Дата публикации 1 ноября 2024 | |
Источник
Морское Информационное Агентство |
Скачать журнальную версию статьи
Анатолий Михайлович Лепихин, д.т.н., НТЦ «Нефтегаздиагностика», Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий, технический секретарь МЭС.
Инженерной базой нефтегазодобычи на континентальном шельфе являются морские нефтегазовые сооружения (МНГС). МНГС – это сооружения, которые осуществляют процессы, связанные с добычей, транспортировкой, хранением и обработкой нефти и газа с месторождений, расположенных на акваториях морей и связанных с ними водоемов. К ним относятся: стационарные и плавучие сооружения, называемые «платформами и буровыми судами»; подводные трубопроводы, предназначенные для транспортировки нефти и газа от платформ к сооружениям, на которых осуществляется сбор и хранение или накопление перекачиваемого продукта для загрузки его в танкеры; хранилища (накопители) нефти и газа, располагаемые в акватории моря или на платформах, а также на прибрежной территории; объекты, предназначенные для швартовки нефтеналивных судов или газоводов; подводные нефтегазовые сооружения, предназначенные для первичной обработки нефти и газа, а также сепарации составных частей добываемого продукта; причальные береговые стенки и выносные эстакады для причаливания танкеров и различных вспомогательных судов, а также ограждающие сооружения. В зависимости от конструктивных признаков МНГС классифицируются на линейные, моноопорные, многоопорные, плавучие, подводные.
МНГС подвергаются сложному комплексу нагрузок и воздействий, включающих нагрузки внешней среды (ветер, волны, течения, сейсмические воздействия), эксплуатационные нагрузки, гравитационные нагрузки, температурные воздействия, воздействия морской воды и пр. Величины и комбинации нагрузок и воздействий существенно различаются для конкретных местоположений МНГС, сезона и условий эксплуатации. Под действием нагрузок в элементах конструкций МНГС возникают сложные поля напряжений и деформаций, формируются и развиваются дефекты и повреждения металла и элементов. Для установления безопасных пределов нагрузок, воздействий и допустимых уровней дефектов и повреждений проводятся проектные расчеты прочности и ресурса МНГС. В нормах проектирования закладываются статистически обоснованные уровни и комбинации нагрузок, которые охватывают наиболее критические ситуации в процессе эксплуатации. При этом учитываются комбинации и взаимодействия осевых, изгибающих, сдвиговых сил; постоянных и временных статических и циклических нагрузок. Расчеты прочности проводятся по методам допускаемых напряжений, заложенных в нормах НД №2-020201-026, НД №2-020201-027, НД №2-020301-007, API RP 2A-LFRD и предельных нагрузок, представленных в нормах API RP 2A-LRFD, DNV OS-F101, ГОСТ Р 54382-2011. Указанные расчеты в целом обеспечивают высокий уровень надежности и безопасности МНГС [1, 2]. Тем не менее, аварии МНГС являются нередкими событиями, порождающими тяжелые последствия для экономики предприятий, экологии, отрасли нефтегазодобычи и отдельных стран.
Таблица 1 – Крупнейшие аварии морских буровых платформ и буровых судов
С начала 60-х годов XX века, когда началось бурное строительство МНГС и по настоящее время произошло более 15 тяжелых аварий морских буровых платформ и буровых судов (таблица 1).
Экономические ущербы от аварий платформ измеряются сотнями миллионов и многими миллиардами долларов. Анализ аварийности по опыту эксплуатации 640 платформ в Мексиканском заливе показал следующие средние суммы ущербов от аварий:
Стоимость проекта – 28-53 млн. $;
Стоимость строительства – 1.0-2.0 млрд. $;
Стоимость ремонта конструкций – 34.6 млн. $;
Замена поврежденного оборудования – 157 млн. $;
Ущербы жизни и здоровью – 1.17 млн. $;
Экологические потери – 1.5 млн. $;
Стоимость недополученной продукции – 9948 млн. $;
Время простоя – 27 месяцев;
Общий средний ущерб – 10142.27 млн. $.
