Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и анализ методов прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов при проектировании, изготовлении и эксплуатации 27
1.1. Основные задачи прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов 28
1.2. Вопросы нормирования, обоснования и назначения коэффициентов запаса прочности 46
1.3. Оценка прочности зон сопряжения штуцеров с элементами корпуса и их учет при прогнозировании ресурса сосудов и аппаратов 77
1.4. Особенности прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов, не учтенные в методических рекомендациях 98
Анализ существующих методов прогнозирования ресурса показал их ограниченные возможности, вызванные следующими причинами: 105
Постановка задачи 107
2. Анализ ресурсно–прочностных показателей, необходимых для оценки ресурса сосудов и аппаратов 108
2.1. Определение запасов толщины стенок сосудов и аппаратов 121
2.2. Оценка влияния на ресурс скорости износа с учетом предельных отклонений толщины стенки и погрешностей измерения 134
2.3. Определение запасов прочности стенок сосудов и аппаратов по механическим напряжениям от воздействия нагрузок 139
2.4. Основы расчета ресурса сосудов и аппаратов по запасам толщин стенок и запасам прочности 141
3. Теоретическое обоснование модели прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов по результатам ресурсно-прочностных исследований 150
3.1. Выбор параметров технического состояния для реализации модели прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов 155
3.2. Применение степени износа стенок в качестве параметра для прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов 158
3.3. Учет влияния степени опасности в случае разрушения и объемов контроля сосудов и аппаратов при техническом диагностировании 166
3.4. Обоснование метода прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов по степени износа и коэффициенту безопасности 170
3.5. Исследование области допустимых значений степени износа, коэффициента безопасности и ресурса по запасам толщины стенки
4. Результаты исследования влияния эффективности ТД и степени опасности разрушения на ресурс сосудов и аппаратов 185
5. Поточно-ориентированная технология проведения ресурсно–прочностных исследований сосудов и аппаратов 201
6. Принцип построения комплекса для компьютерной обработки результатов технического диагностирования сосудов и аппаратов
6.1. Ресурсно–прочностные показатели, принятые в расчетных модулях КомКОРД 231
6.2. Реализация маршрутной технологии с применением КомКОРД 235
6.3. Реляционная модель компьютерной обработки результатов технического диагностирования сосудов и аппаратов 238
6.4. Оператор подготовки и ввода исходных данных в формы КомКОРД 242
6.5. Оператор расчета и анализа прочности сосудов и аппаратов с использованием формализованных электронных таблиц КомКОРД 254
7. Заключение по работе 270
Список использованных источников 279
- Оценка прочности зон сопряжения штуцеров с элементами корпуса и их учет при прогнозировании ресурса сосудов и аппаратов
- Оценка влияния на ресурс скорости износа с учетом предельных отклонений толщины стенки и погрешностей измерения
- Применение степени износа стенок в качестве параметра для прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов
- Ресурсно–прочностные показатели, принятые в расчетных модулях КомКОРД
Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозирование ресурса технических устройств, в том числе сосудов и аппаратов опасных производств, подразумевает принятие решения о сроках их безопасной эксплуатации, обеспечение которой достигается использованием существующих и созданием новых методов ресурсно-прочностных исследований (РПИ), направленных на получение данных по техническому состоянию (ТС) обработкой результатов технического диагностирования (ТД), определение прочности и оценку ресурса.
В Федеральных Законах России "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 21.07.1997 г. № 116-ФЗ, "О техническом регулировании" от 27.12.2002 г. №184-ФЗ и вышедших на их основе нормативных документов в области промышленной безопасности, в основу требований безопасности заложен принцип (гипотеза):
Техническое устройство (ТУ) может эксплуатироваться до тех пор, пока его элементы, материал, сварные швы, разъемные соединения не изменят своих размеров и физических характеристик до величин, не гарантирующих восприятие эксплуатационных нагрузок без разрушения, в том числе, и в аварийных ситуациях.
Фундаментальная постановка проблем прочности, риска и безопасности предусмотрена федеральной целевой программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы", утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 года № 613.
