Статистична модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів

Размещено на http://allbest.ru

12

Дніпропетровський державний університет внутрішніх справ

Статистична модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів

Насонова Світлана Сергіївна кандидат технічних наук, доцент,

доцент кафедри інформаційних технологій

м. Дніпро

Анотація

Для зберігання нафти і нафтопродуктів в Україні існує резервуарний парк, який налічує до 10 тисяч сталевих резервуарів. Близько 90% цих ємностей припадає на долю зварних вертикальних циліндричних резервуарів наземного типу (РВС) об'ємом від 5 до 5000 куб. м. Слід зазначити, що РВС - це найбільш розповсюджений тип нафтосховищ не тільки в Україні, но і у багатьох країнах світу.

В процесі експлуатації резервуари для зберігання нафти і нафтопродуктів зазнають впливу механічних і температурних навантажень, схильні до впливу агресивних середовищ та інших негативних факторів, які діють спільно і нерідко в найбільш несприятливих поєднаннях. Наслідком такого впливу є поступова деградація сталевих конструкцій РВС, погіршення їх технічного стану. експлуатаційний надійність нафтосховище резервуар

Якщо процесом деградації кваліфіковано не керувати, з часом технічний стан РВС може лише погіршуватися. Рано чи пізно споруда деградує настільки, що подальша її експлуатація загрожує відмовою, стає небезпечною або взагалі неможливою.

Резервуари, які використовуються для зберігання нафти та нафтопродуктів, відносяться до споруд, безпека експлуатації яких є, безумовно, головною умовою. Тому виникає необхідність в організації захисних заходів та робіт щодо підвищення експлуатаційної надійності РВС.

У статті пропонується статистична модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів.

Ця модель розглядає деградацію РВС як випадковий процес, а параметри цієї моделі можуть бути визначені на основі статистичної інформації про нормативні відмови нафтових резервуарів, отриманої за результатами їх технічного огляду. Крім того, дана модель дозволяє врахувати необхідний рівень експлуатаційної надійності даних споруд, нижче за який експлуатація РВС стає неприпустимою.

Очевидними перевагами запропонованої моделі є простота і гнучкість, що дозволяє використовувати її стосовно як окремо взятого резервуару, так і до групи однотипних резервуарів. Слід зазначити, що дана модель не враховує періодичне відновлення працездатності нафтових резервуарів в процесі експлуатації. Це робить її корисною насамперед для орієнтовної оцінки граничних міжревізійних термінів безпечної роботи РВС.

Ключові слова: нафтові резервуари, деградація, експлуатаційна надійність, статистична модель, безпечна робота.

Abstract

Statistical model of operational reliability of oil reservoirs

Nasonova Svitlana Serhiivna Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Information Technologies, Dnipropetrovsk State University of Internal Affairs, Gagarina Ave., 26, Dnipro

For the storage of oil and oil products, there is a tank park in Ukraine, which includes up to 10,000 steel tanks. About 90% of these capacities are welded vertical cylindrical ground-type tanks with a volume of 5 to 5,000 cubic meters. It should be noted that these structures are the most widespread type of oil storage not only in Ukraine, but also in many countries of the world.

In the process of operation, tanks for the storage of oil and oil products are exposed to mechanical and temperature loads, are prone to the influence of aggressive environments and other negative factors that act jointly and often in the most unfavorable combinations. The consequence of such influence is the gradual degradation of steel structures of oil tanks, deterioration of their technical condition. If the degradation process is not skillfully managed, the technical condition of the tanks can only deteriorate over time. Sooner or later, the structure degrades to such an extent that its further operation threatens to fail, becomes dangerous or even impossible.

Reservoirs used to store oil and oil products are structures whose operational safety is, of course, the main condition. Therefore, there is a need to organize protective measures and work to increase the operational reliability of oil tanks.

