Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние методов определения напряженно-деформированного состояния 10
1.1 Экспериментальные методы исследования ндс 10
1.2 Расчетно-экспериментальные методы исследования ндс 17
1.3 Классификация современных средств мониторинга динамики технических объектов 23
1.4 Выводы. Постановка цели и задач исследования 26
Глава 2 Разработка методов оценки технического состояния трубопроводных систем компрессорных установок 28
2.1 разработка методики идентификации НДС 28
2.1.1 Основные положения 28
2.1.2 Построение идентификационной модели 30
2.1.3 Идентификаг\ия по методу наименьших квадратов 32
2.1.4 Численная проверка методики идентификации НДС 34
2.1.5 Экспериментальная проверка методики идентификагщи НДС 43
2.2 Разработка инженерной методики сбора экспериментальных данных для идентификации ндс трубопроводных систем подверженных вибрации
2.2.1 Методика сбора экспериментальных данных с использованием двухканальной виброизмерительной аппаратуры 46
2.2.2 Обоснование методики сбора данных Л 50
2.2.3 Экспериментальная проверка методики
2.3 Разработка инженерной методики исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем 61
2.4 Выводы : 64
ГЛАВА 3 Обеспечение вибрационной безопасности трубопроводных систем и технологического оборудования, за счет применения и оптимального подбора демпфирующих устройств 66
3.1 Обеспечение вибрационной безопасности трубопроводных систем с
Использованием демпферов вязкого трения 66
3.1.1 Модельная задача 67
3.1.2 Исследование амплитудно-частотных характеристик 68
3.1.3 Исследование собственных динамических характеристик 70
3.1.4 Выводы по разделу 73
3.2 Обеспечение вибрационной безопасности технологических аппаратов с использованием демпферов вязкого трения 74
3.2.1 Модельная задача 75
3.2.2 Исследование амплитудно-частотных характеристик 76
3.2.3 Исследование собственных динамических характеристик 78
3.2.4 Выводы по разделу 82
3.3 Применение методов оптимизации при проектировании систем виброзащиты 83
3.3. J Методы численной оптимизации конструкций при динамических воздействиях 83
3.3.2 Оптимизация демпфирующих свойств опорных конструкций на основе
анализа чувствительности собственных значений 87
3.4 Методика подбора демпфирующих устройств с оптимальными характеристиками 92
3.5 Обеспечение вибрационной безопасности технологического оборудования с использованием демпферов сухого трения...: 93
3.5. J Модельная задача 93
3.5.2 Исследование амплитудно-частотных характеристик 96
3.5.3 Выводы по разделу 99
3.6 Выводы 99
ГЛАВА 4 Разработка алгоритмов и программного обеспечения для численного анализа динамики трубопроводных систем и технологического оборудования 101
4.1 Архитектура программной системы «compass». Особенности ее реализации на основе современного программного обеспечения 101
4.2 Программная реализация методов динамического расчета трубопроводных систем и технологического оборудования с учетом демпфирования 107
4.3 Программная реализация методики идентификации ндс 110
4.4 разРаботка и программная реализация конечного элемента в виде криволинейного стержня 113
4.4.1 Основные положения 113
4.4.2 Получение матрицы жесткости на основе решения системы дифференциальных уравнений 115
4.4.3 Получение матръщы жесткости на основе метода сил 124
4.4.4 Получение матрицы масс 128
4.4.5 Программная реализация 128
4.4.6 Тестовые расчеты 130
4.4.7 Выводу по разделу 134
4.5 Выводы 135
ГЛАВА 5 Применение разработанных методик и программного обеспечения на практике 136
5.1 Результаты оценки технического состояния трубопроводных обвязок поршневых компрессоров установки по производству бензола 136
5.1.1 Общие сведения об объекте исследования 136
5.1.2 Предварительные виброизмерения 137
5.1.3 Комплексные виброисследования 139
5.1.4 Разработка мероприятий по снижению вибрации 143
5.1.5 Выводы по разделу 143
5.2 Повышение вибрационной устойчивости технологических аппаратов и трубопроводных обвязок воздушных компрессоров ВК-1..ВК-6 145
5.2.1 Общие сведения об объекте исследования 145
5.2.2 Исследование вибраъщонного состояния 146
5.2.3 Исследование собственных характеристик 147
5.2.4 Разработка мероприятий по снижению вибрации 149 5.3 Выводы 157
Заключение 158
Литература
- Классификация современных средств мониторинга динамики технических объектов
- Идентификаг\ия по методу наименьших квадратов
- Экспериментальная проверка методики
- Обеспечение вибрационной безопасности технологических аппаратов с использованием демпферов вязкого трения
Введение к работе
Актуальность темы. В современной промышленности существует множество различных объектов работающих в условиях интенсивных динамических воздействий, которые негативно отражаются на их техническом состоянии и эксплуатационных характеристиках. Так, на химических, нефтеперерабатывающих и других подобных производствах хорошо известны проблемы связанные с высоким уровнем вибрации элементов насосно-компрессорного оборудования, в частности трубопроводных систем, технологических аппаратов и т.д. Особенно это явление характерно для технологических установок, оснащенных поршневыми компрессорными машинами, в нагнетающих и всасывающих линиях которых имеет место пульсация давления большой амплитуды. Длительное действие повышенной вибрации на оборудование в сочетании с другими факторами, становится причиной усталостного разрушения отдельных его элементов и как следствие приводит к выходу из строя самих компрессорных машин, трубопроводов, технологических аппаратов и т.д.