Применяемые методы прогнозирования ресурса ТУ типа сосудов и аппаратов (СиА) опасных производств, которые эксплуатируются с превышением исходного (проектного) или назначенного срока службы, обусловлены погрешностями от 50% до 114%, поэтому одна из мер обеспечения промышленной безопасности состоит в совершенствовании методов прогнозирования ресурса. Как показал опыт работы автора с 2004 года в качестве эксперта промышленной безопасности, не менее 91% СиА по окончанию назначенного срока службы не исчерпали проектных запасов прочности и работоспособны. Около 9% из них требуют ремонта мест язвенных поражений, усиления или замены отдельных элементов, например патрубков. Одной из причин низкой точности оценки ресурса является недостаточность обоснования закономерности перехода между техническими состояниями (ТС), включая переход от исходного (ИТС) к фактическому (ФТС) и к предельному (ПТС). Другая причина состоит в недооценке объемов ТД, степени коррозионного износа и степени опасности разрушения СиА. Недостаточность учета затрат времени на ТД и РПИ при планировании остановочных ремонтов и экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) влечет некачественное или неполное их проведение, что повышает вероятность аварий СиА. Не в полной мере автоматизирована обработка данных по ТС, прогнозированию ресурса СиА по результатам ТД и ЭПБ. Многокритериальная система оценки ресурса, приведенная в работах Махутова Н.А., открывает новые возможности для совершенствования методов прогнозирования ресурса СиА. Необходимость разра-
ботки автоматизированных комплексов обработки данных по исходному и фактическому ТС, методов прогнозирования исходного ресурса при проектировании, назначенного при изготовлении и остаточного ресурса при ТД по коррозионному износу, степени опасности разрушения СиА и объемам технического диагностирования, не теряет своей актуальности.
Цель работы: Разработка метода прогнозирования ресурса СиА по коррозионному износу, объемам ТД и степени опасности разрушения СиА. Цель достигается решением следующих задач:
-
Применением в качестве показателей ресурса коррозионного износа и коррозионной стойкости материалов, запасов толщины стенок и запасов прочности элементов, объемов ТД и степени опасности разрушения СиА.
-
Разработкой расчетной модели прогнозирования ресурса по коррозионному износу до наступления ПТС с учетом объемов проведения ТД и степени опасности разрушения СиА.
-
Разработкой комплекса компьютерной обработки результатов ТД, проведения РПИ и прогнозирования ресурса СиА.
Научная новизна
-
Разработан метод прогнозирования ресурса, основанный в отличие от известных, на закономерности перехода от ИТС или ФТС к ПТС по степени коррозионного износа, с учетом дефектности, объемов контроля при ТД и степени опасности разрушения СиА. Метод дает возможность определять прочностной резерв элементов, а по наиболее слабому из них назначать ресурс СиА.
-
Разработана модель прогнозирования ресурса на протяжении всего жизненного цикла, в которой переход от ИТС и ФТС к ПТС определяется по степени коррозионного износа, запасам толщин стенок и запасам прочности элементов, объемам ТД и степени опасности разрушения СиА.
-
Получена зависимость ресурса и исследована область ее допустимых значений при изменении запасов толщины стенок и запасов прочности, объемов ТД и степени опасности разрушения СиА.
4. Создан комплекс компьютерной обработки результатов ТД и прове
дения РПИ (КомКОРД) для реализации метода прогнозирования ресурса по
коррозионной стойкости материала, запасам толщины стенок и запасам
прочности, степени коррозионного износа, показателю эффективности ТД и
степени опасности разрушения СиА.
5. Впервые разработана поточно-ориентированная технология, направ
ленная на объединение в единый технологический процесс ТД, РПИ и ЭПБ,
включая разработку рекомендаций на ремонт, прогнозирование ресурса и
разработку заключений ЭПБ.
Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
Метод прогнозирования ресурса на основе закономерности перехода от ИТС к ФТС, решает задачу обеспечения безопасности СиА на протяжении жизненного цикла от проектирования до достижения ПТС.
-
Автоматизацией обработки результатов ТД и проведения РПИ реали-
зован метод прогнозирования ресурса по проектным и фактическим эксплуатационным параметрам с учетом степени коррозионного износа, дефектности, показателя эффективности ТД и степени опасности разрушения СиА.
-
Единые технологические требования к проведению РПИ в зависимости от объема неразрушающего контроля при ТД предназначены для определения эффективности, трудоемкости и стоимости ЭПБ различных типов СиА.
-
Внедрение КомКОРД в Научно-диагностическом центре ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» позволило автоматизировать процесс РПИ при оценке прочности, прогнозировании ресурса СиА, в том числе его замененных по причине изношенности элементов, и, как следствие, сократить время их простоя в ремонте.
