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: 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: 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: 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: 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:
|
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:
|
Согласно “Нормам расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок” напряжения подразделяются на категории в зависимости от рассчитываемой зоны и вида нагружений: Исходя из описания категорий,
|
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:
|