Ученые из Тюменского индустриального университета (ТИУ) (г. Тюмень) демонстрируют оригинальные аналитические и численные методы по решению задач эксплуатационной надежности резервуаров и различных технологических установок с горючим сырьем. Представленная методика позволяет рассчитать напряженно-деформированное состояние для широкого спектра нагрузок и воздействий, а также выработать алгоритм принятия решения о необходимости своевременного ремонта резервуаров. Предприятиям по нефтедобыче и переработке нефтепродуктов такой подход поможет избежать аварийных ситуаций, а значит и финансовых потерь, и вреда окружающей среде
Уровень хранения и эксплуатации больших объемов горючего органического сырья – нефти и газа – должен быть высоким и надежным. Иначе создается угроза экологической катастрофы, а в дальнейшем – длительное восстановление природных ресурсов. Поэтому для обеспечения безопасности проводят разного рода мероприятия по техническому обслуживанию и ремонтно-технические работы. В этой связи также идет разработка теоретических и практических методов диагностирования и прогнозирования параметров надежности эксплуатации оборудования, используя математические модели.
Специалисты ТИУ, соблюдая требования стандартов к пределам деформирования резервуаров, производят расчет развития осадка и допустимых напряжений в конструкции, чтобы определить характер деформирования объектов.
Также ученые решают вопрос обеспечения сейсмической устойчивости объектов хранения нефти и газа, предлагая авторскую методику оценки сейсмической устойчивости резервуаров.
Петр Владимирович Чепур – к.т.н., доцент кафедры прикладной механики Института транспорта Тюменского индустриального университета – рассказал, в чем заключаются достоинства новаторского решения, базирующегося на численных расчетах и направленного на повышение эффективности и безопасности эксплуатации объектов нефтегазовой отрасли.
«Инфраструктура магистрального транспорта нефти и газа, будучи сложной и капиталоёмкой технической системой, позволяет перекачивать миллионы тонн нефти и миллиарды кубических метров газа в год. Сооружения, механизмы и технологическое оборудование при этом испытывают очень большие нагрузки и подвержены постоянному износу. Учитывая высокие параметры давления и объема транспортируемых углеводородов, возможные аварии могут приводить к катастрофическим последствиям: многомиллионному материальному ущербу, вреду экологии и даже к гибели людей. Проблемы эксплуатационной надежности на таких объектах появляются по комплексу причин: со временем изменяются инженерно-геологические, гидрогеологические и климатические условия площадки, корректируется нормативная база и порой инфраструктура начинает испытывать нагрузки, превышающие изначальные проектные значения, также имеют место ошибки на этапе строительства и монтажа, скрытые дефекты – все эти факторы приводят к снижению ресурса трубопроводов и хранилищ. При анализе уровня надежности эксплуатируемых в течение длительного времени объектов, претерпевших износ, зачастую необходимо принять решение: выполнить демонтаж существующего объекта и организовать новое строительство, либо рассмотреть возможность продления эксплуатации, выполнив реконструкцию или капитальный ремонт. Как раз на этом этапе и возникает научная повестка, которой посвящены труды нашего коллектива», – Петр Чепур обозначил существующие проблемы эксплуатационной надежности объектов транспорта и хранения нефти и газа.
В Тюменском индустриальном университете сложилась научная школа «Эксплуатационная надёжность объектов транспорта нефти и газа» под руководством профессора, доктора технических наук Александра Алексеевича Тарасенко.
«Я удостоился чести продолжать традиции научной школы профессора Александра Алексеевича Тарасенко. Еще когда я был его учеником, удалось защитить кандидатскую диссертацию, опубликовать более 150 совместных научных публикаций, индексируемых как в российской научной базе РИНЦ, так и в международных системах SCOPUS и Web of Science. В 2019 году издана монография «Исследование закономерностей развития неравномерных осадок резервуаров численными методами» (издательство «Наука»), получившая высочайшую оценку экспертов РАН», – гордится достижениями молодой ученый Петр Чепур.
Монография, получившая высочайшую оценку экспертов РАН
Каковы ключевые направления школы?
«Основные направления научной школы связаны с решением задач прочностных расчетов металлоконструкций трубопроводов и резервуаров, оценкой напряженно-деформированного состояния резервуарных конструкций в нестандартных условиях эксплуатации, а также задач повышения сейсмоустойчивости нефтехранилищ и СПГ-резервуаров», – отметил исследователь.
С какими другими научными школами вы взаимодействуете или конкурируете?