-
Реализация автоматизированной системы промышленной безопасности предприятия и комплекса компьютерной обработки результатов ТД, проведения РПИ и прогнозирования ресурса, снижает трудоемкость ЭПБ различных типов СиА.
Соответствие паспорту специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям): 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.
Методика исследования. Зависимости для прогнозирования ресурса исследованы имитационным моделированием путем варьирования конструктивных и эксплуатационных параметров с использованием численных методов и современных вычислительных прикладных программ MathCAD, Microsoft Office Excel и АРМ WinMachine, которые позволили получить данные экспериментальных исследований с точностью, достаточной для обоснования диапазона их допустимых значений.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, содержащихся в работе, подтверждена корректным построением математической модели прогнозирования ресурса. Применением поверенного метрологического и испытательного оборудования при ТД различных типов СиА, стандартных методов расчета прочности, сертифицированных и верифицированных пакетов компьютерных программ при проведении РПИ.
Обоснованность метода прогнозирования ресурса подтверждена работоспособностью СиА за пятнадцатилетний период их эксплуатации в условиях действующего производства ОАО «Ангарская нефтехимическая компания».
Автор защищает:
-
Концепцию прогнозирования ресурса с использованием многокритериальной системы оценки ресурса в соответствии с требованиями промышленной безопасности для СиА опасных производств.
-
Метод прогнозирования ресурса по коррозионному износу и коррозионной стойкости материала, запасам прочности, объемам ТД и степени опасности разрушения СиА.
-
Результаты создания поточно-ориентированной технологии, направленной на объединение в единый технологический процесс ТД, РПИ и ЭПБ, включая разработку рекомендаций на ремонт, прогнозирование ресурса и разработку заключений ЭПБ.
-
Применение КомКОРД для реализации метода прогнозирования ресурса по коррозионному износу и коррозионной стойкости материала, запасам прочности, дефектности, степени опасности разрушения СиА и замены его изношенных элементов.
Реализация и внедрение результатов работы:
-
Комплекс компьютерной обработки использован при ТД 3677 сосудов, аппаратов и вертикальных цилиндрических резервуаров нефтехимических производств ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», ОАО «Завод катализаторов и органического синтеза», ОАО «Завод полимеров» (ПК «Роснефть», г. Ангарск).
-
Годовой экономический эффект при внедрении комплекса компьютерной обработки результатов РПИ при ТД сосудов, аппаратов и вертикальных цилиндрических резервуаров технологических установок ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» составил 2582994 рубля.
-
Внедрение автоматизированной системы ЭПБ различных типов СиА опасных производств сокращает трудоемкость проведения ТД и ЭПБ, и как следствие, время простоя СиА и всей технологической установки в ремонте.
-
Введено в действие Положение ОАО «АНХК» № ПЗ-05 Р-0109 ЮЛ-100 «Об организации экспертизы промышленной безопасности технических устройств, зданий и сооружений».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
І.На 3-ей международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». Г. Москва, РОНКТД. 2002 год.
-
На научном семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования». Москва, ГУЛ НИКИЭТ в 2001 году.
-
На региональной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации» в рамках выставки «Приборы и оборудование для неразрушающего контроля и технической диагностики» (16-19 октября, 2001 г.). Иркутск «Сибэкспо-центр», 2001 год.
-
На 2-м Ежегодном Международном Восточносибирском нефтесервис-ном конгрессе, проведенным национальным отраслевым журналом «Нефтегазовая Вертикаль» в г. Красноярске 24-25 сентября 2009 год.
-
На научно-практической конференции «Сильфонные компенсаторы -как основа обеспечения безопасности трубопроводов» 15 марта 2011 года, Иркутск.
-
На семинаре главных механиков «Нормативно-техническая база по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту нефтеперерабатыва-
ющего и нефтехимического оборудования и актуальные вопросы ее применения в современных условиях» Москва 14 февраля - 17 февраля 2011 г.
-
На IX Научно-технической конференции с международным участием «Исследования, проектирование, изготовление, стандартизация и техническая диагностика оборудования, трубопроводов, работающих под давлением» ИркутскНИИхиммаш, 22 сентября 2011 г.
-
На XI Международной научно-практической конференции «Кулагин-ские чтения» ЗабГУ, Чита, 30 ноября 2011 г.
-
На Международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения качества производства и услуг» ЗабГУ, г. Чита 8-9 декабря 2011.
-
На семинаре, проведенном НТЦ АПМ в г. Королеве с 14 по 20 апреля 2012 г.