При этом общий ущерб аварии платформы «Piper Alpha» составил 3.4 млрд. $. Общий ущерб аварии платформы «Deepwater Horizon» достиг 110 млрд. $ (потери от загрязнений – 23 млрд. $; штрафы – 7.8 млрд. $; иски частных лиц – 56 млрд. $; компенсации 5 штатам – 20.8 млрд. $).
Рисунок 1 – Динамика числа аварий трубопроводов
Статистические оценки интенсивностей аварий морских буровых платформ измеряются следующими величинами:
Высокая неопределенность исходных данных: 2х10-5 – 5.2х10-5 1/год;
Низкая неопределенность исходных данных: 1.7х10-5 – 2.5х10-5 1/год.
Оценки рисков аварий, как произведения вероятностей событий и ущербов составляют:
Высокая неопределенность: 0.20 – 5.27 млрд. $/год;
Низкая неопределенность: 0.14 – 2.5 млрд. $/год.
Не менее впечатляющая картина наблюдается и с аварийностью морских подводных трубопроводов. Ежегодно в мире происходит от нескольких десятков до нескольких сотен аварий трубопроводов (рис. 1). Ущербы измеряются десятками и сотнями миллионов долларов.
Статистические оценки вероятностей аварий морских подводных трубопроводов по данным баз PARLOC, DOT, CONCAWE находятся в широких пределах: 10-5– 10-3 1/кмxгод (таблица 1). Средние ущербы от аварий на подводных газопроводах составляют 105 – 106 долл., при максимальных ущербах 109 долл. На подводных нефтепроводах средние ущербы составляют 104 – 105 долл., при максимальных ущербах до 108 долл. При этом потери газа при авариях достигают 106 MCF (Milia Cubic Feet), а потери нефти до 105 BBL (barrel). На основании этих данных средние расчетные значения риска аварий составляют (0.16 – 4.38)х102 долл./кмгод, при максимальных величинах до 1.89х104 долл./кмгод (таблица 2).
Если приять эту статистику за основу для оценки рисков транспортировки углеводородов на Российском шельфе, то величина риска в рублевом эквиваленте может достигать 2х106 руб./кмгод. Для примера, на Каспийском шельфе протяженность подводных трубопроводов составляет почти 600 км. С учетом этого, годовой риск здесь может достигать величины 1.2х109 руб. [3].
Таблица 2 – Расчетные оценки риска аварий трубопроводов [3]
Помимо аварий в последнее время возник новый источник опасности для МНГС – целенаправленные несанкционированные действия как отдельных групп людей и организаций, так и государств. Такие действия могут проводиться: в территориальных водах, в эксклюзивной экономической зоне, на континентальном шельфе. Объектами действий являются: танкерный флот, морские платформы, трубопроводы. Формы воздействий на объекты достаточно многообразны: диверсии, пиратство, мятеж, гражданский протест, военные действия, вандализм, внутренний саботаж, хакерские атаки. В настоящее время известен ряд целенаправленных атак на МНГС, в частности: МБУ «Brent Spar» (1981), «Bulford Dolphin», «Trident III», «Aban VII» (2007), «Bonga FPSO» (2008), «Stena Don» (2010), буровое судно «Ocean Rig Poseidon» (2011), «Приразломная» (2012), нефтеразведочное судно компании Shell (2012), буровые платформы месторождения «Одесское» (2022, 2024), «Северные потоки» (2022). Особо следует выделить предотвращенный теракт на супертанкере-накопителе «Трейдер» (2006 г) в России. Ущербы от указанных целенаправленных действий оцениваются суммами от сотен млн. долларов до десятков миллиардов долларов. Статистические оценки рисков от несанкционированных действий крайне затруднительны в силу уникальности событий по формам, проявлениям и последствиям.
