بخشی از مقاله
چکیده
ارزیابی قابلیت اطمینان به طور گستردهای در تحلیل ریسک خطوط لوله نفت و گاز مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله، رویکردی ترکیبی جهت بررسی فاکتورهای وابسته و مستقل از زمان برای ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک در شبکه خطوط انتقال گاز ارائه شدهاست. با استفاده از درخت خطای پویا که ترکیبی از درخت خطای معمول و مدل مارکوف است، مدلی ارائه شدهاست که قابلیت اطمینان سیستم را برای حالت وابسته به زمان درنظر میگیرد.
درواقع در این مدل با استفاده از زنجیره مارکوف پیوسته، احتمال خطای اجزای سیستم برای حالتی که وابسته به زمان است محاسبه میشود. این روش جهت ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک منطقه عملیاتی انتقال گاز به کار گرفتهشد. نتایج نشان میدهد جزء برد الکترونیکی تاثیر بسزایی بر قابلیت-اطمینان سیستم دارد و راهکارهایی در خصوص بهبود قابلیت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک ارائه شدهاست.
-1 مقدمه
گاز یک منبع اصلی تامین سوخت در دنیا به شمار میرود که ازطریق خطوط انتقال از یک مکان به مکان دیگر منتقل میشود. عدم وجود یک سیستم حفاظتی برای خطوط انتقال میتواند منجر به خوردگی لوله، آلودگی محیط زیست و هزینههای جانی و مالی زیادی شود. از اینرو پایداری در گازرسانی همواره مورد توجه دولتها و شرکتهای تابع و به طورکلی عوامل ذینفع بوده و همواره بودجههای کلانی بدین منظور صرف میشود.
یکی از روشهای حفاظت از خطوطلوله، پیادهسازی سیستمهای حفاظتکاتدیک است. این سیستم با تبدیل فلز به کاتد با استفاده از اعمال جریان خارجی یکسو یا الحاق آند فداشونده عمل مینماید و مانع خوردگی خط لوله میشود. تعمیرات به موقع اجزای مختلف این سیستم میتواند در عملکرد بهینه این سیستم نقش بسزایی داشته باشد. بنابراین ارزیابی قابیلت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک نقش بسزایی در تعیین نحوه پیادهسازی تعمیرات و نگهداری اجزای حفاظت کاندیک خواهد داشت.
در این مقاله با استفاده از روش درخت خطا و مدل مارکوف قابلیت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک در خطوط لوله منطقه4 عملیات انتقال گاز ایران مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتهاست. از آنجایی که روش درخت خطا یک روش تحلیل ریسک در شرایط استاتیک است و گذر زمان در آن لحاظ نمیشود، با استفاده از مدل مارکوف، درخت-خطای پویایی1 ارائه شدهاست. در درخت خطای پویا احتمال خرابی رویدادهای پایه - 2اجزای اصلی سیستم - با استفاده از مدل مارکوف محاسبه شده و نهایتاً قابلیت اطمینان کل سیستم بدست میآید.
سایر بخشهای این مقاله بدین صورت است که در بخش دو مرور مختصری بر پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه انجام میگیرد. سپس در بخش 3 مدلی در خصوص یکپارچه سازی درخت خطا و زنجیره مارکوف ارائه میگردد. در بخش 4 به ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم حفاظت کاتدیک پرداخته و نهایتا در بخش 5 و 6 تحلیل حساسیت و جمعبندی آورده شده است.
-2 مرور ادبیات
مطالعات زیادی برای ارزیابی قابلیت اطمینان در سیستم های مختلف انجام شده است که از روش های مختلفی برای محاسبه قابلیتاطمینان بهره برده اند. از جمله این پژوهش ها، مقاله Brown [1] R.E در معرفی روش جدید مدل بندی مارکوف سلسله مراتبی برای پیش بینی قابلیت اطمینان سیستم توزیع است. این مطالعه قابلیت اطمینان را بر اساس توپولوژی سیستم قدرت، سیستم یکپارچه و حفاظت دستگاههای فردی تقسیم میکند
Billinton تکنیک شبیه سازی مونت کارلو و رویکرد تحلیلی تعمیمیافته را برای بررسی هزینههای حاصل از قطع مشتری در سیستمهای توزیع شعاعی ارائه کرده است. در مقالهای دیگر [3] Billinton تکنیک شبیه سازی مونت کارلو متوالی را برای ارزیابی سیستمهای توزیع مورد استفاده قرار داده و برنامه کامپیوتری را نیز بهبود بخشید. Rahman و همکارانش [4] رویکرد درخت خطا را برای ارزیابی قابلیت اطمینان مشتری در سیستم توزیع قدرت - برق - بکار بردهاند.آنها مقادیر وزنی را برای فراوانی شکست و زمان از کار افتادگی در نظر گرفته و در محاسبات خود لحاظ نمودند.