-
Работа доложена на научных семинарах в ФГБОУ ВПО "Братский государственный университет" 30 ноября 2012, в СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН 14 февраля 2013 и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» 22 марта 2013 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций и 4 изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 6 глав, заключение и выводы, всего 317 страниц, 106 рисунков, 18 таблиц и приложения. Библиографический список содержит 365 наименований. Автореферат соответствует содержанию диссертации.
Оценка прочности зон сопряжения штуцеров с элементами корпуса и их учет при прогнозировании ресурса сосудов и аппаратов
В соответствии с рекомендациями стандартов, устанавливающих общие требования к методам коррозионных испытаний [41, 41, 40], протоколы испытаний должны содержать сведения о точности и достоверности полученных результатов. В то же время, единого нормативно–технического документа, устанавливающего методы оценки достоверности результатов коррозионных испытаний, до настоящего времени не разработано. В ряде стандартов на конкретные виды испытаний [37] приведены отдельные методы статистической обработки результатов испытаний. Более полно, чем в других стандартах, эти методы изложены в [31] с применением критерия Ирвина [186].
Рассмотрим имеющиеся в настоящее время методы прогнозирования ресурса СиА. В последние годы все большее значение приобретает оценка и назначения остаточного ресурса по результатам контроля ТС с определением уровня эксплуатационных повреждений методами и средствами ТД СиА [88, 202]. Нормативные документы Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) последних лет [187,188, 212] уделяют этому особое внимание, предъявляя соответствующие требования к составу работ по ЭПБ, инструментальной и кадровой оснащенности экспертных центров [131]. В большинстве случаев проводится поэтапное продление срока эксплуатации СиА в пределах прогнозируемого остаточного ресурса [198]. Такая задача может быть решена на основе достаточно полной и точной информации об ИТС, отраженной в технической документации, например, сведения о фактических толщинах стенок исключают необходимость учета предельных отклонений на листовой прокат, из которого изготовлены элементы корпуса. Знание ФТС дает информацию о дефектах элементов [49] по результатам проведения ТД и ЭПБ. Научные основы анализа ресурса СиА наиболее полно представлены в работах Н.А. Махутова [130,131]. Концептуальные и методические формулировки задачи оценки ресурса СиА рассматривались в большом числе работ [200]. Однако в последнее время задача оценки и прогнозирования ресурса приобрела особую актуальность. Это обусловлено как экономическими, так и организационными причинами, вызванными старением парка оборудования [305]. В настоящее время при эксплуатации СиА в основном принята так называемая "жесткая" стратегия технического обслуживания [243], в которой в качестве объекта управления принято техническое состояние СиА, управляющим устройством для которого являются мероприятия по техническому обслуживанию, воздействующие на объект с целью поддержания его в исправном состоянии.
Расчетно–экспериментальная методология оценки случайной долговечности (ресурса) при усталостном разрушении конструкций на стадии проектирования, сформированная на основе корректного применения математических методов теории случайных величин и теории выбросов, учитывающая особенности статистических характеристик случайной кривой усталости и нагруженности в форме корреляционной функции, позволяет отказаться от различных методов схематизации внешних нагрузок. Комплекс программ для ЭВМ, оценка чувствительности вероятности разрушения к статистическим параметрам спектра нагруженности и вероятностная диаграмма усталости предлагается Б.Н. Поляковым [196]. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений разработаны В.В. Москвиче-вым [152].
Под остаточным ресурсом, в соответствии с [46], следует понимать наработку СиА от момента ТД до перехода в неработоспособное или предельное состояние. Оценка остаточного ресурса осуществляется по параметрам ТС [215], обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию согласно нормативно–технической и (или) конструкторской (проектной) до 33 кументации. В большинстве методик за критерий расчета остаточного ресурса принимается тот, который наиболее точно отражает ТС и надежность СиА [130, 131].