Указанные выше угрозы аварий и несанкционированных действий приводят к многоаспектной проблеме безопасности жизненного цикла МНГС. Эта проблема решается на законодательно-нормативном, технологическом и организационно-техническом уровнях. В России вопросам промышленной и экологической безопасности МНГС неизменно уделяется большое внимание, как при их проектировании, так и при вводе в эксплуатацию, который осуществляется только с разрешения государственных надзорных органов. Весь технологический цикл нефтегазодобычи и его отдельные звенья, от скважины до потребителя, постоянно находятся под непрерывным контролем надзорных организаций и соответствующих служб промышленной и экологической безопасности. Тем не менее, остаются законодательные и нормативные пробелы решения проблемы безопасности МНГС.
Рисунок 2 – Схема дерева событий для анализа риска аварий МНГС
Основополагающими для решения указанной проблемы являются нормативные барьеры безопасности в виде стандартов и норм проектирования, строительства, эксплуатации, контроля качества, менеджмента и т.п. Зарубежные системы стандартов (API, BS, DNV, ASME) насчитывают многие десятки и сотни взаимоувязанных и взаимосогласованных нормативных документов, комплексно решающих проблему надежности и безопасности МНГС. Отечественная нормативная база представлена небольшим объемом нормативных документов государственного уровня. Основными документами являются:
НД №2-020201-026 Правила классификации и постройки плавучих буровых установок;
НД №2-020201-027 Правила классификации и постройки морских стационарных платформ;
НД №2-020301-007 Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов;
НД №2-090601-003 Правила классификации и постройки подводных добычных комплексов;
ГОСТ Р 54382-2011 Нефтяная и газовая промышленность. Подводные трубопроводные системы. Общие технические требования (перевод DNV-OS-F101);
СП 369.1325800.2017 Платформы морские стационарные. Правила проектирования;
СП 378.1325800.2017 Морские трубопроводы. Правила проектирования и строительства.
Недостаточность регламентаций государственных норм восполняется сотнями внутренних нормативных документов ПАО «Газпром», ПАО «ЛУКОЙЛ», НК «Роснефть» и других компаний, решающих частные задачи обеспечения прочности и ресурса МНГС. Однако указанные документы не рассматривают задачи обоснования безопасности по критериям рисков в соответствии с современными требованиями [4, 5].
По нашему мнению, решению этих задач и проблемы безопасности в целом существенно мешает отсутствие единого взгляда на МНГС, как важнейшие объекты нефтегазодобычи. По действующему законодательству МНГС рассматриваются одновременно как строительные сооружения и как опасные производственные объекты. Однако для них устанавливаются разные требования безопасности. Проектные декларации безопасности МНГС не содержат достаточно полных обоснований безопасности. Учитывая масштабы ущербов и значимость МНГС для нефтегазодобывающей отрасли России их следует законодательно отнести к классам критически и стратегически важных объектов. Согласно 68-ФЗ от 21.12.1994 с дополнениями 38-ФЗ от 08.03.2015 критически важный объект (КВО) – это объект, нарушение или прекращение функционирования которого приведет к потере управления экономикой РФ или административно-территориальной единицы субъекта РФ, ее негативному изменению или снижению безопасности жизнедеятельности. Определение для стратегически важных объектов (СВО) законодательно не закреплено. В рамках данного обсуждения стратегически важными объектами можно считать объекты, используемые для достижения стратегических экономических, социальных или военно-политических целей страны. Отнесение МНГС к классам КВО и СВО позволит использовать для обоснования их безопасности риск-ориентированного подход, заложенный в Стратегии развития Российской Федерации, как основы устойчивого развития. Некоторые методические вопросы этого подхода представлены в работах [5, 6].
Рисунок 3 – Схема построения вероятностных моделей случайных величин
Выделение МНГС как КВО и СВО потребует масштабной и глубокой доработки существующей нормативной базы. Необходимо разработать серию стандартов по обоснованию безопасности МНГС, охватывающих все аспекты проблемы:
Термины и определения;
Характеристики механических свойств;
Методы определения характеристик механических свойств;
Методы определения характеристик трещиностойкости металла;
Проектный расчет по выбору основных размеров;
Поверочные расчеты прочности и ресурса;
Порядок обоснования объемов и периодичности неразрушающего контроля;
Порядок обоснования безопасности по критериям риска.
