ПРЕЗЕНТАЦИЯ: "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ДАТЧИКОВ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА"

В данном докладе рассматривается решение задачи по определению индикаторных интервалов датчиков системы мониторинга.

Цель работы – определение границ индикаторных интервалов, исходя из технического состояния опасного промышленного объекта, для его дальнейшей безопасной эксплуатации.

Для этого был выбран распространенный на нефтеперерабатывающих заводах объект - ректификационная колонна.

Высота колонны составляет 82,5 м, диаметр – 3,5 м. 

Колонна состоит из цилиндрического корпуса с приваренными к нему верхним и нижнимторосферическими днищами, опорной конической обечайкой.

Внутри колонны расположены 174 ситчатые тарелки.

Вход и выход продукта осуществляется по подводящим трубопроводам.

Осмотр и очистка тарелок производится через технологические патрубки.

Колонна также имеет теплоизоляционный слой толщиной 100 мм. 

Из-за нарушения регламентных параметров технологического процесса на колонне произошла авария, что привело к возгоранию.

Как следствие, до высотной отметки 34 м под воздействием ударной волны и огня сорвало изоляцию, деформировало и частично сорвало обслуживающие площадки и лестницы. 

Для определения дальнейшей возможности эксплуатации колонны была проведена ЭПБ, которая включала в себя:

1) Анализ технической документации.

По результатам анализа было установлено, что порядок ведения документации удовлетворителен. 

2) Геодезическую съемку.

По результатам геодезической съемки было установлено, что колонна имеет отклонение от вертикальной оси – крен.

Отклонение верха колонны составляет около 0,5 м. 

3) Металлографические исследования.

Исследование материала, показало отсутствие в металле существенных структурных изменений. 

4) Неразрушающий контроль.

По результатам проведенных работ дефектов не обнаружено, толщина стенки не ниже отбраковочной.

5) Расчеты на прочность и устойчивость.

Результаты расчета колонны показали, что условия прочности и устойчивости выполнены.

Итак, согласно проведенной ЭПБ, при увеличении крена колонны, возможны следующие сценарии негативного развития событий в процессе дальнейшей эксплуатации:
1) падение колонны;
2) превышение напряжениями допускаемых значений и образование сквозных трещин;
3) образование местных нарушений геометрической формы, т.е. гофров, которые приводят к концентрации напряжений и, как следствие, к трещинам.

Результатом всех трех сценариев будет разгерметизация колонны и повторная авария. 

С целью предупреждения данных сценариев было принято решение об установке комплексной системы диагностического мониторинга (сокращенно система мониторинга).

Система мониторинга - система, предназначенная для оценки технического состояния и прогноза ресурса оборудования опасных производственных объектов в реальном времени без их остановки, разборки и вывода из эксплуатации.

На слайде представлена структурная схема такой системы. Рассмотрим ее составляющие подробнее.

- диагностические и параметрические датчики предназначены для сбора первичной информации об объекте

- многофункциональный модуль сбора и передачи данных (сокращенно ММСП) производит оцифровку сигналов, полученных от датчиков, предварительную обработку и передачу сигналов далее к концентратору.

- концентратор в свою очередь, организует измерительные линии из ММСП, получает информацию от них и передает на обработку.

- коммутационный шкаф гальванической развязки (КШГР) обеспечивает измерительные линии питанием и ретранслирует данные, полученные от концентраторов в центральную вычислительную станцию (ЦВС)

- центральная вычислительная станция обрабатывает информацию, архивирует и предоставляет ее оператору.

- метеостанция , которая позволяет регистрировать данные погодных условий для совместной обработки с данными датчиков

 - для обеспечения интерфейса “Человек-Машина” в систему устанавливается рабочая станция.

Для установки системы мониторинга предварительно необходимо решить следующие три задачи:
1. определить наиболее опасные зоны объекта, необходимые для мониторинга, тем самым уменьшив количество устанавливаемых датчиков и снизив стоимость системы;
2. выбрать датчики для контроля дефектов и напряжений в опасных зонах и места их установки;
3. установить индикаторные интервалы датчиков на основе анализа НДС.

На основании которых будет создан алгоритм. 

Рассмотрим решение 1ой задачи

Для определения наиболее опасных зон были проведены уточненные расчеты методом конечных элементов.