В работе [104] вынесен на обсуждение подход к ограничению прогнозируемого ресурса и назначения срока безопасной эксплуатации до очередного ТД коэффициентами математических моделей, которые учитывают изменения параметров ТС. Их выбирают или определяют с учетом погрешности модели и относительной ошибкой прогноза ресурса по нормируемой максимально допустимой относительной ошибке ТД, доверительной вероятности с учетом степени опасности и ответственности оборудования по критериям, приведенным в [115, 211]. Прогнозируемый (расчетный) ресурс по принципу, реализованному в [49, 212] ограничивают величиной, составляющей половину от первоначального (проектного) срока службы с учетом относительной ошибки. Назначаемый срок безопасной эксплуатации до очередного обследования определяется путем деления прогнозируемого (расчетного) ресурса на коэффициент запаса, который принимают с учетом тяжести последствий возможного отказа оборудования по критериям [131, 211]. Но авторы не уточняют, в зависимости от чего принимается коэффициент запаса прочности. В работе [2] по результатам экспертизы промышленной безопасности 114 сосудов и аппаратов, изготовленных в 1963– 1964 гг., получено редко встречающееся сочетание взаимоисключающих результатов, выявивших некоторые коренные проблемы системы экспертизы промышленной безопасности. Отражены некоторые проблемы применения рекомендаций [212] при определении остаточного ресурса сосудов и аппаратов после длительной эксплуатации. В соответствии с рекомендациями [212] остаточный ресурс определяют по допускаемым напряжениям материала с учетом нормативного запаса прочности [58], который принимается по условиям испытания. Какие–либо ограничения для определения назначаемого срока безопасной эксплуатации, при достижении которого необходимо про 34 ведение очередного обследования, в [212] и в ряде другой НТД не предусмотрены, но подразумевается, что для обеспечения безопасности значение назначаемого до очередного обследования срока должно быть ниже значения прогнозируемого ресурса.
Методы прогнозирования остаточного ресурса СиА, основанные на моделях физических процессов износа (накопление усталостных повреждений, изнашивание механизмов и т. п.) [21, 22, 113], не нашли практического применения при оценке остаточного ресурса СиА в связи с их высокой трудоемкостью и необходимостью применения сложного математического аппарата теории случайных процессов. Проблемы, относящиеся к анализу сроков службы и ресурса СиА, исследовались в рамках методологии надежности [46]. Известны схемы управления, в которых на основе информации о текущем состоянии системы вырабатывается управляющий сигнал, а затем вырабатывается прогноз ее дальнейшего поведения, поскольку, часть контуров циркуляции информации замкнута не через свершившееся прошлое, а через прогнозируемое будущее [358].
Оценка влияния на ресурс скорости износа с учетом предельных отклонений толщины стенки и погрешностей измерения
Задача определения конструктивных параметров тонкостенных оболочек при их проектировании представляет сложность с точки зрения равно-прочности конструктивных элементов, а в особенности их сопряжения между собой [60, 9, 168, 90, 161, 256, 289]. Например, сопряжение штуцера с корпусом состоит из нескольких отдельных деталей, включая часть корпуса или обечайки, в которую врезан патрубок, и установлено укрепляющее (накладное) кольцо, соединенные между собой сварными швами. Поскольку элементы сварных швов, околошовных зон и детали узла сопряжения могут иметь различную степень износа, их запасы прочности рекомендуется определять с применением методов конечных элементов [264, 306]. Решению задачи оценки объемного напряженного состояния методом конечных элементов посвящены научные работы [149, 168, 267]. малый элемент
Натурные эксперименты на моделях отдельных элементов конструкции до настоящего времени проводились, например, по оценке НС зон патрубков [137], при этом использовались преимущественно модели из полимерных материалов.
СиА. Проведение натурных экспериментов по исследова нию ресурса затруднено длительностью развития деградационных процессов, износа и старения, поэтому экспериментальные исследования таких СиА, слишком дороги, требуют значительного времени, их проведение связано с риском и большими материальными издержками, особенно если СиА единичного производства.
В данной ситуации предпочтительнее компьютерное моделирование с использованием математических моделей изучаемых объектов, процессов или самих СиА, которые в эксплуатационных условиях, как правило, подвергаются комплексу нагрузок [273, 308]. Их НДС характеризуется повышенным уровнем напряжений, возникающих вблизи имеющихся конструктивных неоднородностей (отверстий, выступов, пазов и т. п.), которые создают сложное объемное напряженное состояние. В свою очередь, ресурс работы любой конструкции в условиях циклических нагрузок, определяется объемным НС [89], возникающих в ее элементах, деталях и узлах.
