Технология оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор наук Трутаев Станислав Юрьевич

• Трутаев Станислав Юрьевич
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Трутаев Станислав Юрьевич

Введение

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ РФ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Стратегии технического обслуживания и ремонта оборудования опасных производственных объектов

1.2 Оценка технического состояния оборудования опасных производственных объектов. Актуальные проблемы

1.3 Состояние проблемы обеспечения промышленной безопасности динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов

1.3.1 Оборудование, нагруженное динамическими нагрузками техногенного характера

1.3.2 Оборудование, нагруженное динамическими нагрузками естественной природы

1.4 Методы обеспечения динамической устойчивости оборудования опасных производственных объектов

1.5 Выводы. Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

2.1 Основные положения технологии ОУТС. Область применения

2.2 Виды работ на различных этапах реализации технологии ОУТС

2.2.1 Предварительное (первичное) исследование технического состояния динамически нагруженного оборудования

2.2.2 Постоянный мониторинг динамически нагруженного оборудования I группы критичности

2.2.3 Периодический мониторинг динамически нагруженного оборудования II группы критичности

2.3 Методология построения и оценки корректности математической модели объекта

2.3.1 Построение моделей оборудования с использованием МКЭ

2.3.2 Оценка корректности математической модели

2.4 Построение адаптивной системы нормирования амплитуд динамических перемещений по избранным критериям

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

3.1 Основные предпосылки

3.2 Основные положения методологии

3.3 Построение идентификационной модели и идентификация состояния объекта по результатам мониторинга дискретных параметров

3.4 Определение форм колебаний, удерживаемых при идентификации состояния динамически нагруженного оборудования

3.5 Верификация идентификационной модели

3.6 Верификация методологии на модельных задачах

3.7 Экспериментальная проверка методологии

3.8 Выводы по главе

ГЛАВА 4 АДАПТАЦИЯ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ К УСЛОВИЯМ ДЕЙСТВУЮЩИХ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

4.1 Общие замечания

4.2 Методология сбора данных с применением аппаратуры с одним измерительным каналом

4.3 Методология сбора данных с применением аппаратуры с числом измерительных каналов более одного

4.4 Методология сбора данных по синхроимпульсу

4.5 Методология сбора данных с применением модифицированного метода корреляции цифровых изображений

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ МАКРОДЕФЕКТОВ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

5.1 Основные предпосылки

5.2 Основные положения методологии

5.3 Особенности экспериментального определения спектра собственных частот при экспресс-диагностике макродефектов

5.4 Верификация и коррекция математической модели с учетом высших форм колебаний

5.5 Идентификация расположения и размеров дефектов оборудования

5.6 Верификация методологии на модельных задачах

5.6.1 Автоматическая коррекция граничных условий

5.6.2 Идентификация местоположения и размера макродефекта

5.7 Экспериментальная проверка методологии

5.7.1 Экспериментальная проверка методологии в стендовых условиях

5.7.2 Экспериментальная отработка методологии на реальных объектах

5.8 Выводы по главе

ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ОБОРУДОВАНИЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

6.1 Постановка задачи управления динамическим состоянием оборудования

6.2 Управление динамическим состоянием оборудования на основе оптимизации опорно-подвесной системы

6.3 Управление динамическим состоянием оборудования на основе замены фланцевых разъёмных соединений бугельными

6.4 Управление динамическим состоянием оборудования на основе введения в систему дискретных демпфирующих связей

6.5 Выводы по главе

ГЛАВА 7 ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

7.1 Инструментальное обеспечение технологии ОУТС

7.1.1 Разработка систем постоянного/периодического мониторинга

7.1.2 Разработка серии демпфирующих устройств вязкого трения мембранного типа

7.1.3 Разработка серии роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов

7.1.4 Разработка, апробация и внедрение измерительной аппаратуры для осуществления оперативной динамической тензометрии

7.1.5 Мобильный комплекс для идентификации собственных частот колебаний объекта

7.2 Программное обеспечение технологии ОУТС

7.2.1 Программный комплекс Compass

7.2.2 Программный комплекс MStruct

7.2.3 Программный комплекс SIdent

7.2.4 Программный комплекс Stand

7.2.5 Программный комплекс Норма

7.2.6 Программный комплекс Correlation

7.2.7 Программный комплекс CPipes

7.3 Выводы по главе

ГЛАВА 8 ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

8.1 Обеспечение промышленной и экологической безопасности трансферных трубопроводов колонны К11 установки ЭЛОУ+АВТ-6 цеха 18 нефтеперерабатывающего завода АО «Ангарская нефтехимическая компания»

8.1.1 Общие сведения об объекте исследования

8.1.2 Оценка необходимости постоянного мониторинга объекта

8.1.3 Структура системы мониторинга объекта

8.1.4 Построение и верификация математической модели объекта

8.1.5 Особенности процедуры идентификации напряженно-деформированного состояния объекта

8.1.6 Анализ работы системы мониторинга за 9 лет эксплуатации

355

8.1.7 Выводы по разделу

8.2 Обеспечение промышленной и экологической безопасности оборудования высокого давления компрессоров ГК1^3 установки подготовки ретурного газа объекта 16 цеха 135/136 Химического завода АО «Ангарская нефтехимическая компания»

8.2.1 Общие сведения об объекте исследования

8.2.2 Комплексное исследование динамического состояния оборудования с использованием многоканальной измерительной аппаратуры

8.2.3 Оценка результатов комплексного исследования динамического состояния оборудования

8.2.4 Разработка мероприятий по повышению динамической устойчивости оборудования

8.2.5 Выводы по разделу

8.3 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1 Копии документов, подтверждающих внедрение результатов работы (патенты, акты внедрения, нормативные документы)

Приложение 2 Листинг МаШСАБ, реализующий пакетную математическую обработку акселерограмм

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов»

ВВЕДЕНИЕ

Предприятия РФ таких промышленных отраслей, как нефтепереработка, химия и нефтехимия, нефте- и газодобыча относятся к опасным производственным объектам (ОПО), связанным с получением, переработкой и хранением взрывопожароопасных, токсичных веществ, а также использованием технологического оборудования, работающего при высоких температурах и давлениях. Возникновение аварийных ситуаций на таких ОПО, особенно на объектах I и II класса опасности, могут сопровождаться неконтролируемыми взрывами, масштабными возгораниями, выбросами токсичных веществ в атмосферу, а также разрушениями инфраструктуры и человеческими жертвами. В соответствии с федеральным законом ФЗ №116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»[295] для снижения рисков аварий на предприятиях, эксплуатирующих ОПО, должны функционировать так называемые системы управления промышленной безопасностью, основной задачей которых является идентификация, анализ и прогнозирование риска аварий и связанных с такими авариями угроз, а также планирование и реализация мер по его снижению.

В общем случае подходы к решению данной задачи могут быть различны, однако каждый из них основан, прежде всего, на корректных оценках текущего и прогнозного технического состояния промышленного оборудования, эксплуатируемого на ОПО. Такие оценки проводятся, как правило, на основе комплексного применения современных средств технической диагностики и мониторинга, в сочетании с передовыми расчетными и экспериментальными методами определения напряженно-деформированного состояния и ресурса оборудования, с учетом фактически действующих на него повреждающих факторов[36, 99, 116, 138, 225, 238, 299, 306].

Как показывает практика[22, 30, 101, 115, 126, 131, 262] к числу ключевых повреждающих факторов, оказывающих негативное влияние на техническое состояние оборудования промышленных предприятий, можно отнести

динамические нагрузки. Многие производственные объекты и связанное с ними оборудование проектируется и вводится в эксплуатацию без учета динамических воздействий, а при расчете ресурса таких объектов во внимание принимаются лишь малоцикловые нагрузки, связанные, прежде всего с технологическими пусками и остановами, изменениями режимов работы и т.д. Между тем, значительное влияние на срок службы оборудования могут оказывать факторы, не предусмотренные на этапе проектирования. Так, например, известно, что неотъемлемой частью эксплуатации насосно-компрессорного оборудования являются проблемы связанные с высоким уровнем вибрации трубопроводных обвязок, межступенчатых аппаратов, компрессорных агрегатов[131, 146, 205, 312314]. Особенно это характерно для установок оснащенных поршневыми компрессорами, а также технологического оборудования, работающего совместно с центробежными нагнетателями, перекачивающими высоковязкие или высокотемпературные среды. При проектировании подобных объектов вопросы размещения и закрепления оборудования чаще всего решаются без расчета спектра частот свободных колебаний и проверки системы на резонанс. В результате, при эксплуатации оборудование подвергается действию не предусмотренных проектом динамических нагрузок, длительное действие которых в сочетании с другими повреждающими факторами, становится причиной усталостного разрушения отдельных его элементов и, как следствие, приводит к инцидентам и аварийным ситуациям на ОПО, человеческим и материальным потерям, загрязнению окружающей среды.

Помимо вибрационных воздействий для оборудования многих ОПО РФ ситуация осложняется необходимостью учета дополнительных динамических нагрузок, обусловленных например сейсмическими явлениями [33, 228, 257, 263], ветровыми[90, 148] и другими[120] нагрузками и т.д. Так как масс-инерционные и жесткостные характеристики действующего оборудования могут существенно отличаться от проектных, вследствие ошибок монтажа, изменения технологии, свойств грунтов оснований, то и фактическая нагруженность таких объектов при действии динамических нагрузок может изменяться в широком диапазоне.

