Натурные эксперименты на моделях отдельных элементов конструкции проводились, например, по оценке напряженного состояния зон патрубков сосудов, преимущественно на моделях из полимерных материалов.

Оценка прочности образцов с концентраторами, разработанных с участием автора (Пат. Рос. Федерации № 2360227 и № 2418284), проводилась компьютерным моделированием с использованием расчетных комплексов MSC/NASTRAN и APM WinMachine.

В исследованиях Митрофанова А.В. и Барышова С.Н. распределение по уровням вероятности отказа элементов СиА Vai=f(То; Tн; Kli) характеризуется нормативным периодом эксплуатации Tн от прогнозируемого значения остаточного ресурса То до наступления предельного состояния по доминирующему механизму повреждения с учетом качества Kli, установленного при ТД. В работах Махутова Н.А. и Пимштейна П.Г. применены линейные и нелинейные зависимости прогнозирования ресурса. В работах Бермана А.Ф. отмечается, что эффективность, качество диагностирования и прогнозирования сужает объем исследований по установлению причин вероятных или имеющих место повреждений на всех стадиях жизненного цикла технических систем. В ОДМ 218.4.001-2008 «Методические рекомендации по организации обследования и испытания мостовых сооружений на автомобильных дорогах.

Федеральное дорожное агентство (Росавтодор). Москва 2008» приведено понятие износа как показателя состояния элемента, отражающего степень снижения его функциональных качеств. По патенту РФ № 2006811 оценка степени износа осуществляется косвенным путем без разборки подшипников.

Для опасных производств, субъективных оценочных характеристик недостаточно из-за низкой достоверности результатов.

Анализ существующих методов прогнозирования ресурса СиА показал, что в них недостаточно обоснована взаимосвязь между исходным ресурсом, принимаемым при проектировании по наработке на отказ, назначенным в пределах 20 лет при изготовлении и остаточным ресурсом, определяемым при ТД. В них не учтены степень опасности разрушения СиА и объемы ТД.

Прогнозирование ресурса проводится непосредственно по результатам ТД, минуя РПИ, при усилении или замене изношенных элементов СиА не предусмотрена оценка их ресурса.

Во второй главе представлены результаты оценки исходного и фактического технического состояния и их влияния на ресурс СиА.

В качестве примера приведены результаты анализа ФТС СиА, включая емкости, холодильники и теплообменники нефтехимического производства ОАО «АНХК» по данным ТД в 2012 году, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Результаты анализа ФТС СиА нефтехимического производства ОАО «АНХК» по данным ТД в 2012 году Тип сосуда или Общее Коррозия Общие дефек- Дефекты Заме- Не чество, до 0,1 Язвен Местные Тре- Поры Непро- патруб дефекштук мм/год вен- утоне- щины вары труб- тов Анализ показал, что у 55,7% СиА выявлен только коррозионный износ узлов и элементов, что на 2,3% ниже среднестатистических показателей, составляющих 57%. У всех исследованных СиА наряду с коррозионным износом имеются другие дефекты. В том числе, местные утонения и трещины элементов корпусов имеют 4,3% СиА. Дефекты сварных швов обнаружены у 24,3% СиА. Это ниже среднестатистических показателей, составляющих 62% от общего числа дефектов, включая дефекты сварных швов. По результатам РПИ проведен ремонт 13,5% СиА путем замены патрубков диаметром до мм с исходными толщинами до 4 мм, устранением дефектов в виде пор и восстановлением изношенных сварных швов. Заменено 2 емкости и 2 теплообменника по причине недопустимого коррозионного износа, другие СиА допущены к эксплуатации на срок от 2 до 8 лет.

Сравнение результатов со среднестатистическими данными показывает, что преобладающим фактором износа при среднем сроке эксплуатации 36, года СиА нефтехимического производства ОАО «АНХК», работающих при давлениях до 10 МПа и температурах до 300 С, является коррозионный износ, которому подвержены 95,13% СиА при взаимодействии материалов их элементов с различными химически активными средами нефтехимических производств. Коррозионный износ рассмотрен в качестве показателя, необходимого для прогнозирования ресурса СиА при снижении толщин стенок его элементов или появления коррозионных дефектов. Проведение РПИ рассмотрено на Рис. 1. Обозначения величин, вхопри износе стенки до толщины. При издящих в расчет толщины стенки текучести материала и возможно разрушение стенки. Исходная толщина задается формулой, не приведенной в литературе: Sи=(Sр+Сдi)+Ск, где Ск – конструктивная прибавка, которая образуется округлением суммы (Sр+Сдi) до стандартной толщины листа или трубы и создает избыточность исходной толщины стенки; Сдi – прибавка к расчетной толщине для компенсации износа (коррозии), которая обычно задана исходя из условия назначаемого ресурса ТЭ=20 лет и скорости коррозии Vk=0, мм/год. Например, согласно ГОСТ 19903-74, при ширине листа до 1500 мм и толщине Sи=16 мм, верхнее предельное отклонение толщины стенки составляет ds(+)=+0,3 мм, нижнее - ds(-)=-0,8 мм. На момент изготовления с учетом предельных отклонений на толщину листа определены:

- максимальная фактическая толщина Sф max= Sи+ds(+)=16+0.3=16,3 мм;

- минимальная фактическая толщина Sф min = Sи-ds(-)=16-0.8=15,2 мм.

