Оценка степени износа и остаточного ресурса дымовых и вентиляционных труб газоперерабатывающих предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Калачинсков, Михаил Викторович

• Калачинсков, Михаил Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калачинсков, Михаил Викторович

Введение

Глава 1. Проблемы контроля технического состояния дымовых труб.

1.1 Анализ существующих методов обследования дымовых и вентиляционных труб.

1.2 Мониторинг дымовых и вентиляционных труб.

1.3 Конструктивные особенности и аварийность дымовых и вентиляционньк труб.

Выводы по разделу.

Глава 2. Экспресс-оценка износа дымовых и вентиляционных труб.

2.1 Научная база разрабатываемого метода.

2.2 Выбор программных средств контроля износа.

2.3 Статистическая обработка временных рядов вибрации труб.

2.4 Предложения по программному обеспечению контроля физического износа дымовых труб.

2.5 Примеры реализации и проверка адекватности расчетных методов.

2.6 Анализ частот трубы с упругой заделкой как твердого тела.

Выводы по разделу.

Глава 3. Расчет на прочность металлических дымовых и вентиляционных труб.

3.1 Условные обозначения.

3.2 Общие положения.

3.3 Основы расчетные соотношения.

3.4 Анализ устойчивости стенки дымовых и вентиляционных ^ труб.

3.5 Программа контроля устойчивости труб «RESIST».

3.6 Рекомендации при работе с программой «CYLnSTOER».

3.7 Программа «REZONANS».

Выводы по разделу.

Глава 4. Натуральные испытания и практика контроля дымовых труб.

4.1 Динамические испытания.

4.2 Результаты обследования.

4.3 Оценка износа и гейсмостойкосги дымовых труб.

Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка степени износа и остаточного ресурса дымовых и вентиляционных труб газоперерабатывающих предприятий»

В инженерной практике встречаются многочисленные и многообразные виды повреждений и разрушений дымовых труб. Поэтому каждому конструктору и эксплуатационнику приходится решать задачи анализа прочности конструктивных элементов дымовых труб промышленных объектов и выбора соответствующих средств объективного контроля их состояния и предотвращения разрушений в процессе эксплуатации.

Дымовые трубы большой высоты, как и другие высотные сооружения (башни, мачты), находятся практически под непрерывным действием ветровых нагрузок, вызывающих заметные колебания и связанные с ними знакопеременные напряжения. Кроме того, эксплуатационные условия дымовых труб таковы, что, помимо указанных колебательных процессов, внутренние поверхности находятся под влиянием высокотемпературных агрессивных газовых потоков, снижающих расчетные сопротивления строительных материалов. Среди причин, вызывающих накопление дефектов и снижение несущей способности конструкций, кроме естественного старения качества строительных материалов, наиболее важными являются много- и малоцикловая усталость, хрупкое разрушение и ползучесть.

Как показывает опыт, зачастую даже при реализации удачных проектных решений незначительные ошибки при монтаже, а также отклонения от расчетных режимов эксплуатации и нарушения порядка в проведении штатных регламентных работ по диагностике состояния конструкций и обслуживанию приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями.

Необходимо также учитывать, что дымовые трубы находятся под действием пульсационного давления ветра. Для высоких вертикальных цилиндрических и конических труб, представляющих достаточно гибкие конструкции, характерны периоды собственных колебаний, находящиеся в области спектра пульсаций скорости ветра. Например, для стальных труб высотой до 20 м при толщине силовой стенки 15 мм периоды основного тона собственных колебаний составляют 0,01- 0,03 с. Для таких низкочастотных сооружений необходимо учитывать низкочастотную часть ветрового спектра.

Причины аварий могут быть также связаны с проектированием, когда прочность объекта снижается до критического уровня при стремлении проектировщика получить наиболее экономичные (оптимальные) конструктивные решения на основе уточненных методов расчета, допускающих «безопасные» локальные остаточные деформации. Это связано с тем, что одной из основных причин повреждений и разрушений конструкций при авариях является их трещинообразная дефектность, поскольку номинальная прочность определяется размерами дефектов, которые установить достаточно сложно.

