Системный анализ надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым выборкам: По данным эксплуатации нефтегазовых месторождений Среднего Приобья

Оценка и прогнозирование надежности оборудования занимают важное место в обеспечении высокой эффективности и безопасности действующих, строящихся и проектируемых сложных систем. Экономические потери от неправильно принимаемых решений о прекращении эксплуатации конкретной сложной системы или о необходимости продления назначенного ресурса ее оборудования велики. Поэтому для обоснованных выводов о надежности оборудования сложных систем требуется осуществить комплекс исследовательских и прикладных работ.

По данным гостехнадзора в период с 1991 по 1994 годы на объектах магистрального трубопроводного транспорта произошло 199 аварий, в том числе 138 аварий на газопроводах и 61 авария на трубопроводах, транспортирующих нефть, нефтепродукты и конденсат [83]. За период с 1992 по 1996;й годы на газопроводах РАО «Газпром» произошло примерно 177 000 отказов или 35 400 отказов каждый год при общей протяженности около 150 тысяч км [53]. В 1999 году на магистральных газопроводах произошло 26 аварий [78]. Основной причиной по прежнему является старение газопроводов, отсутствие средств на проведение капитальных ремонтов. В результате аварий в 1999 году эмиссии природного газа составили порядка 100 млн. м3. В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях на первое место выходят проблема ликвидации аварийных разливов нефти при её транспортировке и хранении, рекультивация замазученных земель, утилизация нефтешламов и ликвидация нефтешламо-вых амбаров.

В 1999 году общее количество порывов на внутрипромысловых трубопроводах составило 27 408 (в 1998 году — 28 523), в том числе по причине коррозии — 26 373 (96,2 процента). На внутрипромысловых нефтепроводах произошло 19 227 порывов (19 331 — в 1998 году), из них по причине коррозии 18 524 (96,4 процента). Большое экологическое воздействие на природу оказывает разлившаяся нефть при авариях на промысловых и магистральных нефтепроводах, ежегодные потери которой составляют более 3 млн. т [52].

По данным Министерства природы только за 2003 год по Ханты-Мансийскому автономному округу было официально зарегистрировано 1450 прорывов нефтепромысловых трубопроводов.

Нефтяные промысловые трубопроводы (НПТ) представляют собой сложные инженерно-технические сооружения (системы), к которым предъявляются высокие требования по надежности и безопасности в течение всего срока эксплуатации. Большая часть инфраструктуры нефтедобывающих предприятий расположена в районах вечной мерзлоты и на болотах. Решение вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации НПТ уже через 3±5 лет вызывает затруднения, так как не обеспечено необходимым объёмом научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ и нормативной документацией. Существующие методики проектирования не учитывают возможные изменения положения трубопровода при эксплуатации и связанные с этим изменения напряженно-деформированного состояния трубы, скорости коррозии и вероятностного характера нагрузок.

В теории надёжности и её приложениях одной из важных и трудных задач является задача точечного и интервального оценивания показателей надёжности по результатам специальных испытаний или эксплуатационных наблюдений.

Однако реальные испытания (или их имитация) являются достаточно дорогостоящими и их объёмы (число образцов и сроки проведения) всегда сильно ограничены (часто не превышают 10 и менее образцов). Информация же об эксплуатационных наблюдениях представляет собой цензурированные выборки.

Эти факты существенно затрудняют использование классических методов интервального оценивания, которые работают, как правило, при полных выборках, больших объёмах выборочных данных, а также требуют использования априорных предположений о характере распределений наработок до отказа.

Известные в литературе по надёжности методы оценивания надёжности систем по результатам испытаний её элементов предполагают однотипность распределений для элементов системы. Фактически рассматриваются только экспоненциальное, нормальное и распределение Вейбулла [27, 84, 93]. Если же элементы системы (даже с простейшим последовательным соединением) имеют различные типы распределений наработок до отказа, то аналитических методов интервального оценивания просто нет.

В данной ситуации возможным выходом может стать использование методов статистического моделирования результатов испытания в условиях ограниченных выборочных данных. Такой подход начал интенсивно развиваться в работах.

Б.Эфрона, Р. Берана, К. Сингха и других [31, 100, 101, 104] и получил название бутст-реп-метода.