The article proposes a statistical model of operational reliability of oil tanks. This model considers the degradation of fuel oil as a random process, and the parameters of this model can be determined on the basis of statistical information about regulatory failures of oil tanks, obtained from the results of their technical inspection. In addition, this model allows you to take into account the required level of operational reliability of these structures, below which the operation of tanks becomes unacceptable.

The obvious advantages of the proposed model are its simplicity and flexibility, which allows it to be used both for a single tank and for a group of tanks of the same type. It should be noted that this model does not take into account the periodic recovery of oil reservoirs during operation. This makes it useful, first of all, for an approximate assessment of the limit inter-revision periods of safe operation of oil tanks.

Keywords: oil reservoirs, degradation, operational reliability, statistical model, safe operation.

Вступ

Постановка проблеми. Для зберігання нафти і нафтопродуктів в Україні існує резервуарний парк, який налічує до 10 тисяч сталевих резервуарів. Близько 90% цих ємностей припадає на долю зварних вертикальних циліндричних резервуарів наземного типу (РВС) об'ємом від 5 до 5000 куб. м (див. рисунок 1). Зауважимо, що РВС - це найбільш розповсюджений тип нафтосховищ не тільки в Україні, но і у багатьох країнах світу.

Рис. 1 Загальний вигляд РВС

В процесі експлуатації резервуари для зберігання нафти і нафтопродуктів зазнають впливу механічних і температурних навантажень, схильні до впливу агресивних середовищ та інших негативних факторів [1, 2], які діють спільно і нерідко в найбільш несприятливих поєднаннях. Наслідком такого впливу є поступова деградація (фізичний знос, зміна характеристик міцності, накопичення дефектів і пошкоджень) сталевих конструкцій РВС, погіршення їх технічного стану. Слід зазначити, що деградація є об'єктивною складовою процесу експлуатації нафтових резервуарів і починається з перших днів їхньої служби. Якщо процесом деградації кваліфіковано не керувати, з часом технічний стан РВС може лише погіршуватися. Рано чи пізно споруда деградує настільки, що подальша її експлуатація загрожує відмовою, стає небезпечною або взагалі неможливою.

Резервуари, які використовуються для зберігання нафти та нафтопродуктів, відносяться до споруд, безпека експлуатації яких є, безумовно, головною умовою. Це пояснюється тим, що порушення їх цілісності, а тим більше часткові чи повні руйнування призводять до значних матеріальних та моральних збитків, що пов'язано із втратою нафтопродукту та забрудненням навколишнього середовища.

Негативні впливи відмов нафтових резервуарів на економічну, екологічну та соціальну сфери життя викликають необхідність організації захисних заходів та робіт щодо підвищення експлуатаційної надійності РВС.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Аналіз останніх досліджень, присвячених проблемі забезпечення надійної експлуатації нафтових резервуарів [3, 4] показав, що різні моделі і методи оцінки надійності зазвичай дають різні результати, які часто не відповідають даним натурних обстежень. Для попередження можливих великих аварій резервуарів, необхідно класифікувати і систематизувати причини їх виникнення, що вимагає подальшого накопичення статистичного матеріалу про відмови РВС і передумови їх настання. Крім того, маловивченою є методологія кількісної оцінки надійності нафтових резервуарів на різних стадіях їх життєвого циклу та проблема прийняття економічно обґрунтованих рішень щодо їх обстеження та ремонтів. Тому питання, пов'язані з кількісною оцінкою та ефективним забезпеченням надійності РВС, є актуальними [5-8].

Мета статті - розробити модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів, параметри якої можуть бути визначені на основі статистичної інформації, отриманої за результатами технічного огляду нафтових резервуарів.