При проектировании трубопроводных систем компрессорных установок практически невозможно учесть взаимодействие всех факторов, оказывающих влияние на их техническое состояние в конкретных условиях эксплуатации. Более того, основное внимание при проектировании уделяется технологическим вопросам, а вопросы прокладки и крепления трубопроводов решаются, как правило, без расчета спектра частот свободных колебаний и проверки трубопроводной системы на резонанс. Такая проверка осложняется тем, что трубопроводные системы химических, нефтеперерабатывающих производств имеют разветвленную многосвязную пространственную структуру с большим количеством трубопроводной арматуры, фланцевых разъемных соединений, соединительных и байпасных линий и поэтому даже при использовании типового машинного оборудования, практически каждая такая система является индивидуальной.
Таким образом, на этапе проектирования невозможно правильно оценить уровень и параметры вибрационного нагружения, которое будет иметь место при эксплуатации трубопроводной системы и, следовательно, оценить фактическое динамическое напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопроводов. В связи с этим актуальной становится задача проведения на этапе пусконаладочных работ, а также в процессе эксплуатации трубопроводных систем комплекса расчетно-экспериментальных исследований. Такой подход позволит определить неизвестные на этапе проектирования параметры вибрационного воздействия, правильно оценить техническое состояние трубопроводной системы с учетом фактического динамического НДС, а также разработать эффективные мероприятия по снижению вибрации трубопроводов до допускаемых значений.
Таким образом, задачи расчетно-экспериментального исследования НДС при оценке технического состояния трубопроводных систем подверженных вибрации достаточно актуальны. Решению этих задач посвящена данная диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки технического состояния трубопроводных систем компрессорных установок на основе рас-четно-экспериментального исследования их динамического НДС, а также создание алгоритмов и программ, обеспечивающих практическое применение этих методов.
Задачами теоретических и прикладных исследований, решаемыми для достижения поставленной цели, являются:
разработка методики идентификации НДС трубопроводных систем, на основе использования экспериментально полученных синхронизированных записей динамических перемещений их точек;
разработка инженерной методики сбора и обработки данных о вибрационном состоянии трубопроводных систем с помощью двухканальной виброизмерительной аппаратуры, используемой для синхронизации записей перемещений в отдельных точках трубопроводов;
разработка инженерной методики исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем компрессорных установок для определения причин их повышенной вибрации, а также разработки эффективных мероприятий по ее снижению;
разработка инженерной методики подбора демпфирующих устройств с целью минимизации амплитуд вынужденных колебаний трубопроводных систем и технологического оборудования, подверженных действию вибрации;
обеспечение возможности выполнения уточненных расчетов НДС криволинейных «фасонных» деталей трубопроводных систем на основе разработки и программной реализации криволинейного стержневого конечного элемента;
разработка программного обеспечения на основе предложенных методик, моделей и алгоритмов;
Методы исследований. Решение поставленных задач выполнено на основе положений теории колебаний и линейной теории упругости. Для дискретизации и аппроксимации конструкций использован метод конечных элементов. Для исследования качественной картины поведения трубопроводных 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. Экспериментальные исследования проведены на испытательной и инструментальной базе ОАО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (ОАО «ИркутскНИИхиммаш»).
Для практической реализации результатов работы автором разработаны программные модули на алгоритмических языках Fortran и C++. Они включены в состав пакета «COMPASS» (разраб. Безделев В.В., Лукьянов А.А., Буклемишев А.В. и др.), предназначенного для расчета и оптимального проектирования конструкций методом конечных элементов.
