К.т.н. Трутаев С.Ю.

 

ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, Россия

 

Расчетно-экспериментальная оценка состояния технологического оборудования, зданий и сооружений промышленных предприятий РФ

 

S.Y. Trutaev, Ph. D.

 

JSC “IrkutskNIIhimmash”, Irkutsk, Russia

 

Experimental and computational analysis of the process equipment for industrial buildings and structures in Russia

 

Современная промышленность находит множество примеров работы различных технических объектов в условиях интенсивных динамических воздействий, которые негативно отражаются на их эксплуатационных характеристиках. На химических, нефтеперерабатывающих и др. подобных производствах хорошо известны проблемы, связанные с высоким уровнем вибрации элементов насосно-компрессорного оборудования (НКО), таких как трубопроводные обвязки, межступенчатые и концевые аппараты. Особенно это явление характерно для технологических установок, оснащенных поршневыми компрессорными машинами, в нагнетающих и всасывающих линиях которых имеет место пульсация давления большой амплитуды на частотах кратных оборотной частоте работы компрессора. В результате сближения собственных частот акустических колебаний столба газа, механических колебаний трубопроводов и аппаратов с частотами динамического возбуждения могут возникать акустические и механические резонансы, которые, вызывая значительную вибрацию оборудования в сочетании с другими факторами, становятся причиной усталостного разрушения отдельных его элементов и как следствие выхода из строя самих компрессорных машин, трубопроводов, технологических аппаратов, средств КИПиА и т.д.

Для зданий и сооружений промышленных предприятий вопросы обеспечения динамической устойчивости не менее актуальны. Как известно, большинство строительных площадок России находятся в сейсмически активных районах и, следовательно возводимые на них здания и сооружения, в т.ч. на территориях промышленных предприятий, должны быть конструктивно сейсмостойкими и сейсмобезопасными. Однако не всегда удается обеспечить выполнение этих условий при проектировании, тем более на этапе строительства. При этом в эксплуатацию вводятся строительные объекты с конструктивными решениями, которые не учитывают необходимость применения средств активной или пассивной сейсмозащиты. Кроме того, строительные объекты не прошедшие расчетно-экспериментальную проверку динамических характеристик, сейсмостойкости конструктивных элементов и т.д.

С учетом изложенного для определения фактической нагруженности промышленного оборудования, зданий и сооружений (в дальнейшем Объект), эксплуатируемых в условиях динамических воздействий предлагается метод, основанный на применении расчетно-экспериментальных методов исследования динамической устойчивости Объекта, сочетающих в себе комплекс натурных инструментальных измерений с последующей автоматизированной их обработкой.

Построение идентификационной модели Объекта основано на том, что поле фактических динамических перемещений упругой системы с N степенями свободы, может быть аппроксимировано полями перемещений, соответствующими собственным формам колебаний системы [1]. При этом задача идентификации напряженно-деформированного состояния Объекта решается из условия минимизации отклонений значений расчетных перемещений от значений измеренных перемещений.

         В общем случае алгоритм оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) Объекта по инструментальным записям перемещений его отдельных точек включает следующие основные этапы:

-       анализ технической и проектной документации, а при необходимости обследование Объекта;

-       построение пространственной конечно-элементной модели Объекта с использованием стержневых, оболочечных и объемных конечных элементов. Построение модели может быть выполнено в любом конечно-элементном комплексе, например в [2];

-       определение частоты и формы свободных колебаний Объекта в точке для измерения динамических перемещений;

-       размещение датчиков, коммутируемых с многоканальной измерительной аппаратурой в установленных точках;

-       синхронный опрос всех размещенных на Объекте датчиков;

-       анализ полученных данных и выявление наиболее характерных частот вынужденных колебаний Объекта,  для которых решается задача идентификации;

-       оценка НДС Объекта по найденным фактическим формам вынужденных колебаний.

Предложенный метод идентификации параметров напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования, зданий и сооружений реализован в виде комплекса программ, часть из которых включена в состав конечно-элементного пакета COMPASS [2]. В части оценки состояния промышленного оборудования метод получил развитие в виде национального стандарта ГОСТ Р [3].

В настоящее время метод активно применяется в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» в качестве базового метода при создании систем мониторинга технического состояния промышленных объектов [4, 5].

 В качестве примера рассмотрим систему мониторинга состояния трансферных трубопроводов ректификационной колонны К-11 установки ЭЛОУ+АВТ6, которая была разработана и внедрена ОАО «ИркутскНИИхиммаш» для НПЗ ОАО «Ангарская нефтехимическая компания».

Трансферные трубопроводы представляют собой совокупность стальных труб перемен­ного диаметра 530/720/920 мм суммарной длиной 150 м, предназначенных для подачи сырья от печи П3/2 с температурой 400оС к ректификационной колонне К-11. В ходе предварительного обследования было установлено, что основным повреждающим фактором для данного объекта являются значительные напряжения, возникающие в зоне примыкания трубопроводов к колонне, обусловленные высокой температурой транспортируемого сырья (+400оС) и значительными пространственными перемещениями трубопроводов (до 250 мм), в том числе вибрационного характера.

Для контроля состояния как трубопроводов, так и узлов примыкания их к колонне К-11 был принят вышеописанный расчетно-экспериментальный метод контроля НДС. Для этой цели в нескольких точках по длине трубопроводов размещались датчики перемещений. При этом для обеспечения корректной оценки НДС в каждой точке монтировалось по три датчика во взаимно-перпендикулярных направлениях. Всего при работе системы использовалось 12 каналов перемещений.

При построении идентификационной модели в пространство для идентификации НДС наряду с собственными формами колебаний трубопроводов включались также и эпюры прогибов от весовых и температурных нагрузок, что позволило получать максимально корректные результаты при вычислении НДС объекта.

Результаты вычислений, предупреждения о достижении предельных значений контролируемыми параметрами, выводились на монитор станции оператора. Также была реализована возможность удаленного доступа к результатам мониторинга через Web интерфейс.

Внедрение данной разработки позволило эксплуатационному персоналу установки не только в реальном режиме времени отслеживать состояние подконтрольного оборудования, но и в значительной степени стабилизировать переходные режимы работы установки во время пусков/остановов за счет контроля за параметрами ее работы.

 

Литература:

 

1.     Безделев В.В., Трутаев С.Ю. Идентификация напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем на основе применения многоканальной виброизмерительной аппаратуры//Проблемы оптимального проектирования сооружений: Сб. докладов I-й Всероссийской конференции. – Новосибирск: НГАСУ. – 2008. – С. 62-71.

2.     Безделев В.В., Буклемишев А.В., Программная система COMPASS. Руководство пользователя. - Иркутск: Изд-во Иркутск. гос. техн. ун-та, 2000 г. – 120 с.

3.     ГОСТ Р 55431-2013 Трубопроводные системы. Расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния.

4.     S Trutaev, K Kuznetsov, S Bykov, B Juraido & V Trutaeva Development and implementation of integrated structural health monitoring systems on Russia enterprises for ensuring safety operation of industrial equipment and buildings // The Ninth International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies (CM2012 / MFPT2012), 12-14 June 2012, London, UK.

5.     Быков С.П., Кузнецов К.А., Трутаев С.Ю. Развитие научного, методического и материального обеспечения нефтеперерабатывающих производств. //Материалы конференции «Инновационные стратегии обслуживания оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств», INMA 2012.