close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технология оценки и управления техническим состоянием динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов

код для вставкиСкачать
Lr
'r LI\z)cr€dg
x.(es xllxcehLIgxer edorxoV
Heuerc gonen ( eLI H€xcl4o c es vtulrclde ccuV
IYdUOfdOIflV
(zx,&u el4xcehl{Hxer) Isccellodu u rsreredre 'rsnzmetr41
qrcoHqreulteu3
EI' Z0' g 0
fl OJ)iIltgO XIqHHIISJJYOTISI4OdI] XIIIHJVIIO
KI4HVSOVAdOSIO OJOHHIIXAdJVH Z)CAhI4I^tVHI4tr
I4 I4XHIINO KI4JOTOHXIIJ
I^IiII4HKoJJoc I^II4)J:IhI4HXIIJ TI4HIIITSVdIIA
hNglIqdOI gVICI4HVJC TIIIVJAdJ
ncnuox td xoeodu o11
Работа выполнена в Акционерном обществе «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (АО «ИркутскНИИхиммаш»)
Научный
доктор технических наук, профессор, действительный член Российской инженерной
консультант: академии (РИА), генеральный директор АО «Иркутский научно-исследовательский и
конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения»
Кузнецов Анатолий Макарович
Официальные Москвичев Владимир Викторович
оппоненты: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, директор Красноярского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук –
Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» (СКТБ «Наука» ИВТ СО
РАН), заведующий кафедрой «Диагностика и безопасность технических систем» Политехнического института Федерального государственного автономного образовательного
учреждения высшего образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)
Озорнин Сергей Петрович
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН, действительный член
(академик) МАНЕБ, профессор кафедры «Строительные и дорожные машины» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ЗабГУ»), директор
научно-образовательного центра проблем транспорта и сервиса машин (НОЦ ПТСМ)
ЗабГУ
Гребенюк Григорий Иванович
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент СО МАН ВШ, советник
РААСН, заведующий кафедрой «Строительная механика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Новосибирский
государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»
Ведущая
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственный центр «Диаорганизация: гностика, надежность машин и комплексная автоматизация» (ООО «НПЦ «Динамика»),
г. Омск
Защита состоится « 08 » февраля 2018 года в 9-00 часов на заседании диссертационного совета
Д212.018.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Братский Государственный Университет» (ФГБОУ ВО «БрГУ») по адресу: 665709, г. Братск,
ул. Макаренко, д. 40, ауд. 3205.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «БрГУ» по адресу:
665709, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.
Сведения о защите и автореферат размещены на сайте: http://brstu.ru/universitetskijkompleks/struktura/dissertatsionnyj-sovet/dissertatsii-prinyatye-k-rassmotreniyu-v-sovete и на сайте
ВАК Министерства образования и науки РФ: http://vak.ed.gov.ru
Автореферат разослан « »
201 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.018.02,
кандидат технических наук, доцент
И.М. Ефремов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы и формулировка проблемы. Предприятия РФ таких промышленных отраслей, как нефтепереработка, химия и нефтехимия, нефте- и газодобыча относятся к
опасным производственным объектам (ОПО), связанным с получением, переработкой и хранением взрывопожароопасных, токсичных веществ, а также использованием технологического
оборудования, работающего при высоких температурах и давлениях. Возникновение аварийных ситуаций на таких ОПО, особенно на объектах I и II класса опасности, могут сопровождаться неконтролируемыми взрывами, масштабными возгораниями, выбросами токсичных
веществ в атмосферу, а также разрушениями инфраструктуры и человеческими жертвами. В
соответствии с федеральным законом ФЗ №116 «О промышленной безопасности опасных
производственных объектов» для снижения рисков аварий на предприятиях, эксплуатирующих ОПО, должны функционировать так называемые системы управления промышленной
безопасностью, основной задачей которых является идентификация, анализ и прогнозирование риска аварий и связанных с такими авариями угроз, а также планирование и реализация
мер по его снижению. В общем случае подходы к решению данной задачи могут быть различны, однако каждый из них основан, прежде всего, на корректных оценках текущего и прогнозного технического состояния (ТС) промышленного оборудования, эксплуатируемого на ОПО.
Такие оценки проводятся, как правило, на основе комплексного применения современных
средств технической диагностики (ТД) и мониторинга, в сочетании с передовыми расчетными
и экспериментальными методами определения напряженно-деформированного состояния
(НДС) и ресурса оборудования, с учетом фактически действующих на него повреждающих
факторов.
Как показывает практика к числу основных повреждающих факторов, оказывающих негативное влияние на ТС оборудования промышленных предприятий, можно отнести динамические нагрузки. Многие производственные объекты и связанное с ними оборудование проектируются и вводятся в эксплуатацию без учета динамических воздействий, а при расчете ресурса
таких объектов во внимание принимаются лишь малоцикловые нагрузки, связанные, прежде
всего с технологическими пусками и остановами, изменениями режимов работы и т.д. Между
тем, значительное влияние на срок службы оборудования могут оказывать факторы, не предусмотренные на этапе проектирования. Так, например, известно, что неотъемлемой частью эксплуатации насосно-компрессорного оборудования (НКО) являются проблемы связанные с высоким уровнем вибрации трубопроводных обвязок, межступенчатых аппаратов, компрессорных агрегатов и т.д. Особенно это характерно для установок оснащенных поршневыми компрессорами, а также технологического оборудования, работающего совместно с центробежными нагнетателями, перекачивающими высоковязкие или высокотемпературные среды. При
проектировании подобных объектов вопросы размещения и закрепления оборудования чаще
всего решаются без расчета спектра частот свободных колебаний и проверки системы на резонанс. В результате, при эксплуатации оборудование подвергается действию не предусмотренных проектом динамических нагрузок, длительное действие которых в сочетании с другими
3
повреждающими факторами, становится причиной усталостного разрушения отдельных его
элементов и, как следствие, приводит к инцидентам и аварийным ситуациям на ОПО, человеческим и материальным потерям, загрязнению окружающей среды.
Помимо вибрационных воздействий для оборудования многих ОПО РФ ситуация осложняется необходимостью учета дополнительных динамических нагрузок, обусловленных
например сейсмическими явлениями (для технологических площадок размещаемых в сейсмически активных районах), ветровыми нагрузками (для колонных аппаратов, резервуаров, дымовых труб и т.д.). Так как масс-инерционные и жесткостные характеристики действующего
оборудования могут существенно отличаться от проектных вследствие ошибок монтажа, изменения технологии, свойств грунтов оснований, то и фактическая нагруженность таких объектов при действии динамических нагрузок может изменяться в широком диапазоне.
С учетом изложенного научную и прикладную актуальность имеет проблема совершенствования структуры систем управления промышленной безопасностью предприятий РФ, эксплуатирующих ОПО, в направлении внедрения единых методических подходов к оценке ТС
динамически нагруженного оборудования, позволяющих выявлять неизвестные на этапе проектирования параметры динамических воздействий, корректно оценивать фактическую
нагруженность таких объектов, а при необходимости разрабатывать и внедрять превентивные
меры по повышению их динамической стойкости для обеспечения промышленной безопасности на ОПО и снижения рисков возникновения инцидентов и аварий.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время вопросы оценки и управления ТС оборудования ОПО решаются в рамках, предусмотренных действующим законодательством РФ в сфере промышленной безопасности, процедур технического освидетельствования, технического диагностирования и экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) оборудования. При этом применяемые на практике методы ТД, расчетные и экспериментальные
методы исследования ТС оборудования, а также периодичность и объемы их внедрения, определяются типом используемой на предприятии стратегии технического обслуживания и ремонта оборудования (ТОиР).
Исследованию проблем обеспечения промышленной безопасности оборудования ОПО в
рамках реализации различных стратегий ТОиР, а также вопросам оценки ТС оборудования с
учетом фактически действующих на него повреждающих факторов посвящено множество работ. Среди них можно отметить работы Болотина В.В., Барышова С.Н., Бермана А.Ф., Гражданкина А.И., Емельянова A.A., Котляревского В.А., Краковского Ю.М., Кумамото X., Хенли
Э.Дж., Махутова Н.А., Митрофанова А.В., Москвичева В.В., Лисанова М.В., Лукьянова А.В.,
Ханухова Х.М., Шаталова A.A., Одишарии Г.Э., Сафонова B.C., Швыряева A.А. и других авторов.
Среди работ отечественных ученых и инженеров, внесших значительный вклад в развитие
методов ТД и традиционных методов дефектоскопии, можно отметить работы Артоболевского
И.И., Клюева В.В., Балицкого Ф.Я., Мужицкого В.Ф., Лукьянова А.В, Костюкова В.Н.,
Науменко А.П., Матвеева В.И., Гриба В.В., Генкина М.Д., Шелихова Г.С., Шубочкина А.Е.,
4
Горкунова Э.С. и других авторов. Именно на работах этих и ряда других авторов строится современная отечественная система нормативно-методических документов в области применения методов дефектоскопии и мониторинга при ТД оборудования ОПО.
В отношении оценки ТС динамически нагруженного оборудования химических и нефтеперерабатывающих производств основной объем исследований лежит в плоскости развития
методов ТД центробежных и поршневых машин. Такие исследования, например, содержаться
в работах Лукьянова А.В., Костюкова В.Н., Науменко А.П, Ширмана А.Р. и ряда других авторов. Для остальных групп оборудования химического и нефтяного машиностроения, применяемых на ОПО рассматриваемой отрасли (трубопроводы, сосуды, аппараты, реакторы, промышленные эстакады и др.) вопросы оценки ТС с учетом динамических воздействий сегодня
практически не рассматриваются и требуют проведения в каждом конкретном случае специальных исследований, т.к. действующие нормативно-методические документы (например,
нормы вибрации технологических трубопроводов), регламентирующие процедуры оценки ТС
в этой области, имеют адресную направленность и не допускают массового применения для
всего спектра динамически нагруженного оборудования. В этой связи можно сделать вывод о
том, что существующие подходы, применяемые сегодня к оценке ТС отмеченных выше групп
оборудования, не позволяют в полной мере обеспечить требуемый уровень их промышленной
и экологической безопасности и требуют пересмотра и развития.
Целью диссертационной работы является разработка научно-методических основ, нормативного и инструментального обеспечения технологии оценки технического состояния динамически нагруженного оборудования опасных производственных объектов, а также управление им через оптимизацию жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик.
Задачами теоретических и прикладных исследований, решаемыми для достижения поставленной цели, являются:
1. разработка и внедрение технологии оценки и управления техническим состоянием (ОУТС)
оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы;
2. разработка, апробация и внедрение группы универсальных методов расчетноэкспериментальной оценки ТС деталей и элементов динамически нагруженного оборудования
ОПО, как линейно-упругих механических колебательных систем с конечным числом степеней
свободы;
3. разработка способов и средств управления ТС динамически нагруженного оборудования
ОПО на основе оптимизации его жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик;
4. разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения, реализующего предлагаемые подходы в области оценки ТС и обеспечения безопасной эксплуатации
динамически нагруженного оборудования ОПО;
5. разработка, апробация и внедрение в промышленную эксплуатацию средств (измеритель-
5
ная техника, технические устройства (ТУ), аппаратно-программные комплексы, нормативнометодическая база) для обеспечения внедрения предлагаемой технологии ОУТС на всех этапах ее реализации.
