Основы технической диагностики и оценки надежности нефтегазопроводов


Е. И. КРАПИВСКИЙ








ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ



Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 622.69
ББК 39.7
      К77






Рецензенты:

профессор СПГТИ (ТУ), доктор технических наук В. В. Семенов; директор АО «Геологоразведка»
доктор геолого-минералогических наук В. В. Шиманский




       Крапивский, Е. И.
К77 Основы технической диагностики и оценки надежности нефтегазопроводов : учебное пособие / Е. И. Крапивский. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. -332 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0474-7

       Рассмотрены основы технической диагностики нефтегазопроводов и оценки их надежности. Раскрыты физические и теоретические основы методов технической диагностики. Уделено внимание вопросу ресурса нефтегазопроводов.
       Предназначено для самостоятельной работы студентов нефтегазовых специальностей. Может быть полезно студентам и аспирантам при обучении нефтегазовому делу.

УДК 622.69
ББК39.7

ISBN 978-5-9729-0474-7 © Е. И. Крапивский, 2020
                     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение......................................... 5
1. Элементы математической логики, теории вероятности и математической статистики.........  9
   1.1. Элементы математической логики........... 9
   1.2. Случайные величины, законы распределения случайных величин и их обобщенные
   характеристики............................... 22
2. Основы теории надежности..................... 34
   2.1. Основные положения...................... 34
   2.2. Статистические методы распознавания..... 45
   2.3. Элементы теории информации.............. 51
   2.4. Показатели надёжности невосстанавливаемых изделий...................................... 52
   2.5. Показатели надёжности восстанавливаемых изделий...................................... 55
   2.6. Структурная надёжность.................. 60
   2.7. Испытания на надёжность................. 70
3. Физические и теоретические основы методов технической диагностики нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ............................... 74
   3.1. Физические основы магнитометрии трубопроводов................................ 78
   3.2. Физические основы электрометрии трубопроводов............................... 124
   3.3. Основы ультразвуковых методов диагностики... 135
   3.4. Основы вихретоковых методов диагностики. 154
   3.5. Основы радиационных методов диагностики. 171
   3.6. Основы волновых методов диагностики трубопроводов................................ 192
     3.6.1. Акустическая эмиссия................ 192

3

3.6.2. Диагностика направленными волнами.
4. Ресурс нефтегазопроводов...................
   4.1. Статистика аварий трубопроводов.......
   4.2. Экспертные системы и иерархии.........
   4.3. Вероятностно-статистический метод анализа и прогноза технического состояния магистральных трубопроводов..............................
   4.4. Бальные методы прогноза надежности и срока службы трубопроводов.......................
   4.5. Методика оценки степени риска аварий магистральных нефтепроводов................
Заключение....................................
Литература....................................

207
220
220
245


286

300

309
328
329


4

Введение

      Целью технической диагностики является повышение надёжности и ресурса технических изделий. В данной работе основное внимание уделено основам технической диагностики и надежности линейной части магистральных трубопроводов.
      Наиболее важным показателем надёжности трубопровода является отсутствие отказов во время его функционирования (безотказность), так как они могут привести к тяжёлым последствиям. Техническая диагностика трубопроводов, благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей, позволяет устранить подобные отказы в процессе технического обслуживания и ремонта, что повышает надёжность и эффективность его эксплуатации.
      Техническая диагностика решает обширный круг задач, многие из которых являются смежными с задачами других научных дисциплин. Основной задачей технической диагностики является распознавание технического состояния объекта в условиях ограниченной информации. Анализ технического состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено, поэтому часто не представляется возможным по имеющейся информации сделать однозначное заключение, и приходится использовать статистические и вероятностные методы.
      Теоретическим фундаментом для решения основной задачи технической диагностики следует считать общую теорию распознавания образов. Техническая диагностика изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые обычно могут рассматриваться как задачи классификации.

5

     Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между техническими состояниями изделия и их отображениями в пространстве диагностических признаков. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений (решающие правила).
     Решение диагностических задач (отнесение трубопровода к исправным или неисправным) всегда связано с риском неправильного решения. Для принятия обоснованного решения привлекаются методы теории статистических решений. Решение задач технической диагностики связано с прогнозированием надёжности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра). Поэтому решения основываются на моделях отказов, изучаемых в теории надёжности.
     Другим важным направлением технической диагностики является теория контролеспособности.
     Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния.
     Контролеспособность создаётся конструкцией изделия и принятой системой диагностики. Основной задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической информации. В сложных технических системах используется автоматизированный контроль состояния, которым предусматривается обработка диагностической информации и формирование управляющих сигналов. Методы проектирования автоматизированных систем контроля составляют одно из направлений теории контролеспособности. Задачи теории контроле-способности связаны с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией процесса установления диагноза.
    Таким образом, структура технической диагностики характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвя

