Авторы:

Генадий Иосифович Шмаль – президент Союза нефтегазопромышленников России, кандидат экономических наук. Святослав Анатольевич Тимашев – научный руководитель НИЦ «Надежность и ресурс больших систем и машин» УРО РАН, д.т.н., профессор.

К настоящему времени Межведомственный экспертный совет по безопасности морских подводных трубопроводов (МЭС МПТ) провел громадную и очень полезную работу по инвентаризации мировых достижений в этой области и составил ряд первых редакций норм необходимых для проектирования и безопасной эксплуатации Российских МПТ с учётом многих достижений отечественной науки и технологии. Результаты этой работы служат тем фундаментом, на котором строится система норм, обеспечивающих технологическую независимость (суверенность) морского подводного трубопроводного транспорта России [1– 11]. Вместе с этим, необходимо отметить, что для создания отечественных норм безопасности МПТ всё еще отсутствуют ответы на ряд принципиальных вопросов, без которых создание таких норм невозможно. В настоящее время существует консенсус относительно того, что в основу таких норм необходимо положить следующие принципы [12]:

• Дизайн отечественных МПТ должен (1) охватывать весь жизненный цикл (ЖЦ) и (2) быть основан на современных концепциях управления сложными системами по критериям безопасности и риска в условиях динамической многофакторной неопределенности.

• Стандарты по безопасности МПТ, вкупе с метрологией и надзорной деятельностью, должны ускорить достижение технологической независимости России и обеспечивать максимально быстрое развитие отечественного морского трубопроводного транспорта.

• Использование в разрабатываемых нормах значений вероятностей отказа (ВО) МПТ и ущербов от них по западной статистике неприемлемо, поскольку она никак не отражает опыт эксплуатации отечественных трубопроводов.

• Разрабатываемый пакет норм необходимо принципиально чётко гармонизировать как с требованиями и положениями актуальной отечественной и зарубежной нормативной базы в части обоснования и обеспечения безопасности МПТ, так и, в первую очередь, с императивным требованием скорейшего обеспечения технологического суверенитета РФ.

• Все компоненты норм безопасности МПТ юридически должны быть, либо в свободном доступе, либо принадлежать отечественным частным или юрлицам.

• Сами нормы должны допускать их быструю модернизацию, быть наиболее прогрессивными и служить естественным драйвером прогресса по всем направлениям создания и эксплуатации отечественных МПТ. При традиционном проектировании обычных инфраструктур анализ жизненного цикла (АЖЦ) используется в основном для получения проектных параметров и определения стратегий обслуживания объекта. При проектировании высокоответственных инфраструктур АЖЦ используется и для квалифицированной оценки экологического и/или экономического воздействия продукта или услуги производимых этими инфраструктурами на протяжении всего срока их службы.

Перечень технологических компонент ЖЦ крупных инфраструктурных проектов, к которым принадлежат и МПТ, обычно выглядит следующим образом: (1) добыча необходимого для создания инфраструктуры сырья; (2) обработка материалов, изготовление и возведение (строительство) объекта; (3) использование и эксплуатация системы; и (4) восстановление или утилизация инфраструктуры после срока полезного её использования. Современный анализ жизненного цикла инфраструктур императивно требует расширения числа центральных/ ключевых параметров проектирования. Знание структуры системы и её физико-механического поведения, определяемые прочностью, надежностью, и живучестью ее элементов (фундаментальные характеристики системы) принципиально недостаточно. Не менее важными параметрами анализа ЖЦ являются: (1) финансовые факторы (стоимость самого проекта, будущих инвестиций в диагностику, мониторинг, мейнтенанс (техническое обслуживание, ремонт) и реновацию инфраструктуры, ставки дисконтирования, социальная готовность платить за спасение жизни и др.); (2) способ учёта ответственности между поколениями; (3) экологические аспекты и устойчивость развития.

