Введение к работе
Актуальность проблемы
Условия эксплуатации оборудования, используемого в технологических процессах подготовки и переработки нефти и газа, характеризуются сложными режимами нагружения, включающими различные виды и сочетания механических, тепловых и коррозионных воздействий. Кроме того, большинство видов оборудования, такие как трубопроводные системы, резервуары, различное нагревательное оборудование имеет высокий уровень изношенности, что в конечном итоге приводит к трудно прогнозируемым последствиям с точки зрения реализации катастрофических разрушений. Значительное количество подобных объектов работает в условиях знакопеременных нагрузок, что представляет наибольшую опасность с точки зрения возникновения аварийных ситуаций. В условиях сложившейся обстановки особенно остро встает вопрос обеспечения надежной и безопасной эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли.
Существующие на сегодняшний день способы определения технического состояния таких объектов позволяют обнаружить определенные дефекты, однако многие из них из-за протяженности или большой площади объектов своевременно не обнаруживаются и приводят к разрушению оборудования или его элементов. Поэтому актуальной является проблема неразрушающей оценки накопленных повреждений, которая бы позволила определить наступление предельного состояния до периода активного развития дефектов.
Предпосылкой при постановке цели исследования было выдвижение гипотезы о формировании дробно-размерной зоны, которая определяется количественно поверхностной энергией конструкционного материала. Поскольку дробно-размерный слой характерен не только для твердых материалов, но и для жидких, был проведен комплекс исследований, который подтвердил наличие данного слоя и указал на его связь с энергетическими характеристиками поверхности. Поэтому при исследовании закономерностей накопления повреждений в материале оборудования в процессе эксплуатации целесообразно применять такие методы неразрушающего контроля, которые позволяют оценивать изменение свойств на его поверхности.
Используемые при решении задач технической диагностики нефтегазового оборудования в настоящее время методы неразрушающего контроля, как правило, направлены на выявление и измерение достаточно развитых дефектов. Однако для физически изношенного оборудования наиболее опасным является состояние металла, когда на уровне структуры могут произойти необратимые изменения, которые определяют не только степень накопления повреждений в материале, но и дальнейший механизм разрушения конструкции. Поэтому точная оценка предельного состояния материала оборудования с одной стороны позволит снизить частые остановки на ремонт и диагностические работы, а с другой - исключить аварийную ситуацию.
Объект исследования: нефтегазовое оборудование, подверженное циклическим нагружениям.
Предмет исследования: прогнозирование состояния конструкций нефтегазового оборудования по результатам измерения поверхностных характеристик.
Цель работы: повышение эффективности мониторинга технического состояния нефтегазового оборудования и прогнозирования предельного состояния материала конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагружений, на основе результатов измерения его поверхностных характеристик.
Цель достигается решением следующих задач:
-
Оценить роль поверхности в образовании и разрушении материалов оборудования и изменение поверхностных свойств при накоплении повреждений.
-
Установить особенности усталостного накопления повреждений конструкций и разработать способы оценки уровня накопленных повреждений.
-
Определить диагностические признаки наступления предельного состояния материалов оборудования, подверженных циклическому нагружению.
-
Разработать алгоритм прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого под действием циклических нагрузок, с учетом закономерностей изменения поверхностных свойств, на стадии проектирования и эксплуатации.
1. Научно доказано, что в процессе эксплуатации оборудования в материале в течение всего периода накопления повреждений изменение свойств носит нелинейный характер с локальными экстремумами, указывающими на увеличение вероятности разрушения. Установлено, что наиболее характерными из опасных периодов эксплуатации оборудования являются диапазоны с накоплением повреждений Ni/Np=0,30,4 и Ni/Np=0,70,8 (Ni/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). Идентификация предельного состояния материала оборудования наиболее точно оценивается с помощью выявленных диагностических признаков трехпараметрического определения физических параметров поверхности, таких как напряженность постоянного магнитного поля, напряжение и затухание отклика электрического сигнала и поверхностная энергия.
2. Разработан научно-обоснованный алгоритм прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования на стадии проектирования и эксплуатации, который основан:
- на оценке распределения напряженно-деформированного состояния материала оборудования численным методом и выявлении потенциально опасных зон, с последующей расчетной оценкой сроков контроля и ремонтно-восстановительных работ;
- на определении области потенциально опасных зон путем измерения акустических и магнитных характеристик, корректировкой дополнительных участков критического накопления повреждений, в которых методами интроскопии определяются координаты и геометрические размеры дефектов, и с учетом степени накопленных повреждений оценивается ресурс исследуемого объекта.
3. На основе экспериментальных исследований научно доказано, что поверхностная энергия материала конструкций при накоплении усталостных повреждений возрастает по всей области нагружения, что дает возможность оценивать степень накопленных повреждений металла оборудования. Кроме того, установлено, что в потенциальной зоне разрушения рост поверхностной энергии происходит в большей степени, чем в других областях исследуемого материала.
Установлены функциональные зависимости между уровнем накопленных повреждений и такими физическими параметрами, как поверхностная энергия, напряженность постоянного магнитного поля, напряжение и амплитуда затухания отклика электрического сигнала, скорость распространения ультразвуковых волн.
Развиты представления о природе поверхности и поверхностной энергии, в основе которой лежит идея о формировании поверхностной энергии за счет потери мерности сред.
Разработанный метод оценки накопленных повреждений и предельного состояния материала оборудования, эксплуатируемого в нефтегазовой отрасли, с учетом закономерностей изменения поверхностных характеристик положен в основу учебно-методического комплекса по изучению дисциплины «Оценка накопления повреждений и предельного состояния материала оборудования» магистрантов, обучающихся по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» программы 551831 «Надежность технологических систем и оборудования» с целью формирования базы знаний о природе явления разрушения в металлических материалах, основных принципах и механизмах разрушения.
Разработан и принят к использованию стандарт предприятия ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет «Оценка долговечности оборудования, эксплуатируемого в условиях малоцикловой усталости, с учетом результатов электромагнитных измерений»
При выполнении проектных работ блока ДИГ установки АГФУ нефтеперерабатывающего предприятия проведены расчеты напряженно-деформированного состояния и определены прогнозируемые сроки оценки технического состояния и ремонтно-восстановительных работ оборудования, подверженного циклическим нагружениям.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 54-62-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, УГНТУ, 2003-2005 гг.); IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России». Ежегодных итоговых конференциях отделения технических наук АН РБ (г. Уфа, 2001, 2002, 2003 г.г.); Международной научно-технической конференции «Прикладная синергетика -II» (г. Уфа, 2004 г.); 1-ой Всероссийской научной INTERNET-конференции (г. Уфа, 2003 г.); секции «Проблемы нефти и газа» III Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2001 г.), Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2005 г.), научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации «Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2008 г.); II-й Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (г. Уфа, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа 2010 г.): XIV Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2010 г.).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 45 научных трудах, в том числе в 1 монографии и 22 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получено 4 патента.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Похожие диссертации на Методология прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого в условиях циклического нагружения, на стадии проектирования и эксплуатации
