуатацию морских

трубопроводов весьма неполные: фирмы стремятся не допус­

тить падения своего престижа.

В этой связи напомню. об экологической катастрофе, имев­ шей место в 1994 г., когда из-за разрыва нефтепровода нефть загрязнила большие участки тайги и попала в реки Архангельс­

кой области. Вокруг этого эпизода разыгралась настоящая ин­

формационная война. Иностранные компании, заинтересован­

ные в ослаблении конкурентов, раздули масштабы катастрофы,

стимулировали небывалый ажиотаж прессы. Подробные сооб­ щения о событии в бассейне реки Усы появились на первых

полосах даже тех арабских газет, которые вспоминают о России

только по случаю путчей и редких визитов. Что же касается на­

ших источников, то, как потом выяснилось, первоначально об­

народованные сведения были весьма заниженными.

19

Как вычислять показатели надежности

Оrветить на этот вопрос не так-то просто. Сейчас теория на­ дежностиэто раздел прикладной математики, вобравший раз­

нообразные модели и методы [см., например, 6]. Но и их оказы­ вается недостаточно для решения проблем надежности больших

энергетических систем, в частности трубопроводных систем газа

и нефти. Дать сколько-нибудь полный обзор этого довольно ин­ тересного научного направления в настоящей публикации не­ возможно. Мне хотелось бы только остановиться на некоторых

частных вопросах.

Начнем с примера: сравним 4 схемы обвязки компрессор­ ной станции, изображенные на рис. 3. Станция должна обеспе­ чить работу двух параллельных групп по две машины в каждой. Из 6 машин 4 должны находиться под нагрузкой, а 2 оставши­ еся - в ремонте или резерве. Рис. З,а представляет схему с резервным агрегатом в группе, рис. 3,6- схему с резервной группой. Обвязка на рис. 3,в и 3,г дает возможность осуществ­

лять скользящее резервирование, то есть резервный агрегат

ставить на место любого другого агрегата, вышедшего из строя.

Какая же схема лучше?

Попробуем провести сравнение самым простым путем. При одном неработоспособном агрегате каждая схема обеспечи­ вает работоспособность станции. А при выходе из строя вто­ рого агрегата схема а окажется работоспособной в двух слу­ чаях из 4 возможных, при схеме б станция должна быть вык­

лючена во всех случаях, а при схемах в и г станция всегда

остается работоспособной. Отсюда следует, что схемы можно

ранжировать в порядке возрастания надежности следующим

образом: б, а (в и г). Однако это рассуждение не позволяет

сделать количественные оценки, то есть определить, насколько

одна схема лучше другой.

Применим теперь более точную модель. Будем считать, что вероятность безотказной работы каждого элемента схемы (агре­ гата) за некоторый выбранный промежуток времени равна р. Воспользуемся хорошо известным, детально проработаиным аппаратом булевой алгебры. Без особого труда найдем вероят­ ность безотказной работы каждой схемы как функцию р:

Ra = (3 - 2р)2р4, 14 = (3 - 2p)2[f, ~ = Rг = (lOp- 24р + IS)[f.

Например, при р = 0,9 получаем с точностью до трех знаков:

Ra = 0,967; ~ = 0,945; ~ = Rг = 0,984. Из формул видно, что

20