Цензурированность выборки обычно известна априори и этим не следует пренебрегать для уточнения искомых оценок. Актуальность исследования методик нахождения оценок показателей надёжности по малым цензурированным выборкам несомненна, ввиду повсеместного применения подобных выборок. Поэтому имеется необходимость разработки алгоритмов анализа эффективности использования бутстреп-метода для различных вариантов цензурированных выборок.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется необходимостью обеспечения бесперебойной и безаварийной работы нефтепромысловых трубопроводов.

Целью диссертации является системный анализ надежности НПТ по ограниченной информации для принятия решений, направленных на повышение экономической эффективности и экологической безопасности и их реализации при эксплуатации (на примере НПТ Нефтегазодобывающего управления (НГДУ) Фёдоровск-нефть (ФН)).

В соответствии с поставленной целью исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести системный анализ эксплуатационных данных и возможности получения выборок.

2. Выполнить системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ по малым выборкам.

3. Разработать методику оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

4. Произвести расчёт оценок показателей надежности и анализ их свойств на основе разработанной математической модели.

5. Дать рекомендации по эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов с использованием методики оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема.

В основу исследования положены методы теории надежности, теории случайных процессов, математической статистики и прикладного системного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана возможность управления безотказностью и долговечностью НПТ на этапе эксплуатации, используя эксплуатационную информацию НПТ ограниченного объема.

2. Впервые выполнен системный анализ надежности по малым выборкам НПТ цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть».

3. Разработан новый метод определения характеристик надежности НПТ по малым эксплуатационным выборкам.

4. Создана инженерная методика оценки надежности по малым выборкам для НПТ эксплуатируемых в условиях болот Среднего Приобья.

Практическая значимость работы заключается в том, что.

1. Для номенклатуры НПТ НГДУ «Фёдоровскнефть» с эксплуатационной статистикой малого объема разработана и внедрена инженерная методика.

2. Вычислены значения показателей надежности для номенклатуры НПТ цехов добычи нефти и газа НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз», по которой собрана статистика малого объема, не позволяющая применять используемые в настоящее время методы оценки показателей надежности НПТ.

3. Разработаны и внедрены в практику работы НГДУ «Фёдоровскнефть» ОАО «Сургутнефтегаз» методы расчета надежности нефтепромысловых трубопроводов с внезапными и постепенными отказами, позволяющие оперативно проводить анализ технического состояния систем перекачки нефти.

4. На основе созданного метода расчета надежности НПТ по эксплуатационной информации ограниченного объема написан программный комплекс «Оценка параметров надежности НПТ по малым выборкам», применяемый для расчета показателей надежности различных номенклатуры и условий эксплуатации НПТ.

Основные положения, выдвигаемые автором на защиту:

1. Метод определения показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационной информации ограниченного объема.

2. Инженерная методика системного анализа надежности НПТ в условиях болот Севера Западной Сибири;

3. Характеристики надежности номенклатуры НПТ, имеющих ограниченный объем статистики эксплуатационных данных, и эксплуатирующихся в условиях болот Севера Западной Сибири.

Личный вклад автора в работу. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведенных исследований, включая постановку задачи, провел анализ литературы по проблеме, патентный поиск, планирование исследований, сбор исходных данных, разработку моделей и методов, написание программного обеспечения, обобщение и интерпретацию результатов.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Колесник В. Н. Исследование методических вопросов статистического анализа надёжности по цензурированным выборкам с использованием бутстреп-мето-дов для нахождения интервальных оценок. Первая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута: Сборник тезисов докладов. / Под ред. А. И. Демко, В. П. Зуевского. — Сургут: Издательский центр СурГУ,.

1998.-129с., с.94−95.

2. Колесник В. Н., Буртаев Ю. Ф. Анализ малой цензурированной выборки с использованием бутстреп-метода для нахождения интервальных оценок показателя надёжности. Диагностика и прогнозирование состояния объектов сложных информационных интеллектуальных систем. Сборник научных трудов № 13 кафедры АСУ. / Под общей редакцией заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, д.т.н. .В. А. Острейковского. Обнинск: ИАТЭ,.

1999. 142с., с.68−72.