Лица принимающие решения (ЛПР) о способах эксплуатации потенциально опасных объектов (МПТ в первую очередь) учитывают в своих рассуждениях, прежде всего, стоимость их эксплуатации и поддержания в работоспособном состоянии, то есть, время проведения и стоимость диагностики, мониторинга, ремонтов и восстановлений. Они оперируют не вероятностями их отказа, а временем и денежными средствами, для оптимального управления финансовыми потоками. Сформировавшийся мировой консенсус относительно ценности концепции жизненного цикла (ЖЦ) при проектировании и эксплуатации инфраструктур основан на том, что ведущие предприятия всех видов признали де-факто, что: (1) АЖЦ является ключом к непрерывному повышению эффективности производства; (2) постоянная и долгосрочная охрана окружающей среды стала основным критерием на потребительских рынках и в руководящих принципах государственных закупок; (3) правительственные постановления стран мира движутся в направлении подотчетности ЖЦ. В настоящее время АЖЦ широко используется для оценки воздействия крупных проектов на окружающую среду (глобальное изменение климата/ углеродный след, истощение озонового слоя и природных ресурсов, подкисление, здоровье человека, экотоксичность и др.).

Дополнительными требованиями к проектированию современных сложных инфраструктур являются: (1) создание цифровых двойников проектируемых инфраструктур; (2) моделирование квазиполной группы сценариев их эксплуатации и аварий в обычных и экстремальных условиях с использованием междисциплинарного подхода. В условиях динамической многофакторной неопределенности современного мира управление сложными системами осуществляется по критериям безопасности и риска на базе анализа полного жизненного цикла объекта. При этом целевая функция (ЦФ) управления риском сводится к обобщенной стоимости эксплуатации объекта на отрезке времени «от колыбели до могилы». Риск эксплуатации морских подводных трубопроводов, как стратегически важных сложных инфраструктур, является определяющим индикатором качества их функционирования. Для управления безопасностью МПТ необходимо рассматривать риск его эксплуатации (равно как его надежность и живучесть) как функцию времени, которая зависит от случайных факторов внешней среды (нагрузок и воздействий), финансово- экономических возможностей владельца/оператора системы, богатства региона, страны, вероятностных параметров свойств самой системы, способов диагностики, мониторинга, мейнтенанса, характеристик подсистемы её пассивной и активной защиты, и др. Для полного анализа риска МПТ необходимо его рассматривать интегрально, то есть, на всем его жизненном цикле.

С математической точки зрения, задача управления риском таких систем как МПТ ставится как задача оптимального управления на базе целевой функции, которая в контексте рассматриваемой задачи должна адекватно отражать суммарные приведенные затраты в течение всего жизненного цикла на: (1) создание и утилизацию МПТ; (2) техническое обслуживание, ремонт и восстановление из-за возможной(ых) аварии(й); (3) восстановление нарушенного (из-за производственной деятельности системы) экологического баланса окружающей среды; (4) компенсацию углеродного следа системы; и (5) восстановление утраченного человеческого здоровья и монетарную компенсацию возможной потери жизней при эксплуатации МПТ. Таким образом, АЖЦ является ценным инструментом поддержки принятия решений для всех категорий ЛПР (технократов, законодателей, юристов и политиков) при оценке воздействия продукта или процесса на срок службы инфраструктуры. АЖЦ также играет важную роль в определении экологической политики и стратегий, способствующих устойчивому развитию предприятия или региона. В самом общем случае задача определения риска, трактуемого как произведение вероятности отказа (ВО) на его последствия, выраженного в монетарной форме, решается как задача оптимизации целевой функции управления рисками эксплуатации МПТ, которая сводится к общей стоимости владения МПТ на его полном ЖЦ:

МПТ СΣ = СΣ,c +СΣ,in +СΣ,r +СΣ,cf +CΣ,hl. (1) ЗдесьCΣ,с– общая стоимость проектирования, строительства и пуска МПТ в эксплуатацию, а также его утилизации после завершения срока службы; СΣ,in – общая стоимость всех инспекций на ЖЦ МПТ; CΣ,r – общая стоимость всех ремонтов/ восстановлений на ЖЦ МПТ, в том числе, после аварий и катастроф; CΣ,cf – суммарные затраты на компенсацию вреда планете Земля, причиненного углеродным следом производства материалов для МПТ, его строительства, эксплуатации и утилизации; CΣ,hl – стоимость восстановления утраченных человеческого здоровья и объём монетарной компенсации возможной потери жизней на протяжении ЖЦ МПТ.