К научной новизне работы следует отнести:
расчетно-экспериментальный метод определения динамического НДС трубопроводных систем подверженных вибрации;
методику сбора и обработки экспериментальных данных о вибрационном состоянии трубопроводных систем компрессорных установок на основе использования двухканальной виброизмерительной аппаратуры;
методику исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем компрессорных установок;
разработанные на основе экспериментальных исследований рекомендации по способам монтажа средств измерения пульсаций давления на трубопроводах;
методику подбора демпфирующих устройств с характеристиками, обеспечивающими минимизацию амплитуд вынужденных колебаний трубопроводных систем компрессорных установок;
разработанный и программно реализованный в пакете «COMPASS» конечный элемент в виде криволинейного стержня, использование которого позволяет выполнять уточненные расчеты НДС криволинейных «фасонных» деталей трубопроводных систем.
Практическая ценность полученных результатов заключается в возможности применения разработанных методик и программного обеспечения для:
исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем с целью определения причин их повышенных вибраций и разработки мероприятий по ее снижению до нормативных значений;
расчетно-экспериментальной оценки динамического НДС трубопроводных систем подверженных вибрации;
подбора демпфирующих устройств, обеспечивающих минимизацию вынужденных колебаний трубопроводных систем и связанного с ними технологического оборудования;
выполнения уточенных статических и динамических расчетов трубопроводных систем, имеющих в своем составе криволинейные «фасонные» детали.
На защиту выносятся:
методика идентификации НДС трубопроводных систем, на основе экспериментально полученных синхронизированных записей динамических перемещений их точек;
методика сбора и обработки данных о вибрационном состоянии трубопроводных систем с помощью двухканальной виброизмерительной аппаратуры, используемой для синхронизации записей перемещений в отдельных точках трубопроводов;
методика исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем компрессорных установок;
методика подбора демпфирующих устройств с характеристиками, обеспечивающими минимизацию амплитуд вынужденных колебаний трубопроводных систем;
конечный элемент в виде криволинейного стрежня, использование которого в составе пакета «COMPASS» позволяет выполнять уточненные расчеты НДС криволинейных «фасонных» деталей трубопроводных систем;
подпрограммы и программные модули, включенные в конечно-элементный пакет «COMPASS», обеспечивающие практическое применение полученных результатов исследований.
Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием методов теории колебаний, теории упругости, метода конечных элементов, сравнением результатов исследований с аналитическими решениями и результатами натурных экспериментов.
Внедрение работы. Программные модули, разработанные автором, включены в состав конечно-элементного пакета «COMPASS». Этот пакет, а также другие научные результаты использованы при выполнении ряда научно-исследовательских работ на предприятиях НК «Роснефть», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
На основе результатов, полученных в диссертационной работе, при участии автора разработан и внедрен в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» нормативный документ РД 0154-13-2003 «Методика виброисследований для снижения уровня вибрации трубопроводных обвязок насосно-компрессорного оборудования», согласованный Ростехнадзором.
Результаты научно-исследовательской работы по разработке методики подбора демпфирующих устройств внедрены в ОАО «Иркутский Промстройпроект», что подтверждается соответствующим актом внедрения. На основе этих результатов при участии автора разработаны ТУ [9], согласованные ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко.
Полученные в диссертационной работе результаты позволили запатентовать техническое решение по снижению вибрации технологического оборудования компрессорных установок, оснащенных поршневыми компрессорами (Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007111091/06(012048) от 26.03.2007)[19].
Личный вклад автора состоит в формировании цели и задач исследования; выполнении расчетных и аналитических исследований; планировании, проведении и обработке результатов экспериментов; разработке методик; разработке и тестировании программного обеспечения; формулировании выводов по работе.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV - V Всероссийских семинарах «Проблемы оптимального проектирования сооружений», Новосибирск, 2002, 2005 гг.; V Международном симпозиуме по трибофатике. ISTF-2005; Научно - технических конференциях ИрГТУ, Иркутск, 2002-2005 гг.; VI Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, Сочи, 2005; III международной конференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006; Международной конференции «Техническое регулирование. Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг», Москва, 2006; Научно-практической конференции «Безопасность регионов России - основа устойчивого развития», Иркутск, 2007; Научно-практических конференциях «Химия XXI
век: новые технологии, новые продукты», Кемерово, 2006-2008 гг.; 1-й Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений», Новосибирск, 2008 г.; заседании кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика» Иркутского Государственного Технического Университета в 2008 г.; научно-техническом совете ОАО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» в 2008 г.; научно-техническом совете ГОУ ВПО «Братский Государственный Университет» в 2008 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе в 3 в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации содержит 179 страниц, включая 12 таблиц, 71 рисунок и список литературы из 265 наименований.