3. Колесник В. Н. Бутстреп-метод для статистического анализа. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. 5. Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2000. 222 с. с.77−85.

4. Буртаев Ю. Ф., Колесник В. Н., Чеховская А. В., Чеховской А. В. Статистические методы системного анализа. / Учеб. пособие. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2001.76 с.

5. Колесник В. Н. Применение бутстреп-метода для оценки надёжности. Современная техника и технологии: Труды седьмой международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. — Томск: Изд. ТПУ, 2001. Т.1. — 260−262с.

6. Колесник В. Н., Острейковский В. А., Шулакова О. А. Сравнение мощности критериев при оценке однородности цензурированных выборок. Проверка однородности выборок эксплуатационных данных нефтепромысловых трубопроводов. Сборник научных трудов кафедры ИВТ№ 2 «Системный анализ и обработка информации в интеллектуальных системах». Сургут: Изд-во СурГУ,.

2003. с.67−77.

7. Колесник В. Н., Муравьев И. И., Острейковский В. А. Системный анализ надежности нефтепромысловых трубопроводов по данным эксплуатации в условиях болот Севера Западной Сибири. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып. Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та, 2004.

8. Колесник В. Н. Оценка параметров надежности нефтяных промысловых трубопроводов по малым цензурированным выборкам эксплуатационных данных. Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. Вып.. Физико-математические и технические науки. Сургут: Изд-во Сургут, ун-та,.

2004.

Апробация работы:

1. Первая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г. Сургут. 1998 г.

2. Вторая научная конференция молодых учёных и специалистов города Сургута г. Сургут. 2000 г.

3. Международный симпозиум «Надежность и качество 2000». г. Пенза, 22−31 мая 2000 г.

4. Вторая окружная конференция молодых ученых и специалистов Ханты-мансийского автономного округа «Наука и образование XXI веку». Сургут, 2224 ноября 2001 г.

5. Седьмая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии 2001». г. Томск. 26 февраля -02 марта 2001 г.

6. Ill окружная конференция молодых ученых Ханты-мансийского автономного округа «Наука и инновации Ханты-мансийского автономного округа». г. Сургут, 29−30 ноября 2002 г.

7. Окружная конференция молодых учёных «Наука и инновации XXI века». г. Сургут, 27−28 ноября 2003 г.

8. Материалы диссертаций докладывались на ежегодных научно технических семинарах кафедры ИВТ Сургутского государственного университета в 19 992 003 годах.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Содержит 110 страниц текста, 48 рисунков, 29 таблиц, 1 приложение и список использованной литературы из 111 наименований.

Выводы по четвертой главе.

НПТ работающие в условиях расслоенного потока наиболее подвержены отказам в сравнении с такими же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях. НПТ работающие в условиях динамически напряженных зон так же больше подвержены отказам в сравнении с такими же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях.

Сравнивая НПТ в цехе, А и цехе Б делаем вывод, что средняя наработка до отказа в 6 цехе выше чем в 5 цехе по большинству диаметров НПТ.

По многим диаметрам НПТ отсутствует достаточная информация для создания однородных выборок по необходимому критерию.

Впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше.

Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным выборкам с рядом других выполненных работ на основе аналогичных статистических данных для рассматриваемых сортаментов НПТ диаметра 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

Заключение

.

1. Системный анализ эксплуатационных данных показал, что информация об отказах НПТ ограничена и представляет собой эксплуатационные данные с наработками до отказа и неполными наработками. Для использования стандартных методик оценки надежности объем исследуемой выборки должен быть не меньше определенного значения, ограничивающего применение соответствующего метода. Так как точность определения характеристик т надежности зависит от объема выборки, а эксплуатационные данные, чаще всего недостаточны, то желательным является объединение разнородных данных. Поэтому появляется необходимость выявления однородности выборок между собой, что является основным условием для возможности объединения данных, полученных из разных источников.

2. Выполненный системный анализ методов получения характеристик надежности НПТ показал, что большинство существующих методов оценки параметров надежности не позволяют проводить оценки малых щ цензурированных выборок. При этом основные ограничения применяемых для оценки методов касаются вида априорных данных. Таким образом, информация, которую нужно исследовать, должна удовлетворять определённым требованиям, чтобы было возможным использовать тот или иной метод оценки надежности по малым выборкам. В этом плане параметрические методы оценки параметров надежности требуют обязательного априорного знания закона распределения наработок. В связи с чем, они не применимы для выборок малого объема. Однако, если объем.