Для этого в системе трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor была создана поверхностная модель колонны согласно:
- чертежам завода-изготовителя;
- результатам технического диагностирования;
- реальной геометрии объекта.

Поверхностная модель была импортирована в универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS, где на ее основании была сгенерирована конечно-элементная сетка.

Приложив расчетные нагрузки и воздействия, действующие на колонну, была получена расчетная модель .

На ее основании была получена карта распределения напряжений. 

На слайде представлена карта распределения эквивалентных напряжений всей колонны, на основании которой выбраны наиболее опасные зоны.

Зона верхняя - верхнее торосферическое днище и обечайка.

Торосферические днища представляют собой элементы с резким изменением геометрии формы, что приводит к возникновению в них высоких напряжений. Также с увеличением высоты колонны происходит возрастание напряжений, вследствие уменьшения толщины стенки обечайки.

Зона максимальных напряжений - зона с максимальными эквивалентными напряжениями в колонне. На участках приварки патрубков отсутствуют ситчатые тарелки, что приводит к уменьшению жесткости оболочки и повышенным мембранным напряжениям. Также сами зоны приварки патрубков дополнительно являются концентраторами напряжений.

Зона нижняя - нижнее торосферическое днище, а также опорная и первая обечайка. Ярко выражены высокие напряжения в местах приварки нижних патрубков. В опорной обечайке расположены наибольшие сжимающие напряжения, т.к. на нее не действуют растягивающие напряжения от внутреннего давления. 

Теперь я рассмотрю 2ую задачу – выбор датчиков для контроля. 

В настоящее время существует огромное количество датчиков для определения различных параметров. С целью сбора данных, требуемых для определения технического состояния колонны и оценке ее НДС, было принято решение об установке следующих типов датчиков. 

Преобразователь акустической эмиссии , сокращенно ПАЭ.

ПАЭ регистрирует и преобразовывает в электрический сигнал энергию упругих механических волн, распространяющихся от места зарождения и развития дефекта.

Поэтому ПАЭ устанавливаются для обеспечения контроля тех зон с высокими напряжениями, в которых вероятнее всего могут начать развиваться или возникнуть дефекты в процессе изготовления или эксплуатации.

На колонну преобразователи акустической эмиссии были установлены во все 3 опасные зоны для контроля пластических деформаций и развивающихся дефектов:

Для верхней зоны – в местах изменения радиуса кривизны верхнего торосферического днища.

Для зоны максимальных напряжений – в местах приварки патрубков к обечайке.

Для нижней зоны – в местах соединения опорной и 1ой обечайки, местах изменения радиуса кривизны нижнего торосферического днища, а также приварки патрубков.

Тензометрический датчик или тензодатчик, служит для преобразования величины деформации в электрический сигнал.

Тензодатчики устанавливаются в местах с наилучшим откликом на внешние воздействия. Наилучший отклик достигается в местах, где диапазон изменения деформации наибольший. В местах отсутствия концентраций напряжений, поскольку в них отсутствует четко выраженная зависимость между показаниями тензодатчиков и НДС контролируемой зоны.

Тензодатчики были установлены в зону максимальных напряжений и зону нижнюю.

В зоне максимальных напряжений тензодатчики были установлены для контроля напряжений в местах концентраций, в нижней зоне – для контроля максимальных сжимающих напряжений в опорной и первой обечайке.

Датчик угла наклона или инклинометр – способны измерять угол наклона относительно гравитационного поля Земли и преобразовывать его в электрический сигнал.

Инклинометры следует устанавливать также как и тензодатчики в местах наилучшего отклика.

Для инклинометров наилучший отклик достигается в верхней зоне колонны , поэтому датчики были установлены в данную зону.

Решение 3й задачи я рассмотрю на примере тензодатчиков, установленных в зоне максимальных напряжений.

Согласно “Общим техническим требованиям к системам мониторинга агрегатов опасных производственных объектов”, вводятся следующие индикаторные интервалы, характеризующие технические состояния:
Зеленый интервал – состояние допустимо.
Желтый – состояние требует принятия мер.
Красный – состояние недопустимо.

Среди нагрузок, действующих на колонну, основной нагрузкой, которая может привести к возможным сценариям негативного развития событий, является ветровое давление ( W). Поэтому границы индикаторных интервалов определяются, исходя из действия различного значения W, и возникающих в колонне напряжений ( SINT).