Минимизация/оптимизация этой целевой функции (ЦФ), при проектировании и каждый раз в процессе принятия очередного решения, позволяет: (1) выявить врожденные и оптимальные (= нормативные = предельно допустимые) значения вероятности отказа Российских МПТ; а также (2) эффективно управлять текущим риском их эксплуатации за счёт выбора оптимального проекта системы и оптимизации времени, объёма и стоимости проведения внутритрубной и наружной инспекции, ремонта и восстановления этих инфраструктур. Для построения ЖЦ необходимо, прежде всего, определить его продолжительность. Для МПТ плановая продолжительность ЖЦ определяется подтверждёнными запасами углеводородного сырья месторождения(ий), которое обслуживает проектируемый/ рассматриваемый трубопровод, а также его пропускной способностью и режимами перекачки.

Для построения модели жизненного цикла Российских МПТ необходимо иметь:

1) расчётную схему, статистические характеристики материалов конструкции и геометрии трубопровода, модели деградации и разрушения отечественных (или импортируемых из дружественных стран) материалов МПТ;

2) модели нагрузок и воздействий, характерных для Российского шельфа, в виде случайных величин или функций;

3) количественные методы оценки вероятностей всех типов отказов (предупреждающих, триггерных, предкритических, аварийных);

4) полную/представительную группу сценариев эксплуатации и аварийных ситуаций характерных для трубопроводов на континентальном, Балтийском, Каспийском и Черноморском шельфах России;

5) вероятностные метрики точности обнаружения, идентификации и измерения параметров дефектов, трещин и различных аномалий формы и геометрии МПТ, характерные для отечественных внутритрубных измерительных инструментов (ВТИ) и снарядов;

6) формулы для определения вероятностей обнаружения и вероятностей пропуска дефектов/трещин/ аномалий опасных размеров, основанные на п. (5), и вероятности проведения ремонтов по результатам каждой инспекции;

7) методы оценки объема повреждений Российских морских подводных трубопроводов при их осмотре и диагностике;

8) количественные критерии принятия решений о ремонте и/или восстановлении МПТ по результатам инспекции, и оценки их качества, принятые в ПАО Газпром, ПАО Роснефть, ПАО Транснефть и ПАО Лукойл;

9) формулы и/или алгоритмы оценки стоимости мейнтенанса (инспекций, ремонтов, восстановлений) отечественных МПТ после аварий;

10) значения индекса качества жизни (ИКЖ) и социальной готовности платить (СГП) в РФ.

Наличие этих данных имеет императивное значение, так как позволяет единственным образом разработать нормы безопасности МПТ, целиком и полностью основанные на отечественных разработках, технологиях, и реалиях.

ЖЦ, построенный на основе этих данных, позволяет оценить и спрогнозировать: (1) врожденную проектную надежность МПТ, (2) вероятности всех типов отказов МПТ; (3) монетарные последствия этих отказов; (4) риски, привязанные к случайным моментам возникновения всех типов отказов, и временам проведения диагностики, ремонтов и восстановлений трубопровода; (5) общий риск МПТ в каждый момент времени его существования.

Использование кибернетического подхода к управлению риском эксплуатации конкретной МПТ (как метода продвижения к установленной цели) позволяет определить вероятность её отказа в результате гильотинного разрыва или продольного раскрытия трубы по шву как результат минимизации описанной выше целевой функции, при заданных стратегиях и технологиях её диагностики, мониторинга, величинах ущербов от всех видов отказов и критериях ремонта/восстановления. Эта, в настоящее время скрытая (врожденная) ВО и соответствующая ей исходная/начальная надежность МПТ, заложенная в нормы, является базовой точкой отсчета, которая необходима для всех дальнейших рассуждений.

Меняя количественные значения параметров этих стратегий, технологий и критериев, можно выявить чувствительность ВО рассматриваемого трубопровода к изменениям точности обнаружения, идентификации и измерения дефектов, критериев принятия решений по проведению ремонтно-восстановительных работ.

Предложенный выше способ назначения проектного уровня ВО трубопроводов является, насколько нам известно, инновационным, не имеющим аналога рискориентированным способом определения закладываемого в нормы уровня первоначальной надежности критически и стратегически важных объектов, без применения каких-либо коэффициентов запаса.

Во всех существующих в мире нормах проектирования трубопроводов стихийно заложен (коэффициентами запаса по материалам, нагрузкам, условиям эксплуатации, и др.) некоторый уровень их надежности. Его можно оценить через ВО бездефектной трубы, рассчитанную по алгоритмам каждого нормативного документа. Такое исследование впервые было выполнено в [13–15], которое показало, что ВО бездефектного трубопровода, рассчитанного по нормам B31G [16] имеет порядок 10-8, а по методикам B31Gmod [17], Battelle[18] и Shell-92[19] имеет порядок 10-9.