По ряду указанных аспектов имеются ряд соответствующих стандартов. По некоторым работы только начинаются или не ведутся вовсе.
Рассмотрим некоторые аспекты обоснования безопасности по критериям риска. Классические оценки безопасности по уровню риска учитывают потери от аварий в виде произведения вероятностей аварии PF на величину ущерба CF:
R=PF×CF<[R] (1)
В соответствии с (1) возникают три задачи: определение вероятностей аварий PF; определение ущербов от аварий CF; обоснование допустимых уровней риска [R]. Решение первой задачи требует глубокого анализа возможных механизмов аварий, с построением дерева событий, приводящих к отказам конструкций МНГС (рис. 2). Здесь следует заметить, что независимо от природы угроз (техногенные, антропогенные, природные) авария МНГС происходит вследствие достижений предельных состояний элементов с последующим разрушением всей конструкции. Поэтому построение дерева событий позволяет охватить все возможные сценарии аварий.
Следующая часть задачи заключается в получении и обработке статистической информации о параметрах и характеристиках событий и процессов, включенных в дерево событий. Это нетривиальная задача, требующая использования методов математической статистики и теории вероятностей. Ее решением является получение плотностей распределения вероятностей всех рассматриваемых переменных (рис. 3).
Далее по полученным вероятностным функциям необходимо вычислить риск аварий:
n m
R=∑ qi ∑ (pij×Cij) (2)
i=1 j=1
где qi – вероятность воздействия i-той угрозы; pij – вероятность нахождения элемента МНГС в состоянии j при i-той угрозе; Cij – негативные последствия состояния j при i-той угрозе.
Вероятности qi и pij можно определить по заданным плотностям распределений вероятностей значений рискобразующих факторов угроз f(r) и повреждений элементов МНГС при воздействии этих факторов f(D|r):
qi=∫f(r)dr, pij=∬ f(D│r) f(r)drdD (3)
r D,r
В настоящее время, в связи с большой вариативностью условий эксплуатации МНГС в разных морях и регионах, нет возможностей получения однозначных оценок вероятностей qi, pij и последствий Cij для решения задачи (2). В этих условиях одним из возможных решений является интервальная оценка указанных переменных в виде [7]
qi=[qi, q-i ],pij=[pij,p‾ij], Cij=[Cij, C‾ij] (4)
где q,p,C – нижние (минимальные) значения; q,p,C – верхние (максимальные) значения.
С учетом (4) можно получить интервальные оценки риска (2):
R=[R,R]
n m n m
R=∑ qi ∑ (pij×Cij), R = ∑ qi ∑ (pij×Cij) (5)
i=1 – j=1 i=1 j=1
Оценка ущербов от аварий МНГС обычно проводится методами экономического и экологического анализа. Данная задача находится за рамками этой статьи. Величина допустимого риска [R] в настоящее время нормируется регулирующими органами с учетом уровня научных обоснований, отечественного и мирового опыта. Научное обоснование величин приемлемых рисков для процедуры их нормирования состоит в разработке методологии определения критических рисков и определении запасов по этим рискам [4].
Современный подход к решению проблемы безопасности МНГС рассматривает безопасность с учетом стоимости жизненного цикла (Ct), включающего начальные затраты на проектирование (C0) и затраты на всех других стадиях (Ci), включая потери от аварий [6]:
n
Ct=min min{C0(β)}+∑ Ci (β,t) (6)
t β i
где β – индекс риска, величина определяющая вероятность аварии в заданных условиях.