Как следствие, границы между интервалами определяются из следующих условий:
Желто-зеленая - ветровая нагрузка достигла расчетной величины, однако напряжения в колонне меньше допускаемых, обозначим ее SY.р.
Красно-желтая - ветровая нагрузка больше расчетной величины, и напряжения достигли допускаемых, обозначим ее SY.д. 

Рассмотрим воздействие W на 1о из 4х основных направлений.

Обозначим рассматриваемое направление +ОХ.

Отсутствие ветровой нагрузки обозначим ОО.

Введем обозначение стадий нагружения в зависимости от величины W:
1я стадия – отсутствие ветровой нагрузки;
2я стадия – расчетное значение;
4я стадия – 3ое значение.

Согласно “Нормам расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок” напряжения подразделяются на категории в зависимости от рассчитываемой зоны и вида нагружений:
1ая – группа приведенных напряжений, определяемая по составляющим общих мембранных напряжений;
2ая – группа приведенных напряжений, определяемая по суммам составляющих общих или местных мембранных и общих изгибных напряжений;
3ая – максимальный размах приведенных напряжений, определяемый по суммам составляющих общих или местных мембранных, общих или местных изгибных, общих температурных напряжений и напряжений компенсации в оборудовании.

Исходя из описания категорий,
1ую группу следует выбирать в оболочках без резких изменений геометрии,
2ую группу – в областях где дополнительно действует изгибающий момент,
3ую группу – в зоне концентраций, но не пиковое значение.

На карте распределения напряжений рассматриваемой зоны определим места с максимальным значением каждой категории.

1ая группа.

2ая группа.

3ая группа.

Для выбранных мест построим графики зависимости категорий напряжений от стадий нагружения , а также же соответствующие им допускаемые напряжения.

Из графика видно, что (σ)₂ первой достигает допускаемых напряжений.

Следовательно, данное место наиболее опасное и требует контроля.

Аналогично картам распределения SINT построим карты для продольных напряжений ( SY) при отсутствии W – 1я стадия и расчетном значении W– 2я стадия.

При сравнении 2х карт определим места с наилучшим откликом – места где значение напряжений меняется в наибольшем диапазоне.  

Для выбранных мест построим графики зависимости SY от стадий нагружения.

Из графиков определим значения SYпри отсутствии W – 1я стадия и расчетном значении W– 2я стадия.

Рассмотрим определение желто-зеленой границы индикаторного интервала SY.р. для тензодатчика Т6.

Граница определяется как разность показаний тензодатчика при расчетном значении W– 2я стадия и отсутствии W– 1я стадия. 

Итак, мы выяснили, что категории напряжений зависят от ветровой нагрузки и показания тензодатчиков зависят от ветровой нагрузки. Если обе величины зависят от третьей, значит и между ними тоже есть зависимость.

Построим зависимость SY от эквивалентных SINT, т.е. свяжем показания датчиков и НДС. Благодаря данной зависимости становится возможным определение красно-желтой границы интервала.

Из графиков определим значения SYпри допускаемых напряжениях. 

Рассмотрим определение желто-красной границы индикаторного интервала SY.д. для тензодатчика Т10.

Граница определяется как разность показаний тензодатчика при достижении напряжениями допускаемых значений  и отсутствии ветровой нагрузки – 1я стадия. 

В итоге полученные значения границ индикаторных интервалов для каждого тензодатчика для наглядности сведем в диаграмму.

Как видно из диаграммы тензодатчики Т5 и Т6 при растяжении не достигают красного интервала. Это значит, что даже при 3ом значении ветровой нагрузки датчики не смогут сигнализировать о превышении SINT допускаемых значений и, следовательно, отклик датчика при данном направлении ветровой нагрузки низкий.

Однако в этом случае диаметрально противоположные датчики Т7 и Т8 имеют высокий отклик.

Аналогично при сжатии датчиков Т7 и Т8 датчики Т5 и Т6 имеют высокий отклик. 

Из проделанной работы можно сделать выводы:
1) Алгоритм определения индикаторных интервалов необходим по фактическому техническому состоянию.
2) Введение индикаторных интервалов – интерпретация показаний датчиков для принятия решения.
3) Индикаторные интервалы по техническому состоянию – безопасная эксплуатация опасного производственного объекта.