По приведенной в РД 03-421-03 формуле оценки остаточного ресурса сосудов при снижении исходной толщины стенки с заданной средней скоростью коррозии 0,1 мм/год за весь срок эксплуатации до ее полного износа, равного Sп= Sи-Sр=16-7,9=8,1 мм, рассчитан номинальный исходный ресурс Погрешность оценки ресурса рассчитана подстановкой взамен исходной толщины Sи, фактических значений Sф min и Sф max с учетом предельных отклонений толщины стенки по формулам Суммарная погрешность оценки остаточного ресурса на момент изготовления аппарата составила 11 лет (13,16%) при номинальном ресурсе год. Введя в формулы (7 и 8) ошибку измерения, автором получена формула оценки текущего ресурса с учетом предельных отклонений и ошибки измерения где Sk – текущее значение толщины стенки, измеряемое при ТД; Dk – ошибка измерения, учитывающая качество подготовки зон контроля, их доступности, погрешности приборов и измерительных датчиков. Скорость коррозии по известной величине ресурса с учетом допусков на толщину листа и погрешностей измерения определена по формуле При принятии взамен расчетной толщины текущих значений, определяемых через промежутки времени первого (t1),– второго (t2),...,– i–го (ti) ТД при k=1…i предложена формула для оценки ресурса на любом отрезке жизненного цикла с учетом предельных отклонений и ошибки измерения В результате последующего измерения толщины стенки при вторичном ТД может быть определен износ за прошедший период времени ( ), тогда S(k+1)=Sk-S(k+1). Подставив в формулу (11) текущее значение ( ) взамен Sk предложена формула расчета ресурса с учетом износа на период эксплуатации (k+1), которая имеет вид По окончании периода (k+1) остаточный ресурс, определенный по результатам последующего ТД, составит В таблице 2 показаны результаты расчета численных значений ресурса Тk, скоростей износа Vk min и Vk max при снижении толщины стенки. Погрешность расчета скорости коррозии с учетом допусков на толщину и ошибки измерения Dk=0,6 мм показана на рис. 2.

Таблица 2. Расчет численных значений ресурса Тk при снижении толщины стенки с учетом предельных отклонений ds(-) =0,4 мм, ds(+) =0,15 мм и ошибки измерения Dk=0,6 мм п/п Расчет показал, что при ds(+)=+0,3 мм скорость износа на 0,09 мм/год выше номинальной скорости, а при ds(-)= –0,8 мм ниже номинальной на 0, мм/год. В итоге суммарная погрешность скорости износа составляет 0, мм/год и соизмерима с номинальным ее значением. Например, при увеличении ошибки измерения на 0,5 мм погрешность ресурса с 7,5 лет возрастает до 17 лет, что соответствует 10,9%. При толщине стенки 14 мм погрешность ресурса составила 43,8%, при уменьшении толщины до 7,9 мм она снизилась до 10,9%, или 4.02 раза. Формулами (9 и 10) и графиком (рис. 2) установлено, что причины низкой точности прогнозирования ресурса по скорости коррозии состоят в необходимости учета предельных отклонений и ошибки измерения толщины стенки.

Предельные отклонения: ds(+)=+0,15 мм; ds(-)= –0,40 мм. обозначенные как Отношением толщины стенки к расчетной толщине с учетом показателя коррозии и коррозионной стойкости материала автором впервые определен ФЗТ и ПЗТ от изготовления до разрушения по формулам где q – количественный показатель коррозии и коррозионной стойкости материала, регламентированный ГОСТ 9.908-85 «Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости», который зависит от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, гидро - и аэродинамических условий, вида и величины механических напряжений, а так же от типа коррозии (сплошная, язвенная, межкристаллитная, коррозионное растрескивание и усталость).

Функционал долговечности показывает, что запас прочности является величиной переменной и снижается по мере износа, появления дефектов и деградации материала. Он оказывает влияние на снижение несущей способности и увеличения напряжений в элементах СиА. Снижение запаса прочности на протяжении всего жизненного цикла СиА в свою очередь вызвано снижением запаса толщины стенки. Поскольку составляющие, входящие в условие (3), определены по толщине стенки формулами (18 и 19), по мнению автора в расчетах наряду с запасами прочности могут использоваться запасы толщины стенок.

По исходным, фактическим и предельным запасам прочности автором разработана классификация составляющих ресурса и параметров для его оценки на различных этапах жизненного цикла СиА в зависимости от вида ТС, представленная в таблице 3.

Таблица 3. Классификация составляющих ресурса и расчетных параметров для его оценки на различных этапах жизненного цикла СиА Этап жизненного ствие износа На основе классификации получено условие снижения ресурса согласно патенту Рос. Федерации № 2436103 в зависимости от снижения запасов прочности при достижении ИЗТ, ФЗТ и ПЗТ стенки На каждом этапе параметры ТС оцениваются толщинами стенок, качеством сварных швов, наличием дефектов, поэтому ресурс СиА, состоящего от 1 до m элементов, включая зоны сопряжения их между собой, определен по наиболее слабому из них по формуле Соответственно, при общем количестве рассчитываемых элементов от 1 до m, запас прочности СиА в целом задается минимальной величиной nmin наиболее слабого из них Для расчета фиксированных величин запасов прочности, примененных в формулах (1419), в условии (20) и в классификации (таблица 3) автором предложена функциональная зависимость оценки ресурса от запасов прочности и вида ТС, которая имеет вид При ЭПБ ресурс может назначаться ниже, чем это определено функцией (23) на величину где: TСн – снижение ресурса, определяемое проектировщиком или экспертной организацией по результатам дополнительных исследований или по экспертной оценке параметров, которые не представляется возможным подтвердить расчетами прочности и ресурса заменяемых или усиливаемых элементов СиА.

Реализация алгоритма поэтапного прогнозирования ресурса СиА, схема которого представлена на рис. 3, осуществлена с помощью функциональной зависимости (23) оценки ресурса по запасам прочности.