Объектом исследования являются трубопроводы, сосуды, аппараты, машины, а также
связанные с ними строительные конструкции, применяемые на ОПО химической, нефтехимической, нефтяной и газовой промышленности РФ, эксплуатируемые при динамических воздействиях техногенной (промышленные вибрации, пульсации давления перекачиваемых сред)
и естественной (сейсмические и ветровые нагрузки) природы.
Предметом исследования являются теория и методы исследования динамических процессов, влияющих на ТС оборудования химического и нефтяного машиностроения, способы
управления этими процессами, в т.ч. на основе ТД, мониторинга, а также компьютерного моделирования с применением современных численных и расчетно-экспериментальных методов
исследования.
Методология и методы исследований. Решение поставленных задач выполнено на основе
положений теории колебаний, линейной теории упругости, методов цифровой обработки сигналов и изображений, расчетных и экспериментальных методов исследования динамической
прочности, методов идентификации технических систем, теории оптимального проектирования конструкций (ОПК). Для дискретизации и аппроксимации деталей промышленного оборудования, машин и строительных конструкций использован метод конечных элементов
(МКЭ). Разработка программного обеспечения, реализующего внедрение результатов исследований, выполнена на языках Visual C++, C#, Visual Fortran, Visual Basic. Расчетные и экспериментальные исследования выполнены автором на научно-методической, испытательной и
инструментальной базе АО «ИркутскНИИхиммаш», а также действующих технологических
установках АО «Ангарская нефтехимическая компания» (АО «АНХК»), АО «Ангарский завод
полимеров» (АО «АЗП»), АО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» (АО «РНПК»),
АО «Газпром нефтехим Салават», АО «Саянскхимпласт», ПАО «Верхнечонскнефтегаз» (ПАО
«ВЧНГ») и др.
Научная новизна работы представлена:
1. технологией ОУТС оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы (СТО-00220227-044);
2. универсальным расчетно-экспериментальным методом оценки НДС оборудования при динамических нагрузках общего вида (ГОСТ Р 55431, РД 0154-13, патент на изобретение РФ
№2626391);
3. методом расчетно-экспериментальной экспресс-диагностики макродефектов оборудования
на основе периодического мониторинга отклонений от «эталонного» спектра собственных частот колебаний исследуемого объекта в процессе эксплуатации;
4. методами сбора и обработки экспериментальных данных о динамическом состоянии промышленного оборудования при использовании различных вариантов инструментального
обеспечения;
6
5. адаптивной системой нормирования амплитуд вынужденных колебаний динамически
нагруженного оборудования по избранным критериям;
6. модифицированным подходом к реализации технологии корреляции цифровых изображений, позволяющим использовать ее, как для прямого измерения деформаций целевой поверхности, так в качестве источника первичной информации для расчетно-экспериментальных
оценок НДС исследуемого объекта;
7. подходами к построению систем периодического и постоянного мониторинга НДС оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях;
8. двухстадийным подходом к управлению динамическими свойствами оборудования, на основе введения дополнительных дискретных демпфирующих связей и оптимизации степени
демпфирования;
9. методологией математического моделирования параметров работы демпфирующих
устройств (ДУ) на основе результатов стендовых испытаний;
10. методологией автоматической идентификации формализованных дефектов оборудования
при проведении интроскопического контроля;
11. математическим, алгоритмическим и инструментальным обеспечением, реализующим
предлагаемые подходы в области проведения расчетно-экспериментальных оценок, периодического и постоянного мониторинга, а также управления динамическими свойствами динамически нагруженного оборудования (патенты на изобретение РФ №2634487, №2343313,
№2618631, №2626391, авторские свидетельства №2014619601, №2014619601, №2017614231).
В целом результаты работы автора рассматриваются как разработка новых научно обоснованных технических и методических решений, внедрение которых вносит значительный вклад
в развитие страны в части решения вопросов обеспечения промышленной и экологической
безопасности динамически нагруженных объектов в различных отраслях промышленности
РФ.
Теоретическая значимость результатов обоснована тем, что в работе предложено научное и
экспериментальное обоснование возможности и эффективности применения расчетноэкспериментальных методов исследования для комплексной оценки ТС оборудования ОПО
при действии динамических нагрузок техногенной и естественной природы, а также разработаны, апробированы и внедрены научно-методические основы технологии ОУТС динамически
нагруженного оборудования, расширяющие существующие подходы к вопросам контроля и
мониторинга ОПО и вносящие существенный вклад в развитие страны в части решения вопросов обеспечения их промышленной и экологической безопасности.
Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности применения разработанных автором методов и средств для обеспечения промышленной безопасности
ОПО, в т.ч. на основе расчетно-экспериментальной оценки фактической нагруженности промышленного оборудования ОПО, идентификации и анализа рисков возможных аварий, а также планирования и реализации мер по повышению динамической стойкости оборудования.
На основе результатов диссертационных исследований автором разработаны и внедрены
7
на ряде промышленных предприятий РФ:
а) серия ДУ вязкого трения мембранного типа (патент РФ по заявке №2016134174 «Демпфер
вязкого трения» – решение о выдаче патента от 15.08.2017) с регулируемым и нерегулируемым уровнем демпфирования, позволяющих обеспечить эффективное гашение нежелательных
вибраций динамически нагруженного оборудования;
б) измерительная аппаратура для оперативной динамической тензометрии на действующем
оборудовании (патент №2634487 РФ «Тензометр накладной динамических деформаций»),
применяемая в качестве источника первичной информации для осуществления расчетноэкспериментальных оценок, а также их верификации;
в) мобильный и стационарный контрольно-измерительные комплексы для периодического и
постоянного мониторинга НДС динамически нагруженного оборудования согласно патенту
№2626391 РФ «Способ мониторинга напряженно - деформированного состояния объектов повышенной опасности»;
г) серия роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов, работающих под управлением единого диагностического комплекса (заявка на патент №2017129031 «Телеуправляемый внутритрубный интроскоп» дата приоритета 14.08.2017);
д) нормативно-методическая база в виде 5-ти национальных и отраслевых стандартов (РД
0154-13, РД 0154-18, РД 0154-19, СТО-00220227-044, СТО-00220227-002, ГОСТ Р 55431), а
также ряда локальных методических документов.
НИОКР по п. в) и г) выполнялись автором, в т.ч. за счет средств выделенных из бюджета
Иркутской области, на реализацию инновационных проектов, по направлениям приоритетным
для развития Сибирского региона.
Соответствие паспорту специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (технические науки): пункт 6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой; 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.
На защиту выносятся:
1. технология ОУТС оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях
техногенной и естественной природы;
2. адаптивная система нормирования амплитуд вынужденных колебаний динамически
нагруженного оборудования по избранным критериям;
3. универсальный расчетно-экспериментальный метод идентификации динамического НДС
оборудования, подверженного динамическим нагрузкам техногенной и естественной природы;
4. методы сбора и обработки экспериментальных данных для идентификации НДС оборудования при использовании различных вариантов инструментального обеспечения;
5. расчетно-экспериментальный метод экспресс-диагностики макродефектов оборудования
8
на основе периодического мониторинга состояния исследуемого оборудования в процессе
эксплуатации;
6. методология управления динамическими свойствами оборудования на основе оптимизации его жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик;
7. комплекс программных, аппаратно-программных средств и ТУ, обеспечивающий прикладное использование полученных результатов исследований.
Достоверность и обоснованность научных результатов исследований обеспечена корректным использованием методов теории колебаний, линейной теории упругости, МКЭ, методов цифровой обработки сигналов и изображений, методов ОПК, а также удовлетворительным
совпадением результатов аналитических и численных решений с результатами натурных экспериментов, практическими внедрениями и инженерно-техническими разработками, апробированными в стендовых условиях и на действующих промышленных предприятиях химического и нефтегазового комплекса РФ, использованием метрологически поверенного и сертифицированного инструментального обеспечения, стендового оборудования и программных
средств.
Внедрение и использование результатов работы. Результаты работ автора по программному обеспечению (ПО) технологии ОУТС динамически нагруженного оборудования
ОПО нашли отражение в 7-ми независимых программных комплексах: ПО «НОРМА», ПО
«MStruct», ПО «Stand», ПО «COMPASS», ПО «Correlation», ПО «SIdent» и ПО «CPipes». На
часть разработанного ПО получены свидетельства об официальной регистрации программы
для ЭВМ (№2014619601 «Программа структурного мониторинга технологического оборудования, зданий и сооружений (MStruct)», №2017614231 «Программа идентификации напряженно - деформированного состояния деталей машин и конструкций(SIdent)», №2016662397
«Программа для стендовых испытаний машиностроительных изделий(Stand)»). На основе результатов, полученных в диссертационной работе, при участии автора разработаны и внедрены в АО «АНХК», АО «АЗП», АО «АНПЗ», АО «РНПК», АО «Газпром нефтехим Салават»
согласованные Ростехнадзором РФ отраслевые нормативные документы РД 0154-13, РД 015418, РД 0154-19, а также СТО-00220227-044, СТО-00220227-002 и национальный стандарт
ГОСТ Р 55431. Новые подходы к построению инструментальных, аппаратно-программных
средств, а также ТУ, использование которых обеспечивает внедрение предлагаемой технологии ОУТС на всех этапах ее реализации, представлены в материалах закрепленных соответствующими патентами автора на изобретение (Пат. №2343313 РФ «Компрессорная станция»,
пат. №2618631 РФ «Устройство для запирания крышки сосуда, работающего под давлением»,
пат. №2626391 РФ «Способ мониторинга технического состояния объектов повышенной опасности», пат. №2634487 РФ «Тензометр накладной динамических деформаций», пат. РФ по заявке №2016134174 «Демпфер вязкого трения» (решение о выдаче патента от 15.08.2017)), а
также заявкой на патент (№2017129031 «Телеуправляемый внутритрубный интроскоп» - дата
приоритета 14.08.2017). Полученные автором в работе научные результаты использованы при
выполнении ряда НИОКР на предприятиях ПАО «Газпром», ПАО «СИБУР Холдинг», НК
9
«Роснефть», что подтверждается соответствующими актами внедрения. На разработанную и
внедренную на ОПО (установка ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «АНХК») стационарную систему постоянного мониторинга НДС получено разрешение Ростехнадзора РФ на применение. На сегодняшний день указанная система мониторинга находится в эксплуатации более 9 лет и является важным звеном системы управления промышленной безопасностью на данном ОПО.
Личный вклад соискателя состоит в формировании цели и задач исследования; разработке проблемы в целом, выполнении расчетных, аналитических и экспериментальных исследований; построении математических моделей; планировании, проведении и обработке результатов численных и натурных экспериментов; разработке, тестировании и внедрении методик,
алгоритмов и ПО; разработке и внедрении нормативно-методической базы технологии ОУТС;
проектировании, изготовлении, тестировании и внедрении инструментального обеспечения
технологии; формулировании выводов по работе. В совместных работах личный вклад автора
состоит в полной или частичной разработке отдельных составляющих исследований, анализе
полученных результатов, формулировании выводов. Все результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили положительную
оценку на: IV – V Всероссийских семинарах «Проблемы оптимального проектирования сооружений», Новосибирск, 2002- 2005 гг.; V Международном симпозиуме по трибофатике.