С учетом выше изложенного научную и прикладную актуальность имеет проблема совершенствования структуры систем управления промышленной безопасностью предприятий РФ, эксплуатирующих ОПО, в направлении внедрения единых методических подходов к оценке технического состояния динамически нагруженного оборудования, позволяющих выявить неизвестные на этапе проектирования параметры динамических воздействий, корректно оценить фактическую нагруженность таких объектов, а при необходимости разработать и внедрить превентивные меры по повышению их динамической стойкости для обеспечения промышленной безопасности на ОПО и снижения рисков возникновения инцидентов и аварий.

Степень разработанности темы исследования.

В настоящее время вопросы оценки и управления техническим состоянием оборудования ОПО решаются в рамках, предусмотренных действующим законодательством РФ в сфере промышленной безопасности[292-295], процедур технического освидетельствования, технического диагностирования и экспертизы промышленной безопасности оборудования. При этом применяемые на практике методы технической диагностики, расчетные и экспериментальные методы исследования технического состояния оборудования, а также периодичность и объемы их внедрения, определяются типом используемой на предприятии стратегии технического обслуживания и ремонта оборудования.

Исследованию проблем обеспечения промышленной безопасности оборудования ОПО в рамках реализации различных стратегий технического обслуживания и ремонта оборудования, а также вопросам оценки технического состояния оборудования с учетом фактически действующих на него повреждающих факторов посвящено множество работ. Среди них можно отметить работы Болотина В.В.[35, 41], Барышова С.Н.[22, 170, 236, 246], Бермана А.Ф.[31, 231], Гражданкина А.И.[74, 75], Емельянова A.A.[88], Котляревского В.А.[8, 117, 118], Краковского Ю.М.[119], Кумамото X., Хенли Э.Дж.[300], Махутова Н.А.[28, 97, 133-135, 137, 138], Митрофанова А.В.[147, 170, 236, 246], Москвичева В.В.[136, 151, 199], Лисанова М.В.[125, 195], Лукьянова

А.В.[126, 127], Ханухова Х.М.[117, 297, 298], Шаталова A.A.[303, 304], Одишарии Г.Э., Сафонова B.C., Швыряева А.А.[224] и др.

Среди работ отечественных ученых и инженеров, внесших значительный вклад в развитие методов технической диагностики и традиционных методов дефектоскопии, можно отметить работы Артоболевского И.И., Клюева В.В., Балицкого Ф.Я., Мужицкого В.Ф., Лукьянова А.В, Костюкова В.Н., Науменко А.П., Матвеева В.И., Гриба В.В., Генкина М.Д., Шелихова Г.С., Шубочкина А.Е., Горкунова Э.С. и многих других авторов[14, 15, 36, 45, 49, 76, 89, 94, 99, 107, 115, 127, 223, 299, 306, 312-314]. Именно на работах этих авторов строится современная отечественная система нормативно-методических документов в области применения методов дефектоскопии и мониторинга при техническом диагностировании оборудования ОПО.

В отношении оценки технического состояния динамически нагруженного оборудования химических и нефтеперерабатывающих производств основной объем исследований лежит в плоскости развития методов технической диагностики центробежных и поршневых машин. Такие исследования, например, содержаться в работах Лукьянова А.В.[126, 127], Костюкова В.Н.[113, 114, 116], Науменко А.П[115], Ширмана А.Р. [306] и др. авторов. Для остальных групп оборудования химического и нефтяного машиностроения, применяемых на ОПО рассматриваемой отрасли - трубопроводов, сосудов, аппаратов, реакторов, промышленных эстакад и т.п. вопросы оценки технического состояния с учетом динамических воздействий сегодня практически не рассматриваются и требуют проведения в каждом конкретном случае специальных исследований, т.к. действующие нормативно-методические документы (например, ГОСТ 32388-2013[58] в основе которого лежат исследования Миркина А.З., Усиньша В.В. и др. авторов [131, 146]), регламентирующие процедуры оценки технического состояния в этой области, имеют адресную направленность и не допускают массового применения для всего спектра динамически нагруженного оборудования.

На основе проведенного анализа работ указанных и других авторов следует отметить, что существующие подходы к оценке технического состояния таких групп динамически нагруженного оборудования ОПО как трубопроводы, сосуды, аппараты, реактора и т.п., не позволяют в полной мере обеспечить требуемый уровень их промышленной и экологической безопасности и требуют пересмотра и развития.

Целью диссертационной работы является разработка научно-методических основ, нормативного и инструментального обеспечения технологии оценки технического состояния динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов, а также управление им через оптимизацию жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. разработка и внедрение технологии оценки и управления техническим состоянием (ОУТС) оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы;

2. разработка, апробация и внедрение группы универсальных методов расчетно-экспериментальной оценки технического состояния деталей и элементов динамически нагруженного оборудования ОПО, как линейно-упругих механических колебательных систем с конечным числом степеней свободы;

3. разработка способов и средств управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования на основе оптимизации его жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик.

4. разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения, реализующего предлагаемые подходы в области оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации динамически нагруженного оборудования ОПО;

5. разработка, апробация и внедрение в промышленную эксплуатацию средств (измерительная техника, технические устройства, аппаратно-программные

комплексы для периодического и постоянного мониторинга, нормативно-методическая база) для обеспечения внедрения предлагаемой технологии на всех этапах.

Научная новизна работы представлена:

1. технологией оценки и управления техническим состоянием оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы;

2. универсальным расчетно-экспериментальным методом оценки напряженно-деформированного состояния динамически нагруженного оборудования при динамических нагрузках общего вида;

3. методом расчетно-экспериментальной экспресс-диагностики макродефектов оборудования на основе периодического мониторинга отклонений от «эталонного» спектра собственных частот колебаний исследуемого объекта в процессе эксплуатации;

4. методами сбора и обработки экспериментальных данных о динамическом состоянии промышленного оборудования при использовании различных вариантов инструментального обеспечения;

5. адаптивной системой нормирования амплитуд вынужденных колебаний промышленного оборудования по избранным критериям;

6. модифицированным подходом к реализации технологии корреляции цифровых изображений, позволяющим использовать ее, как для прямого измерения деформаций целевой поверхности, так в качестве источника первичной информации для расчетно-экспериментальных оценок напряженно-деформируемого состояния исследуемого объекта;

7. подходами к построению систем периодического и постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния технологического оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях;

8. двухстадийным подходом к управлению динамическими свойствами оборудования, на основе введения дополнительных дискретных демпфирующих связей и оптимизации степени демпфирования;

9. методологией математического моделирования параметров работы демпфирующих устройств на основе результатов стендовых испытаний;

10. методологией автоматической идентификации формализованных дефектов промышленного оборудования при проведении интроскопического контроля;

11.математическим, алгоритмическим и инструментальным обеспечением, реализующим предлагаемые подходы в области проведения расчетно-экспериментальных оценок, периодического и постоянного мониторинга, а также управления динамическими свойствами оборудования.

В целом результаты работы автора рассматриваются как разработка новых научно обоснованных технических и методических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны в части решения вопросов обеспечения промышленной безопасности динамически нагруженных объектов в различных отраслях промышленности РФ.

Объектом исследования являются трубопроводы, сосуды, аппараты, машины, а также связанные с ними строительные конструкции, применяемые на опасных производственных объектах химической, нефтехимической, нефтяной и газовой промышленности, эксплуатируемые при динамических воздействиях техногенной (промышленные вибрации, пульсации давления перекачиваемых сред) и естественной (сейсмические, ветровые нагрузки и др.) природы.

Предметом исследования являются теория и методы исследования динамических процессов, влияющих на техническое состояние оборудования химического и нефтяного машиностроения, способы управления этими процессами, в т. ч. на основе диагностики, мониторинга, а также компьютерного моделирования с применением современных численных и расчетно-экспериментальных методов исследования.

Методология и методы исследований.

Решение поставленных задач выполнено на основе положений теории колебаний, линейной теории упругости, методов цифровой обработки сигналов и изображений, расчетных и экспериментальных методов исследования

динамической прочности, методов идентификации технических систем, теории оптимального проектирования конструкций. Для дискретизации и аппроксимации деталей промышленного оборудования, машин и конструкций использован метод конечных элементов. Для исследования качественной картины поведения механических систем с демпфированием использованы аналитические подходы. При решении прикладных динамических задач использованы методы численного интегрирования уравнений движения.

Ряд аналитических и численных исследований автором выполнен с помощью математических пакетов MathCAD, Maple и MatLab. Разработка программного обеспечения, реализующего внедрение результатов исследований, выполнена на языках Visual C++, C#, Visual Fortran, Visual Basic. Расчетные и экспериментальные исследования выполнены на научно-методической, испытательной и инструментальной базе АО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (АО «ИркутскНИИхиммаш»), а также действующих технологических установках АО «Ангарская нефтехимическая компания» (АО «АНХК»), АО «Ангарский завод полимеров» (АО «АЗП»), АО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» (АО «РНПК»), АО «Газпром нефтехим Салават», АО «Саянскхимпласт», ПАО «Верхнечонскнефтегаз» (ПАО «ВЧНГ») и др.

Теоретическая значимость результатов обоснована тем, что в работе предложено научное и экспериментальное обоснование эффективности применения расчетно-экспериментальных методов исследования для комплексной оценки технического состояния оборудования опасных производственных объектов при действии динамических нагрузок техногенной и естественной природы, а также разработаны, апробированы и внедрены научно-методические основы технологии оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования, расширяющие существующие подходы к вопросам контроля и мониторинга опасных производственных

объектов и вносящие существенный вклад в развитие страны в части решения вопросов обеспечения их промышленной и экологической безопасности.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности применения разработанных автором методов и средств для обеспечения промышленной безопасности оборудования ОПО, в т.ч. на основе расчетно-экспериментальной оценки фактической нагруженности промышленного оборудования ОПО, идентификации и анализа рисков возможных аварий, а также планирования и реализации мер по повышению динамической стойкости оборудования.