Рис. 3. Структурная схема алгоритма поэтапного прогнозирования ресурса СиА Прогнозирование исходного ресурса осуществляется по проектным эксплуатационно-техническим данным. На момент изготовления определяется ИТС результатами первичного ТД и РПИ с учетом показателя эффективности и опасности разрушения СиА (блоки 1.11.12). По окончанию назначенного ресурса ФТС определяется с учетом показателя эффективности и опасности разрушения СиА (блоки 2.12.12) по фактическим эксплуатационно-техническим данным на момент вторичного ТД и РПИ. По снижению толщин стенок (блоки 1.5 и 2.5) определяется их износ. Расчетами прочности (блоки 1.6 и 2.6) определяется снижение запасов толщины, запасов прочности и их близость к нормативным запасам. Если фактические запасы прочности близки к нормативным запасам (блоки 1.7 и 2.7), эксплуатацию прекращают. В процессе ТД выявляются дефекты, проведением РПИ определяется их опасность, прогнозируемое время до разрушения и необходимость ремонта или замены изношенных элементов СиА. По принятию решения о проведении их ремонта, усиления или замены (блоки 2.13 и 2.14) осуществляется прогнозирование ресурса с учетом замененных (усиленных) элементов (блок 2.8) и назначается продляемый ресурс. Закономерность перехода от ИТС к ФТС и далее к ПТС, определенная условием (20), функцией (23) и алгоритмом (рис. 3), предложена в качестве модели прогнозирования ресурса, как отдельных элементов, так и всего СиА.

Прочностное резервирование, обеспечивающее безопасность эксплуатации при этом задано величиной запаса прочности стенок СиА.

В третьей главе рассмотрена модель прогнозирования ресурса СиА вследствие коррозионного износа его элементов, соприкасающихся с агрессивными средами.

Схема модели прогнозирования ресурса СиА на основе закономерности перехода от ИТС и ФТС к ПТС. показана на рис. 4. Для реализации модели рассмотрен переход от ИТС (прошлого) и ФТС (настоящего) к ПТС (будущему), чтобы определить возможность дальнейшей эксплуатации СиА.

При изготовлении по результатам первичного ТД и РПИ по алгоритму (рис.

3) определяются ИТС и исходные запасы прочности на момент изготовления.

основе закономерности перехода от ИТС и ФТС к ПТС что фиксированных значений запасов прочности определяемых на моменты ТД, для прогнозирования ресурса недостаточно. Поэтому в работе сделана попытка применения величины снижения полного запаса прочности стенки за период от начала эксплуатации до достижения ПТС, которое определено разностью прочности за период от начала эксплуатации до времени текущего ТД. Велии текущего запасов чины относительного снижения полного прочности стенки приняты автором в качестве полной и текущей степени коррозионного износа где k – порядковый номер ТД и РПИ, определяемый как k=1…i.

Однако, формулы (25 и 26) показывают величину износа за прошедший период эксплуатации. Для определения запаса коррозионного износа, который сможет обеспечить безопасность СиА на последующий период эксплуатации, отношение принято в качестве запаса на износ, представленного формулой Величина, определяемая формулой (27), показывает запас на износ стенки от ИТС до ПТС, то есть до достижения предельно допустимого запаса прочности, поэтому принята в качестве расчетной величины коэффициента безопасности, предложенного в работах Махутова Н.А.

Применив формулу (27) в качестве подкоренного выражения получена нелинейная квадратичная зависимость для прогнозирования полного ресурса СиА, представленная формулой которая впервые применена в патенте Рос. Федерации № 2454648.

По формуле (28) при нормативном сроке эксплуатации tэ =20 лет и исходном запасе прочности nи=2,0 построена экспоненциальная зависимость Рис. 5. Экспоненциальная зависимость ресурса от величины таблице 4 по запаса прочности на различных отрезках жизненного цикла формулам (26, СиА прочности стенки. Например, в строке № 4 таблиц 2 и 4 показана минимальная толщина стенки, которая обеспечит безопасность эксплуатации исследуемого сосуда, составляет 10 мм. В строке № 5 таблиц 2 и 4 показана расчетная толщина стенки, равная 7,9 мм, которая принята в качестве предельно допустимой при эксплуатации. По данным таблицы 4 построены зависимости, приведенные ниже. Зависимость степени износа от текущего запаса толщины стенки представлена на рис. 6.

Из графика видно, что степень износа увеличивается со снижением запаса толщины стенки. Соответственно, при эксплуатации достижение толщины, близкой к расчетной толщине, недопустимо из-за соображений безТаблица 4 - Расчет степени износа, коэффициента безопасности, и ресурса по запасам прочности стенки Погрешности оценки с учетом предельных отклонений ds(-)=0,4 мм и ds(+) =0,15 мм и ошибки измерения Dk=0,6 мм.

опасности СиА. Статистическая обработка экспериментальных данных про ведена регрессионным анализом по методу наименьших квадратов. Получены полиномиальные зависимости при номинальных значениях, а также с учетом погрешностей и ошибки измерения. Ошибка расчетов составила не Рис. 6 - Зависимость степени износа от текущего запаса толщины стенки более 5%. Далее показан расчет погрешности по формуле которая выражена как численными значениями, так и в процентном отношении.

В качестве примера зависимость ресурса от толщины стенки при ошибке измерения Dk=0,6 мм представлена на рис. 7.

Расчетные значения погрешностей и ошибок измерения показывают, Предельные отклонения ds(-)=0,4 мм и ds(+) =0,15 мм.

Ошибка измерения Dk=0,6 мм.

Рис. 7 - Зависимость ресурса от текущего запаса толщины стенки что запас толщины стенки должен быть выше единицы, чтобы ФТС не оказалась ниже расчетной толщины. При толщине стенки равной 14 мм погрешности составили: по запасу толщины стенки 4,82 %; по степени износа 25,8%;

по коэффициенту безопасности 28,63%, по ресурсу 13,82%.

При расчетной толщине стенки 7,9 мм погрешности составили: по запасу толщины стенки 8,54%, по степени износа 15,6%, по коэффициенту безопасности 16,16%, по ресурсу 8,0%. В итоге суммарная погрешность снижается с 48,8% до 8% при уменьшении толщины стенки с 16 мм до 7,9 мм. Область допустимых значений ресурса в зависимости от текущего запаса прочности, погрешностей и ошибки измерения принимается ниже кривой минусовой погрешности. приведенной на рис. 7.