ISTF-2005; Научно – технических конференциях ИрГТУ, Иркутск, 2002-2016 гг.; VI Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, Сочи, 2005; III международной конференции «Проблемы механики современных
машин», Улан-Удэ, 2006; Международной конференции «Техническое регулирование. Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг», Москва, 2006; Научнопрактической конференции «Безопасность регионов России – основа устойчивого развития»,
2007; Научно-практических конференциях «Химия ХХI век: новые технологии, новые продукты», Кемерово, 2006-2008 гг.; I-й Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений», Новосибирск, 2008 г.; IV международной научно-практической
конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных
производственных объектах»- Уфа, 2010; First International Conference Dynamics of Systems,
Materials and Structures, Tunisia, 2010; Second International Symposium on Innovation &
Sustainability of Modern Railwai Irkutsk, 2010: IX научно-технической конференции «Исследования, проектирование, изготовление, стандартизация и техническая диагностика оборудования и трубопроводов, работающих под давлением» - Иркутск, 2011; The Ninth International
Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologie - London,
2012; Научно-практическая конференция «Инновационные стратегии технического обслуживания оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств» Москва, 2012; XIII Российской венчурной ярмарке, г. Иркутск, 2012; Научно-практическом
семинаре «Проблемы природно-техногенной безопасности» – СКТБ «Наука» ИВТ СО РАН (г.
Красноярск), 2017 г. Обсуждение основных положений работы и результатов исследований
10
состоялось на заседании ведущих и выпускающих кафедр ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», ФГБОУ ВО
«БрГУ», ФГБОУ ВО «НГАСУ», в НДЦ АО «АНХК», на НТС АО «ИркутскНИИхиммаш».
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 76 печатных
работ, в т.ч. 18 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций научных результатов докторских диссертаций, 2 монографии, 1 учебное пособие, 1 национальный
стандарт (ГОСТ Р 55431), 5 патентов на изобретение (пат. РФ №2343313, пат. РФ №2618631,
пат. РФ №2626391, пат. РФ №2634487, пат. РФ по заявке №2016134174 (решение о выдаче патента от 15.08.2017), 3 авторских свидетельства на программу для ЭВМ (№2014619601,
№2016662397, №2017614231). В базах данных Scopus и WoS проиндексировано 3 научных
статьи и 1 доклад международной конференции.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав,
заключения и приложений. Основная часть диссертации содержит 428 страниц, включая 9
таблиц, 178 рисунков и список литературы из 407 наименований. Приложения изложены на 58
страницах и содержат копии документов внедрения результатов работы, а также избранные
результаты расчетов.
ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика диссертационной работы, обосновывается актуальность темы, выделены направления для исследования, определена цель и сформулированы задачи исследования.
В первой главе приводится аналитический обзор современного состояния проблемы
обеспечения безопасной эксплуатации ОПО промышленных предприятий РФ.
Вопросам промышленной безопасности ОПО и управления рисками посвящены работы
Болотина В.В., Барышова С.Н., Бермана А.Ф., Гражданкина А.И., Емельянова A.A., Котляревского В.А., Куммото X., Махутова Н.А., Митрофанова А.В., Москвичева В.В., Одишарии Г.Э.,
Сафонова B.C., Ханухова Х.М., Хенли Э.Дж., Шаталова A.A., Швыряева A.B. и других авторов. В результате проведённого анализа установлена устойчивая тенденция развития современных промышленных предприятий РФ в направлении внедрения новейших стратегий ТОиР,
в т.ч. на основе прямого копирования зарубежного опыта. В большинстве случаев крупные
предприятия, такие как АО «НК «Роснефть», ПАО «Газпром», ПАО «СИБУР Холдинг», ПАО
«Лукойл» и т.д., предпочтение отдают таким стратегиям, как ТОиР по фактическому состоянию (CBM), ТОиР ориентированное на надежность (RCM), ТОиР на основе анализа и оценки
рисков (RBM) и ряд других. В теории внедрение подобных практик ТОиР должно приводить к
росту капитализации предприятий, за счет минимизации всех видов простоев, которые могут
повлиять на выпуск конечного продукта, а также снижения затратной части бюджета, в части
обслуживания и ремонта оборудования. Однако на практике готовность предприятий к новому
порядку ТОиР оказывается настолько низкой, что вместо четкого и отлаженного механизма
управления промышленной и экологической безопасностью, результатом нововведений становится стремительно снижающийся уровень надежности оборудования, а в ряде случаев и лавинообразный рост аварийных ситуаций на ОПО. Сложившаяся ситуация объясняется рядом
11
факторов. Здесь сказывается и значительный износ оборудования предприятий, и отсутствие
развитой инфраструктуры технической эксплуатации, несовершенная законодательная и нормативная база и т.д. На многих предприятиях не достаточно полно используются возможности
современного развития диагностической техники и информационных систем – производства
ограничиваются внедрением только систем мониторинга текущего ТС оборудования, без
внедрения методов диагностики и прогноза развивающихся дефектов, методов анализа надежности. Это приводит к несвоевременному и неэффективному восстанавливающему ТС ТОиР, а
отсутствие программ прогнозирования дефектов, квалифицированного персонала способного
выполнить количественный и качественный анализ ТС оборудования, приводит к неплановым
остановам, авральным ремонтам, неритмичной загрузке ремонтных производств и т.д.
Для целого класса технических объектов (технологические и обвязочные трубопроводы,
сосуды и аппараты, колонное оборудование, технологические эстакады и др.), для которых
решение вопросов обеспечения промышленной безопасности в условиях действующих производств на первый взгляд является тривиальной задачей, на практике приходиться сталкиваться
с необходимостью учета факторов, которые на этапе проектирования не рассматривались, а во
время эксплуатации вносят существенный, а в ряде случае определяющий вклад в ТС объекта.
К таким факторам следует отнести в частности, динамические нагрузки, не учтенные на этапе
проектирования и при вводе оборудования в эксплуатацию. Известно, например, что при эксплуатации НКО возникают проблемы связанные с высоким уровнем вибрации трубопроводных обвязок, межступенчатых аппаратов, компрессорных агрегатов и т.д. Особенно это характерно для установок оснащенных поршневыми компрессорами, а также технологического
оборудования, работающего совместно с центробежными нагнетателями, перекачивающими
высоковязкие или высокотемпературные среды. При проектировании подобных объектов основное внимание уделяется технологическим вопросам, а вопросы размещения и закрепления
оборудования решаются, без расчета спектра частот свободных колебаний и проверки системы
на резонанс. В результате при эксплуатации оборудование подвергается действию не предусмотренных проектом динамических нагрузок, длительное действие которых в сочетании с
другими факторами, становится причиной усталостного разрушения отдельных его элементов
и, как следствие, приводит к появлению инцидентов и аварийных ситуаций на ОПО.
На основе проведенного анализа установлено, что существующие методологии ТД и оценки ТС динамически нагруженного оборудования ОПО развиты недостаточно, а также имеют
ограниченное применение для конкретных типов ТУ, что не позволяет обеспечить безаварийную и безопасную эксплуатацию оборудования ОПО в целом. Этим же обусловлена недостаточность и неполнота существующей нормативно-методической и инструментальной базы
оценки ТС оборудования, а действующие нормы (например, нормы вибрации технологических
трубопроводов) не учитывают множество факторов, влияющих на динамическую нагруженность контролируемых объектов. С учетом этого, актуальной представляется задача совершенствования структуры систем управления промышленной безопасностью предприятий,
эксплуатирующих ОПО, в направлении внедрения единых методических подходов к оценке
12
ТС динамически нагруженного оборудования, позволяющих выявить неизвестные на этапе
проектирования параметры динамических воздействий, корректно оценить фактическую
нагруженность таких объектов, а при необходимости разработать и внедрить превентивные
меры по повышению их динамической стойкости для обеспечения промышленной безопасности на ОПО и снижения рисков возникновения инцидентов и аварий.
На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования с точки зрения
развития элементов теории, методологии, нормативного и инструментального обеспечения
для корректных оценок ТС динамически нагруженного оборудования ОПО и реализации эффективных мер по управлению им.
Вторая глава посвящена разработке технологии ОУТС оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях. Предлагаемая технология ОУТС (рис. 1) основана на
результатах расчетно-экспериментальных оценок состояния оборудования ОПО I и II класса
опасности по результатам периодического/постоянного мониторинга контрольных параметров.
Риcунок 1 – Технология ОУТС динамически нагруженного оборудования ОПО
На первом этапе применения технологии ОУТС промышленное оборудование предприятия подвергается первичному (предварительному) исследованию, по результатам которого
определяется вклад вносимый фактором динамического нагружения в общее ТС объекта. Это
дает основание разделить динамически нагруженное оборудование на две группы критичности, для каждой из которых предложено использовать различные по своему составу стратегии
контроля состояния оборудования во время эксплуатации, а также объем внедрения средств
повышения динамической устойчивости.
Для оборудования I группы критичности предложено применять стратегию постоянного
13
мониторинга его состояния с параллельным внедрением пассивных или полуактивных средств
управления динамическим состоянием оборудования. Для оборудования II группы критичности, для которого вклад фактора динамической нагрузки в общее ТС не превышает 50%, применение средств постоянного мониторинга является избыточным. Поэтому в этом случае целесообразным является использование стратегии периодического мониторинга, когда исследование динамического состояния оборудования осуществляется с заданной периодичностью,
например с периодом соответствующим межремонтному интервалу технологической установки. Состав такого исследования определяется конструктивным исполнением оборудования,
параметрами его работы, результатами предшествующих исследований и в общем случае соответствует алгоритму, показанному на рис. 2.
Риcунок 2 – Алгоритм исследования ТС оборудования ОПО
при периодическом мониторинге
По результатам периодического мониторинга в каждом рассматриваемом периоде принимается решение о необходимости и целесообразности внедрения мероприятий по повышению
динамической устойчивости оборудования. Указанная задача решается с использованием методов ОПК для выбора наилучшего сочетания масс-инерционных, жесткостных и демпфирующих характеристик системы.
Принятие решения о допустимости/недопустимости динамического состояния объекта на
этапе предварительной оценки ТС выполняется на основе соотнесения уровня динамических
14
перемещений в контрольных точках объекта некоторым нормативным значениям. В обзоре,
представленном в главе 1 работы, показана неполнота действующих норм на динамические
перемещения таких групп оборудования, как сосуды, аппараты, колонны и т.д., а в ряде случаев их некорректность, в силу не учета множества технологических, конструктивных и др. факторов. С учетом этого в рамках настоящей работы предложена адаптивная система нормирования амплитуд динамических перемещений оборудования по избранным критериям (рис. 2).
Она основана на индивидуальном подходе к каждому объекту контроля, за счет учета фактических условий его эксплуатации (давление, температура и т.д.), неравномерного распределения масс-инерционных характеристик, конструктивного исполнения объекта, типа опорных
узлов и т.д. В качестве расчетного метода при нормировании принят МКЭ, позволяющий максимально корректно смоделировать поведение контролируемого объекта при динамическом
анализе, с учетом отмеченных выше особенностей.