На основе результатов диссертационных исследований автором разработаны и внедрены на ряде промышленных предприятий РФ:

а) серия демпфирующих устройств вязкого трения мембранного типа (патент РФ по заявке №2016134174 «Демпфер вязкого трения» - решение о выдаче патента от 15.08.2017) с регулируемым и нерегулируемым уровнем демпфирования, позволяющих обеспечить эффективное гашение нежелательных вибраций;

б) измерительная аппаратура для оперативной динамической тензометрии на действующем оборудовании (патент РФ по заявке №2016137240 «Тензометр накладной динамических деформаций» - решение о выдаче патента от 18.08.2017), применяемая в качестве источника первичной информации для осуществления расчетно-экспериментальных оценок, а также их верификации;

в) мобильный и стационарный контрольно-измерительные комплексы для периодического и постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния динамически нагруженного оборудования согласно патенту РФ №2626391 «Способ мониторинга напряженно -деформированного состояния объектов повышенной опасности»;

г) серия роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов, работающих под управлением единого диагностического комплекса;

д) нормативно-методическая база в виде 5-ти национальных и отраслевых стандартов, а также ряда локальных методических документов. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по п. в) и г) выполнялись автором, в т.ч. за счет средств выделенных из бюджета Иркутской области, на реализацию инновационных проектов, по направлениям приоритетным для развития Сибирского региона.

Соответствие паспорту специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (технические науки):

- пункт 6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой;

- пункт 7. Разработка и повышение эффективности методов технического обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. технология оценки и управления техническим состоянием оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы;

2. адаптивная система нормирования амплитуд вынужденных колебаний динамически нагруженного оборудования по избранным критериям;

3. универсальный расчетно-экспериментальный метод идентификации динамического напряженно-деформированного состояния оборудования, подверженного динамическим нагрузкам техногенной и естественной природы;

4. методы сбора и обработки экспериментальных данных для идентификации напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования при использовании различных вариантов инструментального обеспечения;

5. расчетно-экспериментальный метод экспресс-диагностики макродефектов оборудования на основе периодического мониторинга состояния исследуемого оборудования в процессе эксплуатации;

6. методология управления динамическими свойствами оборудования на основе оптимизации его жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик;

7. комплекс программных, аппаратно-программных средств и технических устройств, обеспечивающий прикладное использование полученных результатов исследований.

Достоверность и обоснованность научных результатов исследований

обеспечена корректным использованием методов теории колебаний, линейной теории упругости, метода конечных элементов, методов цифровой обработки сигналов и изображений, методов оптимального проектирования конструкций, а также удовлетворительным совпадением результатов аналитических и численных решений с результатами натурных экспериментов, практическими внедрениями и инженерно-техническими разработками, апробированными в стендовых условиях и на действующих промышленных предприятиях химического и нефтегазового комплекса РФ, использованием метрологически поверенного и сертифицированного инструментального обеспечения, стендового оборудования и программных средств.

Внедрение и использование результатов работы.

Результаты работ автора по инструментальному обеспечению технологии оценки технического состояния динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов нашли отражение в 7-ми независимых программных комплексах: ПО «НОРМА», ПО «MStruct», ПО «Stand», ПО «COMPASS», ПО «Correlation», ПО «SIdent» и ПО «CPipes».

На часть разработанного ПО получены свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№2014619601 «Программа структурного мониторинга технологического оборудования, зданий и сооружений (MStruct)»[202], №2017614231 «Программа идентификации напряженно -деформированного состояния деталей машин и конструкций(SIdent)[201]», №2016662397 «Программа для стендовых испытаний машиностроительных изделий(Stand)»[200]).

На основе результатов, полученных в диссертационной работе, при участии автора разработаны и внедрены в АО «Ангарская нефтехимическая компания», АО «Ангарский завод полимеров», АО «Ачинский НПЗ», АО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания», АО «Газпром нефтехим Салават» согласованные Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ отраслевые нормативные документы РД 0154-13-2003[208], РД 0154-18-2005[209], РД 0154-19-2006[210], СТО-00220227-044[242], СТО-00220227-002[244], а также национальный стандарт ГОСТ Р 55431-2013[67].

Основные подходы к построению инструментальных, аппаратно-программных средств, а также технических устройств, использование которых обеспечивает внедрение предлагаемой технологии на всех этапах ее применения, представлены в материалах закрепленных соответствующими патентами (Пат. №2343313 РФ «Компрессорная станция»[177], Пат. №2618631 РФ «Устройство для запирания крышки сосуда, работающего под давлением»[172], Пат. №2626391 РФ «Способ мониторинга технического состояния объектов повышенной опасности»[173]), пат. РФ по заявке №2016134174 «Демпфер вязкого трения» (решение о выдаче патента от 15.08.2017), пат. РФ по заявке №2016137240 «Тензометр накладной динамических деформаций» (решение о выдаче патента от 18.08.2017), а также заявками на патенты (№2017129031 «Телеуправляемый внутритрубный интроскоп» - дата приоритета 14.08.2017).

Полученные автором в работе научные результаты использованы при выполнении ряда научно-исследовательских работ на предприятиях ПАО «Газпром», ПАО «СИБУР Холдинг», НК «Роснефть», что подтверждается соответствующими актами внедрения (см. приложение 1).

На разработанную и внедренную на опасном производственном объекте (установка ЭЛОУ+АВТ-6 цеха 18 нефтеперерабатывающего завода АО «Ангарская нефтехимическая компания») стационарную систему постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния получено разрешение Ростехнадзора РФ на применение. На сегодняшний день данная система

мониторинга находится в эксплуатации уже более 9 лет и является важным звеном системы управления промышленной безопасностью на данном ОПО.

Личный вклад соискателя состоит в формировании цели и задач исследования; разработке проблемы в целом, выполнении расчетных, аналитических и экспериментальных исследований; построении математических моделей; планировании, проведении и обработке результатов численных и натурных экспериментов; разработке, тестировании и внедрении методик, алгоритмов и программных комплексов; разработке и внедрении нормативно-методической базы технологии ОУТС; проектировании, изготовлении, тестировании и внедрении инструментального обеспечения технологии; формулировании выводов по работе. В совместных работах личный вклад автора состоит в полной или частичной разработке отдельных составляющих исследований, анализе полученных результатов, формулировании выводов.

Все результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации содержит 428 страниц, включая 9 таблиц, 178 рисунков и список литературы из 407 наименований. Приложения изложены на 58 страницах и содержат копии документов внедрения результатов работы, а также избранные результаты расчетов.

В первой главе приводится аналитический обзор современного состояния проблемы обеспечения безопасной эксплуатации ОПО промышленных предприятий РФ. Отмечена важность учета при оценке технического состояния оборудования фактически действующих повреждающих факторов, в т.ч. не предусмотренных на этапе проектирования. При этом в качестве наиболее существенного фактора, учет которого для целого класса технических объектов, как правило, не проводится, определен фактор динамического нагружения.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Трутаев Станислав Юрьевич, 2018 год

Источник

Скорость перемещения

Пространс

положени е объекта

Преодол

гибов

Виды контроля

Шаговый

пневматическим

приводом

регулируемыми

пневматическими

упорами

Постоянный ток 12/24В, до 0.5А

Сжатый воздух 2.5^8атм

Шаговый

электромагнитным

приводом

регулируемыми

упорами

Постоянный ток 12/24В, до 5А

в режиме перемещения: до 5 м/мин в режиме сканирования : до 1 м/мин

не важно

уклон не более 45о

>1.5Б Метод регистрации магнитных полей рассеяния

Вихретоковый метод контроля

№ п/п

ение

с

и

2

с

3

и

Для иллюстрации на рисунке 136 показан, входящий в состав диагностического комплекса, шаговый интроскоп с пневматическим приводом и регулируемыми пневматическим упорами. На данный тип устройства в рамках диссертационного исследования подана заявка на патент (получена дата приоритета - см. приложение 1).

Особенностью конструкции интроскопа является возможность оперативной механической регулировки/настройки устройства на требуемый диаметр

(80^130мм), инвариантность применимости устройства к пространственной ориентации исследуемого трубопровода, а также стабильные показатели движения (равномерный шаг, стабильное усилие распора и т.п.).

Рисунок 136 - Шаговый внутритрубный интроскоп с пневматическим приводом и регулируемыми пневматическими упорами

1 - Диагностический/видео модуль; 2 - Передний распорный блок с регулируемыми пневматическими упорами; 3 - Блок поступательного движения, включающий систему управления воздушными потоками; 4 - Задний распорный блок с регулируемыми пневматическими упорами; 5 - Система управления воздушными потоками; 6 - Пневматический цилиндр

Перемещение интроскопа по прямолинейным и криволинейным участкам трубопроводов любой пространственной конфигурации (горизонтальный, наклонный, вертикальный) осуществляется в шаговом режиме по принципу «гусеницы» за счет подачи сжатого воздуха 2.5^8 атм в различные пневматические элементы устройства (пневмоупоры, пневмопривод).