Эти величины на несколько порядков меньше предельно допустимых значений ВО, которые можно найти в существующих и предлагаемых нормах проектирования МПТ (10-2– 10-6) [20]. Разность между нормативным значением ВО и ВО бездефектной трубы, это, по сути, заложенный в нормы запас живучести МПТ. Его можно до некоторой степени расходовать, не нарушая целостности, работоспособности и производительности системы (рис. 1).

Возвращаясь к компонентам ЖЦ нужно отметить, что Российская фундаментальная и прикладная наука и инновационная технологическая инженерия к настоящему моменту сгенерировала такой объем знаний и ноу-хау, который в значительной степени обеспечивает создание отечественных норм безопасности МПТ. Однако пока эти знания и ноу-хау владельцами МПТ оприходованы ещё не полностью. Кроме того, остаются значительные инфопробелы в теории риска МПТ, которые предстоит ликвидировать, используя достижения и новейшие разработки отечественной прикладной и фундаментальной науки и технологии, при поддержке, теперь уже несомненно заинтересованной Российской нефтегазовой промышленности.

При разработке риск-ориентированных норм безопасности МПТ России, необходимо использовать стратегии, регламенты, характеристики и параметры исключительно российских технологий диагностики, Риск мониторинга, ремонта и восстановления, в том числе, использование Российских патентов в области технологии и анализа результатов внутритрубной дефектоскопии (см., например, [21]), а также использовать искусственный интеллект (ИИ) и глубокое машинное обучение при анализе результатов ВТД.

Для построения жизненного цикла МПТ на основе Российской базы знаний и компетенций необходимо просить флагманов отечественного морского трубопроводного транспорта (ПАО Газпром, ПАО Лукойл, ПАО Роснефть, ПАО Транснефть), предоставить разработчикам норм исходные данные по всем десяти компонентам ЖЦ, которыми они пользуются в свой ежедневной практике, для включения в отечественные нормы.

Техническое обслуживание МПТ в течение всего срока службы имеет жизненно важное значение для предотвращения их выхода из строя, обеспечивая непрерывность процесса перекачки (бизнеса). Риск-ориентированный мейнтенанс, связанный с критическим отказом – разрушением трубы, играет роль интегрального показателя эффективности при оптимизации инспекций и ремонтов МПТ в течение всего ЖЦ, поскольку он содержит информацию как о степени разрушения конструкции, так и о его последствиях.

Здесь следует отметить, что обеспечение безопасной эксплуатации МПТ при угрозах террористических атак (типа подрыва трубопроводов Северный поток) требует отдельного рассмотрения, вне рамок данной статьи. При этом отметим, что ключевые положения данной статьи применимы и для обеспечения защиты МПТ от противоправных действий. При наличии базовой ВО МПТ возможна двухцелевая оптимизация частоты инспекций МПТ в течение всего ЖЦ. В этой двухцелевой процедуре оптимизации одновременно минимизируются: (1) ожидаемые затраты на техническое обслуживание в течение жизненного цикла с учетом инспекций и ремонтов и (2) максимальное годовое значение риска в течение жизненного цикла МПТ.

Этот подход может быть использован ЛПР по финансовому обеспечению безаварийной эксплуатации МПТ в ПАО Газпром, ПАО Лукойл, ПАО Роснефть, ПАО Транснефть, не дожидаясь выхода в свет разрабатываемых норм, для принятия правильных решений на основе исходных данных [п.п. 1–10 ЖЦ], характерных для каждой из компаний. Блок-схема общего процесса оценки рисков МПТ показана на рис. 2. Блок-схема оптимального планирования инспекций и ремонтов МПТ показана на рис. 3.

Выводы и предложения.

Предлагаемый практический риск-ориентированный подход к нормированию риска и обеспечению безопасности МПТ обеспечивает безусловное выполнение Стратегии национальной безопасности России [22], поскольку объединяет вероятностную оценку риска жизненного цикла с методами многокритериальной оптимизации для планирования технического обслуживания, которое в конечном итоге может помочь лицу, принимающему решения, минимизировать общие потери при эксплуатации трубопровода при обеспечении необходимого уровня его безопасности. Для безусловного и скорейшего выполнения директив Стратегии [22] в контексте построения суверенных отечественных норм обеспечения безопасности МПТ, на наш взгляд, необходимо:

• Провести инвентаризацию невостребованных отечественных инноваций в области трубопроводного транспорта, на предмет оценки их применимости при разработке норм безопасности МПТ.