Критериальную оценку допустимости вынужденных колебаний объекта предложено осуществлять на основе соотнесения вычисляемых параметров (прогибы, осадки, напряжения,
деформации, усилия и т.п.), соответствующих наиболее значимой форме свободных колебаний объекта, предустановленным (избранным) критериям. В качестве последних предложено
использовать любые количественные или качественные критерии, связанные с вынужденными
колебаниями объекта контроля, например, допускаемые напряжения в материале объекта или
его опорных конструкциях, анкерных болтах, допускаемые перемещения объекта или отдельных его точек, а также элементов связанного с объектом оборудования (разъемные соединения, трубопроводная арматура, элементы строительных конструкций), уровень вибрации объекта, соответствующий нормальному психологическому восприятию эксплуатационного персонала и т.п.
Предложенная адаптивная система нормирования реализована автором в виде прикладного ПО «НОРМА», ориентированного на применение в заводских службах вибрационного контроля, научно-диагностических центрах, испытательных лабораториях, а также экспертных
организациях реализующих процедуру ЭПБ оборудования ОПО на подконтрольных Ростехнадзору РФ объектах. Указанное ПО позволяет для заданных условий эксплуатации объекта
сгенерировать графики нормативных значений вибрации, по оси ординат которых отложены
допускаемые амплитуды динамических перемещений объекта в соответствии с принятым индивидуальным критерием оценки, а по оси абсцисс произвольный геометрический или иной
количественный параметр.
В рамках исследования с использованием предложенной системы нормирования для оборудования различных типов и различных граничных условий получены диаграммы нормативных значений амплитуд вынужденных колебаний. Для иллюстрации на рис.3а представлен
пример нормирования вынужденных колебаний вертикального аппарата по критерию допускаемых напряжений в анкерных болтах, а на рис. 3б пример нормирования вибрации трубопроводов высокого давления при условии опирания «шарнир-шарнир».
15
а)
б)
Риcунок 3 – Примеры нормирования вынужденных колебаний динамически
нагруженного оборудования с использованием адаптивной системы нормирования
а) для вертикально установленных аппаратов в зависимости от высоты аппарата и диаметра анкерных
болтов по критерию допускаемых напряжений в анкерных болтах б) для трубопроводов высокого давления
в зависимости от типоразмера и пролета по критерию допускаемых напряжений в трубопроводе при
условиях опирания «шарнир-шарнир»
Превышение, полученных в соответствии с рассмотренной адаптивной системой нормирования, индивидуальных значений динамических перемещений свидетельствует об «опасном» приближении объекта к предельному состоянию, соответствующему принятому критерию оценки, и является основанием для проведения комплексного исследования ТС объекта
(рис. 2) с целью предотвращения инцидентов и аварийных ситуаций на ОПО на основе внедрения превентивных мер по повышению его динамической устойчивости.
Исследования, результаты которых рассмотрены в третьей главе, направлены на разработку подходов к расчетно-экспериментальной оценке НДС оборудования, эксплуатируемого
при динамических воздействиях техногенной и естественной природы. Представленные в главе подходы, представляют собой научно-методическое обеспечение, предложенной в главе 2
технологии ОУТС динамически нагруженного оборудования ОПО и применяются как при постоянном, так и периодическом мониторинге. Представленная методология нормативно закреплена в разработанных автором отраслевых и национальных стандартах СТО-00220227044, ГОСТ Р 55431, РД 0154-13 и защищена патентом №2626391 РФ «Способ мониторинга
технического состояния объектов повышенной опасности».
Методология основана на том, что поле динамических параметров объекта (например, перемещений, деформаций) может быть аппроксимировано полями динамических параметров,
соответствующих собственным формам его колебаний. При этом исследуемый объект представляется в виде упругой механической системы с конечным числом степеней свободы , что
позволяет решить задачу с применением МКЭ. В этом случае уравнения динамики такой системы могут быть записаны в матричном виде:
M δ
C δ
K δ
P
,
где K , C , M – матрицы жесткости, демпфирования и масс системы; P
16
(1)
– вектор дина-
мической нагрузки общего вида. При этом демпфирование в системе предполагается пропорциональным, т.е. матрица C может быть синтезирована по действительным собственным
формам колебаний, являющихся решением симметричной обобщенной проблемы собственных значений:
M Ф ,
K Ф
(2)
где Ф – матрица M ортогональных и нормированных собственных векторов, а  – диагональная матрица собственных значений, равных квадратам соответствующих собственных частот недемпфированных колебаний.
При известном векторе P
решение системы уравнений (1) может быть найдено в виде
разложения по формам свободных колебаний:
∑
δ
Ф
δ
Ф δ
(3)
,
где Ф - -й столбец матрицы Ф , а обобщенные перемещения δ
разделяющихся уравнений:
C δ
M δ
H
K δ
находятся из решения
(4)
,
P
, M
ФТМ Ф, K
ФТK Ф, C
ФТC Ф.
При этом решение дифференциальных уравнений из (4) может быть получено с помощью
интеграла Дюамеля
где H
Ф
Т

δ
H
sin
.
(5)
Для рассматриваемого класса задач вынужденных колебаний промышленного оборудования ОПО, подверженного действию динамических нагрузок техногенного или природного характера, место приложения и параметры которых в общем случае неизвестны, динамическая
реакция объекта в момент времени по аналогии с (3) может быть аппроксимирована параметрами состояния объекта (перемещения, деформации, силовые факторы и т.п.), соответствующими собственным формам его колебаний, т.е.
D
где d
Ф,
Ф d
(6)
,
– представляет собой неизвестный вектор обобщённых координат размерностью
а матрица Ф размерностью
содержащих
Ф
включает в себя
Ф
векторов Ф ,
1, 2, …
Ф,
параметров состояния модели соответствующих - ой форме колебаний.
Идентификацию параметров такой системы (определение неизвестного вектора d t )
предложено выполнять на основе сравнения векторов расчетных D
и экспериментально
измеренных D∗ t параметров состояния системы путем минимизации функционала квадратичной ошибки вида:
D∗
D
D∗
2Ф
W
→ min
(7)
на основе решения системы уравнений:
2Ф
Искомый вектор обобщённых координат d
Ф d
0.
(8)
для каждого момента времени с учетом
17
(8) будет определяться выражением:
d
Ф
T
Ф
Ф
T
D∗
(9)
.
При этом решение (9), в силу того, что функция (7) является квадратичной, будет единственным (рис. 4), а результирующая, рассчитанная по идентификационной модели, динамическая
реакция в
точках объекта с учетом (6) и (9) будет определяться выражением:
D
Ф d
Ф
=Ф
T
Ф
Ф
T
D∗
(10)
.
В выражение (9), в качестве множителя входит обратная
матрица
Ф
T
Ф
, что накладывает определенные ограни-
чения на структуру смешанной матрицы Ф – столбцы матрицы должны быть линейно независимыми. Практически этого можно добиться только путем обеспечения корректного
размещения на объекте исследования контрольных точек, а
также соблюдения условия на их количество
Как правило, для оборудования I группы критичности
указанные условия легко соблюсти и учесть все нюансы раз-
Риcунок 4 – Пример
функции 2 W при
Ф.
мещения
Ф
контрольных точек в проекте системы постоянно-
го мониторинга. Для оборудования II группы критичности, когда оценка ТС осуществляется путем периодического мониторинга, такая возможность имеется не всегда. Так, при контроле динамики пролетных строений, размещенных на большой высоте (например, трубопроводов проходящих над проездными путями и т.п.), не всегда существует техническая возможность измерения параметров состояния объекта в пролетной его части. Для исключения появления в указанных случаях почти вырожденной или плохо обусловленной симметричной матрицы A
Ф
T
Ф предложено использовать процедуру регуляри-
зации по Тихонову А.Н. Для этого в решение (9) вводится параметр регуляризации
. При
этом вычисление значения , обеспечивающее наилучшее приближенное решение некорректно поставленной задачи сводится к процедуре прямого одномерного поиска экстремума нормы невязки в момент времени :
D∗
W ,
а вектор обобщенных координат d ,
d ,
A
D
,
→ min,
(11)
в момент времени вычисляется как:
I
где I – единичная диагональная матрица, d∗
Ф T D∗
d∗
,
– начальное приближение вектора обобщен-
ных координат, вычисляемое по (9) при матрице Ф состоящей из
1, 2, …
Ф
1, содержащих
(12)
Ф
1 векторов Ф ,
динамических параметров состояния модели, соответству-
ющих - ой форме колебаний объекта.
Рассмотренные подходы к расчетно-экспериментальной оценке НДС динамически нагруженного оборудования, формализованы в виде алгоритма, представленного на рис. 5.
18
Риcунок 5 – Алгоритм расчетно-экспериментальной оценки НДС оборудования
Представленная методология прошла многолетнюю масштабную апробацию и верификацию при решении тестовых задач, имеющих аналитическое решение, при экспериментальных
исследованиях тестовых конструкций на различные виды динамических воздействий (сейсмика, вибрация, ветер и т.д.), а также применительно к исследованию динамического отклика реальных объектов на действующих технологических установках АО «АНХК», АО «АЗП», АО
«РНПК», АО «Газпром нефтехим Салават», АО «Саянскхимпласт» и др.
19
Ключевой проблемой, обуславливающей корректность оценки НДС с использованием
предлагаемой методологии, является задача определения числа форм колебаний объекта контроля, учитываемых в расчете, и соответственно, участвующих в формировании матрицы Ф
в (6). Так как для многих объектов, интуитивно оценить вклад каждой формы колебаний в величину динамической реакции не представляется возможным, то необходимы соответствующие инструменты, обеспечивающие процедуру такой оценки. С учетом этого в работе предложен ряд алгоритмов, один из которых продемонстрирован на рис. 6.
Вектор измеренных
параметров D∗
а)
, ,…
Вычисление .Ω
R
D∗
Ф Ф
Пространство для идентификации в виде матрицы Ф , состоящей из Ф векторов Ф ,
1, 2, … Ф , содержащих
параметров состояния модели
соответствующих -ой форме
колебаний
Ф
R
T
Ф
R , где
Ф T D∗
Сортировка массива Ф
по возрастанию .Ω
б)
Ф
, ,…
Ф
Ф
Вычисление .W
R
R ,
∗
T
где R
D
Ф Ф Ф
Ф T D∗ ,
а матрица Ф , формируется из векторов Ф ,
1, 2, …
в)
нет
.W
.W
да
Матрица Ф ,
удовлетворяющая
критерию
Риcунок 6 – Определение форм колебаний, участвующих в оценке НДС объекта
а) алгоритм определения числа удерживаемых в расчете форм колебаний; б) пример распределения
различных частот возбуждения объекта ; в) пример распределения . при Ф 5
Алгоритм основан на исследовании изменения суммы квадратов невязок W
.
для
(7) при
последовательном увеличении количества векторов, формирующих матрицу Ф . В случае достижения приращением
W
в (7) некоторого предустановленного порогового значения
20
,
процесс поиска прекращается, а полученная матрица модальных динамических параметров
Ф , принимается в качестве рабочей. При этом для обеспечения сходимости процедуры за
минимальное число итераций столбцы матрицы Ф должны быть предварительно отсортированы по возрастанию величины
Ω . В случае если требуемая точность при заданном числе
собственных векторов mФ не достигнута, то выполняется дополнение начальной матрицы Ф
требуемым количеством векторов, после чего процедура повторяется вплоть до достижения
сходимости алгоритма.
Часть главы посвящена вопросам апробации и тестирования предложенной методологии в
стендовых и заводских условиях. Представлены результаты верификации методологии при
решении тестовых задач, имеющих аналитическое решение, при экспериментальных исследованиях тестовых конструкций на различные виды динамических воздействий, а также применительно к исследованию динамического отклика действующих объектов предприятий химической и нефтеперерабатывающей отрасли РФ.