Результатами расчетов и графиками зависимости ресурса от толщины стенки в соответствии с рис. 8, подтверждено, что погрешность оценки ресурса по степени износа ниже, чем погрешность оценки ресурса по скорости коррозии. В итоге, погрешность оценки ресурса по запасам толщины стенки в сравнении с величиной по скорости коррозии снизилась в 1,72 раза. Исследования показали, что время достижения допустимой глубины коррозионного поражения во многих случаях определяет срок службы и долговечность СиА, поэтому, применение показателя коррозии и коррозионной стойкости предусмотренные алгоритмом (рис. 3) и условием (20). Автором разработаны функции прогнозирования ресурса, в которых эти показатели учтены:

– полного ресурса на момент изготовления – текущего (расчетного) ресурса на период ТД в момент времени k, которое соответствует, например, данному моменту времени – остаточного ресурса, определяемого по результатам первичного или последующего ТД на период времени (k+1) где n(k+1) – запас (прочности, устойчивости и т.п.), заданный на период, который последует за следующим ТД; Wэфф – эффективный объем ТД; – коэффициент ответственности СиА; – коэффициент дефектности, учитывающий наличие допустимых или недопустимых дефектов, обнаруженных при ТД и устраненных ремонтом при необходимости.

Коэффициент ответственности, предложенный в качестве аналога групп или классов, показывает степень опасности разрушения СиА где доверительная вероятность оценки опасности или квантиль нормального распределения, выбирается из ряда: 0,80; 0,90; 0,95; 0,99;

максимальная допустимая относительная ошибка расчета опасности выбирается из ряда: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20. Прямая связь между коэффициентом и группами (классами) опасности позволяет выбрать необходимые и для СиА при расчете его ресурса. Выбор величин и рекомендован Методическими указаниями РД 03–421–03. В отличие от групп и классов, коэффициент ответствености СиА позволяет проводить аналитическую обработку результатов ТД. Формула (34) показывает, что большее значение величины соответствует меньшей степени опасности разрушения СиА.

Общий объем контроля, выполненный при ТД, определяется формулой Рис. 9. Зависимость показателя эффективногруппы; T'i – число методов, сти ТД от коэффициента ответственности сопримененных при диагностисуда 1 группы групп элементов; Kj – коэффициент достоверности j–го метода диагностирования.

Объем диагностирования сварных швов определен выражением где l'ij – длина всех сварных швов i–ой группы, диагностированных j–м методом (ультразвуковым, цветным, магнитопорошковым, радиографическим и т.п.); li – длина имеющихся сварных швов в i–ой группе; Р – число групп сварных швов (кольцевых, продольных, и их перекрестий); Bi –число методов, примененных к i–ой группе. Объем диагностирования установлен зависимостью где Аj – относительная часть поверхности сосуда, диагностируемая j–м методом; r – число примененных методов, включающих наружный и внутренний визуальный контроль, замеры толщин стенок, металлографические и механические исследования, измерение твердости и др.; VP– объем контроля при проведении гидравлических и других испытаний; VАEC – объем АЭК контроля.

На рис. 9 показана зависимость показателя эффективности ТД от коэффициента ответственности сосуда 1 группы. Сочетание двух и более методов, применяемых при ТД, увеличивает достоверность результатов ТД, и в этом смысле сумма по j неаддитивна, что рекомендуется учитывать при расчете N, L и VА введением поправочных повышающих коэффициентов. Эффективный объем ТД определен формулой где VЭ – объем контроля, выполненный при ТД; – нормировочный пара метр, зависящий от уровня технической оснащенности лаборатории неразрушающего контроля ( =0,51,0). Показатель эффективности ТД определен формулой Параметры достоверности оценки исходного и текущего запасов прочности, входящие в формулу представлены в виде функций где: n, ne, nN, n, nt - относительная ошибка оценки запасов прочности по напряжениям, деформациям, числу циклов, времени и температурам.

Например, n зависит от фактических величин механических напряжений, допусков на толщину проката и погрешности замера толщин стенок С использованием формул (3542) функции (31, 32, 33) прогнозирования ресурса элементов и СиА могут быть реализованы при условии оценки степени износа или коэффициента безопасности на любом этапе от проектирования до достижения предельного состояния.

Используя коэффициент дефектности, степень опасности СиА в случае разрушения (34), эффективный объем ТД (39), параметр достоверности (42) и подставив их в формулу (28) в качестве понижающих коэффициентов, получена зависимость для расчета текущего ресурса Зависимостью (43) определяется закономерность перехода от ИТС и ФТС к ПТС по степени коррозионного износа, дефектности, степени опасности разрушения, объемов ТД и предусматривается возможность оценки ресурса замененных и усиленных элементов СиА.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния эффективности ТД, достоверности оценки запасов прочности и степени опасности разрушения на ресурс сосудов и аппаратов.

С применением компьютерных экспериментов исследованы формулы ( и 43) чтобы показать влияние на ресурс параметров, входящих в них и определить область их допустимых значений. Исследования проведены с применением численных методов. Для построения экспериментальных зависимостей, моделирования и анализа результатов исследований применен вычислительный прикладной пакет MathCAD, с помощью которого определены области допустимых значений степени коррозионного износа и построены зависимости ресурса от исходных и текущих запасов прочности.

На первом этапе исследована зависимость показателя эффективности ТД от коэффициента ответственности сосуда 1 группы. На рис. 10 приведены =1,0; =0,9; =0,9; Wэфф=0,9 и nk=1,5.

Рис. 10. Зависимость исходного (полного) и остаточного ре- =0,9; =0,9;

сурса при снижении запаса прочности сосуда 1 группы полного и остаточного ресурса сосуда 1 группы при снижении текущего запаса прочности в пределах от 2.2 до 1,0. При этом nk=1 принято на момент достижения предельно допустимого ресурса. Снижение ресурса происходит в зависимости от запаса прочности, например, при nk=1,5 полный ресурс составляет 24,5 года, остаточный срок службы может быть принят не более 21,5 года, при этом снижение ресурса составляет 3,0 года. При достижении запаса прочности nk=2,0 исходный ресурс составляет 34,6 года, остаточный срок службы может быть принят не более 27,8 года. Заданные запасы прочности, аппроксимированные с учетом показателей, ; и Wэфф, позволили определить соотношение между полным и остаточным ресурсом, которое в частности составляет 6,8 года.