Сложность обнаружения усталостных дефектов и прогноза момента усталостного разрушения связана с тем, что трещины подрастают без заметных деформаций, а само разрушение происходит внезапно - при достижении размерами дефектов критических значений.

Указанные обстоятельства послужили причиной необходимости разработки и внедрения в практику эффективных систем контроля и оценки остаточного ресурса дымовых труб.

Проблеме разрушения конструкций и сооружений посвящено большое число работ, и исследования в этой области продолжаются. Однако изучение вопроса в области безопасной эксплуатации и контроля состояния дымовых труб крайне ограничено. Применение в этих целях традиционных методов обследования и мониторинга строительных объектов нуждается в существенной корректировке и обосновании, связанных со спецификой эксплуатационных условий объекта (высокотемпературные, химически агрессивные газовые потоки внутри труб, вибрации и др.). Официальные методы оценки физического состояния функционирующих дымовых труб без остановки технологического процесса до настоящего времени не разработаны.

Известны различные классификации методов обследования строительных конструкций в зависимости от конкретно поставленных целей [1-27]. Однако для контроля состояния таких уникальных объектов, как промышленные дымовые и вентиляционные трубы, число общеприменимых методов ограничено несколькими документами. Среди них отметим «Руководство по эксплуатации промышленных дымовых труб» [25], косвенно связанное с проблемой мониторинга сооружений, и ведомственные Нормы ВСН 286-90 /30/, касающиеся методов прочностного расчета железобетонных труб.

Данная диссертация посвящена анализу состояния проблемы контроля состояния дымовых труб, разработке и внедрению в практику комплекса методик оперативной оценки износа труб без остановки технологического процесса.

Результаты исследований внедрены в разработанную при участии автора «Инструкцию диагностики и экспресс-оценки остаточного ресурса эксплуатируемых промышленных дымовых труб» [42]. Данная Инструкция ориентирована на обеспечение диагностики труб без остановки технологического процесса. Она основана на расчетно-экспериментальном подходе с учетом нормативных положений ВСН 286-90 с применением оригинальных аппаратных и программных средствах, обеспечивающем диагностику скрытых дефектов, недоступных для обнаружения традиционными методами, широко используемыми в строительстве.

Научная новизна заключается в том, что на основе выявленных закономерностей динамических параметров, фиксируемых при ветровом нагру-жении и характеризующих реальные жесткостные параметры конструкции с внутренними дефектами, обнаружение которых недоступно традиционными методами предложен метод оценки степени физического износа и остаточного ресурса дымовых и вентиляционных труб без остановки их работы в составе технологического процессов газоперерабатывающих предприятий.

Практическая ценность работы состоит в возможности оперативной оценки остаточного ресурса эксплуатируемых дымовых труб, возможно со скрытыми дефектами, без остановки технологического процесса.

Реализация процессов работы. Разработанная методика реализована при определении физического износа дымовых труб 4У151 и 2У251 Астраханского газоперерабатывающего завода.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на трех семинарах ЦИЭКС. Материалы диссертации использованы в разработанной с участием автора «Инструкции диагностики и экспресс-оценки остаточног ресурса эксплуатируемых промышленных и вентиляционных труб», г. Москва ЦИЭКС, 2002 г. Использованы в разработке алгоритмов трех программных продуктов для ПВЭМ по прочностному расчету металлических дымовых труб на основе моментной теории тонких оболочек, подверженных комплексному нагружению статическими и сейсмическими нагрузками . Опубликованы в 5 технических отчетах по НИР.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (104 наименования) и приложения. Диссертация изложена на 142 машинописных листах основного текста, содержит 32 рисунков и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Калачинсков, Михаил Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрены и подвергнуты критическому анализу существующие методы контроля (обследования, мониторинга) физического состояния функционирующих промышленных дымовых и вентиляционных труб. В результате установлено, что существующие методы и средства не обеспечивают возможность оперативного контроля состояния труб без остановки технологического процесса. Кроме того, существующие методики, в основном, ориентированы на визуальные обследования, не позволяющие обнаруживать скрытые дефекты в конструкциях. Применяемые некоторыми организациями методы, основанные на вибродиагностике, обычно не рассчитаны на оперативность получения результатов, используют громоздкую аппаратуры и малодоступные вычислительные комплексы, нуждающиеся для запуска в чрезвычайно большом объеме исходной информации.