Четвертая глава диссертации посвящена вопросам адаптации предложенной в главе 3 методологии расчетно-экспериментальной оценки НДС динамически нагруженного оборудования
к условиям действующих производств.
Как следует из представленного на рис. 5 алгоритма, основным условием применения
предложенной методологии является использование синхронно измеренных параметров состояния объекта в момент времени , что на практике достигается применением многоканальной измерительной техники (виброизмерительных комплексов, тензометрических комплексов,
сейсмостанций и т.д.). Такой подход позволяет точно учесть фазовые сдвиги между различными точками исследуемого объекта и избежать искажения действительной картины НДС.
В производственной практике многоканальная измерительная аппаратура применяется достаточно редко. Если в отношении оборудования I группы критичности, требование синхронного измерения динамических параметров может быть предусмотрено на этапе проектирования соответствующей системы постоянного мониторинга, то при проведении периодического
контроля оборудования II группы критичности, например, силами заводских групп виброконтроля, как правило, применяется только одноканальная или двухканальная измерительная
аппаратура. С учетом изложенного в рамках адаптации предложенной в главе 3 базовой методологии к условиям действующих производств и обеспечения ее инвариантности к конкретным типам контрольно-измерительной аппаратуры предложено несколько способов ее применения при отсутствии возможности использования многоканальной измерительной аппаратуры. В работе предложено четыре варианта применения методологии с использованием:
а. одноканальной измерительной аппаратуры;
б. измерительной аппаратуры с числом измерительных каналов более одного;
в. измерительной аппаратуры с регистрацией данных по синхроимпульсу;
г. модифицированного метода корреляции цифровых изображений.
Так, при использовании одноканальной измерительной аппаратуры, амплитуды динамических параметров объекта измеряются в разные моменты времени, что не дает возможности
21
достоверно учесть фазовые сдвиги между его различными точками. В этой связи задача аппроксимации поля динамических параметров объекта решена исходя из минимизации отклонений абсолютных значений расчетных параметров от абсолютных значений измеренных параметров. С учетом этого в идентификационных расчетах НДС вместо (7) предложено использовать функцию суммы квадратов разности квадратов динамических параметров состояния
объекта
D∗
W
D
→ min ,
(13)
а для ее минимизации – специальный алгоритм глобальной минимизации, заключающийся в
применении метода покоординатного спуска, начиная с поиска глобального одномерного экстремума в направлении степеней свободы, соответствующих низшим формам колебаний объекта (см. рис. 7).
Риcунок 7 – Функция
при
Ф
В таблицу 1 сведены основные характеристики каждого из перечисленных выше вариантов применения базовой методологии оценки НДС и условия их применимости по отношению
к ней.
Таблица 1 – Характеристика предложенных вариантов применения базовой методологии
Варианты применения базовой методологии
а2
б3
b3
г1
Параметр
Базовая
методология1
Тип мониторинга
постоянный /
периодический
Требования к динамической
реакции объекта
нет
нет
постоянный сдвиг фаз между
гармоническими составляющими
спектра реакции
нет
нет
нет
да
нет
1
m
Необходимость проведения
спектральных преобразований
нет
нет
Возможность использования
для прямого контроля НДС
нет
нет
Привязка к фиксированным
частотам спектра
Требуемое число измерений
при числе точек контроля m и
числе каналов n
периодический периодический периодический
1
Предполагается, что m
Предполагается, что n 1
3
Предполагается, что m
2
22
2∙
постоянный /
периодический
m
n
1
да
да
нет
нет
нет
да
m
n
1
Пятая глава посвящена разработке методологии расчетно-экспериментальной экспрессдиагностики ТС динамически нагруженного оборудования с позиций поиска в нем недопустимых дефектов.
В контексте рассматриваемой в работе технологии ОУТС, требующей расчетного и экспериментального определения спектра собственных частот колебаний динамически нагруженного оборудования, предложено использовать данную информацию не только для расчетноэкспериментального определения НДС объекта (глава 3), но и в целях экспрессной диагностики локальных макродефектов оборудования типа «потеря сечения», а также «дефектов» его
опорно-подвесной системы (снижение жесткости, недопустимые деформации, функциональные нарушения и т.п.). На основе проведенных исследований в работе установлены закономерности чувствительности оболочечных форм колебаний оборудования (сосудов, аппаратов,
трубопроводов и т.д.) к появлению макродефектов, которая значительно выше чувствительности балочных форм колебаний. Вместе с тем, установлено, что при снижении податливости
опорных конструкций чувствительность балочных форм колебаний значительно превосходит
чувствительность оболочечных форм колебаний оборудования. Это позволило предложить в
качестве грубого диагностического признака или «сигнального» критерия наличия указанных
дефектов количественный показатель:

бал.
об.
(14)
,
где fбал. – отношение частоты колебаний объекта, соответствующей балочной форме для текущего состояния, по отношению к аналогичной (эталонной) частоте колебаний для бездефектного состояния; fоб. – отношение частоты колебаний объекта, соответствующей оболочечной форме для текущего состояния, по отношению к аналогичной (эталонной) частоте колебаний для бездефектного состояния.
Сама методология экспресс-диагностики (см. рис. 8а) основана на мониторинге отклонений от «эталонного» спектра собственных частот колебаний объекта в процессе эксплуатации
и включает в общем случае процедуры:
а) автоматической коррекции граничных условий математической модели объекта для
обеспечения соответствия «эталонному» спектру собственных частот;
б) идентификации местоположения и размеров макродефектов.
Для практической реализации указанных процедур предложено использовать методы ОПК.
При этом целевую функцию как в задачах типа а), так и в задачах типа б) предложено формировать в виде суммы квадратов невязок между заданным вектором собственных частот f ∗ и
вектором собственных частот f ∗ x , соответствующих вектору варьируемых параметров
x x ,…,x
на j-ом шаге минимизации:
F x
f∗
f∗ x
Т
f∗ x
f∗
→ min ,
(15)
а для ее минимизации – использовать комплексный метод Бокса. Для класса рассматриваемых
задач указанный метод предложено модифицировать в части введения в него коэффициента
«отскока», зависящего от диапазона явных ограничений на варьируемые параметры. При этом
23
экспериментально определена величина коэффициента «отскока», обеспечивающая максимальную скорость сходимости процедуры (рис. 8б). Пример реализации процедуры минимизации целевой функции (15) модифицированным методом Бокса для 2-х мерного случая показан на рис. 8в.
а)
б)
в)
Риcунок 8 – Методология экспресс-диагностики макродефектов
а) алгоритм диагностики; б) определение оптимального коэффициента «отскока»;
в) пример минимизации целевой функции при поиске дефекта трубопровода
24
Часть главы посвящена вопросам апробации и тестирования предложенной методологии в
стендовых и заводских условиях. Представлен пример ее использования при экспрессной диагностике дефектов опорно-подвесной системы трубопроводной обвязки газового компрессора
«Шварцкопф» объекта 52 Химического завода АО «АНХК».
Шестая глава посвящена разработке методологии управления динамическим состоянием
оборудования ОПО, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы. В общем случае указанная задача может быть решена через изменение параметров оборудования входящих в левую часть уравнения динамики (1), а именно через варьирование:
а) жесткостными характеристиками (изменение матрицы K в (1));
б) масс-инерционными характеристиками (изменение матрицы M в (1));
в) демпфирующими характеристиками (изменение матрицы C в (1)) системы.
В силу большого количества переменных параметров при реализации мероприятий по п.
а), б) и в), варьирование которыми может обеспечить достижение желаемого результата (повышение динамической устойчивости объекта), аналитические расчеты с использованием
упрощенных математических моделей оборудования, представленные в действующих нормативных документах, являются малоэффективными. Такие подходы могут применяться только
в ряде конкретных случаев, когда исследуемый объект можно описать простой колебательной
системой, например с одной или двумя степенями свободы. В более сложных случаях, когда
исследуемый объект является конструктивно сложным, имеет множество разнородных граничных условий, неравномерно распределенную массу и т.д., более привлекательной становится концепция, предполагающая исследование объекта по уточненным пространственным
расчетным моделям, максимально точно аппроксимирующим поведение физического прототипа. С учетом этого в рамках настоящей диссертационной работы именно указанный подход
был избран в качестве основы для управления динамическим состоянием оборудования на
ОПО при реализации технологии ОУТС. При этом в качестве уточненных математических
моделей динамически нагруженного оборудования предложено рассматривать КЭ модели
оборудования, построение и верификация которых осуществляется при реализации подходов
изложенных в главах 2÷5 диссертации.
Непосредственно саму задачу управления динамическим состоянием оборудования при
реализации технологии ОУТС предложено формулировать как задачу ОПК в виде:
найти вектор переменных проектирования:
x
,…,
,
1,2, … ,
(16)
доставляющий минимальное значение целевой функции
x →
(17)
,
при явных ограничениях на вектор переменных проектирования:
, при
1,2 … ,
.
В выражениях (16)-(18) приняты следующие обозначения:
25
(18)
вектор переменных проектирования по (16) формируется из набора
параметров, однознач-
ным образом характеризующих конструктивные изменения, вносимые в исходную систему:
 по п. а) такими параметрами предложено назначать координаты размещения новых/существующих опор оборудования и их податливость;

по п. б) в рамках настоящей работы рассматривается возможность варьирования сосредоточенными массами в местах сопряжения отдельных элементов динамически нагруженного
оборудования за счет замены классических фланцевых соединений на бугельные разъёмные
соединения (БРС). Данная процедура наиболее эффективна при ее реализации в отношении
оборудования высокого давления. В этом случае применение БРС позволяет обеспечить снижение величины сосредоточенной массы по сравнению с использованием классической конструкции фланцевого соединения в 4÷8 раз. С учетом этого варьируемым параметром при реализации мероприятий данной группы является масса разъёмных соединений. Для обеспечения
практической возможности использования БРС в работе исследованы механизмы контактного
взаимодействия деталей БРС различных типов при нагрузках динамического характера. В результате проведённых расчетных исследований определен допустимый диапазон вынужденных колебаний, при которых БРС сохраняют работоспособность. Результаты расчетных изысканий в полной мере подтверждены экспериментальными исследованиями БРС различных типов на метрологически аттестованном стенде высокого давления АО «ИркутскНИИхиммаш».
 по п. в) в качестве варьируемых параметров предложено принимать координаты размещения сосредоточенных демпфирующих устройств (ДУ), а также параметры математических моделей ДУ, наиболее точно аппроксимирующих их демпфирующие характеристики. При этом
для определения наиболее подходящих моделей ДУ по результатам стендовых испытаний в
рамках исследования автором разработано специализированное ПО «Stand» (свидетельство об
официальной регистрации программы для ЭВМ №2016662397), обеспечивающее автоматическую идентификацию демпфирующих характеристик испытываемых ДУ в пространстве
обобщенных моделей Кельвина-Фойгта и Максвелла с общим количеством цепей до 10.
Явные ограничения на вектор переменных проектирования ,

(18) назначаются:
по п. а) на основе:
o оценки физически возможного диапазона варьирования местоположением вновь
устанавливаемых или существующих опорных конструкций с учетом фактической компоновки оборудования на ОПО;
o определения типа существующих/вновь устанавливаемых опор и оценки возможного диапазона варьирования их податливостью (степень затяжки хомутов, жесткость
пружин и т.п.).