На рис. 11 показано влияние объема ТД на ресурс сосуда 1 группы. На графике видно, что снижение объема работ при ТД вызывает необходимость сокращения ресурса.

Например, при запасе прочности nk=1,8 и эффективности ТД Wэфф=0, остаточный ресурс составляет 29,5 года, а при Wэфф=0,5 остаточный срок службы может быть принят не более чем 23,4 года, при уменьшении объема =1,0; =0,9; =0,9 и nk=1,5.

Рис. 11. Влияние объема ТД на ресурс сосуда 1 группы группы (1=1,0) исходный ресурс составляет 29,3 года. При этом в зависимости от группы сосуда ресурс изменяется в пределах 21,7 года.

На рис. 13 показано соотношение остаточного ресурса сосудов 1,2,3 и =0,9; =0,9; W=0,9 и nн=1,5.

значений:

=12,46; =0,2…0,9; =0,4…0,8; Wэфф=0.3….0,9; n= 1,0…2,0.

=0,9; =0,9; W=0,9 и nk=1,5.

В пятой главе представлены результаты разработки поточно - ориентированной технологии проведения ЭПБ СиА.

Комплекс работ по проведению ЭПБ разделен на три этапа: Первый направлен на оценку ФТС. Второй включает анализ закономерностей изменения параметров ТС, расчет режимов работы, исследование напряженно– деформированного состояния, оценку вероятности хрупкого разрушения, ползучести, циклической усталости элементов и выбор критериев предельных состояний. Третий включает расчетно – аналитические процедуры, РПИ, проводимые для продления ресурса ТУ и разработку заключений ЭПБ.

Поточно-ориентированная технология направлена на их объединение в единый технологический процесс, включая ТД, РПИ, разработку рекомендаций на ремонт, прогнозирование ресурса и разработку заключений ЭПБ.

На рис. 14 показана классификационная схема определения показателя эффективности ТД, трудоемкости и стоимости СиА в зависимости от объема и методов его проведения.

За основные показатели приняты объемы ТД элементов, длины сварных швов и относительной поверхности типовых элементов. Трудоемкость ТД и РПИ для всего СиА составит где tN – норма времени на ТД типовых элементов; tL– норма времени на ТД сварных швов; tVA– норма времени на ТД единицы площади поверхности сосуда; U– трудоемкость и tр – норма времени на проведение РПИ и ЭПБ.

Нормы времени и себестоимость работ при использовании различных методов контроля, затраты на ТД определены по единым нормам времени и расценкам, учитывающим вспомогательное и подготовительнозаключительное время. Стоимость ТД, РПИ и ЭПБ предлагается определять формулой где рN –расценка на ТД типовых элементов; рL – расценка на ТД сварных швов; рVA –расценка и норма времени на ТД единицы площади поверхности сосуда, охватываемой например визуально – измерительным, акустико – эмиссионным, магнитноанизотропным и другими методами контроля; рр – расценка на проведение РПИ и ЭПБ; Сн – накладные расходы на приборы, расходные материалы, включая амортизационные отчисления на оборудование и помещения.

Рис. 14. Классификационная схема определения показателя эффективности ТД, трудоемкости и стоимости СиА в зависимости от объема и методов его проведения Время, необходимое на проведение ТД, РПИ и ЭПБ самого сложного аппарата, определено формулой где NПЗ - трудоемкость подготовительно заключительных операций; – максимальная трудоемкость ЭПБ наиболее сложного СиА; Kд - коэффициент, учитывающий долю выполнения диагностических работ, проводимых в период подготовительного и заключительного времени ремонта (рекомендуемое значение Кд=0,15-0,20); т -численный состав специалистов, занятых диагностированием установки, находящейся в ремонте; tс - средняя продолжительность рабочей смены; nс - число рабочих смен в сутки; Кисп - коэффициент использования диагностического оборудования в течение смены (рекомендуемое значение Кисп= 0,80,85).

Количество дней простоя технологической установки при проведении ремонта и ЭПБ рассчитано суммой где Др - число рабочих дней, отводимых на ремонт установки.

Формулами (42, 43 и 44) обоснованы нормы времени и трудоемкость проведения ТД, РПИ, ремонта и ЭПБ СиА технологических установок опасных производств.

В шестой главе представлен комплекс компьютерной обработки результатов диагностирования (КомКОРД) и ЭПБ различных типов СиА.

Проведение РПИ при ТД связано с массивом данных и вычислительных операций обработки результатов расчета прочности и ресурса, оформлением позволило осуществить гибкие связи между модулями, которые находятся в соответствующих операторах, выбирать соответствующие операторы и модули для ввода исходных данных, расчета прочности и получения данных по запасам прочности. С применением КомКОРД проводится анализ изношенности элементов по величинам запасов прочности, определяется необходимость их усиления или замены, поэлементно рассчитывается ресурса отдельно для каждого элемента или всего СиА и разрабатывается проект заключения ЭПБ. Формализованное описание конечного набора свойств и параметров, обусловливающих и характеризующих тот или иной вид повреждения, разрушения или отказа реализовано с использованием функций алгебры логики, предложенное Берманом А.Ф. и применено для обработки показанного множества данных в КомКОРД. Например, сосуд может быть аппаратом колонного типа, емкостью или теплообменником, поэтому выбор соответствующих модулей для различных конструктивных элементов, их размеров, характеристик материалов, результатов ТД осуществляется автоматически в зависимости от конструктивного исполнения СиА в целом. На рисунках 1621 в качестве примера показаны отдельные фрагменты карты исходных данных, расчета прочности и ресурса сосуда, разработанных с применением КомКОРД.