Автор выражает признательность д.т.н,, профессору Кузнецову А.М. и д.т.н., профессору Погодину В.К. за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований на испытательной и инструментальной базе ОАО «Иркут-скНИИхиммаш».
Классификация современных средств мониторинга динамики технических объектов
Для исследования динамического напряженно-деформированного состояния конструкций используется разновидность тензометрических исследований - динамическая тензометрия. Особенностью данного вида тензометрических исследований является необходимость использования специального аппаратного обеспечения для измерения динамических деформаций с исключением статической составляющей. Так, например, для проведения модельных и натурных исследований энергетического оборудования при статических и динамических нагрузках специалистами Института машиноведения АН был разработана информационно-измерительная система высокотемпературной и криогенной тензометрии ИИСБЩ83]. Для проведения динамической тензометрии в состав системы включен многоканальный аналоговый тензометрический усилитель УТ-20. Указанная система динамической тензометрии использовалась, например, при исследовании динамического напряженно-деформированного состояния внутрикорпусных устройств (ВКУ) реактора ВВЭР-440[41].
К недостаткам метода тензометрии можно отнести дискретность измерения деформаций на поверхности объекта, определяемую числом используемых тензодатчиков, а также невозможность установки тензодатчиков в труднодоступных местах объекта, местах концентраций напряжений и т.д.
Для получения полной информации о распределении деформаций на поверхности объекта совместно с методом тензометрии может применяться метод хрупких тензочувст-вительных покрытий, разработанный Васильевым И.Е., Панских В.К., Пригоровским Н.И.[108]. Деформации на поверхности объекта определяются с помощью картин трещин в тонком хрупком слое покрытия (канифольные, оксидные, стеклоэмалевые), наносимом на поверхность детали. Этим методом оперативно можно устанавливать зоны наибольших концентраций напряжений. Применение этого метода позволяет в значительной степени сократить объем тензометрических измерений.
Согласно норм[90], наряду с методом динамической тензометрии, для определения параметров динамической нагруженности конструкций, следует применять метод вибро-метрирования. Этот метод основан на использовании информации содержащейся в колебательных процессах. При использовании метода виброметрирования с помощью специализированной виброизмерительной аппаратуры выполняется регистрация механических колебаний в отдельных точках объекта исследования. В дальнейшем записанные вибрационные характеристики обрабатываются различными методами (спектральный, корреляционный анализ[9, 26, 27, 31, 58, 167, 186]) на основании чего делается заключение о частотном составе вибрации, причинах ее обусловивших, допустимости амплитудных значений колебательных процессов, уровне вибронапряженности конструкций и т.д.
Для определения полей деформаций и напряжений в деталях и конструкциях при действии статических, динамических нагрузок и температурных полей могут быть использованы интерференционно-оптические и поляризационно-оптические методьт[90]. Сфера применения этих методов - лабораторные и стендовые испытания для исследования зон с высокими градиентами напряжений.
К интерференционно-оптическим методам исследования можно отнести методы геометрического муара, интерференционного муара, голографической и лазерной спекл-интерферометрии, оптического гетеродинирования и т.д.
Под геометрическим муаром подразумевается оптическая картина чередующихся темных и светлых полос, возникающая при наложении периодических систем линий (сеток). Данный метод был разработан после того, как исследователями была обнарулсена возможность определения перемещений с помощью интерференции между двумя семействами линий[215, 217]. В нашей стране разработкой метода муаровых полос занимались Левин О.А., Сегал В.М., Сухарев И.П., Ушаков Б.Н., Шнейдерович P.M. и др.[44, 104, 116, 126, 139].
Для получения муаровых картин применяются сетки прямых параллельных линий с постоянным шагом, а также сетки, образованные системами точек или концентрическими окружностями и радиальными линями. Муаровые картины можно наблюдать при наложе ний отраженных изображений сеток, при наложении сеток и их теней, при двукратном фотографировании и при непосредственном наложении сеток.
Наиболее широко метод геометрического муара применяется для определения перемещений и деформаций в плоскости исследуемого образца[198, 215, 235, 254, 263]. Как правило, для этой цели используются сетки, образованные параллельными линиями с постоянным шагом. Одно семейство линий (первая сетка) наносится на плоскую поверхность исследуемого образца (травлением, гравировкой, клише, фотоспособом, приклейкой), а другое семейство, называемое эталонной сеткой, - на первую сетку. При нагружении или деформации образца будет образовываться интерференционная картина. Получаемые муаровые полосы дают компоненту перемещений, перпендикулярную линиям эталонной сетки. Для получения полного перемещения точек плоскости, необходимо использовать вторую сетку с линиями, перпендикулярными линиям первой сетки.