کرمی و حسینی [5] از ترکیب روشهای درخت خطا و زنجیره مارکوف برای ارزیابی قابلیت اطمینان مشتری در سیستمهای توزیع بهره بردهاند. آنها سیستم توزیع را با توجه به مسیرهای توزیع به سمت مشتری دستهبندی نموده و نقاط بارگذاری - نقاطی که به طور مستقیم به مشتریان متصل هستند - را شناسایی کردهاند. در ادامه درخت خطا را برای هر یک از این نقاط تهیه و جهت بررسی عملکرد سیستم، شاخصهایی تحت عنوان شاخصهای قابلیت اطمینان مشتری معرفی نموده و از مدلهای زنجیره مارکوف جهت محاسبه این شاخصها استفاده کردهاند.
فلزات در تماس با آب یا خاک خورده میشوند و بدیهی است که خوردگی در خطوط انتقال گاز پدیدهای نامطلوب تلقی میشود. به گزارش پایگاه اینترنتی انجمن بین الملی مهندسان خوردگی آمریکا، خوردگی پدیده ای است که از واکنش شیمیایی میان یک ماده با محیط اطراف آن به وجود میآید. پژوهشگران با انجام مطالعات متعدد برای برآورد احتمال خوردگی و قابلیت اطمینان خط لوله با استفاده از تکنیکهای مختلف، بر اهمیت این موضوع تاکید داشتهاند.
Singh و [6] Markeset برای تخمین استقامت لولههای خورده شده به کمک مدل رایج ASME B31G، با استفاده از روش شبیهسازی مونت کارلو و با استفاده از رویکرد فازی نوع- -2، یک روش ترکیبی بر مبنای احتمال شکست خط لوله در معرض فشار داخلی، ارائه کردهاند. Teixeira و همکاران [7] از روش قابلیت اطمینان مرتبه اول - FORM - و شبیه سازی مونت کارلو در برآورد قابلیت اطمینان خط لوله خورده شده که تحت فشار داخلی است، استفاده کردهاند.
Qian و همکاران [8] از تکنیکهای شبیهسازی مونت کارلو و FITNET FFS برای ارتباط اثرات حاصل از خوردگی بر احتمال شکست لوله بهره بردهاند. نتایج مطالعه نشان داد قطرخارجی لوله تاثیر زیادی بر احتمال شکست لوله دارد.
پژوهشگران دیگری همچون [9] Pandey چارچوبی برای تخمین قابلیت اطمینان خط لوله که تحت تاثیر بازرسی و فعالیتهای تعمیرات و نگهداری است ارائه کرده است. نویسنده داده-های حین بازرسی حاصل از تکنیک نشت شار مغناطیسی را برای تعیین زمان بعدی بازرسی با در نظر گرفتن احتمال شکست خط لوله خورده شده مورد استفاده قرار دادهاست.
Ahmmed مدل خرابی بر پایه مکانیزم شکستن برای ارزیابی عمرباقیمانده خط لوله تحت فشار و دارای نقصهای خوردگی معرفی نمود. Zhang و همکاران [11] رشد عمقی نقص لوله را با استفاده از مدل رشد توزیع گامای مستقل از زمان و فرآیند گاما بر پایه مدل رشد مدل کردهاند. همچنین همبستگی مکانی بین رشد عمق نقصهای مختلف توسط تابع مفصل بیان شده و احتمال خرابی خط لوله دچار خوردگی با استفاده از تکنیک شبیه سازی مونت کارلو برآورد شدهاست. Keshtgar و [12] Miri میانگین تنش برشی را در تخمین احتمال خوردگی خط لوله اعمال کردند. Bisaggio و [13] Netto از رویکرد احتمالات بیزی در برآورد احتمال ریسک خوردگی خط لوله کمک گرفتهاند.