Непосредственно процедура дефектоскопии объекта контроля выполняется на каждом шаге поступательного движения устройства с плотностью контроля равной величине шага, либо дробной его части при использовании нескольких датчиков (например, датчиков Холла в случае применения МБЬ метода), размещаемых в осевом направлении устройства.

Для управления диагностическим комплексом автором разработано специализированное приложение СР1реБ (см. раздел 7.2.7).

7.1.4 Разработка, апробация и внедрение измерительной аппаратуры для осуществления оперативной динамической тензометрии

При использовании в рамках внедрения технологии ОУТС расчетно-экспериментальных методов, предложенных в главах 3, 4, в целях определения достоверности проводимых оценок целесообразным является подтверждение получаемых результатов дублирующими методами и в частности посредством натурной тензометрии.

Классическая тензометрия[78, 191] предполагает наклейку/приварку в интересующих зонах исследуемого объекта тензорезисторов с предварительной подготовкой целевой поверхности (зачистка, обеспыливание, обезжиривание и т.п.). В условиях действующих производств техническая возможность проведения указанных процедур имеется не всегда, так как для этого требуется вывод исследуемого оборудования из технологического процесса, открытие огневых работ и т.д.

С учетом необходимости обеспечения оперативности контроля напряженно-деформированного состояния оборудования, целесообразным является использование быстросъемных датчиков деформации. Такие датчики применяются сегодня, например, для измерения деформаций строительных конструкций[1]. Так, на рисунке 137 показан струнный тензометр, установленный на целевую поверхность с использованием магнитов.

Рисунок 137 - Быстросъемный струнный тензометр, установленный посредством

магнитов (заимствовано из [1]) Для рассматриваемого класса задач контроля деформаций динамически нагруженного оборудования в рамках работы разработана, апробирована и внедрена собственная конструкция быстросъемного тензометра, защищенная патентом РФ по заявке №2016137240 «Тензометр накладной динамических деформаций» (решение о выдаче патента от 18.08.2017).

По аналогии с [1] тензометр устанавливается на целевую поверхность исследуемого объекта посредством примагничивания. При этом о деформации целевой поверхности судят по перемещению опорных частей 1 (см. рисунок 138) тензометра, регистрируемому с помощью тензорезисторов, наклеенных на упругую вставку 2 особой конструкции.

Измерение деформаций начинается после коммутации тензометра с контрольно-измерительной аппаратурой и снятия фиксатора 6.

В рамках апробации предложенных в работе расчётно-экспериментальных методов оценки напряженно-деформированного состояния динамически нагруженного оборудования, рассмотренная конструкция тензометра использовалась, как в качестве источника первичной информации для осуществления расчетно-экспериментальных оценок, так и для верификации оценок по результатам идентификации, использующей в качестве данных экспериментальных наблюдений иные динамические параметры (например, динамические перемещения).

7 4 5 6

"Л г~

Рисунок 138 -Предложенная конструкция тензометра для осуществления

оперативной динамической тензометрии

1. Опорная часть тензометра; 2. Упругая вставка; 3. Магнит; 4. Упругий плоский элемент; 5. Тензорезистор(ы) 6. Фиксатор; 7. Винт; 8. Целевая

поверхность

На рисунке 139а показан пример использования тензометра при контроле динамических напряжений трубопроводов установки 74-5 НПЗ АО «АНХК» в

2016 г.

Рисунок 139 - Апробация и внедрение предложенной конструкции тензометра

а) контроль динамических деформаций трубопроводов установки 74-5 НПЗ АО «АНХК» в 2016 г.; б) Верификация параметров работы тензометра в лабораторных условиях АО «ИркутскНИИхиммаш»

Перед применением, конструкция тензометра прошла лабораторное тестирование и калибровку в стендовых условиях на стандартной

тензометрической балке (см. рисунок 139б).

7.1.5 Мобильный комплекс для идентификации собственных частот

колебаний объекта

В рамках обеспечения предложенной в главе 5 методологии расчетно-экспериментальной экспресс-диагностики макродефектов в работе предложен и апробирован аппаратно-программный комплекс для автоматического определения спектров собственных частот колебаний объектов на основе шагового метода возбуждения колебаний^ерреё sine excitation)[347].

Отмеченный комплекс показан на рисунке 140. Он включает в себя следующие компоненты:

- электродинамический/ механический возбудитель;

- цифровой генератор синусоидального сигнала;

- набор пьезоэлектрических акселерометров с усилителем;

- многоканальный сборщик данных на базе портативного компьютера

со специализированным ПО; - синхронный детектор.

Рисунок 140 - Аппаратно-программный комплекс для автоматического определения спектров собственных частот колебаний объектов

Как отмечалось в главе 5, недостатком шагового метода возбуждения колебаний является длительность тестирования, определяемая с одной стороны требуемым спектральных разрешением, а с другой стороны временем задержки, требуемым для получения установившихся колебаний объекта на заданной частоте. Так, например, при спектральном разрешении 0.01Гц и временем задержки 500мс процедура получения спектра отклика конструкции в диапазоне от 5 до 2000 Гц занимает порядка 27 часов.

Для компенсации указанного недостатка автором предложен интеллектуальный алгоритм управления параметрами поиска, обеспечивающий сокращение времени построения спектра отклика конструкции за счет адресного увеличения спектрального разрешения и времени задержки только в окрестности резонансных частот, определяемых за счет предварительного применения техники импульсного возбуждения ударным импульсом[350].

На начальном этапе использования алгоритма (см. рисунок 141) с использованием техники импульсного возбуждения [350] осуществляется ориентировочное определение n резонансных частот и формируется вектор частот {f}. Для этого в состав предложенного комплекса дополнительно включен специальный ударник со встроенным датчиком силы (см. рисунок 140), применение которого в сочетании с синхронно измеряемыми параметрами вибрации позволяет выполнить грубую идентификацию резонансных зон объекта на основе вычисления передаточной функции по выражению (111).

На следующем этапе пользователем задаются параметры испытаний, а именно:

а) Начальное «грубое» спектральное разрешение df и начальное «грубое» время задержки dt;

б) Нижняя и верхняя границы спектра fi и fu;

в) Зона сгущения спектрального разрешения Af и коэффициенты уплотнения kf и kt в окрестности резонанса fj при i = 1,2,..,n.

После этого запускается процедура шагового метода возбуждения(stepped sine excitation)[347].

Рисунок 141 - Интеллектуальный алгоритм управления параметрами поиска собственных частот исследуемого объекта

При попадании частоты возбуждения текущего шага в

околорезонансную зону:

Af

(152)

fi-y<fcur<fi+y

выполняется сгущение спектрального разрешения:

df

(153)

и увеличение времени задержки до уровня dt • kt.

При выходе из околорезонансной зоны осуществляется возврат к начальным параметрам сканирования:

После завершения процедуры, т.е. при достижении верхней границы частотного диапазона = ^ осуществляется формирование уточненного вектора частот участвующего в дальнейшем в процедуре периодического мониторинга согласно методологии представленной в главе 5.

В настоящем разделе представлено описание разработанного автором комплекса программного обеспечения реализующего, предложенную в главе 2 технологию оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования.

Указанный комплекс программ представлен семью независимыми программами: ПО «НОРМА», ПО «MStruct», ПО «Stand», ПО «COMPASS», ПО «Correlation», ПО «SIdent» и ПО «CPipes». На часть разработанного ПО получены свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№22014619601 «Программа структурного мониторинга технологического оборудования, зданий и сооружений (MStruct)» [202], №2017614231 «Программа идентификации напряженно - деформированного состояния деталей машин и конструкций(SIdent)» [201], №2016662397 «Программа для стендовых испытаний

(154)

7.2 Программное обеспечение технологии ОУТС

машиностроительных изделий( Stand)» [200]). Перечисленное программное обеспечение, а также его связь с отдельными этапами технологии ОУТС, показаны на рисунке 142.

ПО«НОРМА»

программа для нормирования амплитуд динамически« перемещений по избранным критериям

Предварительное исследование

состояния оборудования на ОПО

ПО «Sldent»

- программа для исследования напряженно-деформированного состояния динамически нагруженных промышленных объектов(надстройка над Aisvsi

ПО «MStruct»

экспертная система для постоянного мониторинга динамически нагруженного оборудования ОПО

ПО «Stand»

программа для стендовых испытаний машиностроительной продукции на статические и динамические воздействия

ПО a COMPASS»

программный комплекс для оптимального проектирования машиностроительных и строительных конструкций

ПО «Corralation»

программа для исслвдевания напряженно-деформированного состояния оборудования

методом корреляции цифровых изображений

ПО «CPipes»

программа для сбора данных интроскопии,а также обработки и визуализации ее результатов

Рисунок 142 - Программное обеспечение технологии оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования ОПО

Более подробно представленное программное обеспечение технологии оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов рассмотрено ниже.

7.2.1 Программный комплекс Compass

Программная система «COMPASS»[27, 198, 277] предназначена для расчета и оптимального проектирования плоских и пространственных конструкций, подверженных статическим и динамическим воздействиям. В ней реализован метод конечных элементов с использованием стержневых, плоских и объемных элементов [24, 92].

Свое начало система получила от созданного ранее комплекса программ РИОСК[25]. В различное время над ней трудились различные авторы и творческие коллективы. В современном виде (под Windows) программа появилась в 1997 г. Интерфейсная часть программы была разработана Буклемишевым А.В. Процессорная часть для выполнения расчетов МКЭ разрабатывалась Безделевым В.В. и Лукьяновым А.А. Она получила наименование COMPASS Processor и состояла из интерфейсной части и набора динамически подключаемых библиотек, реализующих отдельные шаги МКЭ.