По сравнению с методом геометрического муара метод интерференционного муара [154, 164, 172] чувствительнее на несколько порядков. Таюке как и метод геометрического муара, он применяется для измерения полей перемещений в плоскости. Данный метод отличает уникальное сочетание высокой чувствительности, максимального контраста, широкого диапазона измерений и пространственного разрешения. Суть метода состоит в следующем. На образец (объект) исследования наносится скрещенная дифракционная решетка - хорошо отражающая, симметричная фазовая решетка с высокой частотой линий ( 1000 линий на мм). При перемещении образца решетка перемещается и деформируется вместе с поверхностью объекта. Далее решетка освещается двумя пучками когерентного света, чем обеспечивается образование слоев усиливающей и ослабляющей интерференции (образование виртуальной решетки) в зоне их пересечения. Полученная виртуальная решетка, пересекая плоскую поверхность образца, образует на ней систему светлых и темных полос высокой четкости. Эти полосы соответствуют эталонной решетке в методе геометрического муара. Полученная система полос, а таюке слои интерференции, из которых они получаются, образуют виртуальную опорную решетку. Объектная и опорная (эталонная) решетка при наложении дают муаровую картину, которая регистрируется фотокамерой.
Идентификаг\ия по методу наименьших квадратов
Для практической апробации предлагаемой методики идентификации применительно к определению НДС трубопроводных систем, в стендовых условиях были проведены специальные экспериментальные исследования. Экспериментальная установка, моделирующая работу рассмотренного в разделе 2.1.4 модельного трубопровода, показана на рис.
Экспериментальная установка а) частотный преобразователь Altivar 31 производства Schneider Electric; б) 12-канальный виброизмерительный комплекс МІС200 производства НПП «Мера»; в) шарнирная опора При проведении эксперимента в качестве источника динамического возбуждения применялся асинхронный 2кВт электродвигатель переменного тока с номинальной частотой вращения 1500об/мин. Для плавного изменения частоты вращения двигателя в исследуемом диапазоне частот использовался частотный преобразователь для асинхронных двигателей Altivar 31 производства Schneider Electric. Для синхронной регистрации значений виброперемещений по длине трубопровода использовался 12-канальный виброизмерительный комплекс MIC200 производства НПП «Мера» с датчиками вибрации АР35.
По результатам измерения фактических динамических перемещений на различных частотах возбуждения в соответствии с разработанной методикой выполнялась идентификация НДС исследуемого трубопровода. При этом в расчете учитывалось первые 4 формы колебания. Т.к. максимально возможная частота возбуждения при проведении эксперимента не превышала 25Гц (1500об/мин), то для построения АЧХ принимались во внимание только частоты находящиеся в окрестности первого резонанса (диапазон 5-И 0Гц).
На рис. 2.8 показано сравнение графика / - зависимости амплитуд перемещений массы т, построенного по выражению (2.6), и аналогичного графика II, построенного по серии идентификационных расчетов для рассматриваемой экспериментальной модели трубопровода при различных частотах возбуждения. Анализ графика показывает, что полученные по результатам идентификации расчетные перемещения, в области частот далеких от резонанса незначительно отличаются от динамических перемещений полученных аналитически. При приближении к области резонансных частот графики сильно отличаются. Это объясняется тем, что аналитический расчет трубопровода по выражению (2.6) выполнялся без учета демпфирования, которое в реальном трубопроводе имеет место.
Проведенные исследования показали, что результаты численного эксперимента, полученные в разделе 2.1.4 хорошо согласуются с результатами натурного эксперимента. Это подтверждает применимость предлагаемой методики идентификации для определения фактического динамического НДС трубопроводных систем по результатам синхронных измерений вибрации. 2.2 Разработка инженерной методики сбора экспериментальных данных для идентификации НДС трубопроводных систем подверженных вибрации
Как уже было отмечено ранее, для точного определения динамического НДС трубопроводных систем необходимо использовать многоканальную виброизмерительную аппаратуру с возможностью синхронной записи данных по всем каналам. На большинстве нефтеперерабатывающих предприятий аппаратное обеспечение подобного класса не применяется в силу его высокой стоимости. В тоже время вибродиагностические службы этих предприятий, имеют в своем распоряжении одноканальные и двухканальные виброанализаторы.
В данном разделе диссертации предложена инженерная методика сбора исходных экспериментальных данных для идентификации НДС трубопроводных систем с помощью двухканальной виброимерительной аппаратуры. Данная методика позволяет на основе использования двухканальной аппаратуры получить амплитудные значения виброперемещений для множества различных точек трубопроводной системы, синхронизированные по времени. Это дает возможность в дальнейшем использовать для расчета НДС трубопроводной системы методику, изложенную в разделе 2.1.