Рис.16. Фрагмент карты исходных данных СиА сены рабочие параметры, размеры и материалы СиА. На рис. 17 показана Рис. 17. Схема корпуса с элементами и сечениями, в которых проводится дефектоскопический контроль схема корпуса с элементами и сечениями, в которых проводится дефектоскопический контроль, по данным которого разрабатываются заключение по ультразвуковому, магнитопорошковому, рентгенографическому, капиллярному и другим методам контроля.

КомКОРД позволяет рассчитывать до 20 однотипных элементов и узлов типа обечаек и днищ корпусов на прочность и устойчивость от ветровых, сейсмических и опорных нагрузок, до 30 штуцерных узлов с расчетами запасов прочности и ресурса каждого элемента или узла, а затем для всего сосуда и аппарата. При открытии модулей исходные данные и результаты расчетов далее заносятся автоматически во все последующие открывающиеся модули.

На рис. 18 показан расчет прочности основных элементов корпуса.

Рис. 18. Модуль расчета прочности элементов корпуса СиА На рис. 19 показан модуль расчета на сопротивление хрупкому разрушению зоны врезки штуцеров. Результаты расчета приведены в таблице 4.1 на рис.

19.

4. Расчт на сопротивление хрупкому разрушению в зоне штуцеров nх и nх.пр - дополнительные запасы прочности по критерию q и q(пр) - составляющие изгибных напряжений при рабочих условиях и условиях испы- [13] [К1]1 и [К1]пр - допускаемые коэффициенты интенсивности напряжений при рабочих условиях[13, с. 98] и условиях испытания, соответственно, МПа·м1/2;

tmin - минимальная температура рабочей среды, °С;

f - коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений в элементе Rп = dн/2 - наружный радиус патрубка, мм.

Исходные данные и результаты вычислений приведены в таблице 4.1.

ние штуцера Условия сопротивления хрупкому разрушению выполняются.

Рис. 19. Модуль расчета на сопротивление хрупкому разрушению зоны врезки штуцеров На рис. 20 показан модуль расчета объемов контроля и показателя эффективности ТД. Данные в таблицы по объемам и видам проведенного ТД поверхности Измерение толщин стенок с Измерение толщин стенок с внутренней стороны Штучные контролируемые элементы е коли- диагностирован- диагностированых j-ым методом Наименование Наименование Угловые швы патрубков, м Рис. 20. Модуль расчета объемов контроля и показателя эффективности ТД приходят из соответствующих протоколов визуально – измерительного и дефектоскопического контроля, при этом рассчитывается количество элементов сосуда, длина сварных швов и количество их перекрестий в зависимости от его размеров. В таблице 6.6, приведенной на рис.20, выводится результат расчета объемов и показателя эффективности ТД в зависимости от коэффициента ответственности сосуда.

На рис. 21 показаны результаты расчета ресурса обечаек и штуцеров СиА. Параметры достоверности оценки запасов прочности и и k, входящие 7.1 Ресурс основных элементов сосуда Полный ресурс Текущий ресурс 7.2 Ресурс штуцеров сосуда Исходные данные и результаты расчта приведены в таблице 7.2. Таблица 7. Рис. 21. Результаты расчета ресурса обечаек корпуса и штуцеров СиА в формулу (43) не учитывались.

Как показано на рисунках (1921), в модулях расчета вначале приведены расчетные формулы и порядок расчета, а в таблицы автоматически заносятся исходные данные и результаты автоматизированного расчета прочности по элементам СиА. Подключением соответствующих модулей проводятся расчеты прочности и запасы по опорным нагрузкам в зависимости от пространственного положения СиА, по циклическим и малоцикловым нагрузкам, напряженному состоянию зон врезки штуцеров. Если в результате расчета запасы прочности из-за износа элементов окажутся ниже нормативных, то подключается модуль расчета прочности с учетом замены изношенных элементов. Проект заключения ЭПБ так же выполненный в виде отдельного модуля, в который по желанию оператора могут вноситься корректировки, дополнительные данные и в итоге представляет единый пакет документов, разработанный в соответствии с требованиями по ЭПБ технических устройств опасных производств.

В отличие от традиционных компьютерных программ, направленных только на выдачу конечного результата расчета, КомКОРД дает возможность визуализации хода расчта, его результатов и анализа ситуации при изменении эксплуатационных и конструктивных параметров. Гибкая система построения расчетных модулей и их автоматическое подключение в зависимости от типа СиА, количества и типа входящих в него элементов (рис. 14), в зависимости от его конструктивных особенностей (наличия укрепляющих элементов) сокращает время проведения РПИ и разработки проекта заключения ЭПБ. В КомКОРД применены расчеты прочности по ГОСТ Р 52857.1ГОСТ Р 52857.12-2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сборник стандартов». В модуле расчета хрупкого разрушения применены «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. (ПНАЭ Г-7-002-86). // Госатомэнергонадзор СССР. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 525 с.».

В период с 2002 по 2011 годы КомКОРД применен при ТД и РПИ сосудов и аппаратов технологических установок. Его использование позволило снизить трудоемкость выполнения работ по РПИ при ТД и сократить сроки подготовки рекомендаций на ремонт СиА примерно в 5 раз, что особенно важно в период остановочных ремонтов технологических установок.

Например, обработка результатов ТД, расчеты прочности и ресурса, разработка рекомендаций по замене изношенных элементов СиА и разработка заключения ЭПБ типового сосуда объемом 500 м3, составила от одного до трех рабочих дней.

Результаты РПИ показали, что СиА технологических установок нефтехимических производств имеют различные запасы прочности, исключающие возможность одновременной замены устаревшего оборудования. Метод прогнозирования ресурса и КомКОРД могут найти применение для обеспечения равнопрочности элементов СиА при проектировании путем определения номинальных толщин стенок и сечений.

На рис. 22 показана структурная схема автоматизированной системы ЭПБ СиА предприятия, которая включает базу данных с результатами ЭПБ сосудов, теплообменного оборудования, аппаратов колонного типа и резервуаров.