Виклад основного матеріалу

Параметри механічних властивостей матеріалів та параметри навантаження, які приймаються до уваги при проектуванні, місцеві та загальні деформації в конструктивних елементах, відхилення форми днища та стінки, інші дефекти та пошкодження, що виникають при тривалій службі РВС, визначаються механізмами, які мають яскраво виражений випадковий характер [9]. Це породжує високий рівень невизначеності при прогнозуванні технічного стану нафтових резервуарів в процесі їх експлуатації. Отже, об'єктивна оцінка експлуатаційної надійності нафтових резервуарів стає можливою лише за результатами їх технічних обстежень, тобто з урахуванням конкретних даних про дефекти та пошкодження їх конструкцій. Якщо ж говорити про загальну оцінку експлуатаційної надійності тієї чи іншої групи резервуарів, то її отримання можливе лише на основі статистичних даних, основою яких є результати технічних обстежень РВС.

У статті пропонується статистична модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів. Ця модель розглядає деградацію РВС як випадковий процес, а параметри цієї моделі можуть бути повністю конкретизовані на основі статистичної інформації про нормативні відмови нафтових резервуарів, отриманої за результатами їх технічного огляду. Крім того, дана модель дозволяє врахувати необхідний рівень експлуатаційної надійності даних споруд, нижче за який експлуатація РВС стає неприпустимою.

Інженерний аналіз процесів деградації РВС [9], а також результати роботи [10] дають підстави вважати, що щільність розподілу ймовірностей часу напрацювання до відмови i-го виду можна наближено описати показовим законом

де лі - параметр моделі, який характеризує середню інтенсивність відмови i-го виду.

Тоді ймовірність відмови i-го виду як функція часу описується моделлю наступного виду

Значення л_і можуть бути визначені, наприклад, методами ідентифікації [11] шляхом розв'язання наступних задач одновимірної мінімізації:

де і - індекс, який визначає вид відмови;

j - індекс, який відповідає терміну експлуатації tj;

fij - частота відмови i-го вида за період експлуатації tj, яка визначається за статистикою нормативних відмов;

m - кількість часових інтервалів експлуатації, прийнятих до уваги у наявній вибірці статистичних даних.

Очевидно, що безвідмовна робота резервуара на часовому інтервалі [0, t] матиме місце тільки в тому випадку, якщо на цьому часовому інтервалі «не спрацює» жоден з можливих механізмів відмови.

Імовірність того, що за час експлуатації t не станеться відмова i-го виду визначається наступною рівністю

Тоді, вважаючи, що причини, які викликають відмову РВС, є подіями спільними, але незалежними, і враховуючи формулу (1), ймовірність безвідмовної роботи резервуара (без урахування відновлення працездатності внаслідок проведення ремонтно-відновлювальних заходів) як функція часу визначається за формулою

де

Модель (2) є статистичною моделлю надійності нафтових резервуарів, яка дозволяє знайти ймовірність безвідмовної роботи резервуару на момент часу t.

Введемо поняття мінімально допустимого (нормативного) рівня експлуатаційної надійності РВС. Мінімально допустимим рівнем надійності резервуара в процесі експлуатації назвемо таке граничне значення ймовірності безвідмовної роботи P*, нижче за яке експлуатація споруди повинна бути припинена. Зрозуміло, що це значення має бути близьким до одиниці і може призначатись, наприклад, експертним шляхом [12].

Очевидно, що нерівність

є умовою безвідмовної роботи резервуара із заданим рівнем гарантії P* на час t. Нерівність (3) можна вважати умовою безпечної роботи РВС [7].

Розв'язуючи цю нерівність та враховуючи формулу (2), отримуємо умову, яка визначає час безпечної експлуатації (нормативний час безвідмовної роботи)

При цьому верхню оцінку часу безпечної роботи резервуара, що визначається рівністю

слід розглядати як максимально допустимий часовий інтервал між сусідніми контрольними оглядами нафтових резервуарів, які знаходяться в експлуатації.