Методика сбора экспериментальных данных с использованием двухканальной виброизмерительной аппаратуры
Как было отмечено в разделе 1.3, одним из достоинств двухканальных виброанализаторов является возможность их использования для синхронной записи параметров вибрации в двух различных точках трубопровода. При этом помимо регистрации амплитудных значений виброперемещений, как в случае применения одноканальной аппаратуры, появляется также возможность определения фазового сдвига между виброперемещениями в принятых для измерения точках.
Анализ результатов проведенных в рамках диссертационной работы исследований показывает, что для компрессорных установок, технологический режим работы которых остается постоянным в течение некоторого времени (т.е. когда такие рабочие параметры как давление, расход продукта, частоты вращения валов нагнетателей неизменны), фазо--вый сдвиг между виброперемещениями в двух различных точках трубопровода остается постоянным для основных гармоник вибрации. Это позволяет при использовании двухканальной виброизмерительной аппаратуры в ходе сбора данных для идентификации НДС учесть фазовые сдвиги и синхронизировать полученные в различные моменты времени виброперемещения. Это достигается математической обработкой собранных в определенном порядке волн (записей) виброперемещений в различных точках исследуемого трубопровода, заключающейся во временном сдвиге записей волн друг относительно друга на величину соответствующих фазовых углов. Экспериментальное обоснование методики сбора данных с использованием двухканальной виброизмерителыюй аппаратуры приведено в разделе 2.2.2.
В общем случае алгоритм сбора данных для идентификации при использовании двухканальной виброизмерительной аппаратуры выглядит следующим образом: - построение по результатам натурного обследования трехмерной модели исследуемого участка трубопровода; - нанесение на полученную модель трубопровода точек измерения вибрации и их маркировка; - выполнение измерений в порядке, показанном на рис. 2.9; - обработка результатов измерений и представление их в необходимом для последующего автоматизированного расчета виде. Так, например, для синхронизации виброперемещений двух последовательных точек 1 и 2 трубопровода (см. рис. 2.9) необходимо выполнить три двухканальных измерения: в точке 1 - 1_1 (горизонталь) и 1_2(вертикаль); в точке 2 - 2_1 (горизонталь) и 2_2(вертикаль) и между точками 1 и 2 - 3_1 (горизонталь/вертикаль) и 3_2(горизонталь/вертикаль).
Обработка результатов измерений заключается в синхронизации записей вибрации сделанных в различных точках трубопровода. Синхронизация на преобладающей частоте ft для последовательно зафиксированных в точках трубопровода N и N + 1 записей виброперемещений осуществляется посредством сдвига по времени записи в точке 7V + 1 на величину фазового угла (pt, где і - номер гармоники. Фазовый угол (pt для /-ой гармоники определяется из рассмотрения синхронных записей вибрации в точках N и N +1 по их взаимному фазовому спектру.
Экспериментальная проверка методики
Ранее отмечалось, что на химических, нефтегазовых и нефтеперерабатывающих предприятиях имеются специальные службы, имеющие в своем распоряжении различную виброизмерительную аппаратуру, а также квалифицированные кадры с большим практическим опытом в сфере вибрационной диагностики. Поэтому целесообразно на таких предприятиях иметь соответствующие нормативные документы и программное обеспечение, с помощью которых специалисты таких служб могли бы осуществить самостоятельную оценку технического состояния оборудования подверженного действию вибрации, а при необходимости самостоятельную разработку и внедрение мероприятий по повышению динамической устойчивости оборудования, В данном разделе диссертации предложена методика исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем компрессорных установок с целью определения причин их повышенной вибрации и определения состава мероприятий по приведению уровня вибрации трубопроводов к допускаемому. Положения предложенной методики виброисследований легли в основу нормативного документа РД 0154-13-2003 [112] утвержденного Ростехнадзором, соавтором которого является автор диссертационной работы.
Исследование вибрационного состояния трубопроводных систем компрессорных установок предлагается выполнять согласно алгоритму представленному на рис. 2.23.