ПО «COMPASS» является универсальной системой и может использоваться для решения разных задач по расчету широкого класса конструкций. Она построена на основе открытой модульной архитектуры. Такая архитектура позволяет разрабатывать и изменять отдельные модули независимо друг от друга, используя общий набор подпрограмм и функций, предназначенных для организации интерфейса модулей с другими компонентами комплекса. Разработанные таким образом модули легко добавляются в состав комплекса программ, расширяя его возможности.

Начиная с 2005 года ПО «Compass» развивалось в направлении расчета объектов машиностроения. В эти годы над программой трудились Безделев В.В, Дмитриева Т.Л., Распопина В.Б., Трутаев С.Ю., Трутаева В.В., Шадрин Д.А. и другие авторы.

В настоящее время развитием программы в области машиностроения занимается исключительно автор диссертации.

В рамках диссертационного исследования автором разработан, протестирован и включен в стандартный пакет программы набор расчётных и интерфейсных программных модулей, позволяющих осуществлять:

а) прочностной анализ технологического оборудования с применением разработанных с участием автора стержневых, плоских, объемных, а также специализированных вязко-упругих конечных элементов.

б) динамический анализ механических колебательных систем при действии вибрационных, сейсмических и др. видов динамических нагрузок, в т.ч. на

основе разложения движения системы по формам свободных колебаний, а также применения процедур прямого интегрирования уравнений движения с пропорциональным и непропорциональным демпфированием;

в) уточненный расчет спектров собственных колебаний оборудования с учетом статических нагрузок;

г) расчетно-экспериментальную оценку напряженно-деформированного состояния механических колебательных систем с конечным числом степеней свободы по результатам натурных исследований;

д) анализ динамики механических колебательных систем с демпфированием, в т.ч. в режиме оптимизации уровня демпфирования и определения координат размещения дискретных демпферов на объекте исследования;

е) идентификацию макродефектов, а также автоматическое уточнение граничных условий оборудования по экспериментально определенным спектрам собственных колебаний.

Все расчетные модули выполнены автором с использованием языка программирования VisualFortran. Интерфейсные модели реализованы на языке программирования C++.

Пример результатов расчета напряженно-деформированного состояния для клапана высокого давления [267] в ПО «COMPASS» показан на рисунке 143.

1«, ™ »4«-« »>» «*4 .5»»« MM -iT»« • I*»

Г1»|В J|HB|3 « W-iMi) !- - Г-. ■■! ' 1 •+: -1MI

М- JJ* 'i-l-J - Ь -I*.-all- r h i ■■

НКф*>пвм 11Л1»)

530M7M3 4I7M7IJ7 «И OMiil 4» «41*5

110 1ВД» 357 ИЛ И ]« 1Н*?4 ДОМ4123

1« змш

JJ7 71)1 ID 155 ЛЖИ 1*3 7«0М ШЯ15М отшкт »злпы

33 MOOT 6

Рисунок 143 - Поле эквивалентных напряжений клапана высокого давления в ПО

COMPASS» [267]

При внедрении рассматриваемой в главе 2 технологии ОУТС в отношении оборудования I группы критичности для использования в составе систем постоянного мониторинга автором разработан программный пакет MStruct, предназначенный для выполнения структурного мониторинга технологического оборудования, а также зданий и сооружений на опасных производственных объектах. На программный комплекс MStruct получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014619601[202].

В ПО MStruct, также как и в программном пакете COMPASS реализована концепция, основанная на применении МКЭ[24, 92]. Архитектура системы MStruct построена следующим образом. Имеется препроцессор, в который загружается подготовленная ранее расчетная схема объекта мониторинга. Данная схема может быть построена в любой программе конечно-элементного анализа, например с использованием программ COMPASS[27], Ansys[380], Nastran[305] и др.

Основной функцией препроцессора программы MStruct является задание исходных данных для осуществления мониторинга. Это процедура включает в себя:

- присоединение через SQL сервер к базе данных мониторинга, формируемой центральным контроллером системы;

- конфигурирование каналов системы;

- привязка каналов к конкретным точкам загруженной расчетной схемы (конечно-элементной модели) объекта;

- задание режимов мониторинга;

Помимо препроцессора в системе MStruct имеются также постпроцессор, совмещенный с процессором.

Основная задача процессора - вычислительные операции с загруженными в оперативную память матрицами, характеризующими конструктивное исполнение объекта, а также выполнение идентификационных расчетов напряженно-

деформированного состояния с периодичностью определенной на этапе препроцессинга.

Идентификационные расчеты напряженно-деформированного состояния объекта по набору измеряемых дискретных параметров выполняются с использованием положений главы 3.

Постпроцессор программы отвечает за отображение в реальном режиме времени текущего состояния объекта по выбранным пользователем позициям (отображение деформаций, усилий, напряжений, запасов прочности и т.д.), а также документирования (протоколирования) процесса мониторинга по историческим данным.

ПО MStruct разработано на языках C++ и Fortran. Для визуализации результатов мониторинга использована библиотека OPENGL. Примеры визуальных образов программы показаны на рисунке 144.

Рисунок 144 - Пример отображения результатов мониторинга трубопроводов трансферных трубопроводов установки ЭЛОУ-АВТ-6 НПЗ АО «Ангарская нефтехимическая компания» в ПО М81гиС;[202]

Рисунок 145 - Пример отображения результатов мониторинга тестового каркасного промышленного здания с мостовым краном и предварительно-напряженными стропильными фермами в ПО М81тис1;[202]

а) Результаты мониторинга здания от снеговой нагрузки (поля перемещений); б) Результаты мониторинга здания при движении крана (эпюра моментов).

ПО SIdent (аббревиатура от англ. Structures Identifications) разработано автором в целях обеспечения инвариантности использования предложенных в главе 3 методических подходов к типу применяемого программного обеспечения. С учетом этого программный комплекс SIdent выполнен в виде надстройки над программным комплексом ANSYS[23, 105, 380].

Разработанное программное обеспечение позволяет выполнять идентификацию напряженно-деформированного состояния динамически нагруженных объектов по набору измеренных параметров в ряде дискретных точек объекта. В рамках диссертационного исследования на него получено свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ №2017614231 «Программа идентификации напряженно - деформированного состояния деталей машин и конструкций(SIdent)»[201].

Архитектура ПО SIdent построена следующим образом. Имеется подпрограмма, разработанная на языках IronPython и APDL, осуществляющая выгрузку исходных данных для идентификации напряженно - деформированного состояния исследуемого объекта из ПО ANSYS (через оболочку Design Assistant), подготовки расчетных матриц и векторов и записи их в текстовые файлы. Полученные матрицы и вектора, составляющие пространство для идентификации, обрабатываются программой (Calc.exe), разработанной на языке C#. Программа осуществляет вычисление вектора/векторов (в случае идентификации по серии измерений) обобщенных координат по (33) на базе полного либо усеченного пространства для идентификации по (27), а также определение суммы квадратов невязок (29) по каждому из возможных сочетаний векторов, составляющих используемое пространство. Результаты расчета выгружаются в виде текстовых файлов и используются в дальнейшем для вычисления результирующего напряженно - деформированного состояния исследуемого объекта. Данная процедура осуществляется на основе использования подпрограммы, разработанной на языках IronPython и APDL. Она выполняет суммирование

векторов составляющих пространство для идентификации с учетом вклада каждого в общее напряженно-деформированное состояние по (28), а также выгрузку результатов расчета в среду визуализации.

В качестве среды для визуализации результатов расчета используется непосредственно оболочка ANSYS Workbench (см. рисунок 146). Помимо этого имеется возможность вывода результатов контроля в классический ANSYS.

| Я» Ш ЧШч ц*» ТВ* нф IJ 0 >4 I ^SaMi » 7/ЯттЬия Ц| 8 Щ. 4 И IrWiHtihtw 1ц_

* ■ !»- ■ ■ : О * J®. «t Е Q ^ ">

fUiJt 1-5«-«5в>*и1а • Ф' Q » ф- «В sa> лЛРге*« D«p»i ВниНОп* • II CigtCdomg » » /Г' ^ - ft J-| -| Ihtclm АлмШяи ^Mccboi» * 9 Vrtib.lrty - 1@5ирриилп

.С Show VtlKd ©Mfittfrtm* Л Ы Rjndom Colors ф Annoliticn tefmKK

борЫаАпчвМвд» м*«»а»1 йнрь I I Mrtt 117 f№tmncv IHtTI

0 NoUnugn NoSAtton Mebic (mm .u \ и . пЛ, r.d's СЛта " ^

Рисунок 146 - Пример визуализации работы ПО SIdent[201] в оболочке ANSYS

Workbench

7.2.4 Программный комплекс Stand

Программный комплекс Stand разработан автором в целях автоматизации процессов испытания машиностроительной продукции в стендовых условиях. Он предназначен для управления процедурой стендовых испытаний машиностроительных изделий на климатические, силовые статические и динамические воздействия (температура, давление, вибрация и т.д.).

В рамках диссертационного исследования на программный комплекс Stand получено свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ

№2016662397 «Программа для стендовых испытаний машиностроительных изделий(81апё)»[200].

Программа ориентирована на применение совместно с аппаратным обеспечением производства National Instruments. Типовые регистрируемые программой параметры: давление от 0 до 100МПа, температура от - 60 до +1000oC. Существует возможность расширения спектра регистрируемых параметров параметрами вибрации в диапазоне частот от 0 до 10кГц, параметрами деформаций в диапазоне ±2000мкм/м и т.п., в зависимости от требуемого типа испытаний.

