Трубопроводы подземной прокладки

Оценка безотказности и прогнозирование долговечности

В. М. Калинин, доцент МГСУ

Завершение темы, поднятой в № 4/2006

В условиях нормальной эксплуатации (и тем более при низкой агрессивности окружающей среды) можно допускать весьма значительное число аварийных ремонтов, тем самым обеспечивая увеличение долговечности участка трубопровода без существенного ухудшения качества их функционирования по социальному критерию. Экономическая целесообразность и, в значительной мере, экологическая безопасность продления срока эксплуатации определяется соотношением материальных затрат (и экологического ущерба), связанных с аварийной ситуацией и ее устранением с одной стороны и, с другой стороны, выполнением работ по реновации участка.

При соизмеримых затратах число экономически и экологически оправданных аварийных ситуаций незначительно и, наоборот, увеличение различия в затратах приводит к существенному увеличению обоснованной продолжительности эксплуатации участка трубопровода (рис. 1).

Рисунок 1. Изменение целесообразной продолжительности эксплуатации участка трубопровода в зависимости от соотношения затрат, связанных с аварийными ситуациями и реновацией участка

Материальные затраты и экологический ущерб при производстве плановых и аварийных работ незначительно варьируются в однотипных условиях. А вторая составляющая издержек, связаных с аварийными ситуациями – потери, вызванные изливами воды, может отличаться в тех же условиях на порядки. В связи с этим большое значение для управления долговечностью участков трубопроводов приобретает оперативность выявления аварийной ситуации на начальной стадии, т. е. рациональная организация мониторинга (в простейшем случае в виде осмотров) технического состояния.

Вне зависимости от используемых технических средств, в общем виде обнаружение неисправности на участке трубопровода по результатам мониторинга осуществляется следующим образом (рис. 2):

Рисунок 2 (подробнее)   Схема изменения состояния участка трубопровода при организации его эксплуатации по результатам технической экспертизы

– в назначенные моменты времени проводятся освидетельствования, позволяющие обнаружить отказ или признаки предельного состояния участка трубопровода;

– при их обнаружении определяется время начала выполнения восстановительных работ. Они могут быть назначены незамедлительно или приурочиваются к перспективному ремонту;

– при выявлении признаков отказа или предельного состояния назначается аварийный ремонт или реновация участка.

Отличительной особенностью эксплуатации участков трубопроводов по результатам мониторинга является зависимость между входящими в его состав надежностными и организационными эксплуатационными событиями. В первую очередь это оказывает влияние на продолжительность неработоспособного состояния объекта, величина которой определяется одновременно интервалом времени между двумя последовательными осмотрами, безошибочностью действий при принятии решений по срокам выполнения восстановительных работ, а также оперативностью их проведения.

 Продолжительность неработоспособного состояния объекта, как функция от интервала времени между двумя последовательными осмотрами, определяется по формуле:

где z_k и z_k+1 – моменты проведения k-го и (k+1)-го технических осмотров.

Поскольку неисправность объекта может возникнуть после проведения любого осмотра, продолжительность времени до ее выявления определяется по формуле:

Строго говоря, техническая экспертиза участков трубопроводов может проводиться различными способами – с неизменным периодом (периодическая экспертиза) и с индивидуальным назначением каждого момента освидетельствования (последовательная экспертиза). Однако значительные организационные и технические сложности, связанные с проведением последовательной экспертизы, делает этот подход на современном этапе практически неприемлемым.

 В результате расчетов, выполненных в соответствии с принятыми выше принципами, получены следующие результаты:

– при длительности периода между освидетельствованиями несоизмеримо меньшей, чем средняя наработка участка трубопровода, наиболее вероятная продолжительность его неработоспособного состояния составляет примерно половину от назначенного периода (рис. 3). Следовательно, если основным источником информации о техническом состоянии являются периодические освидетельствования, то их следует проводить с периодичностью, не превышающей удвоенного значения допустимой продолжительности неработоспособного состояния участка трубопровода;

Рисунок 3. Зависимость ожидаемой продолжительности неработоспособного состояния от соотношения периодичности проведения освидетельствований и средней наработки участка трубопровода