В результате проведенных исследований установлено, что оперативное определение физического состояния функционирующих высоких дымовых и вентиляционных труб (без их остановки) может осуществляться только динамическим анализом вибраций под действием ветровой нагрузки, а углубленный контроль дефектности футеровки - с использованием специального диагностического комплекса.

2. Для установления количественного показателя физического износа принята концепция сравнения изгибных жесткостей опасных сечений по отношению квадратов частот собственных колебаний: экспериментальных и расчетных (проектных).

3. Рассмотрены особенности экспериментального получения частотных параметров конструкции, соответствующих только изгибным деформациям, и приемы исключения компонент спектров, связанных со срывным флаттером, а также с параметрами поперечного и углового движений трубы как твердого тела от смещений опорного сечения из-за податливости грунтового основания.

4. Проведен количественный анализ неинформативных частотных компонент экспериментальных спектров. Впервые установлено, что частоты колебаний труб как твердых (недеформированных тел) на податливом основании практически могут совпадать с основными расчетными частотами из-гибных колебаний, а в ряде случаев их превышать, маскируя реальную информацию о жесткости сечений конструкции. Установлена необходимость фильтрации экспериментальных спектров для удаления неинформативных частот по предложенным формулам.

5. В результате проведенных исследований по рассмотрению существующего банка программных средств установлено, что ряд программ, основанных на консольной расчетной схеме, может быть использован для контроля состояния труб из железобетона и других строительных материалов с не очень тонкой силовой стенкой. Для анализа состояния труб с тонкой оболочкой программные средства не найдены.

6. Разработаны алгоритмы и программные средства комплексного прочностного расчета металлических труб с тонкой оболочкой на статические и сейсмические нагрузки и контроля общей устойчивости труб и локальной устойчивости стенки оболочки.

7. Предложен алгоритм последовательных операций по определению физического состояния функционирующих высоких дымовых труб в условиях обтекания ветровым потоком. Отобраны программные средства, полностью решающие проблему динамического контроля состояния дымовых труб из различных материалов, оценку их износа и остаточного ресурса относительно проектных параметров, в частности - проектной сейсмостойкости.

8. Предложен алгоритм и разработана программа коррекции экспериментального спектра вибрации исключением частот ветрового спектра, в частности, с использованием экспериментального спектра скоростного напора или одного из запрограммированных стандартных спектров Давенпорта или более представительного спектра Кеймала, учитывающего зависимость частотных параметров от высоты.

9. Разработана Инструкция диагностики и экспресс-оценки остаточного ресурса эксплуатируемых промышленных дымовых и вентиляционных труб. Инструкция содержит как основные положения методики диагностики на основе спектрального анализа, так и состав, и последовательность работ по углубленному анализу дефектности внутренних поверхностей футеровки труб без остановки технологического процесса с применением оригинального диагностического комплекса.

Ю.Внедрение результатов исследований в практику проиллюстрировано приведенными в диссертации результатами, проведенных с участием автора, работ по оценке остаточного ресурса дымовых труб реально функционирующего промышленного предприятия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калачинсков, Михаил Викторович, 2004 год

1. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений.— СПБ. БИТУ, 1998.

2. Комисарчик Р.Г. Методы технического обследования ремонтируемых зданий. М., Стройиздат, 1975.

3. Морозов А.С., Ремнева В.В., Тонких Г.П. и др. Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2001.

4. Смоленская Н.Г. Современные методы обследования зданий. М., Стройиздат, 1979.

5. ВСН. Методика определения аварийности строений. МГСН 301.03-97.

6. ВСН 57-88(Р). Положение по техническому обследованию жилых зданий.