Применение КомКОРД совместно с автоматизированными рабочими местами, разработанными в рамках комплексной информационной системы «Галактика», внедренной в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» и реализация автоматизированной системы промышленной безопасности «Надзор за состоянием оборудования. Диагностирование и контроль технического состояния. Контроль промышленной безопасности», снижает трудоРис. 22. Структурная схема автоматизированной системы промышленной безопасности СиА предприятия емкость проведения ЭПБ, время простоев оборудования в ремонте и повышает безопасность эксплуатации опасных производственных объектов.

Основные результаты и выводы по работе В работе представлена концепция прогнозирования ресурса с использованием многокритериальной системы оценки ресурса, разработанная в соответствии с требованиями промышленной безопасности СиА опасных производств, ее теоретическое и экспериментальное обоснование.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Разработан метод прогнозирования ресурса, применимый на протяжении всего жизненного цикла СиА, основанный на закономерности перехода от ИТС и ФТС к ПТС по степени коррозионного износа, степени дефектности и степени опасности разрушения, с учетом объемов ТД. Метод дает возможность определять прочностной резерв элементов, а по наиболее слабому из них назначать ресурс СиА. Исследована область допустимых значений оценки ресурса при изменении запасов прочности, объемов ТД и степени опасности разрушения СиА.

2. В качестве характеристики для определения ресурса приняты запасы прочности от различных видов нагружения, воздействующих на элементы СиА при изменении толщин стенок элементов, подверженных коррозии, износу, усталости, ползучести, показатель коррозии и коррозионной стойкости материала. Нормируемые запасы прочности использованы в качестве предельно допустимых запасов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию СиА.

3. Установлено, что для прогнозирования ресурса, фиксированных значения запасов прочности недостаточно. Принятое относительное снижение запасов прочности показывает степень коррозионного износа за прошедший период эксплуатации. Для прогнозирования ресурса по коррозионному износу, принята величина, обратная степени износа, показывающая коэффициент безопасности на последующий период эксплуатации.

4. Разработан комплекс компьютерной обработки результатов ТД, проведения РПИ и прогнозирования ресурса (КомКОРД) по коррозионной стойкости материала, запасам толщины стенок и запасам прочности, коррозионному износу, показателю эффективности ТД и степени опасности разрушения СиА. Автоматизированная обработка результатов ТД и проведения РПИ служит для повышения точности прогнозирования ресурса по проектным и фактическим эксплуатационным параметрам с учетом степени коррозионного износа, дефектности, показателя эффективности ТД и степени опасности разрушения как отдельных элементов, узлов и деталей, так и всего СиА.

5. Поточно-ориентированная технология, направленная на объединение в единый технологический процесс ТД, РПИ и ЭПБ, включает разработку рекомендаций на ремонт, прогнозирование ресурса и разработку заключений ЭПБ. Обоснованы единые технологические требования к РПИ при ТД и прогнозированию ресурса СиА различных типов конструктивного исполнения и различного назначения: емкостей теплообменников, аппаратов колонного типа и резервуаров, отработавших свой нормативный срок.

6. Применением показателя эффективности ТД установлена зависимость прогнозируемого ресурса от объема проведения ТД элементов, сварных швов, визуально – измерительного контроля поверхностей, замеров толщин стенок, объемов исследования металлографии, механических характеристик материалов и степени опасности разрушения СиА. Показатель эффективности ТД учитывался при оценке ресурса сосудов и аппаратов технологических установок нефтехимических производств.

7. Результаты научной работы на протяжении 9 лет использованы при экспертизе 3677 сосудов, аппаратов и вертикальных цилиндрических резервуаров технологических установок ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», в том числе: Завода масел, Товарно–сырьевого производства, Нефтеперерабатывающего и Химического заводов, Завода катализаторов и органического синтеза и ОАО «Ангарский завод полимеров» г. Ангарск. Годовой экономический эффект при его использовании составил 2582994 рубля.

8. Предложенный метод прогнозирования ресурса и КомКОРД дает возможность при проектировании СиА на заданный заказчиком ресурс рассчитывать номинальные толщины стенок и сечений элементов, узлов, а также в зависимости от ресурса определять стоимость СиА.

9. Метод прогнозирования ресурса в сочетании с КомКОРД применим для обеспечения равнопрочности при проектировании путем определения номинальных толщин стенок и сечений элементов СиА.

10. Совместное применение КомКОРД и автоматизированных рабочих мест: «Надзор за состоянием оборудования. Диагностирование и контроль технического состояния. Контроль промышленной безопасности», который разработан в рамках комплексной информационной системы «Галактика», внедренной в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» повышает оперативность ремонта СиА. Реализация автоматизированной системы промышленной безопасности предприятия сокращает трудоемкость ЭПБ и время простоев оборудования в ремонте.

11. Создана фундаментальная основа для разработки методик, направленных на обеспечение надежности и промышленной безопасности не только СиА, но и других ТУ, в том числе котлов, трубопроводов и резервуаров опасных производств.

12. Дальнейшее развитие метода, рассмотренного на примере прогнозирования ресурса СиА, применимо для создания равнопрочных конструкций при проектировании не только отдельных ТУ, но и позволит создавать равнопрочное оборудование для технологических установок и комплексов опасных производств.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи в периодических изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ 1. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Оценка эффективности диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 10. С. 43–46.

2. Черепанов А.П., Колмаков В.П., Порошин Ю.В. и др. Комплекс компьютерной обработки результатов технического диагностирования // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 7. С. 59–63.

3. Черепанов А.П. Выбор показателей для оценки полного расчетного и остаточного ресурса технических устройств // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 10. С. 43.

4. Черепанов, А. П. Технология прогнозирования ресурса технических устройств на основе технического диагностирования и ресурсно– прочностных исследований // Технология машиностроения. – 2011. – № 2. – С. 58–62. – Библиогр.: с. 62 (4 назв.).

5. Черепанов А.П., Колмаков В.П. Современные методы прогнозирования ресурса технических устройств и их сравнительный анализ // Безопасность труда в промышленности. № 6. 2011.– С. 42–48.

