Method of reliability assessment of arctic pipelines in the space of loads

Abstract

Arctic pipelines (PL) are located north of the 60th parallel. The main factors that characterize features of such pipelines are the climatic conditions in their areas of installation. Arctic pipeline routes pass through tundra with dwarf vegetation, marshes, and large areas with permafrost lenses, in watery and swampy areas with unique geological and hydrological conditions. The absolute difference of temperatures ranges from –56 degrees Centigrade in winter to 34 Centigrade in summer; and strong winds with speed over 40 m/s. Under these conditions, reliability and safety assessment of pipelines is associated with many principal difficulties, one of which is the need to take into account the simultaneous action (a combination) of many natural and technological loads on the pipeline infrastructure, which are random by nature and can be adequately described only by stochastic processes. Currently, reliability assessment of such systems is not performed due to lack of valid calculation methods. In this paper a description is given of the first stage of assessing reliability of a pipeline subject to a combination of loads described as random Markov processes. This method, developed by S. A. Timashev in [1], a. k.a. assessment of reliability in the space of loads, assumes the ability of constructing admissible areas in this load space with respect to different limit states. The method is applied to a segment of an above ground arctic oil pipeline with surface corrosion type defects, subjected to a combination (simultaneous action) of four loads: 1) dead weight of the pipe with insulation and oil being pumped, 2) operating pressure, 3) wind load, and 4) exposure to a uniform wall thickness thinning. The pipeline is considered as a continuous multi-bay thin wall cylindrical beam. The pipeline design is performed according to the (conditional) limit state which is reached when the equivalent stresses in pipe wall reach the yield stress of pipe material. The main purpose of the presented work is reliability assessment of PL in the space of load (impacts). At this the dead load of the pipeline structure is considered to be deterministic. The influence of the wind load, uniform corrosion, and operating pressure (OP) are considered to be variables. For them the permissible region is constructed using the above limit state.

Арктические трубопроводы находятся к северу от 60?й параллели. Основными факторами, характеризующими особенности таких трубопроводов, являются климатические условия в местах их прокладки. Арктические трассы трубопроводов проходят через тундру с карликовой растительностью, болота и большие территории с вечной мерзлотой, обводненную и заболоченную местность с уникальными геологическими и гидрологическими условиями. Разница температур составляет от –56 зимой до +34 °C в летний период; скорость ветра свыше 40 м/с. В таких условиях оценка надежности и безопасности трубопроводов связана с множеством проблем, одной из которых является необходимость учитывать одновременное воздействие на трубопроводы многих природных и технологических нагрузок, которые носят случайный характер и могут быть адекватно описаны только с помощью случайных процессов. В настоящее время оценка надежности таких систем не выполняется из-за отсутствия научно обоснованных методов расчета. В данной статье описывается первый этап оценки надежности трубопровода при условии описания сочетания нагрузок как случайного процесса Маркова. Этот метод, разработанный С. А. Тимашевым [1], называется методом оценки надежности в пространстве нагрузок и предполагает возможность построения допустимых областей в пространстве нагрузки с учетом различных предельных состояний. Метод применен к сегменту наземного арктического нефтепровода с коррозией поверхности, подверженному комбинации (одновременному действию) четырех нагрузок: 1) собственный вес трубы с изоляцией и перекачиваемой нефти, 2) рабочее давление, 3) ветровая нагрузка и 4) утоньшение стенки. Трубопровод рассматривается как непрерывная многосекционная тонкостенная цилиндрическая балка. Проектирование трубопровода осуществляется по предельному состоянию, которое достигается, когда эквивалентные напряжения в стенке трубы достигают предела текучести материала трубы. Основной целью данной работы является оценка надежности трубопровода в пространстве нагрузок (воздействий). Здесь постоянные нагрузки на трубопровод считаются неизменными. Влияние ветровой нагрузки, равномерной коррозии и рабочее давление считаются переменными. Для них построена допустимая область с учетом описанного выше предельного состояния.