7. ВСН 53-86(Р). Правила оценки физического износа жилых зданий.

8. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний.

9. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы испытаний.

10. ГОСТ 26134-84 (1994). Бетоны. Ультразвуковой метод определения морозостойкости.

11. ГОСТ 22690-88 (1989). Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.

12. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

13. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.

14. ГОСТ 17624-87 (с попр. 1989). Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

15. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерений деформаций оснований зданий и сооружений.

16. ГОСТ 24332-88 (с поправкой 1990). Кирпич и камни силикатные. Ультразвуковой метод определения прочности при сжатии.

17. ГОСТ 7512-82 (1994). Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод.

18. ГОСТ 23858-79 (1995). Соединения сварные стыковые и тавровые арматуры железобетонных конструкций. Ультразвуковые методы контроля качества. Правила приемки.

19. СНиП 2.03.11-85. Пособие по контролю состояния строительных металлических конструкций зданий и сооружений в агрессивных средах, проведению обследований и проектированию восстановления защиты конструкций от коррозии.

20. Методические рекомендации по инженерному анализу последствий землетрясений. ЦНИИСК им.Кучеренко. М., 1980.

21. Пособие по организации и проведению контроля за техническим состоянием эксплуатационных характеристик зданий и сооружений, расположенных в сейсмоопасных регионах Российской Федерации. МО РФ. М., 1996.

22. Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда. М., Стройиздат, 1988.

23. Рекомендации по определению технического состояния ограждающих конструкций промышленных зданий. М., Стройиздат, 1988.

24. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. ЦНИИСК Госстроя СССР. М., 1989.

25. Руководство по эксплуатации промышленных дымовых и вентиляционных труб. Комитет Российской Федерации по металлургии. М., 1993.

26. Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений. Справочное пособие. Под ред. М.Д. Бойко. М., Строийздат, 1993.

27. Сборник методик по прогнозированию возможных аварий, катастроф, стихийных бедствий и РСЧС. Книга 1. М., 1994.

28. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

29. Экспертиза промышленной безопасности (сборник документов). М., Гос. Предприятие: НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехназдора России, 2000.

30. ВСН 286-90. Указания по расчету железобетонных дымовых труб. М., Минмонтажспецстрой, 1990.

31. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем. М., Наука, 1967.

32. Вольмир A.C. Оболочки в потоке жидкости и газа. Задачи аэроупругости. М., Наука, 1976.

33. Алексеев С.А. Гибкие пластинки и оболочки в закритической области. Докт. Дисс. М., 1956.

34. Справочник по строительной механике корабля. Том 2. JI.} Судпромгиз, 1958.

35. Погорелов A.B. Геометрическая теория устойчивости оболочек. М., Наука, 1966.

36. Погорелов A.B. Геометрические методы в нелинейной теории оболочек. В кн. Прочность и пластичность. М., Наука, 1971. С. 90. .96.

37. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем. М., Гостехиздат, 1956.

38. Вибрации в технике. Том 1 Колебания линейных систем/ под ред. В.В.Болотина. М., Машиностроение, 1978.

39. Болотин В.В. Неконсервативные задачи теории упругой устойчивости. М., Физматгиз, 1961.

40. Ясинский Ф.С. Избранные работы по устойчивости сжатых стержней. М., Гостехиздат, 1952.

41. Техническое сопровождение ремонта и реконструкции дымовых труб 4у151 и 2у251 астраханского газоперерабатывающего завода. Технический отчет. ЦИЭКС, М., 2001.

42. Инструкция диагностики и экспресс-оценки остаточного ресурса эксплуатируемых промышленных дымовых и вентиляционных труб. М, ЦИЭКС, 2002.

43. СНИП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий.

44. СБИЛ II-7-81*. Строительство в сейсмических районах.

45. СНиП 11-23-81. Нормы проектирования. Стальные конструкции.

46. Лессиг E.H., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. М., Стройиздат, 1970.

47. Никиреев В.М., Шадурский В.Л. Практические методы расчета оболочек. М., Стройиздат, 1966.

48. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М., Машиностроение, 1985.

49. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры. М., Недра, 1987.

50. Сафарян М.К., Максимец В.А. Резервуары. В кн. Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Том 2. М., АСВ, 1998. С. 407435.

51. Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. М., Машиностроение, 1971.

52. Гольденблат И.И., Николаенко H.A. Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсных сил. М., Госстройиздат, 1961.

53. Николаенко H.A. Расчет сооружений, несущих частично заполненные резервуары, на ветровую и сейсмическую нагрузки. В кн. Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций. Справочник проектировщика. М., Стройиздат, 1986. С. 278-289.

54. Николаенко H.A. Динамика и сейсмостойкость конструкций, несущих резервуары. М., Стройиздат, 1963.

55. Рекомендации по расчету резервуаров и газгольдеров на сейсмические воздействия. М., Госстройиздат, 1969.

56. Котляревский В.А., Морозов В.И., Петров A.A. Расчет конструкций на динамические воздействия. В кн. Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Том 1. М., АСВ, 1998. С. 247-302.

57. Котляревский В.А., Шаталов A.A., Ханухов Х.М. Безопасность резервуаров и трубопроводов. М., Экономика и информатика, 2000.

58. Розенштейн и.м. Аварии и надежность стальных резервуаров. М., Недра, 1995.

59. СНиПП- 55-74. Основания зданий и сооружений.

60. Цытович H.A. Механика грунтов. М., Стройиздат, 1963.

61. Хаар М.Е. Основы теоретической механики грунтов. М., Госстройиздат, 1971.

62. Указания по проектированию аэродромных покрытий СН 120-70. М., Стройиздат, 1970.

63. Глушков Г.И. Расчет сооружений, заглубленных в грунт. М., Стройиздат, 1977.

64. Ананьев И.В. Справочник по расчету собственных колебаний упругих систем. М., Огиз-Гостехиздат, 1946.

65. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М., Стройиздат, 1965.

66. Ананьев И.В., Колбин Н.М., Серебрянский Н.П. Динамика конструкций летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1972.

67. Бендат Д.С., Пирсол А.Дж. Измерение и анализ случайных процессов. М., Мир, 1971.

68. Болотин В.В. Краевой эффект при колебаниях упругих оболочек. ПММ, т.24, №5, 1960. С. 831-842.

69. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М., Стройиздат. 1978.

70. Котляревский В.А. Статистическое моделирование сейсмических воздействий на сооружения. Строительная механика и расчет сооружений, 1988, №3. С.44-48.

71. Инструкция по определению расчетной сейсмической нагрузки для зданий и сооружений. М., Госстройиздат, 1962.

72. Барштейн М.Ф. Воздействие ветра на высокие сооружения. Строительная механика и расчет сооружений, 1959, №1.

73. Барштейн М.Ф. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М., Стройиздат, 1978.

74. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции.

75. СЕМГЕ 11-3-79**. Нормы проектирования. Строительная теплотехника.

76. Инструкция о порядке государственной экспертизы проектов строительства. РДС 11-201-95

77. Международный стандарт ИСО 9000-1. Общее руководство качеством и стандарты по обеспечению качества.

78. Методические рекомендации по организации и осуществлению контроля за обеспечением безопасной эксплуатации зданий и сооружений на подконтрольных металлургических и коксохимических производствах (РД 11-126-96).

79. Методические указания по организации и осуществлению лицензионной деятельности на металлургических и коксохимических производствах (РД 11-51-94).

80. Общее сейсмическое районирование территории Российской федерации ОСР-97. Москва 1998.

81. Общие правила безопасности для предприятий и организаций металлургической промышленности. (Доп. и изм. 1995г.)

82. Положение о планово-предупредительном ремонте производственных зданий и сооружений. Госстрой, 1974г.

83. Положение о порядке утверждения заключений экспертизы промышленной безопасности (РД 03-298-99).

84. Положение о проведении экспертизы промышленной безопасности опасных металлургических и коксохимических производственныхобъектов (РД 11-320-99).

85. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности. (ПБ 03246-98).