 по п. б) на основе оценки минимально возможной массы БРС на рассматриваемые рабочие
параметры (давление, температура и т.д.), принимаемой в качестве нижней границы диапазона
. Верхняя граница диапазона
принимается равной массе соответствующего фланцевого со-
единения с учетом массы крепежа.

по п. в):
26
o при определении нижней и верхней границы изменения координат размещения сосредоточенных ДУ также как и в случае а) исходят из физически возможного диапазона
варьирования местоположением ДУ с учетом фактической компоновки оборудования
на ОПО;
o
при определении границ изменения параметров математических моделей ДУ:
 в случае конструирования ДУ с требуемыми демпфирующими характеристиками
ограничения на диапазон варьирования параметрами математических моделей ДУ
не устанавливаются. В рамках реализации правительственной программы РФ по
импортозамещению, в диссертационной работе предложена инженерная методика
проектирования ДУ вязкого трения с требуемыми характеристиками, основанная на
математическом моделировании их работы в объемной постановке путем решения
связанной упруго-гидродинамической задачи о взаимодействии корпуса и подвижных частей ДУ с рабочей вязкой жидкостью. С ее использованием в рамках исследования разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию серия демпфирующих устройств вязкого трения мембранного типа с постоянным (серия МД) и регулируемым (серия МДР) уровнем демпфирования;
 в случае использования серийных ДУ диапазон варьирования параметрами принимается согласно технической документации на ДУ.
В качестве минимизируемой целевой функции в выражении (17) по аналогии с принятой в
главе 2 адаптивной системой нормирования, предложено использовать любые количественные
или качественные критерии, характеризующие динамическое состояние исследуемого оборудования, например максимальные напряжения в материале объекта или его опорных конструкциях, анкерных болтах и т.д.
В целях сокращения временных затрат на оптимизацию демпфирующих характеристик
динамически нагруженного оборудования при введении в систему дискретных ДУ, в работе
предусмотрен двухстадийный подход, предусматривающий предварительное исследование
динамической реакции объекта на упрощенных идеализированных моделях для сужения диапазона изменения параметров математических моделей ДУ, с последующим уточнением решения при исследовании реакции объекта по пространственным верифицированным КЭ моделям. При этом на основе многолетнего опыта проведения работ в области обеспечения промышленной безопасности промышленного оборудования и систематизации результатов обследований за 17 лет выделены шесть наиболее актуальных для практического применения
типов упрощенных идеализированных моделей динамически нагруженного оборудования.
Часть главы посвящена вопросам апробации и тестирования предложенной методологии
управления динамическим состоянием оборудования в стендовых и заводских условиях.
Представлен пример использования методологии для обеспечения вибростойкости оборудования высокого давления блоков 130-131, 140/1,2 Химического завода АО «АНХК» с применением демпфирующих связей сухого трения (см. рис. 9), а также сейсмостойкости объекта
транспортной инфраструктуры в г. Иркутске с использованием вязко-упругих ДУ.
27
Риcунок 9 – Использование ДУ сухого трения собственной конструкции для обеспечения
вибростойкости оборудования высокого давления Химического завода АО «АНХК»
В седьмой главе представлены разработки автора, связанные с созданием комплекса инструментального и программного обеспечения технологии ОУТС для использования на различных этапах ее внедрения.
Инструментальное обеспечение технологии ОУТС представлено (рис.10):
а) серией демпфирующих устройств вязкого трения мембранного типа (патент РФ по заявке
№2016134174 «Демпфер вязкого трения» – решение о выдаче патента от 15.08.2017) с регулируемым и нерегулируемым уровнем демпфирования;
б) измерительной аппаратурой для оперативной динамической тензометрии (патент
№2634487 РФ «Тензометр накладной динамических деформаций») для применения в качестве
источника первичной экспериментальной информации при осуществлении расчетноэкспериментальных оценок НДС динамически нагруженного оборудования, а также верификации этих оценок;
в) мобильным и стационарным контрольно-измерительными комплексами для периодического и постоянного мониторинга НДС оборудования промышленных предприятий при статических и динамических нагрузках согласно патенту РФ №2626391 «Способ мониторинга
напряженно - деформированного состояния объектов повышенной опасности». При разработ-
28
ке подходов к проектированию систем мониторинга с учетом особенностей реализации положений главы 3 в работе определены следующие основные технические требования к таким системам:

аппаратное обеспечение систем мониторинга должно обеспечивать синхронную регистрацию параметров состояния характеризующих вынужденные колебания объекта (перемещения, скорости, ускорения, углы поворота, деформации, напряжения и т.п.);

частота синхронного опроса каналов предназначенных для регистрации динамических параметров состояния должна составлять не менее 500 Гц;

контроль вспомогательных медленно меняющихся параметров (температура, давление,
перемещения и деформации от статических нагрузок и т.п.) допускается осуществлять посредством мультиплексирования с частотой не менее 1 Гц;

разрядность аналого-цифрового преобразования для каналов, предназначенных для регистрации динамических параметров состояния, должна составлять не менее 24 бит;

размещение датчиков на объекте контроля должно обеспечивать линейную независимость
столбцов матрицы Ф в (6), а также хорошую обусловленность матрицы Ф
Ф в (9).
Риcунок 10 – Инструментальное обеспечение технологии ОУТС
г) серией роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов. Серия представлена тремя типами мобильных
устройств, отличающихся типом приводного механизма и видом применяемого метода неразрушающего контроля (визуальный, магнитный (СТО-00220227-002)), работающих под управлением единого диагностического комплекса. На один из сканеров-интроскопов подана заявка
29
на патент №2017129031 «Телеуправляемый внутритрубный интроскоп» - дата приоритета
14.08.2017. В рамках отработки методологии интроскопического контроля на основе исследования тестовых контрольных образцов создана расширяемая диагностическая база типовых
формализованных дефектов. Для идентификации формализованных дефектов в режиме постобработки результатов интроскопии предложен и программно реализован в ПО «CPipes» подход, основанный на поисковой процедуре по критерию оценки нормы невязки разности нормализованных матриц формализованного дефекта, занесенного в базу, и нормализованной
матрицы, соответствующей некоторой локальной зоне исследуемого объекта.
д) мобильным комплексом для идентификации собственных частот колебаний объектов при
реализации методологии экспресс-диагностики макродефектов оборудования.
Комплекс программ, обеспечивающий реализацию технологии ОУТС на всех этапах,
представлен семью независимыми программами: ПО «НОРМА», ПО «MStruct», ПО «Stand»,
ПО «COMPASS», ПО «Correlation», ПО «SIdent» и ПО «CPipes» (рис. 11):
Риcунок 11 – Программное обеспечение технологии ОУТС
а) ПО «MStruct» (авт. свид. №2014619601) предназначено и используется в системах постоянного и периодического мониторинга в качестве экспертной системы оценки ТС объекта;
б) ПО «SIdent» (авт. свид. №2017614231) выполнено в виде надстройки над программой
Ansys и предназначено для исследования НДС промышленных объектов, с использованием
предложенных в работе методов расчетно-экспериментальной оценки;
в) в ПО «COMPASS» реализованы результаты исследований автора в части динамики (вибрация, сейсмика, ветер и т.п.) систем с демпфированием, в т.ч. непропорциональным, а также
30
оптимизации и подбора ДУ, масс-инерционных характеристик и граничных условий, в т.ч. с
применением методов прямого численного интегрирования уравнений движения;
г) ПО «Stand» (авт. свид. №2016662397) применяется при испытаниях различной машиностроительной продукции на статические и динамические воздействия. В рамках исследования
оно использовано при испытании ДУ мембранного типа, а также при исследовании применимости БРС в условиях динамических нагрузок;
д) ПО «Correlation» предназначено для исследования НДС оборудования с использованием
предложенного модифицированного метода корреляции цифровых изображений и позволяет в
пределах одного многооконного приложения проводить операции по определению и визуализации перемещений/деформаций целевых поверхностей, как с предварительным нанесением
на объект «спекл» структур, так и с использованием, закрепленных на объекте маркеров;
е) ПО «CPipes» – программа для сбора данных внутритрубной интроскопии, а также обработки и визуализации ее результатов.
ж) ПО «Норма» реализует предложенную в работе адаптивную систему нормирования амплитуд динамических перемещений оборудования по избранным критериям.
В восьмой главе представлены избранные примеры внедрения результатов диссертационного исследования при оценке и управлении ТС динамически нагруженного оборудования
ОПО РФ. Так, для апробации и внедрения технологии ОУТС в части оценки ТС оборудования
I группы критичности, предложенный в главе 7 контрольно-измерительный комплекс был
смонтирован в виде системы постоянного мониторинга НДС на вакуумной колонне установки
ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «АНХК» (рис. 12). По результатам опытно-промышленной эксплуатации на данную систему мониторинга НДС было получено разрешение Ростехнадзора РФ на
применение.
Риcунок 12 – Вакуумная колонна установки ЭЛОУ+АВТ-6 НПЗ АО «АНХК»
На этапе предварительного исследования было установлено, что основным повреждающим фактором для данного объекта являлись значительные напряжения, возникающие в зоне
примыкания к вакуумной колонне трансферных трубопроводов, обусловленные высокой температурой транспортируемого сырья (порядка 350оС), а также значительными пространствен31
ным перемещениями трубопроводов (до 250 мм) вибрационного характера на переходных режимах. С учетом этого в качестве измеряемых параметров ТС были приняты данные о температурах трубопроводов, а также их пространственных перемещениях (см. рис.13).
Для реализации, предложенной в главе
3 методологии расчетно-экспериментальной
оценки, автором в проекте системы мониторинга был предусмотрен синхронный опрос
датчиков, что позволило построить адекватную идентификационную модель объекта и
обеспечить контроль его НДС под управлением экспертной системы MStruct (авт.
свид. №2014619601) в режиме реального
времени. Результатом работы системы мониторинга являлась достоверная картина о
НДС подконтрольного оборудования, в т.ч.
в зоне примыкания трубопроводов к вакуРиcунок 13 – Датчики перемещений
умной колонне. Результаты мониторинга в
смонтированные на объекте мониторинга
виде графических и звуковых сообщений
выводились на центральную консоль оператора системы мониторинга (см. рис. 14).
Верификация результатов контроля по идентификационной модели и оценка корректности вычисления параметров НДС осуществлялась с использованием дополнительного контроля параметров состояния в наиболее проблемных зонах объекта. Для этого в патрубковой
зоне вакуумной колонны были смонтированы датчики деформаций (по три тензорезистора на
каждый патрубок). Сравнительный анализ вычисляемых параметров НДС по идентификационной модели и результатов контроля деформаций в патрубковых зонах показал работоспособность принятой схемы контроля и корректность математической модели объекта. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 7%. На сегодняшний день рассмотренная система мониторинга находится в эксплуатации уже более 9 лет и является важным звеном системы управления промышленной безопасностью на данном ОПО.