6

занными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей. Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей. Техническую диагностику можно рассматривать как раздел общей теории надёжности.
     Качество изделий представляет совокупность свойств, определяющих их пригодность для эксплуатации.
      Надёжность является важнейшим технико-экономическим показателем качества любого технического устройства, в частности электрической машины, определяющим её способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени при определённых условиях эксплуатации. Проблема обеспечения надёжности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надёжность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчёта и обеспечивается в процессе его изготовления путём правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надёжность обуславливается применением правильных способов хранения изделий и поддерживается правильной эксплуатацией его, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом.
      Учебное пособие, как и большинство подобных работ, не является полностью самостоятельным. К настоящему времени по основам технической диагностики и надежности опубликованы десятки работ, которые, по нашему мнению, в большинстве случаев, также не являются оригинальными. Большое влияние на изложение оказали одно

7

именные (или близкие по наименованию) работы В. А. Полякова, В. Я. Кучера, А. М. Сафарбакова, А. Е. Стецюка и Я. Ю. Бобровникова и многих других ученых. Вместе с тем, ряд вопросов: вероятностно-статистический анализ и прогноз технического состояния магистральных трубопроводов, являются, по нашему мнению, оригинальными. Впервые в учебных пособиях такого рода описаны аварии на отечественных и зарубежных трубопроводах, бальные методы оценки и иерархии при прогнозе технического состояния трубопроводов. Задачи и упражнения в Пособии рассматриваются ограниченном объеме в связи с тем, что в электронном виде к настоящему времени имеются сборники задач и методические указания по основам технической диагностики и диагностике трубопроводов и нефтегазохра-нилищ, а также в связи с необходимостью ограничить объем Пособия. Также в ограниченном объеме рассматриваются элементы математической логики, теории вероятности и математической статистики, основы теории надежности трубопроводов.

8

1.  ЭЛЕМЕНТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ, ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТИ, И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ

     Математическая логика, теория вероятности, и математическая статистика описывается во многих работах. Поэтому приведенное ниже описание не является оригинальным. В основном использованы работы В. Я. Кучера, А. Н. Половко, С. В. Гурова, В. А. Полякова [18, 24-25, 34] и других ученых (часто без тщательного редактирования) и материалы из Интернета.
     Автор ставил своей задачей дать об этих предметах только самое общее представление. Необходимость включения вышеупомянутых разделов в Учебное пособие по основам технической диагностики и надежности газоне-фтепроводов пока не очевидна.
1.1. Элементы математической логики
     Применительно к технической диагностике и надежности трубопроводов математическая логика практически не применяется. В настоящем разделе рассмотрены лишь элементы математической логики [www.mgogi/site 1, 2/matlog.html]. Вместе с тем, математическая логика может найти применение при экспертной оценке надежности трубопроводных систем на основе диагностики.
Понятие высказывания
     Основным объектом, изучаемым математической логикой является понятие высказывания. Высказывание - это повествовательное предложение, относительно которого известно, что оно является истинным (И) или ложным (Л).

9

      При рассмотрении той или иной связки мы хотим знать, каким именно образом истинность составного высказывания, порожденного этой связкой, зависит от истинности его компонент.
      Удобно изображать эту зависимость, пользуясь таблицами истинности, которые называются также интерпретациями логических операций.
Таблица 1.1

Основные логические операции

   Название              Прочтение          Обозначение
   Отрицание                не                  ---    
  Конъюнкция                 и                   Л     
  Дизъюнкция                или                  V     
  Импликация            если ... то            --->    
Эквивалентность тогда и только тогда, когда      о     

      Каждой строке таблицы истинности взаимно однозначно соответствует набор составляющих высказываний и соответствующее значение составного высказывания. Наборы из нулей и единиц, соответствующих составляющим высказываниям, в каждой строке таблицы истинности имеют стандартное расположение, т. е. расположены в лексикографическом порядке (порядке возрастания).
      Пусть даны два произвольных высказывания X и У.
      Отрицанием высказывания X называется высказывание X, которое истинно, когда X ложно, и ложно, когда X истинно.
Таблица 1.2

Таблица истинности для отрицания

X X
0 1
1 0

10

       Конъюнкцией двух высказываний X и У называется высказывание Xл Y, которое истинно только в том случае, когда X и У оба истинны.
       Дизъюнкцией двух высказываний X и У называется высказывание Xv Y, которое истинно, когда хотя бы одно из них истинно.
Таблица 1.3
Таблица истинности для конъюнкций

X Y Xл Y
0 0  0  
0 1  0  
1 0  0  
1 1  1  

Таблица 1.4

Таблица истинности дизъюнкций

X Y Xv Y
0 0  0  
0 1  1  
1 0  1  
1 1  1  

       Импликацией двух высказываний X и У. называется высказывание X-^ Y, которое ложно тогда и только тогда, когда X истинно, а Y ложно.

11

Таблица 1.5

Таблица истинности для импликации

X Y X^ Y
0 0  1  
0 1  1  
1 0  0  
1 1  1  

     Эквивалентностью высказываний X и У называется высказывание X-^ Y, которое истинно тогда и только тогда, когда X и У оба истинны или ложны.


Таблица 1.6

Таблица истинности для эквивалентности

X Y X^ Y
0 0  1  
0 1  0  
1 0  0  
1 1  1  

Понятие формулы логики высказывании
     Пусть р, q - переменные, которые принимают значения истина или ложь. Тогда
     • если p - логическая переменная, то p - формула,
     • если p - формула, -р - формула,
     • если р, q - формулы, то (рлф, (pvq), (p^q), (p^q),
     • других формул не существует.


12