За моделлю (2) було проведено ряд чисельних експериментів стосовно статистичних вибірок резервуарів різного об'єму. Статистику нормативних відмов РВС, на основі якої уточнювалися параметри моделі (2), було зібрано на основі результатів натурних обстежень нафтових резервуарів, які знаходяться в експлуатації в умовах перевалочно-розподільчих нафтобаз у різних регіонах України. Обстеження проводили співробітники лабораторії технічного діагностування при кафедрі металевих, дерев'яних та пластмасових конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Усі результати обстежень були відображені у висновках про технічний стан РВС. Вони й послужили інформаційною базою для збирання статистики.

При збиранні та обробці статистичних даних бралися до уваги такі види нормативних відмов:

1. Вичерпання нормативного запасу міцності, стійкості.

2. Неприпустимі опади основи.

3. Неприпустимі дефекти геометрії.

4. Неприпустимі тріщиноподібні дефекти у зварних швах.

5. Неприпустима корозія днища.

6. Неприпустима корозія зони сполучення стінки з днищем (уторної зони).

7. Наскрізні корозійні ушкодження днища, уторної зони.

8. Наскрізні корозійні ушкодження покрівлі.

Кожному виду відмови було надано свій унікальний номер і (і = 18). Частоти відмов визначалися як відношення кількості виявлених відмов того чи іншого типу до загальної кількості обстежених резервуарів відповідної вибірки.

На рис. 2 представлені графіки, які відбивають залежність граничних термінів безпечної експлуатації РВС різного об'єму від порогового значення ймовірності безвідмовної роботи і³*.

Рис. 2. Граничні терміни безпечної експлуатації РВС різного об'єму залежно від P*.

Як видно з рисунку 2 , час безвідмовної роботи більше у резервуарів меншего об'єму (від 100 до 400 куб. м). Це пояснюється тим, що резервуари більшого об'єму (від 700 до 5000 куб. м) в більшій мірі відчувають вплив розтягуючих і згинальних напружень, особливо в нижніх поясах стінки та зоні сполучення стінки з днищем, що негативно впливає на їх міцнісні характеристики, а отже, і на надійність експлуатації. Також можна зробити висновок, що чим вище необхідний рівень надійності резервуару, тим менша тривалість його міжревізійної експлуатації і, відповідно, тим частіше потрібно проводити технічні обстеження і ремонти його конструкцій.

Висновки

Запропонована модель експлуатаційної надійності нафтових резервуарів, яка заснована на статистичній інформації про нормативні відмови РВС, відрізняється простотою та гнучкістю, легко адаптується під конкретний резервуар (або групу ідентичних резервуарів), якщо є відповідна статистика відмов і визначений необхідний рівень експлуатаційної надійності. При цьому треба мати на увазі, що ця модель є дуже наближеною, не враховує періодичне відновлення працездатності резервуарів в процесі їх експлуатації і може бути корисною передусім для орієнтовної оцінки граничних міжревізійних термінів безпечної роботи РВС.

Література

1. Егоров Е.А. Исследование и методы расчетной оценки прочности, устойчивости и остаточного ресурса стальных резервуаров, находящихся в эксплуатации: монография. Днепропетровск: ПГАСА, 1996. 99 с.

2. Егоров Е.А. Анализ надежности стальных резервуаров для хранения товарных нефтепродуктов. Современные строительные конструкции из металла и древесины. Одесса: ОГАСА, 1999. С. 61-65.

3. Гайсин Э.Ш., Фролов Ю.А. Оценка надежности резервуаров вертикальных стальных по критерию вероятности безаварийной работы. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. №4. С.11-15.

4. Гайсин Э.Ш., Гайсин М.Ш. Современное состояние проблемы обеспечения надежности резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2016. №2. С.31-40.