Вид НС, возникающего в некоторой точке конструкции под нагрузкой, характеризуется величиной коэффициента его жёсткости П, равного отношению первого инварианта тензора напряжений ко второму [248]
Известно [270], что увеличение коэффициента жёсткости вида НС в некоторой зоне конструкции (увеличение жёсткости НС) может привести к тому, что очаг разрушения перемещается в эту зону, несмотря на то, что уровень напряжений в ней не является максимальным для конструкции в целом. Существенно, что такое перемещение может происходить как в случае циклического характера нагружения конструкции [270], так и в случае её квазистатического разрушения [273]. Указанное обстоятельство необходимо учи 79 тывать на этапе проектирования как конструкции в целом, так и её местных усилений, направленных на снижение уровня напряжений в местах конструктивных неоднородностей [80]. При численном моделировании значение коэффициента П определялось при этом формулой (1.21), величина К - коэффициент концентрации напряжений - формулой
Такое НС характеризует процесс деформирования ряда ответственных элементов высоконагруженных конструкций. В частности, кромок отверстий в стенках сосудов высокого давления, в посадках с натягом, при контактном силовом взаимодействии элементов конструкций.
Однако в этом случае, как и при оценке скорости коррозии, требуются нормативы, разработка которых еще более проблематична.
Рассмотрено исследование влияния на ресурс конструктивных элементов, имеющих зоны с повышенной концентрацией напряжений. Надежными методами верификации являются натурный эксперимент и сравнение результатов с аналитическим исследованием адекватной математической модели. Однако применение обоих методов достаточно ограничено. Первый метод не позволяет получать точные данные о состоянии конструкции из–за невозможности непосредственного ее измерения в зоне перемычки на поверхностях канавок, второй – ограничивается небольшим классом простых задач и особых условий нагрузки [311].
Проведение натурных экспериментов по исследованию НДС и применение для оценки ресурса затруднено длительностью развития деградацион-ных процессов, износа и старения, поэтому экспериментальные исследования таких СиА слишком дороги, требуют значительного времени, их проведение связано с риском и большими материальными издержками, особенно если СиА единичного изготовления.
Натурные эксперименты на моделях отдельных элементов конструкции до настоящего времени проводились, например, по оценке напряженного состояния зон патрубков сосудов [137], при этом использовались преимущественно модели из полимерных материалов. Для проведения оценочных экспериментов моделей предпочтительнее компьютерное моделирование с ис пользованием математических моделей изучаемых объектов, процессов или самих СиА. б)
В работах [291, 297, 299] проведено исследование напряженного состояния сварного шва трубы с непроваром корня шва и распределение внутренних напряжений в стенке с целью определения зон их концентрации. В качестве образцов для исследования использованы осевые сечения кольцевого сварного шва стального трубопровода диаметром d =200 мм, толщиной стенки s = 8 мм, модулем продольной упругости Е = 195000 МПа при внутреннем давлении 1,0 МПа. Смещение кромок труб друг относительно друга
Применение степени износа стенок в качестве параметра для прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов
В идеальном случае при nk= nи ресурс согласно формулы (3.17) был бы равен 223 года, однако фактический запас прочности всегда ниже проектного, поскольку присутствует минусовой допуск на толщину листа, из которого изготовлена стенка СиА и погрешность измерения. С учетом которых реальный запас прочности может быть принят равным nk=2,4, а ресурс Тk=98 лет. При снижении запаса прочности до nk=2,2 ресурс составит Тk=54 года, и т.д. Безопасная эксплуатация возможна до достижения остаточного ресурса Тk=24 года при nk=1,5. Далее возможен риск при эксплуатации, могут потребоваться компенсирующие мероприятия, поэтому необходимость ТД очевидна.
При достижении нормативного запаса прочности nk=1,0 возможно разрушение СиА. На графике видно, что предельный ресурс соответствует предельному запасу прочности, равному единице, нормативный ресурс соответствует нормативному запасу прочности, равному 1,5. Результат построения этой зависимости подтверждает, что в отличие от линейных зависимостей квадратичные зависимости более полно отражают характер изменения ресурса. Ошибка расчетов составила не более 5%, поэтому предложенная формула вполне может быть применима для расчета ресурса. С помощью полученной зависимости впервые реализовано условие (3.17), которое отражает жизненный цикл СиА от изготовления до достижения предельного состояния. Проведенные расчеты и исследования дают основание полагать, что экспоненциальная зависимость (рисунок 3.6) отражает жизненный цикл СиА от изготовления до достижения предельного состояния с учетом износа и изменения расчетных характеристик, входящих в условия (2.22.14). Следующим шагом на пути его реализации метода стоит задача изучения влияния на ресурс степени опасности при разрушении, групп и классов СиА и эффективности ТД.