Риcунок 14 – Пример визуализации результатов постоянного мониторинга объекта
32
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе результатов проведенных исследований, выявленных особенностей эксплуатации и технического диагностирования динамически нагруженного оборудования ОПО, разработана технология оценки и управления техническим состоянием (ОУТС) оборудования ОПО
I и II класса опасности, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и
естественной природы. Технология ОУТС основана на результатах расчетноэкспериментальных оценок ТС оборудования и предполагает использование различных по
своему составу стратегий контроля и управления ТС оборудования во время эксплуатации в
зависимости от назначенной группы критичности. Для первичной категоризации динамически
нагруженного оборудования по группам критичности введен условный показатель критичности, определяемый на основе вычисления вклада динамических напряжений в общее НДС
оборудования. Технология ОУТС прошла апробацию применительно к оборудованию таких
промышленных отраслей, как нефтепереработка, химия и нефтехимия, нефте- и газодобыча и
легла в основу разработанных автором отраслевых нормативно-методических документов РД
0154-13, СТО-00220227-044 и национального стандарта ГОСТ Р 555431.
2. Развиты научно-методические основы контроля и мониторинга ТС различных групп промышленного оборудования ОПО РФ на основе разработки, апробации и внедрения универсальных расчетно-экспериментальных методов:
2.1. Разработана методология оценки НДС оборудования, эксплуатируемого при динамических воздействиях техногенной и естественной природы. Предложены способы адаптации (4ре варианта) разработанной методологии к условиям действующих производств, обеспечивающие ее инвариантность к конкретным типам контрольно-измерительной аппаратуры. Методология прошла апробацию и внедрена на действующих технологических установках АО
«Ангарская нефтехимическая компания», АО «Ангарский завод полимеров», АО «Рязанская
нефтеперерабатывающая компания», АО «Газпром нефтехим Салават», АО «Саянскхимпласт», ПАО «Верхнечонскнефтегаз» и др., в т.ч. в виде действующих систем постоянного
мониторинга НДС оборудования ОПО. Методология включена в разработанный автором и
впервые введенный в РФ национальный стандарт ГОСТ Р 555431 и защищена патентом РФ
№2626391 «Способ мониторинга напряженно - деформированного состояния объектов повышенной опасности».
2.2. Разработана методология экспресс-диагностики макродефектов оборудования на основе
периодического мониторинга отклонений от «эталонного» спектра собственных частот колебаний исследуемого объекта в процессе эксплуатации, включающего процедуры автоматической коррекции граничных условий математической модели объекта, а также идентификации
местоположения и размеров макродефектов. Предложен «сигнальный» критерий оценки ТС
оборудования, основанный на соотнесении собственных частот колебаний объекта, соответствующих балочным и оболочечным формам колебаний. Проведена апробация и верификация
методологии на ряде тестовых задач, а также на различных образцах промышленного обору-
33
дования в стендовых условиях и действующих технологических установках АО «Ангарская
нефтехимическая компания» и АО «Ангарский завод полимеров».
3. Разработана адаптивная система нормирования амплитуд вынужденных колебаний оборудования по избранным критериям, применяемая при периодическом мониторинге динамически нагруженного оборудования ОПО II группы критичности. Система реализована в виде
разработанного автором программного обеспечения «Норма», использование которого позволяет учитывать фактические условия эксплуатации оборудования и обеспечивает корректные
оценки допустимости его динамических перемещений при заданных ограничениях. С использованием предложенной адаптивной системы нормирования для оборудования различных типов и различных граничных условий получены диаграммы нормативных значений амплитуд
вынужденных колебаний.
4. Разработана, апробирована и внедрена универсальная методология управления динамическим состоянием промышленного оборудования ОПО, эксплуатируемых в условиях динамических воздействий техногенной и естественной природы, основанная на оптимизации жесткостных, масс-инерционных и демпфирующих характеристик исследуемого объекта с учетом
фактических условий его эксплуатации.
4.1. Показана возможность оптимизации масс-инерционных характеристик оборудования на
основе варьирования массой его разъёмных соединений за счет замены классических фланцевых соединений на бугельные разъёмные соединения (БРС), что обеспечивает снижение инерционных нагрузок на оборудование, а также его отстройку от резонансных колебаний.
4.2. Для обеспечения практической возможности использования БРС исследованы механизмы
контактного взаимодействия деталей БРС различных типов при нагрузках динамического характера. В результате проведённых расчетных исследований определен допустимый диапазон
вынужденных колебаний, при которых БРС сохраняют работоспособность при динамических
нагрузках. Результаты расчетных изысканий в полной мере подтверждены экспериментальными исследованиями БРС различных типов на метрологически аттестованном стенде высокого давления АО «ИркутскНИИхиммаш».
4.3. В целях сокращения временных затрат на оптимизацию демпфирующих характеристик
динамически нагруженного оборудования при введении в систему дискретных демпфирующих связей, предложен двухстадийный подход, предусматривающий предварительное исследование динамической реакции объекта на упрощенных идеализированных моделях для сужения диапазона изменения параметров математических моделей этих связей, с последующим
уточнением решения при исследовании реакции объекта по пространственным верифицированным конечно-элементным моделям. При этом на основе многолетнего опыта проведения
работ в области обеспечения промышленной безопасности промышленного оборудования и
систематизации результатов обследований за 17 лет выделены 6 наиболее актуальных для
практического применения типов упрощенных идеализированных моделей оборудования.
4.4. Предложена инженерная методика проектирования демпфирующих устройств (ДУ) вязкого трения с требуемыми характеристиками, основанная на решении связанной упруго-
34
гидродинамической задачи в объемной постановке о взаимодействии корпуса и подвижных
частей демпфирующего устройства с рабочей вязкой жидкостью.
5. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение (ПО) для реализации предложенных подходов в области оценки и управления ТС объектов, эксплуатируемых при динамических воздействиях. ПО представлено семью независимыми программными
комплексами (MStruct, SIdent, Stand, Норма, Correlation, CPipes, Compass), применяемыми на
различных этапах внедрения предложенной технологии ОУТС. На часть разработанного ПО
получены свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№2014619601
«Программа структурного мониторинга технологического оборудования, зданий и сооружений (MStruct)», №2017614231 «Программа идентификации напряженно - деформированного
состояния деталей машин и конструкций(SIdent)», №2016662397 «Программа для стендовых
испытаний машиностроительных изделий(Stand)»).
6. Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию инструментальные средства (измерительная техника, технические устройства, аппаратно-программные комплексы) и нормативно-методические документы для обеспечения безопасной эксплуатации динамически
нагруженного оборудования ОПО в рамках реализации предложенной технологии ОУТС:
6.1. Разработана серия ДУ вязкого трения мембранного типа (патент РФ по заявке
№2016134174 «Демпфер вязкого трения» – решение о выдаче патента от 15.08.2017) с регулируемым и нерегулируемым уровнем демпфирования. Определена возможность применения
предложенных ДУ для повышения динамической устойчивости оборудования I и II групп критичности в т.ч. в режиме автоматического регулирования/настройки на требуемые параметры
демпфирования.
6.2. Предложена, апробирована и внедрена измерительная аппаратура для оперативной динамической тензометрии (патент №2634487 РФ «Тензометр накладной динамических деформаций»). Определена возможность ее применения в качестве источника первичной экспериментальной информации для осуществления расчетно-экспериментальных оценок НДС динамически нагруженного оборудования, а также верификации этих оценок.
6.3. Разработаны мобильный и стационарный контрольно-измерительные комплексы для периодического и постоянного мониторинга НДС оборудования промышленных предприятий
при статических и динамических нагрузках. Один из указанных комплексов внедрен и эксплуатируется уже более 9 лет в виде стационарной системы постоянного мониторинга НДС на
установке ЭЛОУ+АВТ-6 нефтеперерабатывающего завода АО «Ангарская нефтехимическая
компания».
6.4. Разработана, изготовлена и внедрена в промышленную эксплуатацию серия роботизированных сканеров-интроскопов для оперативной диагностики оборудования во время остановочных ремонтов. Серия представлена тремя типами мобильных устройств, отличающихся
типом приводного механизма и видом применяемого метода неразрушающего контроля, работающих под управлением единого диагностического комплекса и ПО «CPipes».
35
6.5. Предложен, апробирован и внедрен мобильный комплекс для идентификации собственных
частот колебаний объектов при реализации методологии экспресс-диагностики макродефектов
оборудования;
6.6. Разработаны и внедрены нормативно-методические отраслевые и национальные документы, регламентирующие реализацию технологии ОУТС на практике. Они представлены следующими документами: СТО-00220227-044 «Оборудование опасных производственных объектов. Расчетно-экспериментальные методы исследования»; СТО-00220227-002 «Сосуды и трубопроводы стальные сварные. Методика магнитного контроля»; РД 0154-13 «Методика виброисследований для снижения уровня вибрации трубопроводных обвязок насоснокомпрессорного оборудования»; РД 0154-18 «Поршневые компрессорные машины. Организация эксплуатации и ремонта по техническому состоянию»; РД 0154-19 «Центробежные машины. Организация эксплуатации и ремонта по техническому состоянию»; ГОСТ Р 555431 «Системы трубопроводные. Расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния».
7. Разработанные научно-методические подходы и реализующие их технические решения
использованы в прикладных задачах оценки и управления ТС динамически нагруженного оборудования, что позволило обеспечить промышленную безопасность оборудования более чем
на 50-ти технологических установках и ОПО промышленных предприятий РФ.
Таким образом, выполненные в диссертации исследования позволили предложить новые
научно обоснованные технические и методические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны в части решения вопросов обеспечения промышленной и
экологической безопасности динамически нагруженных объектов в различных отраслях промышленности Российской Федерации.
Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы:
в изданиях из перечня ВАК (специальность 05.02.00 - Машиностроение и машиноведение):
1.
Трутаев, С. Ю. Исследование вынужденных колебаний трубопроводных систем с дискретными демпферами /С. Ю. Трутаев // Вестник Иркутского государственного технического
университета. - 2004. - Т. 20., №4(20). - С. 178.
2.
Применение многоканальной вибродиагностической аппаратуры для технической диагностики компрессорного оборудования на основе синхронной регистрации параметров вибрационных и газодинамических процессов/С. Ю. Трутаев [и др.] // Контроль. Диагностика. 2005. - №11. - С. 24-27.
3.
Разработка расчетно-экспериментальных методов оценки остаточного ресурса и создание нормативной базы для увеличения межремонтного пробега технологических установок/С.
Ю. Трутаев [и др.]//Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. - №6. - С. 37-39.
4.
Трутаев, С.Ю. Конечно-элементное моделирование и экспериментальные исследования
динамических характеристик подвески вспомогательных машин электровозов/Д. А. Лукьянов,
С. Ю. Трутаев // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - №9. - С. 36-45.
36
5.
Трутаев, С. Ю. Развитие научного, методического и материального обеспечения промышленной и экологической безопасности оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств / С. Ю. Трутаев, В. К. Погодин, К. А. Кузнецов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - №S. - С. 152-156.
6.
Трутаев, С. Ю. Разработка иерархии конечных элементов с переменным числом узлов
на ребрах для исследования напряженно-деформированного состояния объектов машиностроения/В. В. Трутаева, С. Ю. Трутаев // Системы. Методы. Технологии. - Братск: Братский государственный университет, 2014. - №3(23). - С. 90-94.
7.
Трутаев, С. Ю. Разработка математического аппарата для исследования напряженнодеформированного состояния объектов машиностроения/В. В. Трутаева, С. Ю. Трутаев // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: Иркутский государственный университет путей сообщения, 2014. - №3(43). - С. 33-37.