V* данных значителен, параметрические методы более точны. В то же самое время непараметрические методы оценки параметров надежности не требуют априорного знания закона распределения наработок. Поэтому именно их целесообразно применять для выборок малого объема.

3. В работе доказано, что наиболее оптимальным методом оценки малых цензурированных выборок является метод последовательного перехода к новой системе координат. В сравнении с другими непараметрическими методами он позволяет определять вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа объекта. Данный метод не требует априорного знания закона распределения данных, более точен в сравнении с другими методами.

4. Впервые построена математическая модель совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода.

5. При исследовании статистических данных ограниченного объема точность получаемых оценок показателей надежности ниже, чем для данных большого объема. Так, для выборок объемом 5−10 наработок точность на 20−25% ниже, чем для выборок объемом 40−50 наработок.

6. Для оценки точности разработанной модели произведено статистическое моделирование с использованием программы, написанной на основе математической модели совместного использования непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистического моделирования бутстреп-метода. Выполнен системный анализ результатов статистического моделирования с результатами, полученными при использовании других методов оценки параметров надежности по цензурированным выборкам. Оказалось, что когда коэффициент вариации у=1(это наиболее неблагоприятное значение, то есть, имеем дело с экспоненциальным распределением отказов), точность метода с использованием бутстреп-интервалов выше, чем у остальных методов. Это характерно для ситуации, когда наработок не много (около 20−25). Подобная ситуация наблюдается с уменьшением коэффициента вариации моделируемой выборки до v=0.4 и объёма выборки до 5−10. С увеличением объема выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы уменьшается, а вероятность попадания в интервал увеличивается, что не противоречит классической статистической теории. С увеличением количества неполных наработок (увеличение глубины цензурирования) выборки диапазон отклонений границ средней наработки до отказа и вероятности безотказной работы увеличивается.

7. Произведен расчёт оценок показателей надежности нефтепромысловых трубопроводов двух цехов нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и анализ свойств этих оценок на основе разработанной математической модели. По результатам расчетов получен ряд важных для эксплуатации НПТ выводов, основные из которых следующие:

1) впервые получены оценки средней наработки до отказа для НПТ диаметра 325 мм и выше;

2) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях расслоенного потока на 24,9% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

3) время наработки до отказа у НПТ, работающих в условиях динамически напряженных зон на 24,2% меньше, чем у таких же НПТ, которые эксплуатируются в нормальных условиях;

8. Адекватность использованных в работе метода и моделей подтверждается непротиворечивостью полученных характеристик надежности НПТ различной номенклатуры по малым цензурированным выборкам с рядом других выполненных работ на основе статистических данных большего объема для рассматриваемых НПТ диаметров 114 мм, 159 мм, 219 мм, 273 мм.

9. Разработана инженерная методика оценки параметров надежности нефтепромысловых трубопроводов по эксплуатационным данным малого объема. Она заключается в совместном использовании непараметрического метода последовательного перехода к новой системе координат с методом статистических экспериментов бутстреп-метода. По разработанной методике выполнена оценка надежности нефтяных промысловых трубопроводов по ограниченной информации в условиях болот Среднего Приобья.

10. Эта инженерная методика была апробирована на данных нефтегазодобывающего управления «Федоровскнефть» и получила одобрение эксплуатационного персонала. Она включает в себя следующие последовательно выполняемые операции:

1) проверка корректности статистических данных;

2) оценка аномальных результатов;

3) группировка по признакам;

4) оценка однородности и объединение данных;

5) выбор метода обработки в зависимости от вида полученной выборки;

6) получение с помощью выбранного метода оценки параметров надежности.

7) проверка достоверности полученных результатов, анализ и применение при проектировании и эксплуатации НПТ.

11. Полученные в работе результаты могут быть использованы не только для оценки надежности НПТ, но и в других областях: магистральных нефтеи газопроводах, продуктоводах с агрессивными жидкостями и газами, водоводах и других токсических, экологически опасных и ответственных системах.