На первом этапе выполняются предварительные измерения вибрации трубопроводной системы, по результатам которых определяется необходимость и целесообразность дальнейшего выполнения работ. Критерием принятия решения о продолжении работ служит информация о соответствии или несоответствии уровня вибрации в принятых для контроля точках системы допускаемому уровню вибрации, установленному в действующих нормативных документах[112, 115, 159]. В случае, если в принятых для контроля точках системы уровень вибрации превышает допускаемый, то выполняется переход к следующему этапу работ - комплексным виброисследованиям. На этом этапе выполняется детальный сбор и анализ данных о вибрационном и газодинамическом состоянии трубопроводной системы, устанавливаются «проблемные» с точки зрения повышенной вибрации участки системы, проводится комплекс расчетио-экспериментальных исследований, по результатам которого определяется фактическое РІДС «проблемных» участков, а в случае необходимости ресурс. По результатам комплексных виброисследований устанавливаются причины повышенной вибрации трубопроводной системы и разрабатываются мероприятия по снижению вибрации. Более детальное изложение методики обследования вибрационного и газодинамического состояния приведено в приложении 1 диссертации.
Алгоритм проведения работ В рамках работы над методикой исследования вибрационного и газодинамического состояния трубопроводных систем были проведены уникальные экспериментальные исследования по регистрации и анализу пульсаций давления в трубопроводных системах компрессорных установок. Проведенные исследования позволили сделать важные выводы относительно способов монтажа датчиков быстропеременных давлений на трубопроводах. Условия проведения экспериментальных исследований были следующие: в качестве объекта исследования выступала трубопроводная обвязка двухступенчатого углового поршневого компрессора двойного действия с частотой вращения вала п = 500 об/мин; - измерение пульсаций давления выполнялось с помощью датчиков быстроперемен ных давлений марок ПД10В, ПД10ВТ производства ГНЦ РФ ЦНИИТМАШ; для регистрации измеренных параметров пульсации давления применялся виброанализатор СК2300, адаптированный для регистрации газодинамических процессов; - монтаж датчиков быстропеременных давлений на трубопроводах осуществлялся двумя способами. Первый способ предполагал установку датчика непосредственно в тело трубопровода, чтобы плоскость чувствительной части датчика совпадала с внутренней по верхностью трубопровода (рис. 2.24а). При другом способе монтажа установка датчиков выполнялась через запорную арматуру (рис. 2.246).
Различные схемы установки датчиков быстропеременных давлений на трубопроводах а) «заподлицо» с внутренней поверхностью трубопровода; б) через запорную арматуру. Анализ результатов эксперимента позволил установить, что более предпочтительным, является первый способ монтажа датчиков, т.к. позволяет получить более качественный результат - измеряемый сигнал при этом содержит только полезные гармоники. Второй способ монтажа датчиков существенно проигрывает первому способу по «качеству» получаемого сигнала. В этом случае на полезный сигнал накладываются «паразитные» гармоники, наличие которых обусловлено локальными завихрениями транспортируемой среды в штуцерном узле «трубопровод - запорная арматура». Присутствие в спектре получаемого сигнала высокочастотных составляющих делает необходимым проведение дополнительных операций, связанных с выделением полезных гармоник, что при больших объемах измерений затрудняет анализ. Наряду с преимуществами первого способа монтажа датчиков пульсации давления, у него имеется также существенный недостаток. Он выражается в том, что при большом числе точек принятых для контроля пульсации давления при реализации.первого способа необходимо располагать соответствующим числом датчиков пульсации, что, учитывая их стоимость, экономически невыгодно. С этой точки зрения более предпочтительным является второй способ монтажа, т.к. наличие в схеме измерения запорной арматуры позволяет измерить пульсацию давления, во всех точках, используя лишь 1-2 датчика.
Учитывая сказанное первый способ монтажа может быть рекомендован к применению в случаях проведения глубокого анализа газодинамики трубопроводных систем, необходимость которого может возникнуть, например, при контроле технического состояния компрессорных машин и выявлении дефектов машин на ранних стадиях развития. Второй способ - только для контроля общего уровня пульсации давления в трубопроводах и аппаратах.
Обеспечение вибрационной безопасности технологических аппаратов с использованием демпферов вязкого трения
В отличие от прикладной части программного комплекса его системная часть максимально использует возможности конкретного компьютера, системного и вспомогательного ПО. При реализации системной части пакета учитывались следующие особенности:
1. Использовался современный объектно-ориентированный язык программирования совместно с системными библиотеками объектов, реализующих функции пользовательского и системного интерфейса. Это позволило ускорить процесс разработки программ, а также абстрагироваться от системных операций низкого уровня. Разработчиками пакета «COMPASS» был использован язык программирования C++ и объектная библиотека классов MFC для операционных систем Windows 95, 98, NT, 2000, ХР, 2003 и Windows Vista.