Основной функционал программы Stand:

- настройка параметров испытаний (выбор схемы испытаний, определение количества каналов, настройка частоты опроса каналов, параметров коррекции, параметров отображения и т.п.)

- запуск/остановка процесса визуализации/записи параметров испытаний;

- отображение в реальном режиме времени процесса испытаний в виде обновляемых диаграмм по каждому контролируемому параметру;

- запись результатов испытаний на носитель информации для постобработки. Управление программой Stand осуществляется в интерактивном режиме

путем перехода по видовым экранам и активации/дезактивации размещенных на них элементов управления (см. рисунок 147).

Рисунок 147 - Пример видового окна ПО Stand [200]

Программа написана на графическом языке программирования LabView, в сочетании с использованием динамически линкуемых библиотек выполненных на языке C#.

В контексте испытания демпфирующих устройств вязкого трения (см. раздел 7.1.2) на вибрационную нагрузку в целях определения параметров математических моделей наиболее точно аппроксимирующих поведение демпферов, в рамках диссертационного исследования в ПО Stand дополнительно включена расчетная подпрограмма для идентификации их демпфирующих характеристик в пространстве обобщенных моделей Кельвина-Фойгта и Максвелла с общим количеством цепей до 10 (см. рисунок 148).

к,

in

со kj kt

—СЕ— —А

че-

С1

кп r-OTS

ко

Ci

ш 1

И№нТ)№Ка№й п

ОЯМЧЮК

У'ОбоЬденнайножд. hijtaM-^t'odrTa г-.-.тп,-3 Обойще»на& ммсл> Мшсвалпа

Маки 30 -г NPcrta & А 50000 НА, [., Вгауалнааи™

1000 Н-сЛ П

Начать галбор

Д-йоютеб

ИЗ 4

В 5 «

Р 8

И 9 га

Параметр модели Значение

> а 50000

К2 50000

С1 1000

С2 1000

■

500 1000 1500 2000 3500 3000 3500 4000

I

-0.01 000 0.01 перемещение, мы

Рисунок 148 -Разработанное программное обеспечение для идентификации параметров математических моделей при аппроксимации характеристик демпфирующих устройств вязкого трения

а) реализуемые обобщенные модели демпфирования б) пример интерфейсной

части программы идентификации

Идентификация параметров математической модели демпфирования осуществляется с использованием методов оптимального проектирования конструкций во временной области. При этом задача оптимизации выглядит следующим образом:

найти вектор переменных проектирования

где Х(х1,х2,^,хт) - вектор переменных задачи оптимизации, включающий в себя параметры математической модели (например, для модели демпфирования, включающей в себя две цепи Максвелла, математическая модель демпфирующего устройства будет характеризоваться четырьмя параметрами к1,к2,с1,с2);

Ш(Х) - минимизируемая целевая функция, представляющая собой сумму квадратов невязок между экспериментально измеренной силой демпфирования /ехр(0 и силой демпфирования, рассчитанной по принятой математической модели f(X, £):

где £ - время испытания демпфирующего устройства.

Преимуществом рассмотренного подхода является то, что нет необходимости испытывать исследуемый демпфер на фиксированных частотах возбуждения с нормированными параметрами вибрации. Достаточно задать перемещение поршня демпфера по произвольной траектории, при этом в процессе поиска экстремального значения целевой функции (155) будет найдена математическая модель наиболее приближенная по своим свойствам к испытываемому демпфирующему устройству. В результате существенно упрощается процедура проведения испытаний, так как отпадает необходимость применения дорогостоящих электродинамических или гидравлических вибростендов со стабильными выходными параметрами вибрации.

Х(х1'х2',,,'хт)

доставляющий минимум целевой функции

тт^(Х)

(155)

Программный комплекс НОРМА разработан автором в рамках обеспечения внедрения разработанной в главе 2 адаптивной системы нормирования амплитуд вынужденных колебаний динамически нагруженного оборудования по избранным критериям.

ПО «НОРМА» ориентированно на применение в заводских службах вибрационного контроля, научно-диагностических центрах, испытательных лабораториях, а также экспертных организациях реализующих процедуру экспертизы промышленной безопасности оборудования ОПО на подконтрольных Ростехнадзору РФ объектах.

Предложенный функционал ПО «НОРМА» позволяет для заданных условий эксплуатации объекта сгенерировать графики нормативных значений вибрации, по оси ординат которых отложены допускаемые амплитуды динамических перемещений объекта в соответствии с принятым индивидуальным критерием оценки, а по оси абсцисс произвольный геометрический или иной количественный параметр. Пример видового окна, иллюстрирующий функционал ПО «НОРМА», показан на рисунке 149.

Рисунок 149 - Программа «НОРМА»

Программа разработана на языке программирования С#. В качестве расчетного метода при нормировании амплитуд вынужденных колебаний динамически нагруженного оборудования принят метод конечных элементов[24, 92], позволяющий максимально корректно смоделировать поведение контролируемого объекта при динамическом анализе.

В основу построения графиков нормативных значений вибрации, как следует из главы 2, положена оценка допустимости вынужденных колебаний объекта на основе соотнесения вычисляемых параметров (прогибы, осадки, напряжения, деформации, усилия и т.п.), соответствующих наиболее значимой форме колебаний объекта (форма колебаний, которой соответствует максимальный вклад массы объекта в общую динамическую реакцию), предустановленным (избранным) критериям.

Наиболее значимая форма колебаний объекта определяется на основе решения обобщенной проблемы собственных значений согласно (13), либо, в случае необходимости учета влияния на собственные характеристики оборудования статических нагрузок, согласно (15).

В качестве критериев оценки выступают любые (определяемые пользователем) количественные и качественные критерии, связанные с вынужденными колебаниями объекта контроля:

- допускаемые напряжения в материале объекта или его опорных конструкциях, анкерных болтах и т.д.;

- допускаемые перемещения объекта или отдельных его точек, а также элементов связанного с объектом оборудования (разъемные соединения, трубопроводная арматура, элементы строительных конструкций и т.д.);

- уровень вибрации объекта, соответствующий нормальному психологическому восприятию эксплуатационного персонала;

- и др.

Программный комплекс «Correlation» разработан автором в рамках обеспечения практической реализации методических походов предложенных в главе 4 диссертации.

ПО «Correlation» реализует различные подходы к цифровой корреляции изображений деформируемого объекта, в т.ч. обеспечивающие качественное отслеживание перемещения закрепленных на целевой поверхности маркеров.

ПО «Correlation» позволяет в пределах одного многооконного приложения (см. рисунок 150) проводить операции по определению и визуализации перемещений/деформаций целевых поверхностей, как с предварительным нанесением на объект «спекл» структур, так и с использованием, закрепленных на объекте маркеров. При этом реализована возможность связывания отдельных точек поверхности с соответствующими точками заранее подготовленной конечно-элементной модели объекта, с целью использования регистрируемых перемещений объекта при идентификации его фактического напряженно-деформируемого состояния согласно положениям главы 3.

Рисунок 150 - Пример работы ПО Correlation

а) по «спекл» картине; б) по установленным на целевой поверхности маркерам

Программный комплекс «Correlation» разработан на языке программирования C# с использованием возможностей открытой библиотеки OpenCV (Open Source Computer Vision Library), а также ее обертки (wrapper) для платформы .NET - Emgu CV.

При выполнении процедуры корреляции определение базовых точек на опорной поверхности осуществляется по результатам триангуляции Делоне[80] контура, очерчивающего «проблемную» зону, в узлах сгенерированных треугольников. При этом сама процедура триангуляции выполняется встроенным в ПО «Correlation» триангулятором Делоне, реализованном на основе библиотеки Triangle[384].

Пример триангуляции рабочей зоны объекта показан на рисунке 151.

Текущий кадр ~ 0 toofStnpStatusiibей

Рисунок 151 - Пример триангуляции (слева) рабочей зоны (справа) объекта

в ПО «Correlation»

Программный комплекс «СР1реБ» разработан автором на языке программирования С# для управления диагностическим комплексом, реализующим процедуру внутритрубной интроскопии согласно разделу 7.1.3.

ПО «СР1реБ» реализует не только поточную визуализацию результатов интроскопического контроля, но и автоматическую идентификацию дефектов с их последующей классификацией. Для этих целей в лабораторных условиях на тестовых контрольных образцах, моделирующих типовые дефекты, выполнен комплекс исследовательских работ и создана расширяемая диагностическая база типовых формализованных дефектов (см. рисунок 152).

Рисунок 152 - Схема формализации дефектов на основе лабораторных испытаний

на стенде АО «ИркутскНИИхиммаш»

Для идентификации формализованных дефектов в режиме постобработки результатов интроскопии предложен алгоритм (см. рисунок 153), основанный на поисковой процедуре по критерию оценки нормы невязки разности нормализованных матриц формализованного дефекта, занесенного в базу, и нормализованной матрицы, соответствующей некоторой локальной зоне исследуемого объекта.

Рисунок 153 - Алгоритм идентификации формализованных дефектов

С целью повышения эффективности работы алгоритма при его реализации в программе «СР1реБ» предусмотрена возможность использования методов оптимизации и анализа чувствительности для определения наилучшего направления поиска в исходной матрице диагностических данных внутритрубного контроля.

Пример результатов контроля с использованием предложенного диагностического комплекса и ПО «СР1реБ» показан на рисунке 154.