5. Семенець С.М., Насонова С.С., Олевський В.І., Волчок Д.Л. Управління проектною надійністю нафтових резервуарів. Опір матеріалів і теорія споруд. Київ: КНУБА, 2019. Вип. 103. С.165-176. URL: https://doi.org/10.32347/2410-2547.2019.103.165-176

6. Семенец С.Н., Насонова С.С., Власенко Ю.Е., Кривенкова Л.Ю. Расчетные модели надежности нефтяных резервуаров. Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБА, 2018. №1. С.60-67. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschetnye-modeli-nadezhnosti-neftyanyh-rezervuarov

7. Семенец С.Н., Насонова С.С., Власенко Ю.Е., Кривенкова Л.Ю. Управление эксплуатационной надежностью нефтяных резервуаров. Строительство, материаловедение, машиностроение. Вып.106. Дніпропетровськ: ПДАБА, 2018. С.122-128. URL: https://doi.org/10.30838/P.CMM.2415.270818.122.241

8. Семенец С.Н., Насонова С.С., Волчок Д.Л., Вельмагина Н.А. Обеспечение надежности нефтяных резервуаров в период эксплуатации. Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпро: ПДАБА, 2020. №1(261-262). С.99-110. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obespechenie-nadezhnosti-neftyanyh-rezervuarov- v-period-ekspluatatsii

9. Егоров, Е.А., Семенец, С.С. Вероятностные модели деградации нефтяных резервуаров, находящихся в эксплуатации, без учета ревизий технического состояния. Вісник академії. Придніпровська ДАБА, 2001. №5. С. 30-36.

10. Егоров Е.А., Семенец С.С. Оценка периодичности технических обследований нефтяных резервуаров, находящихся в эксплуатации. Металеві конструкції. Макіївка: Донбаська ДАБА, 2002. т. 5. №1. С.71-74.

11. Егоров Е.А., Семенец С.С. Модели управления эксплуатационной надежностью и оптимального проектирования стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Вісник ПДАБіА: Науковий та інформаційний бюлетень, 2002. №4. С. 15-21.

12. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1999. 240 с.

13. Перельмутер А.В. Избраные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций. К.: Укрниипроектстальконструкция, 1999. 212 с.

References

1. Egorov E.A. Issledovanie i metodyi raschetnoy otsenki prochnosti, ustoychivosti i ostatochnogo resursa stalnyih rezervuarov, nahodyaschihsya v ekspluatatsii: monografiya [Research and methods for calculating the strength, stability and residual life of steel tanks in operation: a monograph]. Dnepropetrovsk: PGASA Publ., 1996. 99 p. [in Russian].

2. Egorov E.A. Analiz nadezhnosti stalnyih rezervuarov dlya hraneniya tovarnyih nefteproduktov [Analysis of the reliability of steel tanks for the storage of commercial petroleum products]. Sovremennyie stroitelnyie konstruktsii iz metalla i drevesinyi [Modern building structures made of metal and wood]. Odessa: OGASA Publ., 1999. pp. 61-65. [in Russian].

3. Gaysin E.Sh., Frolov Yu.A. Otsenka nadezhnosti rezervuarov vertikalnyih stalnyihpo kriteriyu veroyatnosti bezavariynoy rabotyi [Evaluation of the reliability of vertical steel tanks according to the criterion of the probability of trouble-free operation]. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syirya [Transport and storage of petroleum products and hydrocarbons]. 2014. №4. pp. 11-15. [in Russian].

4. Gaysin E.Sh., Gaysin M.Sh. Sovremennoe sostoyanie problemyi obespecheniya nadezhnosti rezervuarov dlya nefti i nefteproduktov [The current state of the problem of ensuring the reliability of tanks for oil and oil products]. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syirya [Transport and storage of petroleum products and hydrocarbons]. 2016. №2. pp. 31-40. [in Russian].

5. Semenets S.M., Nasonova S.S., Olevskiy V.I., Volchok D.L. Upravlinnya proektnoyu nadiynistyu naftovih rezervuariv [Management of design reliability of oil tanks]. Opir materialiv i teoriya sporud [Resistance of materials and theory of structures]. Kiev: KNUBA Publ., 2019. iss. 103, pp. 165-176. URL: https://doi.org/10.32347/2410-2547.2019.103.165-176 [in Ukrainian].