6. Черепанов А.П., Колмаков В.П. Сравнительный анализ методов для прогнозирования ресурса технических устройств // Журнал «Вестник ИрГТУ», №5. 2011. – С 42–48.

7. Черепанов А.П. Технология прогнозирования ресурса технических устройств на основе ресурсно–прочностных исследований // Журнал «Вестник ИрГТУ», №6. 2011. – С. 16–21.

8. Черепанов А.П., Колмаков В.П. Алгоритмы прогнозирования ресурса технических устройств // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 2 (30) 2011. С. 98–104.

9. Черепанов А.П. Прогнозирование ресурса машин на основе данных по их техническому состоянию // Сборка в машиностроении 2012 № 4. С. 6–8.

10. Cherepanov A.P., Poroshin Y.V. Estimating service life of technical devices with due regard for efficiency of their diagnosis // Chemical and Petroleum Engineering. Т. 46. № 1. Volume 46, Numbers 1–2, May 2010, pp. 103–108(6). DOI:

10.1007/s10556–010–9300–2.

11. Cherepanov A.P. Selection of indicators for assessment of overall, computed, and remaining service lives of production equipment // Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 46, Nos. 9–10, 2011, pp. 624–630(7).

Статьи и тезисы докладов в прочих периодических изданиях:

12. Черепанов А.П., Салькова А.Г., Подоплелов Е.В. Остаточный ресурс горизонтальных аппаратов. Методические указания к выполнению курсовых и дипломных работ для специальности 17.05 "Машины и аппараты химических производств". Ангарск, Ангарская государственная техническая академия, 2003. 32 стр.

13. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Компьютерная обработка результатов диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов. Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике. Сборник тезисов 3–ей международной конференции М.:РОНКТД. 2002. 270 с.

14. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Методика расчета эффективности диагностирования сосудов и резервуаров. Прочность и надежность нефтегазового оборудования. М.:ГУП НИКИЭТ. 2001. 42 с. 1 стр.

15. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Влияние дефектов сварного шва на концентрацию напряжений в стенке. Прочность и надежность нефтегазового оборудования. М.:ГУП НИКИЭТ. 2001. 42 с. 1 стр.

16. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Учет дефектов кольцевого сварного шва при оценке остаточного ресурса трубопроводов. Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации: Тезисы докладов 18 региональной научно–технической конференции в рамках выставки «Приборы и оборудование для неразрушающего контроля и технической диагностики» (16–19 октября, 2001 г.). Иркутск: Издание ОАО ИМВК «Сибэкспоцентр», 2001. 146 с. 2 стр.

17. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Оценка эффективности диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов. Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации: Тезисы докладов 18 региональной научно–технической конференции в рамках выставки «Приборы и оборудование для неразрушающего контроля и технической диагностики» (16–19 октября, 2001 г.). Иркутск: Издание ОАО ИМВК «Сибэкспоцентр», 2001. 146 с. 2 стр.

18. Черепанов А.П. Оценка ресурса технических устройств на основе РПИ и технического диагностирования // Тез. докладов на 2–м Ежегодном Международном Восточносибирском нефтесервисном конгрессе, проведенным национальным отраслевым журналом «Нефтегазовая Вертикаль» в г.

Красноярске 24–25 сентября 2009 год.

19. Черепанов А.П. Оценка ресурса технических устройств на основе ресурсно–прочностных исследований и технического диагностирования // Научное издание «Разработка, производство и восстановление элементов, машин и аппаратов. Сборник научных трудов» Чита. Читинский государственный университет. 2010. – С. 89–116.

20. Черепанов А.П. Черепанов Е.А. Алгоритм для прогнозирования ресурса технических устройств // Нормативно–техническая база по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту нефтеперерабатывающего и нефтехимического оборудования. Актуальные вопросы ее применения в современных условиях. Проблемы надежности эксплуатации пластинчатых теплообменников в нефтепереработке: Материалы семинара. – М. ООО «НТЦ при совете главных механиков», 2011–256 с. С 242–246.

21. Черепанов А.П. Концепция методических рекомендаций оценки ресурса технических устройств на основе ресурсно–прочностных исследований // Исследования, проектирование, изготовление, стандартизация и техническая диагностика оборудования, трубопроводов, работающих под давлением/ редкол.: А.М. Кузнецов, Н.А. Махутов и др. – Иркутск: Изд. «ИРКУТ».– 2011. – С. 300–306.

22. Черепанов А.П. Оценка ресурса технических устройств на основе ресурсно–прочностных исследований и технического диагностирования. Кулагинские чтения: XI Международная научно–практическая конференция. Чита: ЗабГУ, 2011.–Ч. 1.– с 53–57.

23. Черепанов А.П. Ресурсно–прочностные исследования и техническая диагностика аппаратов химического производства. Проблемы обеспечения качества производства и услуг: междунар. научно–практ. конф., 8–9 декабря 2011 г. Чита: ЗабГУ, 2011. – с 117–121.

24. Пат. Рос. Федерации № 2360227, МПК G01N 03/08. Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии // Цвик Л.Б., Черепанов А.П., и др. Заявители: ОАО «ИркутскНИИхиммаш», ГОУ ИрГТУ, ОАО «АНХК». Опубл.: 27.06.2009, Бюл. № 18.

25. Пат. Рос. Федерации № 2418284, МПК G01N 03/08. Способ испытания пластинчатого образца на усталостную прочность и устройство для его осуществления // Цвик Л.Б., Черепанов А.П. и др. Заявители: ОАО «ИркутскНИИхиммаш», от 30.12.2009.

26. Пат. Рос. Федерации № 2436103, МПК G01N35/00. Способ прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности // Черепанов А.П. Заявитель:

Черепанов А.П. Опубл.: 10.12.2011, Бюл. № 34.

27. Пат. Рос. Федерации № 2454648, МПК G01M15/00, G01N3/00. Способ прогнозирования ресурса технических устройств // Черепанов А.П. Заявитель: Черепанов А.П. Опубл.: 27.06.2012, Бюл. № 18.