Рисунок 154 - Пример результатов контроля с использованием предложенного диагностического комплекса и ПО «СР1реБ»

7.3 Выводы по главе

По основным результатам проведенных в главе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Показаны результаты работ автора по разработке инструментального и программного обеспечения технологии оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов.

2. Инструментальное обеспечение представлено измерительной техникой, техническими устройствами, аппаратно-программными комплексами, применяемыми на различных этапах внедрения предложенной технологии. Указанные инструментальные средства представлены:

а) мобильным и стационарным контрольно-измерительными комплексами для периодического и постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния оборудования при статических и динамических нагрузках;

б) серией демпфирующих устройств вязкого трения мембранного типа с регулируемым (МДР) и нерегулируемым (МД) уровнем демпфирования для эффективного гашения вынужденных колебаний оборудования во всем значимом спектре частот внешнего динамического воздействия;

в) измерительной аппаратурой для оперативной динамической тензометрии при осуществлении расчетно-экспериментальных оценок оборудования, а также их верификации;

г) серией роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов;

д) мобильным комплексом для идентификации собственных частот колебаний объектов при реализации методологии экспресс-диагностики макродефектов оборудования.

3. Программное обеспечение представлено семью независимыми программными комплексами (MStruct, SIdent, Stand, Норма, Correlation, CPipes, Compass), применяемыми на различных этапах внедрения предложенной технологии. Часть разработок автора вошла в пакет конечно-элементного анализа COMPASS (разраб. Безделев В.В., Лукьянов А.А., Буклемишев А.В., Трутаев С.Ю. и др.), в виде дополнительных расчётных и интерфейсных модулей. Другая часть разработок включена в состав программного пакета MStruct (разраб. Трутаев С.Ю., Трутаева В.В.), предназначенного для выполнения структурного мониторинга технологического оборудования на ОПО, а также программного комплекса SIdent (разраб. Трутаев С.Ю.), предназначенного для исследования динамического напряженно-деформированного состояния промышленных объектов при осуществлении процедуры периодического мониторинга технического состояния. На программные комплексы MStruct, SIdent и Stand получены свидетельства об официальной регистрации программы на ЭВМ(№20146601, №2016166697, №2017614231)[200-202].

ГЛАВА 8 ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В настоящей главе представлены избранные примеры внедрения результатов диссертационного исследования при оценке и управлении техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов РФ. В качестве примеров рассмотрены результаты работ автора по внедрению системы постоянного мониторинга на установке ЭЛОУ-АВТ-6 цеха 18 нефтеперерабатывающего завода, а также оценке и управлению техническим состоянием оборудования высокого давления установки подготовки ретурного газа объекта 1691 цеха 135/136 Химического завода АО «Ангарская нефтехимическая компания».

Основные положения разработок настоящей главы представлены в отчетах НИР[167, 169], а также публикациях автора[202, 238, 281, 337, 397, 398], в т.ч. монографии [262].

8.1 Обеспечение промышленной и экологической безопасности трансферных трубопроводов колонны К11 установки ЭЛОУ+АВТ-6

цеха 18 нефтеперерабатывающего завода АО «Ангарская нефтехимическая компания»

В настоящем разделе представлены результаты внедрения системы постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния в целях обеспечения промышленной и экологической безопасности трансферных трубопроводов колонны К11 установки ЭЛОУ+АВТ-6 цеха 18 нефтеперерабатывающего завода АО «Ангарская нефтехимическая компания».

8.1.1 Общие сведения об объекте исследования

Вакуумная колонна К-11 входит в состав вакуумного блока ВБ-2 установки

ЭЛОУ+АВТ-6 и эксплуатируется в технологическом цикле двухколонной вакуумной перегонки мазута. Принципиальная схема вакуумного блока перегонки мазута на установке ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «Ангарская нефтехимическая компания» показана на рисунке 155.

Рисунок 155 - Принципиальная технологическая схема вакуумного блока перегонки мазута на установке ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «Ангарская нефтехимическая компания» (заимствовано из [251])

I - мазут; II - водяной пар; III, VII - дизельное топливо; IV- широкая масляная фракция; V- затемненный продукт; VI - гудрон; VIII - трансформаторное масло; IX-маловязкая фракция; X- вязкая фракция; XI - вакуумный газойль

Колонна К-11 работает под вакуумом 0.005атм при этом нагрев широкой масляной фракции, подаваемой в колонну в качестве сырья, осуществляется в печи П-3/2 до температуры 330-400°С[251].

Подача в колонну К-11 широкой масляной фракции проводится от печи П-3/2 с использованием трансферных трубопроводов, представляющих собой совокупность стальных труб переменного диаметра 530/720/920 мм суммарной длиной 150м. Трассировка трансферных трубопроводов от печи П-3/2 до колонны показана на рисунке 156.

Примыкание трансферных трубопроводов к колонне К-11 осуществляется через штуцера Dy900, вваренных в конусный элемент корпуса колонны и усиленных укрепляющими кольцами (см. рисунок 157).

Рисунок 156 - Трассировка трансферных трубопроводов от печи П-3/2

до вакуумной колонны К-11

Рисунок 157 - Примыкание трансферных трубопроводов к колонне К-11

а) Общий вид зоны примыкания; б) Штуцер Dy900 (вид снаружи юбки); в) Щтуцер Dy900 (вид изнутри юбки)

8.1.2 Оценка необходимости постоянного мониторинга объекта

Необходимость мониторинга рассматриваемого объекта обусловлена сложным напряженно-деформированным состоянием штуцерных узлов, посредством которых осуществляется примыкание трансферных трубопроводов к колонне К-11.

С одной стороны на рабочем режиме установки, когда температура трубопроводов в зоне примыкания к колонне составляет 350°С, напряженно-деформированное состояние штуцерных узлов обусловлено температурными удлинениями трубопроводов. В сочетании с предварительным натяжением трубопроводов на фланцы штуцеров8 это приводит к возникновению, в зоне вварки штуцеров в колонну, статических напряжений сопоставимых с пределом текучести материала штуцеров(«300МПа).

С другой стороны на переходных режимах, т.е. при подъеме или снижении температуры с одновременным несоблюдением предусмотренных регламентом скоростей изменения температур (75°С/час), в диапазоне температур 120^200°С возникают существенные вибрации трубопроводов с амплитудой до 250мм, что также приводит к появлению в зоне вварки штуцеров в колонну, напряжений сопоставимых с пределом текучести материала, но уже динамического характера. Появление вибраций трансферных трубопроводов во время эксплуатации обуславливается особенностями истечения двухфазных газожидкостных потоков[122], а именно пробковым режимом течения, а также критическим режимом течения двухфазного потока в местных гидравличесикх сопротивлениях.

Таким образом, рассматриваемый объект во время эксплуатации подвержен как статическим, так и динамическим нагрузкам, при этом оценка предложенного в главе 2 показателя критичности фактора динамической нагрузки согласно выражению (9), позволила отнести объект к оборудованию I группы критичности

8 На данном объекте реализована технология предварительного натяжения трубопроводов для исключения из схемы трассировки сильфонных компенсаторов

и соответственно установить необходимость внедрения для него системы постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния.

8.1.3 Структура системы мониторинга объекта

Система мониторинга напряженно-деформированного состояния трансферных трубопроводов, а также «проблемной» зоны примыкания трубопроводов к колонне К-11 установки ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «Ангарская нефтехимическая компания» была разработана и внедрена в эксплуатацию в 2008 году, одновременно с реализацией проекта, предусматривающего перетрассировку трансферных трубопроводов для исключения из схемы сильфонных компенсаторов.

В соответствии с подходами, изложенными в главе 2 и главе 7, структура системы мониторинга предполагала наличие 3 подсистем:

а) подсистемы датчиков;

б) подсистемы сбора и обработки данных;

в) экспертной системы оценки напряженно-деформированного состояния объекта.

В качестве метода контроля напряженно-деформированного состояния объекта был принят предложенный в главе 3 расчетно-экспериментальный метод идентификации по результатам мониторинга дискретных параметров. При этом на основе функционально-стоимостного анализа в качестве дискретных контролируемых параметров были приняты значения перемещений трубопроводов относительно неподвижных опорных строительных конструкций.

Для измерения перемещений были применены потенциометрические датчики перемещений LWG-225 с базой 225мм, производства компании Novotechnik (Германия). Всего было назначено 4 точки контроля (по 2 точки на каждый трубопровод). При этом в каждой точке контролировались перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях. На рисунке 158а показана схема размещения датчиков на объекте исследования. На рисунке 158б

продемонстрирована одна из контрольных точек с размещенными в ней датчиками LWG-250.

П 3/2

Рисунок 158 - Контроль перемещений, реализованный в системе мониторинга

трансферных трубопроводов

а) Схема размещения датчиков перемещений; б) Пространственная ориентация

датчиков перемещений в точке контроля

Помимо датчиков перемещений в подсистему датчиков системы мониторинга трансферных трубопроводов, также были включены дополнительные датчики для контроля температуры и оценки скорости ее изменения. Для этого в 4-х точках устанавливались термопары типа K (диапазон от 0°С до 1300°С), как показано на рисунке (см. рисунок 5).

Рисунок 159 - Контроль температур, реализованный в системе мониторинга

трансферных трубопроводов

а) Схема размещения термопар; б) Схема крепления термопары к объекту

контроля

Для верификации результатов расчётно-экспериментальных оценок напряженно-деформированного состояния объекта по результатам измерения перемещений в 4-х точках в «проблемной» зоне - зоне вварки штуцеров Бу900 в конусный элемент колонны К-11 был предусмотрен дополнительный экспериментальный метод контроля - метод натурной тензометрии. Для этого в отмеченной зоне в кольцевом, меридиональном и ряде других направлений монтировались высокотемпературные капсулированные полумостовые тензорезисторы КСН-10-120-68-11, производства компании Куо,№а (Япония). Схема размещения тензорезисторов на объекте контроля показана на рисунке 160.