Цель управления жизненным циклом заключается в минимизация его стоимости, с учетом вероятностей повреждений и аварий. На рис. 4 представлена оценка стоимости жизненного цикла буровой платформы, в зависимости от индекса риска. Как видно из рисунка, на первом этапе при снижении вероятности аварий происходит снижение стоимости жизненного цикла. Однако, после некоторого оптимального значения величины β начинается увеличение стоимости жизненного цикла из-за роста затрат на повышение безопасности при проектировании и эксплуатации. Аналогичное можно наблюдать и для морских подводных трубопроводов (рис. 5). Следует отметить, что после оптимального значения индекса риска β начинается расхождение тенденций изменений риска и стоимости жизненного цикла. Поэтому оптимальное решение должно сочетать и уровень риска, и стоимость жизненного цикла трубопроводов.
Рисунок 4 – Изменение стоимости жизненного цикла морской буровой платформы
Рисунок 5 – Изменение стоимости жизненного цикла и риска морского подводного трубопровода
Одним из действенных механизмов повышения безопасности является применение методов технического диагностирования МНГС, с выявлением дефектов и повреждений, влияющих на уровень безопасности. Устранение указанных дефектов позволяет продлить ресурс и повысить уровень безопасности МНГС. В части противодействия повреждениям от целенаправленных несанкционированных действия в последнее время активно развиваются технологии мониторинга с использованием необитаемых автономных подводных аппаратов, оснащенных целым рядом устройств и систем для контроля окружающего пространства. При этом следует учитывать следующие обстоятельства:
Программы технического диагностирования и мониторинга технического состояния МНГС должны быть риск-ориентированными и риск-основанными;
Разработка систем технического диагностирования, мониторинга безопасности и ограничения доступа должна проводиться с учетом критериев риска;
В технических заданиях на разработку систем должны указываться требования по риску – как и в какой форме эти системы будут контролировать, локализовывать или снижать факторы риска;
Должна проводиться оценка эффективности систем диагностирования и мониторинга по критерию стоимости жизненного цикла МНГС.
В заключении следует отметить следующее. Проблема обоснования безопасности МНГС, как критически и стратегически важных объектов, с учетом природных, техногенных и антропогенных угроз, имеет первостепенное значение для развития нефтегазодобычи на континентальном шельфе России. Для решения данной проблемы необходимо:
Законодательно отнести МНГС к классам критически и стратегически важных объектов экономики России;
Создать современную суверенную отечественную нормативную базу обоснования безопасности МНГС. В основе создаваемых норм и стандартов должен полагаться риск-ориентированный подход и обоснование безопасности по критериям риска;
Разработать технологическую базу обеспечения безопасности при эксплуатации МНГС, включая контроль и мониторинг рисков.
1. Comparative Risk Analysis for Deepwater Production Systems. Final Project Report / Robert B. Gilbert Texas A&M University. January 2001. 368 p.
2. Шмаль Г.И., Тимашев С.А. Первоочередные безотлагательные задачи создания норм проектирования и эксплуатации безопасных морских трубопроводов // Морская наука и техника. 2024, №12, с. 14-18.
3. Лепихин А.М., Махутов Н.А., Лещенко В.В., Шмаль Г.И. Проблемы безопасности морских подводных трубопроводов // Морская наука и техника. 2022, №5, с. 30-35.
4. Махутов Н.А., Гаденин М.М., Юдина О.Н. Научный анализ рисков в жизнеобеспечении человека, общества, государства // Проблемы анализа риска, 2016, Т.16, №2, с. 70-86.
5. Махутов Н.А. Научные основы и прикладные разработки проблем безопасности и защищенности морских трубопроводов и сооружений // Морская наука и техника. 2023, №7, с. 18-27.
6. Махутов Н.А., Лепихин А.М. Обоснование безопасности морских подводных трубопроводов на основе риск-ориентированного подхода // Морская наука и техника. 2024, №12, с. 36-39.
7. Шокин Ю.И., Лепихин А.М. Математическое моделирование в задачах риск-анализа технических систем // Вычислительные технологии. 2003. Т. 8. Спец. выпуск, c. 14-21.