• Сформулировать целенаправленный план НИР для получения необходимых недостающих знаний, и определить способы его финансирования.

• При написании текста опережающих норм предусмотреть формулировки, позволяющие оценивать риски эксплуатации морских подводных трубопроводов как умных систем.

Список источников:

1. Р 412-81 Рекомендации по проектированию и строительству морских подводных нефтегазопроводов. – М. : ВНИИСТ, 1981. – 110 с.

2. ВСН 51-9-86. Проектирование морских подводных нефтегазопроводов. – М. : Мингазпром, 1987. – 42 с.

3. СТО Газпром 2-3.7-069-2006. Расчет устойчивости на дне подводных трубопроводов. – М. : ИРЦ Газпром, 2006. – 43 с.

4. СП 378.1325800.2017 Свод правил. Морские трубопроводы. Правила проектирования и строительства. – М. : Стандартинформ, 2018. – 36 с.

5. НД 2-020301-005 Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов. – Санкт-Петербург, 2017. – 178 с.

6. НД 2-090601-007 Рекомендации по проектированию, постройке и эксплуатации морских подводных трубопроводов. – Санкт-Петербург, 2019. – 101 с.

7. НД 2-030301-002 Руководство по техническому наблюдению за постройкой и эксплуатацией морских подводных трубопроводов. – Санкт- Петербург, 2017. – 87 с.

8. СТП-МЭС 04-001-2023 Морские подводные трубопроводы. Обоснование безопасности. Основные принципы обоснования безопасности по критериям риска.

9. СТП-МЭС 04-002-2023 Морские подводные трубопроводы. Обоснование безопасности. Понятийный аппарат обоснования безопасности. Основные термины и определения.

10. СТП-МЭС 04-005-2023 Морские подводные трубопроводы. Обоснование безопасности. Оценка опасности дефектов и повреждений трубопроводов.

11. СТП-МЭС 04-006-2023 Морские подводные трубопроводы. Обоснование безопасности. Технологии и методы ремонта МПТ. Общие положения.

12. Махутов Н.А., Лещенко В.В., Шмаль Г.И., Концептуальные основы безопасности подводных трубопроводов // Морская наука и техника, спец. выпуск No5., ч. 1, 2022.

13. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Assessment of the Reliability Level Embedded in International Codes for Design of Corroding Pipelines // Proc. of the 11th Intern. Conf. on Structural Safety & Reliability. – New York, USA. June, 2013.

14. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Assessment of the Reliability Level Embedded in Pipeline Design Codes // Proc. of the 10th Intern. Pipeline Conf. – Calgary, Canada. – #IPC2014- 33151.

15. Timashev S.A., Bushinskaya A.V. Diagnostics and Reliability of Pipeline Systems, Springer, 2015.

16. ANSI/ASME B31G-1991. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines. National Standard of USA. – New York : ASME. – 1991. – 140 p.

17. Kiefner J.F. and Vieth P.H. A Modified Criterion for Evaluating the Remaining Strength of Corroded Pipe // AGA Pipeline Research Committee. Report PR 3-805, 1989. – 78 p.

18. Ritchie D. and Last S. Burst Criteria of Corroded Pipelines - Defect Acceptance Criteria // Proc. of the EPRG/PRC 10th Biennial Joint Technical Meeting on Line Pipe Research. – Cambridge, UK, 1995.

19. Stephens D.R. and Leis B.N. Development of an Alternative Criterion for Residual Strength of Corrosion Defects in Moderate to High-Toughness Pipe // Proc. of the Third Intern. Pipeline Conf. – Calgary, Canada, American Society of Mechanical Engineers, 2000. – Pp. 781-792.

20. СТП-МЭС 04-004-2023 Морские подводные трубопроводы. Обоснование безопасности по критериям риска. Общие положения и требования.

21. Патент RU2444675C2-2009-11-30. С.А. Тимашев, А.Н. Тырсин. Способ внутритрубной диагностики глубины дефектов стенки трубы.

22. Стратегия национальной безопасности Российской Федерации, Утверждена Указом Президента Российской Федерации от 02.07.2021 г. No 400.

Скачать электронную версию статьи

Скачать электронную версию журнала