Рисунок 160 - Контроль деформаций в «проблемной» зоне с использованием высокотемпературных капсулированных полумостовых тензорезисторов

С учетом изложенного, подсистема датчиков системы мониторинга включала в свой состав:

- 12 датчиков перемещений;

- 4 датчика температуры;

- 6 датчиков деформаций.

Подсистема сбора и обработки данных системы мониторинга была сформирована исходя из особенностей эксплуатации объекта контроля, а именно удаленности операторной от зоны размещения датчиков. Укрупненно в ее состав входили (см. рисунок 161):

источник бесперебойного питания;

- блоки питания и автоматические выключатели; многоканальные модули аналогового ввода/вывода; усилители сигнала; искробезопасные барьеры;

- коммутаторы;

- клеммные соединители; линии коммутации и т.д.

Источник бесперебойного питания

Блоки питания и автоматические выключатели

Многоканальные модули аналогового ввода/вывода

Усилители сигнала Искробезопасные барьеры

Коммутаторы

Клеммные соединители

Рисунок 161 - Шкаф с размещенными в нем электронными компонентами подсистемы сбора и обработки данных

В качестве экспертной системы оценки напряженно-деформированного состояния объекта применялось разработанное автором программное обеспечение М81тис1;[202], предназначенное для структурного мониторинга промышленного оборудования, а также заданий и сооружений. Описание системы приведено в главе 7 диссертации. Вычисляемые этой системой показатели напряженно-деформированного состояния объекта в виде графических и звуковых сообщений в режиме реального времени выводились на центральную консоль оператора системы мониторинга (см. рисунок 162).

Рисунок 162 - Результаты работы системы экспертной системы оценки напряженно-деформированного состояния объекта М81тис1

а) Автоматизированное рабочее место оператора системы мониторинга; б) Пример, визуализации полей напряжений в «проблемной» зоне объекта

8.1.4 Построение и верификация математической модели объекта

Для использования разработок главы 3 диссертации, реализованных в ПО MStruct, на основе анализа технической документации, а также натурных обмерочных работ, была сгенерирована конечно-элементная модель объекта на основе его трехмерной твердотельной модели. В состав модели вошли трансферные трубопроводы на участке от печи П-3/2 до колонны, а также сам колонный аппарат.

Для построения конечно-элементной модели объекта использовалась разработанная с участием автора программная система «COMPASS»[27, 198, 277]. При этом для аппроксимации геометрии использовались объемные изопараметрические элементы с переменным числом узлов на ребрах[286]. Фрагмент конечно-элементной модели объекта в ПО «COMPASS» проиллюстрирован на рисунке 163.

».Ал Рщииряи»» Ecraiu Е'Л МЛЧ* '.■«•*> С-»Р 1п(1«ы

□ * ю Р - . I^irw«. 3 ia * •

I

■ ч>- t? a tui!« s(,t iirrtid, ¡r / в'-:* * н «. »in

Рисунок 163 - Фрагмент конечно-элементной модели объекта в ПО «COMPASS»

Верификация конечно-элементной модели, проверка корректности учета граничных условий и т.д., осуществлялась согласно рекомендаций раздела 2.3, на основе сравнения расчётного спектра собственных частот колебаний модели с экспериментально полученными значениями низших собственных частот объекта.

Для экспериментального исследования собственных частот трансферных трубопроводов использовалась техника «обрезания» каната, описанная в [54]. Для этого в зонах крепления к трубопроводу пружинных опор прикреплялись канаты и осуществлялось их силовое натяжение посредством талрепов. После «обрезания» канатов вынужденные колебания трубопроводов инструментально фиксировались с применением многоканальной виброизмерительной аппаратуры.

Согласно технологии ОУТС (см. главу 2) для исключения наличия в металле исследуемого объекта дефектов, перед процедурой мониторинга проводился контроль объекта классическими методами НК. В частности, был применен акустико-эмиссионный контроль объекта на режиме. Для этого в точках, отмеченных на рисунке 164, размещались волноводы9 акустико-эмиссионного сигнала.

8.1.5 Особенности процедуры идентификации напряженно-деформированного состояния объекта

Как было отмечено выше, объект контроля может эксплуатироваться, как в режиме статического нагружения, так и в режиме динамического нагружения. В этой связи при использовании расчетно-экспериментальной методологии идентификации напряженно-деформированного состояния (см. главу 3) также было предусмотрено 2 варианта ее применения. Отличие отмеченных вариантов заключается в способе формирования пространства для идентификации, т.е. смешанной матрицы [Ф] по выражению (27).

В случае динамического нагружения, т.е. когда имеют место вынужденные колебания трубопроводов относительно статического положения равновесия, матрица [Ф] формируется путем выбора из матрицы [Ф] динамических перемещений по степеням свободы, соответствующим размещению датчиков перемещений на объекте.

9 В целях избежания повреждений АЭ преобразователей высокой температурой

Рисунок 164 - АЭ контроль трансферных трубопроводов

а) схема размещения волноводов; б) установленный волновод; в) схема крепления

АЭ преобразователя к волноводу

При этом матрица [Ф], представляет собой матрицу, состоящую из векторов расчетных динамических перемещений, соответствующих к - ой форме колебаний объекта {Ф&}. С учетом наличия статических нагрузок в виде температурного нагружения, а также нагрузки от собственного веса трубопроводов, изоляции и продукта, матрица [Ф] определяется на основе решения обобщенной задачи на собственные значения с учетом влияния статических нагрузок, т.е. согласно выражению (15).

В случае статического нагружения объекта, когда имеют место температурное нагружение, а также нагрузки от собственного веса трубопроводов, изоляции и продукта, матрица [Ф] формируется путем выбора из матрицы [Л] статических перемещений по степеням свободы, соответствующим размещению датчиков перемещений на объекте.

При этом матрица статических перемещений [Л] формируется на основе решения задачи статического равновесия объекта от действия единичных статических нагрузок, т.е. от единичного температурного нагружения, от нагружения единичной распределенной нагрузкой от веса трубопроводов и т.п.

8.1.6 Анализ работы системы мониторинга за 9 лет эксплуатации

Как уже отмечалось в разделе 8.1.3, система мониторинга трансферных трубопроводов была запроектирована и введена в опытно-промышленную эксплуатацию на установке ЭЛОУ+АВТ-6 в 2008 году. По итогам годичной опытно-промышленной эксплуатации Ростехнадзором РФ было выдано разрешение на применение системы мониторинга на опасных производственных объектах (см. приложение 1).

На сегодняшний день система мониторинга находится в непрерывной эксплуатации уже более 9 лет и является важным звеном обеспечения промышленной и экологической безопасности установки ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «Ангарская нефтехимическая компания». Ее использование позволяет эксплуатационному персоналу установки не только в режиме реального времени отслеживать изменения напряженно-деформированного состояния объекта, но и

оперативно реагировать на эти изменения за счет реализации мероприятии по стабилизации переходных режимов работы объекта во время пусков/остановов.

Как уже отмечалось выше в процессе эксплуатации исследуемого объекта наблюдаются два характерных «режима» работы: режим статического нагружения и ражим динамического нагружения объекта. Получаемые с использованием системы мониторинга диагностические данные позволяют четко отслеживать и разделять данные процессы, и как отмечено выше, обеспечивать оперативную реакцию персонала в случае возникновения внештатных ситуаций. На рисунке 165 проиллюстрированы указанные режимы и отмечены характерные моменты их появления.

а)

б)

Зона статического нагружения

Зона динамического нагружения

Зона динамического нагружения

ь

40

I

Рисунок 165 - Диаграмма изменения температур объекта за три месяца эксплуатации ( момент вывода установки ЭЛОУ+АВТ-6 из ремонта)

а) График температур; б) График скоростей изменения температур

Как видно из рисунка 165, несмотря на то, что процедура пуска/останова установки ЭЛОУ+АВТ-6 длиться несколько дней, в этот период наблюдаются значительные скачки скоростей нагрева/остывания, что в сочетании с факторами, отмеченными в [122], становиться причиной возбуждения вынужденных колебаний трубопроводов на переходных режимах. При выходе установки на регламентные температуры (350°С), скорость их изменения стабилизируется, что возвращает объект в режим статического нагружения.

Как было отмечено в разделе 8.1.3 для верификации результатов расчётно-экспериментальных оценок напряженно-деформированного состояния объекта по результатам измерения перемещений в 4-х точках в «проблемной» зоне - зоне вварки штуцеров Бу900 в конусный элемент колонны К-11, был предусмотрен дополнительный метод контроля - метод натурной тензометрии. На рисунке 166 продемонстрировано сравнение диаграмм вычисляемых параметров напряженно-деформируемого состояния по идентификационной модели и результатов контроля деформаций с использованием тензорезисторов для режима статического нагружения.

310

300

„ 290 С

X

о. 280

270 260 250

27.03.2013 01.04.2013 06.04.2013 11.04.2013 16.04.2013 21.04.2013 26.04.2013 01.0S.2013 06.05.2013

Дата

Рисунок 166 - Сравнение вычисляемых параметров напряженно-деформируемого состояния по идентификационной модели и результатов натурной тензометрии

Тензометрия

(Л/