Учет влияния степени опасности в случае разрушения и объемов контроля сосудов и аппаратов при техническом диагностировании
Функции ресурса (2.46, 2.47 и 2.48) показывают возможность единого концептуального подхода к решению задачи оценки ресурса на любой стадии жизненного цикла СиА. Но в каждом конкретном случае при оценке ресурса следует учитывать не только конструктивные особенности, степень коррозионного износа, деградацию механических свойств материала, но и степень опасности, объемы и эффективность ТД. Для удобства функции ресурса (2.46, 2.47 и 2.48) представим в виде обобщенного условия, в которое входят составляющие, оказывающие влияние на ресурс Tt=f ( ; nki; n(k+1)i ; noi; пні; K3i; & Д-; Vt). При этом расчетные, исполнительные, фактические толщины на период ТД и запасы прочности, определяемые прочностными расчетами через конкретные промежутки времени Ть Т2, ..., Тк, соответствуют наработке до 1-го (h), 2-го (t2),... и k-го (tk) ТД, как это предложено в работе [104].
Рассмотрим возможность прогнозирования ресурса СиА на основе РПИ при ТД. При прогнозировании ресурса автором предложено учитывать не только запасы прочности, но и другие показатели, влияющие на ресурс, в частности: a) показатели оценки ИТС, ФТС и ПТС, определенные ТД при изготовлении и в процессе эксплуатации; b) степень опасности ситуации в случае разрушения СиА; c) количественные показатели полноты и объемов ТД; d) показатели коррозии и коррозионной стойкости материалов, определяемые стандартами [40, 41, 41]; e) степень износа с учетом предельных отклонений, ошибок измерения и погрешностей, зависящих от точности определения запасов прочности элементов.
Согласно правилам устройства и безопасной эксплуатации сосуды подразделяются на группы, а резервуары на классы в зависимости от эксплуатационных параметров и сред. Для удобства математической обработки результатов расчета, снижения опасности в случае разрушения СиА для окружающей среды и персонала, в качестве аналога групп или классов в работе [147] введена степень опасности СиА в случае разрушения, которая определена формулой ni\ (3.18) где у - доверительная вероятность оценки опасности или квантиль нормального распределения выбирается из ряда: 0,80; 0,90; 0,95; 0,99; 8 - максимальная допустимая относительная ошибка расчета опасности выбирается из ряда: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20. Выбор величин у и 5 рекомендован Методическими указаниями РД 03-421-03. В отличие от групп и классов опасности, коэффициент опасности для окружающей среды при разрушении позволяет проводить аналитическую обработку результатов ТД. Формула (3.18) показывает, что большее значение величины соответствует наиболее опасному при эксплуатации техническому устройству (более ответственной группе сосуда и более ответственному классу резервуара или трубопровода). Прямая связь между коэффициентом 4 и группами (классами) опасности позволяет выбрать необходимые у и 8 для СиА при расчете его ресурса.
Эффективный объем ТД исследуемого СиА предложено определять эмпирическими зависимостями, которые учитывают диагностированное количество элементов, деталей и узлов, включая обечайки и днища корпуса, патрубков штуцеров, включая количество перекрестий сварных швов, а так же длины сварных швов, соединяющих их между собой. Приведем метод его расчета. Эффективный объем ТД определен формулой
Ресурсно–прочностные показатели, принятые в расчетных модулях КомКОРД
Классический подход к составлению программ для проведения прочностных расчетов состоит в том, чтобы введя исходные данные, получить конечный результат расчета одного элемента конструкции, например [102]. Для проведения расчета прочности другого элемента требуется снова ввести исходные данные, и т.д. В результате при разработке технического проекта СиА получается многостраничный документ, содержащий однотипные расчеты в количестве, равном количеству рассчитанных элементов, входящих в состав СиА. Прогнозная информация подаётся на вход программно – адаптивного модуля системы управления. Вследствие этого система управления реагирует не только на уже свершившиеся отклонения замкнутой системы от идеального режима, но и на те, которые только имеют тенденцию к осуществлению (в случае, если прогнозирование достаточно точное). Алгоритм завершается в случае, когда прогноз удовлетворяет требованиям к точности решения задачи.