2. Максимально используются возможности графического интерфейса для ввода и про- -смотра данных, вывода и анализа результатов расчета, графический интерфейс оптимально комбинируется с простыми численными способами ввода и вывода данных и результатов. Это упрощает работу с программами, позволяет быстро вводить данные и анализировать результаты расчетов, производить диагностику ошибочных ситуаций. Следуя этому принципу, разработчики пакета максимально использовали возможности пользовательского интерфейса системы Windows: ниспадающие и контекстные меню, кнопочные панели, диалоги, многооконный интерфейс, объекты OLE и т.д. В настоящее время для визуализации результатов расчета разработчиками успешно используются ресурсы графической библиотеки OPEN GL.
3. Использована многозадачность операционной системы, что делает возможным редактирование и расчет несколько конструкций одновременно. Это позволяет полноценно использовать рабочее время работающего с пакетом и оптимально использовать процессорное время компьютера. Одновременная работа над несколькими расчетными вариантами одной конструкции с разными параметрами может использоваться для подбора оптимальных параметров этой конструкции.
4. Использованы системные механизмы межпрограммного обмена данными, в том числе с использованием сетей. Межпрограммный обмен данными позволяет управлять комплексом, состоящим из нескольких программ, как единым целым, что повышает удобство работы с ним, согласует работу отдельных программ, позволяет производить автоматическую диагностику.
Из особенностей всего комплекса программ необходимо особо отметить его открытую модульную архитектуру, которая присуща сегодня большому количеству современного ПО. Отдельные программные модули либо выполняют все основные функции (например, расчетные модули процессора), либо расширяют возможности определенной программы (модули препроцессора-постпроцессора). Модули могут быть свободно добавлены в комплекс программ, обновлены или убраны из него путем изменения лишь текстовых файлов конфигурации, что не затрагивает остальные модули и программы, входящие в комплекс. Таким образом, комплекс программ становится гибким и неограниченно расширяемым. Также, это приводит к упрощению взаимодействия между разработчиками комплекса программ: одни могут заниматься системной частью, другие - прикладной. Разработчику прикладного модуля нет необходимости изучать особенности системной части, он может полностью сконцентрироваться на прикладной задаче. Тем самым круг разработчиков прикладных модулей может быть значительно расширен.
Все перечисленное выше позволяет характеризовать комплекс программ как универсальную, мощную, гибкую, современную и удобную в использовании программную систему расчета и оптимизации конструкций и деталей при статических и динамических воздействиях. Комплекс программ постоянно развивается и дорабатывается творческим коллективом авторов. Дальнейшими направлениями развития системной части пакета являются: совершенствование пользовательского интерфейса, улучшение графических средств визуализации, улучшение алгоритмов управления вычислениями (нелинейные итерационные задачи, задачи динамики, задачи оптимального проектирования). Перспективные направления развития прикладной части пакета: разработка и реализация плоских и объемных геометрически нелинейных конечных элементов, учет физической нелинейности, разработка модулей анализа чувствительности и оптимизации конструкций, разработка новых средств геометрического моделирования плоских и объемных расчетных схем, в том числе параметрических.
Представленное в данном разделе программное обеспечение предназначено для реализации возможностей динамического расчета трубопроводных систем и технологического оборудования с учетом демпфирования.
Для удобства ввода исходных данных для расчета и последующего анализа его результатов автором была существенно доработана функциональная часть пре- и постпроцессора программы COMPASS Studio. Внесенные изменения позволяют пользователю программы выполнять следующие действия: - осуществлять ввод необходимых исходных данных для динамического расчета (добавление одного или нескольких динамических загружений; выбор типа динамического воздействия; указание пути к файлу, содержащему ординаты задаваемого динамического воздействия; выбор метода и параметров динамического расчета); - в интерактивном режиме вводить в расчетную конечно-элементную схему вязкие и вязкоупругие демпфирующие элементы (сосредоточенные вязкие и вязкоупругие демпферы по той или иной линейной степени свободы; вязкие и вязкоупругие демпфирующие элементы, связывающие два произвольных узла расчетной схемы); - визуально выполнять анализ результатов динамического расчета системы. Так как результатом динамического расчета является процесс, то целесообразно представлять и анализировать результаты расчета в виде процесса. Поэтому были реализованы следующие варианты визуализации результатов динамического расчета: отображение для каждого расчетного момента времени деформаций конечно-элементной схемы, а также эпюр внутренних силовых факторов; анимирование результатов расчета в пределах расчетного промежутка времени с записью анимации в файл .avi; построение огибающих эпюр внутренних силовых факторов по расчетному промежутку времени, огибающих эпюр внутренних силовых факторов по сочетаниям нагрузок.
В рамках настоящей диссертационной работы для решения динамических задач был использован метод прямого численного интегрирования уравнений движения - метод Ньюмарка[10, 228], в силу его безусловной устойчивости при анализе линейных сис-тем[168].