«Мы находимся в постоянном контакте и взаимодействуем по актуальным для нашей повестки направлениям с научными школами: РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина (г. Москва), УГНТУ (г. Уфа), СамГТУ (г. Самара), Китайским нефтяным университетом (г. Циндао)», – указал Петр Чепур.
По проблеме эксплуатационной надежности объектов транспорта и хранения нефти и газа специалисты ТИУ предлагают свое решение.
«Это научный подход, связанный с высоко детализированным компьютерным моделированием (на основе метода конечных элементов – МКЭ) любого рассматриваемого объекта. Фактически мы создаем цифровой двойник сооружения и условий его эксплуатации, и с помощью высокопроизводительных вычислений на цифровой модели определяем остаточный ресурс с проверкой условий прочности, устойчивости и усталости металла. Более того, нашей задачей является создание универсальных инженерных методик на основе выполненных научных работ, которыми бы могли пользоваться инженерно-технологические службы. Далее – идёт выход на актуализацию, дополнение действующих и создание новых нормативно-технических документов как ведомственных, так и федеральных», – пояснил молодой ученый.
Эффективность и надежность авторской разработки проявляется, по словам Петра Чепура, «в высокой точности конечного решения и возможности визуализировать результат на трехмерной модели. Высокая детализация и визуализация решения инженерной задачи позволяет, например, оценить распределения напряжений и деформаций сразу для всей рассматриваемой модели (а не для определенного узла) в рамках одного расчета. Такой подход позволяет значительно уменьшить вероятность пропуска опасных (или проблемных) зон, которые при низкой детализации модели можно попросту пропустить и не включить в конечный отчет».
Рисунок 1. Конечно-элементная модель резервуара при исследовании неравномерной осадки
Кроме того, тюменскими исследователями проведен анализ сейсмостойкости резервуаров для хранения нефти и газа, в основе которого используются линейно-спектральный анализ и прямой динамический метод с созданием высокодетализированных моделей (цифровых двойников) сооружений.
По мнению Петра Чепура, «в последнее время мощности вычислительных систем выросли до такого уровня, что по-новому можно посмотреть на задачи физического моделирования. Детализация геометрии сооружений в значительной мере влияет на точность конечных расчетов наряду с корректным учетом действующих нагрузок, контактных и граничных условий».
Была ли апробация вашего подхода на объектах в каких-либо сейсмических районах?
«Хотелось бы отметить, что мы всё же исходим из существующей международной и российской нормативной базы по проектированию и строительству в зонах повышенной сейсмоактивности. Поэтому нас в качестве исходных данных интересует интенсивность возможного сейсмического воздействия, как правило, это 6, 7, 8, 9 баллов (по международной шкале MSK-64). Географически это, в первую очередь, территории стран Юго-Восточной Азии, Дальний Восток и Кавказ. Объектами для анализа являются в основном крупнотоннажные СПГ-резервуары, а также вертикальные стальные резервуары для хранения товарной нефти и нефтепродуктов», – уточнил ученый.
Рисунок 2. Предлагаемая модель демпфирующей вставки для повышения сейсмоустойчивости резервуара.
Есть ли у ваших разработок сторонники/заинтересованные лица? Где внедряются ваши подходы, обеспечивающие эксплуатационную надёжность объектов транспорта нефти и газа?
«По исследованиям сейсмостойкости сооружений нефтегазового комплекса мы активно взаимодействуем с Китайским институтом нефти в г. Циндао, там есть сформировавшаяся команда, состоящая из ведущего профессора, аспирантов и студентов, областью научных интересов которых является разработка методов повышения сейсмоустойчивости СПГ-резервуаров. До пандемии COVID-19 мы организовывали совместные встречи, мастер-классы, докладывали на конференциях, проводили мастер-классы по моделированию для китайских аспирантов, успели провести несколько экспериментов на реальных конструкциях. Однако с наступлением пандемии пришлось перевести работу на полностью дистанционный формат.
В продолжении наших научных разработок в области эксплуатационной надежности заинтересованы также отечественные компании. Так, был получен акт внедрения разработанной нами «Методики оценки напряженно-деформированного состояния резервуара при развитии неравномерных осадок его основания». Компания, занимающаяся магистральным транспортом нефти, продолжает использование данной методики и предложенных нами подходов при диагностике и ремонте крупногабаритных вертикальных стальных резервуаров», – сообщил Петр Чепур.
Альтернативный вариант оценки эксплуатационной надежности объектов транспорта и хранения нефти и газа, предложенный специалистами ТИУ, обосновывает возможность его внедрения в помощь компаниям нефтегазовой отрасли с целью принятия правильного управленческого решения.
Фото и иллюстрации предоставил Ф. Чепур
Фото превью lush