در مطالعه Zhou و همکاران [14] فرآیند گامای همگن برای مشخص کردن رشد عمق نقص با هدف ارزیابی قابلیت اطمینان خطوط لولهای به کار میرود که دارای نقصهای خوردگی فعال در سیستمهای وابسته به زمان هستند . [15] Hong فرآیند مارکوف همگن و ناهمگن را برای مدل کردن رشد حفره خوردگی به منظور انتخاب فاصله زمانی بهینه برای بازرسی خط لوله استفاده کرده است. اگر دادههای بازرسی موجود باشند، روش بیزی میتواند برای بروزرسانی ویژگیهای احتمالی پارامترها در مدل رشد خوردگی مورد استفاده قرار گیرند.
برای مثال Maes و همکاران[16] از رویکرد بیزی سلسله مراتبی برای بروزرسانی مدلهای رشد مبتنی بر فرآیند گاما در نقص خوردگی خط لوله براساس دادههای درون خطی - ILI - استفاده کردند. در مطالعه [17] Zhou شبیه سازی ساده مونت کارلو برای ارزیابی قابلیت اطمینان خط لوله در قالب سه حالت مختلف شکست؛ نشت کوچک، بزرگ و پارگی استفاده شده است.
-3 یکپارچه سازی درخت خطا و مارکوف
درخت خطا رویکردی منطقی و نموداری، برای ارزیابی احتمال وقوع حادثهای است که ناشی از توالی و ترکیب رویدادهای خطا می-باشد. این درخت یک مدل حادثه و روابط میان خرابی قطعات و سیستم را بیان میکند. احتمال رخداد حادثه نامطلوب در درخت خطا، تابعی از احتمال خرابی سیستم است. درخت خطا معمولا برای پیشبینی قابلیت اطمینان سیستمهای پیچیده در بسیاری از زمینهها ازجمله راکتور هستهای، هوافضا، صنعت پتروشیمی، خطوط لوله و غیره کاربرد دارد.
نمودار درخت خطا طوری طراحی شدهاست که رویداد نامطلوبی که در بالاترین سطح نمودار رخ میدهد، رویداد اصلی3 نامیده میشود. عواملی که منجر به خرابی سیستم میشوند به سطوح سلسلهمراتبی تقسیم میشوند تا جایی که تاثیر اجزایی از سیستم که منجر به خرابی آن میشوند شناسایی شوند. اطلاعات نرخ خرابی باید برای رویدادهای پایه4 در پایینترین سطح سلسلهمراتبی موجود باشند. درخت خطا همچنین دارای سه سه جزء اصلی رویداد پایه، گیت AND و گیت OR است. رویدادهای پایه، خرابیهای بنیادی هستند که می-توانند با گیتهای AND و OR برای تعیین احتمالات حالتهای سطح بالاتر و رویداد اصلی ترکیب شوند.
فرآیند مارکوف از جمله روشهای دیگری که در ارزیابی قابلیت طمینان سیستم- های تعمیرپذیر استفاده میشود روش مارکوف میباشد. در بسیاری از روشهای معمول فرآیند تعمیرات برای سیستمهای تعمیرپذیر نسبت به زمان عملکرد سیستم، لحظهای و قابل اغماض فرض میشود. هرگاه چنین فرضی برقرار نباشد برای ارزیابی قابلیت اطمینان از روشهای دیگری مانند روش مدلسازی مارکوف استفاده میشود.
روش مارکوف برای مدلسازی سیستمهایی مناسب است که دارای رفتار تصادفی هستند و به طور پیوسته یا ناپیوسته نسبت به زمان و یا در فضای حالت در تغییراند. برای اینکه بتوان روش مارکوف را به کار برد باید سیستم دارای خاصیت بیحافظگی باشد. بدین معنا که رفتار سیستم در آینده به مسیری که در گذشته طی کرده وابسته نیست و تنها به وضعت حال سیستم مربوط میشود. به عبارت دیگر رفتار سیستم و احتمال تبدیل وضعیت آن به وضعیتهای دیگر باید در همه مقاطع زمانی T یکسان و ثابت بماند. باتوجه به این مفهوم و از نظر توزیع احتمال، به معنای آهنگ وقوع خطر ثابت است و تابعهای پوآسون و نمایی در این موارد مورد توجه میباشد.