Практика рассмотрения технических проектов, разрабатываемых проектными организациями, проводимая автором, показала неэффективность использования современных ПК при выполнении сложных инженерных расчетов СиА, содержащих множество разнотипных элементов, деталей и узлов с использованием программ [102], предназначенных для расчета отдельных элементов. Неэффективность таких программ заключается в больших затратах времени и ошибках при вводе исходных данных в каждый модуль расчета, сказываются на качестве проектов опасных производственных объектов. Разработка программ для расчета прочности множества входящих в сосуд или аппарат разнотипных элементов (обечаек корпусов, днищ, крышек, штуцеров, укрепляющих элементов и т.п.) представляет особую сложность. Многоэлементные расчеты прочности были осуществлены в программном ком 231 плексе PVD-Desing,, разработанном Б.С. Вольфсоном во ВНИИНЕФТЕ-МАШ, который предназначен преимущественно при разработке новых проектов, поэтому в нем не решена задача оценки и прогнозирования остаточного ресурса элементов СиА по результатам ТД. Программный комплекс с функцией прогнозирования ресурса с учетом зависимости ресурса от запасов прочности элементов СиА и от показателя эффективности ТД имеет еще большую сложность.
Расширенное представление ресурса позволило автору разработать и применить на практике новую концепцию проведения РПИ и прогнозирования ресурса на основе полученных зависимостей.
Многоэлементные расчеты прочности реализованы в КомКОРД таким образом, что каждому элементу во всех расчетных модулях отведена отдельная строка, в которую занесены исходные данные. В этих же строках в соответствии с расчетными формулами проведены расчеты и показаны их результаты, проведены логические сопоставления элементов в зависимости от их количества и местонахождения в отдельных модулях. Осуществлена автоматизированная передача данных и результатов из каждого модуля в последующий модуль, позволяющая рассчитывать методом последовательных приближений, задавая или изменяя расчетные параметры или условия. Такой подход обеспечил получение результата при минимуме ручной работы и ошибок.
Ресурсно–прочностные показатели, принятые в расчетных модулях КомКОРД Рассмотрим общий метод расчета отдельных элементов, использованный в КомКОРД. Модель «слабейшего звена» (1.15) применена в КомКОРД к рассчитываемым элементам СиА. При общем количестве основных элементов, несущих опорные нагрузки типа обечаек и днищ в количестве от 1 до m, запас прочности СиА в целом определяют минимальной величиной для i–го узла, детали или элемента (зоны сопряжения элементов)
При наличии в конструкции штуцеров и других элементов, не несущих опорных нагрузок запас прочности СиА в целом определяют минимальной величиной для j -го элемента (зоны сопряжения элементов). Тогда общий минимальный запас СиА определяется условием «У= тт(пи rij) 1,0 . (6.2)
Запасы прочности, определенные на основе фактических данных при количестве элементов i=l. J и зон сопряжения элементов j=l..т рассчитываемых элементов t и т, выражается их минимальной величиной [277] для элемента, наиболее ослабленных износом в процессе эксплуатации.
В сосудах и аппаратах к зонам сопряжения элементов чаще всего относятся, врезки в корпуса патрубков с укрепляющими кольцами, поэтому определение их запасов прочности принимает особое значение, поскольку в расчете участвуют одновременно два, и более элементов, имеющих различную степень износа. Равнопрочность элементов и зон их сопряжения обеспечивается примерным равенством запасов прочности щ = щ =п2=…=птпн, что особенно важно при проектировании СиА.
Наименьший запас прочности элемента (6.1) или зоны сопряжения элементов (6.2) по статическим нагрузкам и напряжениям, эквивалентным напряжениям, циклическим нагрузкам, ползучести, хрупкости и устойчивости также определен моделью «слабейшего звена» (1.15) по их минимальному запасу прочности условием П(к)тіп= тіп{ про; пео; nNo; Щьщ; па; ппэкв;п ; иП; wK;«У}« н- (6-3)
Условие (6.3) позволяет проводить РПИ для оценки постоянных, циклических нагрузок, ползучести, устойчивости, эквивалентных напряжений (или амплитуды напряжений при циклических нагрузках), коэффициентов интенсивности напряжений элементов СиА в пределах заданного нормативного запаса прочности. Наиболее ослабленные элементы, детали и узлы выявляются прочностными расчетами по стандартам и специальным методикам, ме 233 ханическими испытаниями материалов из которых они изготовлены, измерением механических напряжений, акустико–эмиссионными и другими методами контроля.
При уменьшении толщин стенок, сечений узлов, деталей и элементов СиА, соответственно, снижаются и запасы прочности от исходной величины до текущего значения на момент времени проведения ТД. Избыточный (дополнительный) запас прочности на момент ТД определяется условием, аналогично (1.2) для исходного запаса прочности (ползучести, устойчивости и т.п.), который обеспечивает безопасность эксплуатации на период времени k, запишем условие