– при увеличении продолжительности периода между освидетельствованиями, продолжительность неисправного состояния перестает линейно возрастать, и их зависимость приобретает характер показательной функции (рис. 4). Такое изменение в определенной мере объясняет недостаточную эффективность ежегодных осмотров, которые были нормативно введены в середине 1980-х годов, но так и не получили широкого распространения;

Рисунок 4. Зависимость ожидаемой продолжительности неработоспособного состояния от соотношения периодичности проведения освидетельствований и средней наработки участка трубопровода при их соизмеримых значениях

Для анализа экономической эффективности мониторинга состояния участков трубопроводов необходимо учитывать следующее. Выполнение каждого технического освидетельствования вызывает потребность в материальных ресурсах С_ос. Неисправное состояние участка трубопровода определяет удельные издержки C_нс. Тогда неисправность, возникающая в любой момент между k-ой и (k+1)-й освидетельствованиями, вызывает следующие эксплуатационные затраты:

Однако, поскольку неисправность может возникнуть после любой технической экспертизы, то для вычисления общих ожидаемых эксплуатационных издержек нужно просуммировать предыдущее выражение по всем возможным значениям k и прибавить затраты, связанные с выполнением плановой реновации участка.

Выполненные расчеты позволяют сделать следующие выводы:

1. Для большинства практических ситуаций существует такое значение периодичности мониторинга участка трубопровода, при котором интенсивность эксплуатационных затрат принимает минимальное значение. Значения некоторых из них, в качестве иллюстрации приведены на рис. 5;

Рисунок 5. Значения оптимальных периодов освидетельствования оборудования при различных соотношениях относительных затрат, связанных с выполнением аварийного ремонта, удельных относительных издержек, связанных с неисправным состоянием оборудования Снс = 5; 50; 100; 500; 1000; 10000; 10000 и относительных расходов на выполнение технических освидетельствований Сос = 0,1; 0,05; 0,01; 0,001

2. Относительная стоимость аварийного ремонта несущественно воздействует на оптимальный период технической диагностики участков трубопроводов и в большинстве практических задач может не учитываться;

3. Расходы на выполнение технических освидетельствований оказывают существенное влияние на оптимальную периодичность их проведения, особенно при относительно незначительной стоимости теряемой при изливах воды. Это обстоятельство особенно важно при разработке систем непрерывного мониторинга за состоянием трубопроводов;

4. Важное значение выполнения технических освидетельствований строго в оптимальные моменты времени подтверждает тот факт, что интенсивность эксплуатационных затрат значительно (а при больших удельных относительных издержек, связанных с неисправным состоянием несоизмеримо) меньше экономического риска от возможных отказов участков трубопроводов (рис. 6).

Рисунок 6. Значения интенсивности эксплуатационных затрат при проведении технического освидетельствования в оптимальные сроки для вариантов различного соотношения удельных относительных издержек, связанных с неисправным состоянием участка трубопровода Снс = 5; 50; 100; 500; 1000; 10000; 10000 и относительных расходов на выполнение технических освидетельствований Сос = 0,1; 0,05; 0,01; 0,001

Выводы

1. Долговечность участков подземных трубопроводов в значительной мере управляема на стадии их эксплуатации путем назначения условий реновации и мониторинга технического состояния.

2. В настоящее время разработаны теоретические основы управления долговечностью участков подземных трубопроводов, позволяющие оптимизировать сроки их реновации, выбор технических средств и периодичность мониторинга по критериям социальной защиты интересов жителей, экологической безопасности и экономической эффективности эксплуатации.

3. Полученные результаты целесообразно использовать в техническом регламенте, разрабатываемому по закону «О техническом регулировании», поскольку позволяют выполнять количественную оценку обеспечения благоприятных условий жизнедеятельности людей, оценивать степень защищенности окружающей среды и рациональность использования водных и энергетических ресурсов, а также определять направления по снижению эксплуатационных затрат.

4. Дальнейшее развитие теоретических разработок и их привязка к реальным объектам – городским и районным сетям, внутриквартальным системам водоснабжения требуют привлечения значительных интеллектуальных и организационных ресурсов. Представляется целесообразным объединение усилий ведущих научных и производственных структур, таких как Мосводоканал, МГСУ, НИИ ВОДГЕО, ОАО «НИИ КВОВ», поскольку только объединенный научно-технический потенциал способен решить рассматриваемую приоритетную задачу жилищно-коммунальной реформы.