6. Semenets S.N., S.S. Nasonova, Yu.E. Vlasenko, L.Yu. Krivenkova Raschetnyie modeli nadezhnosti neftyanyih rezervuarov [Calculation models of the reliability of oil tanks]. Visnik Pridniprovskoyi derzhavnoyi akademiyi budivnitstva ta arhitekturi [Bulletin of the Dnipro State Academy of Construction and Architecture]. Dnipropetrovsk: PDABA Publ., 2018. iss.1. pp. 60-67. URL: https://cyberlemnka.ru/article/n/raschetnye-modeli-nadezhnosti-neftyanyh-rezervuarov [in Russian].

7. Semenets S.N., S.S. Nasonova, Yu.E. Vlasenko, L.Yu. Krivenkova Upravlenie ekspluatatsionnoy nadezhnostyu neftyanyih rezervuarov [Operational reliability management for oil tanks]. Stroitelstvo, materialovedenie, mashinostroenie [Construction, materials science, mechanical engineering]. Dnipropetrovsk: PDABA Publ., 2018. iss.106. pp. 122-128. URL: https://doi.org/10.30838/P.CMM.2415.270818.122.241 [in Russian].

8. Semenets S.N., Nasonova S.S., Volchok D.L., Velmagina N.A. Obespechenie nadezhnosti neftyanyih rezervuarov v period ekspluatatsii [Ensuring the reliability of oil tanks during operation]. Visnik Pridniprovskoyi derzhavnoyi akademiyi budivnitstva ta arhitekturi [Bulletin of the Dnipro State Academy of Construction and Architecture]. Dnipro: PDABA Publ., 2020. iss. 1 (261-262). pp. 99-110. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obespechenie- nadezhnosti-neftyanyh-rezervuarov-v-period-ekspluatatsii [in Russian].

9. Egorov E.A., Semenets S.S. Veroyatnostnyie modeli degradatsii neftyanyih rezervuarov, nahodyaschihsya v ekspluatatsii, bez ucheta reviziy tehnicheskogo sostoyaniya [Probabilistic models of degradation of oil reservoirs in operation, without taking into account revisions of the technical condition]. Visnik Pridniprovskoyi derzhavnoyi akademiyi budivnitstva ta arhitekturi [Bulletin of the Dnipro State Academy of Construction and Architecture]. Dnipro: PDABA Publ., 2001. iss. 5. pp. 30-36. [in Russian].

10. Egorov E.A., Semenets S.S. Otsenka periodichnosti tehnicheskih obsledovaniy neftyanyih rezervuarov, nahodyaschihsya v ekspluatatsii [Assessment of the frequency of technical inspections of oil tanks in operation]. Metalevi konstruktsiyi [Metal structures]. Makiyivka: Donbaska DABA, 2002. Vol. 5. iss. 1. pp.71-74. [in Russian].

11. Egorov E.A., Semenets S.S. Modeli upravleniya ekspluatatsionnoy nadezhnostyu i optimalnogoproektirovaniya stalnyih rezervuarov dlya hraneniya nefti i nefteproduktov [Models for operational reliability management and optimum design of steel storage tanks for oil and petroleum products]. Visnik Pridniprovskoyi derzhavnoyi akademiyi budivnitstva ta arhitekturi [Bulletin of the Dnipro State Academy of Construction and Architecture]. Dnipro: PDABA Publ., 2002. iss. 4. pp. 15-21. [in Russian].

12. Gmurman V.E. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika [Theory of Probability and Mathematical Statistics]. Moskva, Vyisshaya shkola Publ., 1999. 240 p. [in Russian].

13. Perelmuter A.V. Izbranyie problemyi nadezhnosti i bezopasnosti stroitelnyih konstruktsiy [Selected issues of reliability and safety of building structures]. Kiev: Ukrniiproektstalkonstruktsiya Publ., 1999. 212 p. [in Russian].

Размещено на Allbest.ru