8.
Подходы к оценке технического состояния основных фондов нефтехимических предприятий при внедрении на них современных стратегий технического обслуживания и ремонта/С. Ю. Трутаев [и др.] // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. - 2015. - №6. С. 32-35.
9.
Трутаев, С. Ю. Оценка напряженно - деформированного состояния промышленного
оборудования на основе применения технологии корреляции цифровых изображений / С. Ю.
Трутаев // Территория НЕФТЕГАЗ - Москва, 2016. - №12. - С. 68 - 73.
10.
Трутаев, С. Ю. Управление динамическим состоянием промышленного оборудования
на основе разработки и внедрения эффективных средств виброзащиты / С. Ю. Трутаев // Системы. Методы. Технологии. - Братск: Братский государственный университет, 2016. - №3(31).
- С. 81 - 84.
11.
Трутаев, С. Ю. О механизмах контактного взаимодействия деталей бугельных разъемных соединений / В. В. Трутаева, В. К. Погодин, С. Ю. Трутаев // Современные технологии.
Системный анализ. Моделирование - Иркутск: Иркутский государственный университет путей
сообщения, 2016. - №4(52). - С. 44-48.
12.
Трутаев, С. Ю. Расчетное и экспериментальное исследование линейно - упругого деформирования деталей бугельных разъемных соединений / В. В. Трутаева, В. К. Погодин, С.
Ю. Трутаев // Системы. Методы. Технологии - Братск: Братский государственный университет, 2016. - №4(32). - С. 51 - 56.
13.
Методика оптимального проектирования деталей бугельных разъемных соединений высокого давления / С. Ю. Трутаев [и др.] // Системы. Методы. Технологии. - 2015. - №1(25). - С.
38-42.
14.
Трутаев, С. Ю. Математическое моделирование демпфирующих устройств вязкого трения на основе результатов стендовых испытаний / С. Ю. Трутаев // Современные технологии.
Системный анализ. Моделирование - Иркутск: Иркутский государственный университет путей
сообщения, 2017. - №2(54). - С. 21 - 25.
15.
Трутаев, С. Ю. Подходы к оценке технического состояния динамически нагруженного
37
оборудования опасных производственных объектов / С. Ю. Трутаев // Территория НЕФТЕГАЗ.
- 2017. - №9. - С. 14 - 19.
в изданиях из перечня ВАК (смежная специальность 01.02.00 - Механика):
16.
Трутаев,
С.Ю.
Расчетно-экспериментальный
метод
оценки
напряженно-
деформированного состояния конструкций зданий при землетрясениях/С. Ю. Трутаев, В. В.
Безделев // Строительная механика и расчет сооружений - Москва, 2014. - №1(252). - С. 49-52.
17.
Трутаев, С.Ю. Разработка математического аппарата и программного обеспечения для
расчета фасонных деталей трубопроводов/ С. Ю. Трутаев, В. В. Трутаева // Строительная механика и расчет сооружений - Москва, 2014. - №3(257). - С. 31-34.
18.
Трутаев, С. Ю. Применение технологии корреляции цифровых изображений при решении идентификационных задач / С. Ю. Трутаев // Строительная механика и расчет сооружений
- Москва, 2016. - №5(268). - С. 72 - 75.
в изданиях, проиндексированных Scopus и WoS:
19.
Development and implementation of integrated structural health monitoring systems on Russia
enterprises for ensuring safety operation of industrial equipment and buildings/S. Trutaev [et al.]//The
Ninth International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologie (London, United Kingdom, 12-14 June 2012). - 2012. - Vol.2. - P.777-781.
20.
Trutaev, S. Y. Method for stress-strain-state evaluation of production equipment and buildings
and structures of industrial entities/S. Y. Trutaev//Chemical and Petroleum Engineering. - 2014. Vol. 49, №11-12. - P. 816-819.
21.
Trutaev, S. Y. Creation of a Regulatory Framework to Increase the Distance Run Between
Overhauls of Processing Plants at Enterprises in the Oil and Gas Industry/S. Y. Trutaev//Chemical
and Petroleum Engineering. - 2015. - Vol. 50, №9-10. - P. 665-669.
22.
Trutaev, S. Y. Development of Methods of Optimal Design of High-Pressure Releasable Connections/V. V. Trutaeva, V. K. Pogodin, S. Y. Trutaev//Chemical and Petroleum Engineering. - 2016.
- Vol. 51, №9. - P. 609-612.
патентах на изобретение:
23.
Пат. 2626391 Российская Федерация, МПК G01M 7/00 (2006.01). Способ мониторинга
напряженно - деформированного состояния объектов повышенной опасности/С. Ю. Трутаев,
К. А. Кузнецов; заявитель и патентообладатель Акционерное общество "Иркутский научно исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения"
(АО "ИркутскНИИхиммаш"). - №2016135360; заявл. 30.08.2016; опубл. 26.07.2017, Бюл. №21.
24.
Пат. 2634487 Российская Федерация, МПК G01B 7/00 (2006.01). Тензометр накладной
динамических деформаций/С. Ю. Трутаев, К. А. Кузнецов; заявитель и патентообладатель Акционерное общество "Иркутский научно - исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (АО "ИркутскНИИхиммаш"). - №2016137240; заявл.
16.09.2016; опубл. 31.10.2017, Бюл. №31.
25.
Пат. 2343313 Российская Федерация, F 04 B 41 02,F 04 B 41 06,F 04 B 39 00. Компрессорная станция/С. Ю. Трутаев [и др.]; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное
38
общество «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и
нефтяного машиностроения» (ОАО «ИркутскНИИхиммаш»). - №2007111091/06; заявл.
26.03.2007; опубл. 10.01.2009, Бюл. №1.
26.
Пат. 2618631 Российская Федерация, 16J 13/16 (2006.01). Устройство для запирания
крышки сосуда, работающего под давлением/В. К. Погодин [и др.]; заявитель и патентообладатель Акционерное общество "Иркутский научно - исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (ОАО "ИркутскНИИхиммаш"). №2015157287; заявл. 30.12.2015; опубл. 05.05.2017, Бюл. №13.
авторских свидетельствах на программное обеспечение:
27.
Программа структурного мониторинга технологического оборудования, зданий и сооружений (MStruct): свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ №2014619601
Рос. Федерация /С. Ю. Трутаев, В. В. Трутаева; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (ОАО «ИркутскНИИхиммаш»). - №2014617158; заявл. 22.07.2014; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 18.09.2014.
28.
Программа для стендовых испытаний машиностроительных изделий (Stand): свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2016662397 Рос. Федерация /С. Ю. Трутаев, Н.
А. Верхозин; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Иркутский научно - исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения»
(АО «ИркутскНИИхиммаш»). - №2016619756; заявл. 16.09.2016; зарегистрировано в реестре
программ для ЭВМ 09.11.2016.
29.
Программа идентификации напряженно - деформированного состояния деталей машин
и конструкций (SIdent): свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2017614231
Рос. Федерация /С. Ю. Трутаев; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Иркутский научно - исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного
машиностроения» (АО «ИркутскНИИхиммаш»). - №2016619006; заявл. 22.08.2016; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 10.04.2017.
национальных и отраслевых стандартах и нормативных документах:
30.
ГОСТ Р 55431-2013. Системы трубопроводные. Расчетно-экспериментальный метод
оценки динамического напряженно-деформированного состояния. - Документ утвержден:
Приказом Росстандарта №104-ст от 14 мая 2013 . - 2013. - 15 с.
31.
РД 0154-13-2003. Методика виброисследований для снижения уровня вибрации трубопроводных обвязок насосно-компрессорного оборудования. - Согласован Ростехнадзором
18.03.04. - Иркутск: ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 2004. - 124 с.
32.
РД 0154-18-2005. Поршневые компрессорные машины. Организация эксплуатации и
ремонта по техническому состоянию. - Согласован Ростехнадзором 19.07.06. - Иркутск: ОАО
«ИркутскНИИхиммаш», 2005. - 53 с.
33.
РД 0154-19-2006. Центробежные машины. Организация эксплуатации и ремонта по
техническому состоянию. - Согласован Ростехнадзором 19.07.06. - Иркутск: ОАО «Иркутск-
39
НИИхиммаш», 2006. - 59 с.
34.
СТО-00220227-044-2016. Оборудование опасных производственных объектов. Расчетно-экспериментальные методы исследования. – Иркутск: АО «ИркутскНИИхиммаш», 2016. 52 с.
35.
СТО-00220227-002-2012. Сосуды и трубопроводы стальные сварные. Методика магнитного контроля. – Иркутск: АО «ИркутскНИИхиммаш», 2016. - 34 с.
монографиях:
36.
Практическая диагностика: коллективная монография (в 3 т.)/Под ред. А.М. Кузнецова.
Т.3: Новые объекты и методы диагностики - Иркутск, 2009. – 423 с. - ISBN 978-5-8038-0573-1.
37.
Сосуды и трубопроводы высокого давления (в 2 т.) /Под ред. А.М. Кузнецова. Т.2. Сосуды и трубопроводы. Изготовление. Контроль качества. Обследование. Промышленная безопасность - М.: "Издательство машиностроение", 2014. – 400 с. - ISBN 978-5-94275-764-9.
в других изданиях:
38.
Создание и внедрение на предприятиях систем комплексного диагностического мониторинга. Опыт «ИркутскНИИхиммаш»/С. Ю. Трутаев [и др.]//Химическая техника. - 2010. №11. - С. 24-26.
39.
Трутаев, С. Ю. Экспертиза промышленной безопасности зданий и сооружений: расчетно-экспериментальная оценка состояния строительных конструкций/С. Ю. Трутаев, В. А. Земляничкин, В. И. Баженов//Химическая техника. - 2015. - №9. - С. 28-30.
40.
Трутаев, С. Ю. Подходы к оценке технического состояния технологического оборудования, зданий и сооружений промышленных предприятий при внедрении на предприятиях новых стратегий ТОиР/С. Ю. Трутаев, С. П. Быков, К. А. Кузнецов//Территория NDT. - 2016. №3(19). - С. 48 - 52
41.
Trutaev, S. Experimental studies, modeling, visualization and optimization of dynamic characteristics of electric locomotives auxiliary/D. Lukiyanov, N. Kuciy, S. Trutaev//Proceedings of the
Second International Symposium on Innovation & Sustainability of Modern Railwai (ISMR’ 2010,
September 20 – 22). - Irkutsk,Irkutsk State Transport University, 2010. - P.86-96.
42.
Trutaev, S. Modeling and optimization of dynamic characteristics of electric locomotives auxiliary machines/D. Lukiyanov, N. Kuciy, S. Trutaev//Proceedings of the First International Conference Dynamics of Systems, Materials and Structures (IMPACT 2010, March 22 – 24). - Djerba, Tunisia, 2010. - P.8.
43.
Trutaev, S. Y. Innovative approaches to the technical state rating of the main funds of industrial plants/S. Y. Trutaev, А. М. Kuznetsov, S. P. Bykov//J. Scientific Israel – Technological Advantages- Israel, 2016. - Vol.18., №1. - P. 107-111.
Подписано в печать . .20 г. Формат 60 х 84 / 16
Гарнитура Times New Roman. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л.
Тираж 120 экз. Заказ №
Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО «Типография «ИРКУТ»,
664020, Иркутская область, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3
40
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа