Информационно-моделирующая система защиты оборудования от коррозии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 004.4 Дата подачи статьи: 11.06.15

DOI: 10.15827/0236-235X.113.120-125

ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ КОРРОЗИИ

А.Ф. Егоров, д.т.н., профессор, [email protected]; Т.В. Савицкая, д.т.н., профессор, [email protected]; А.В. Дементиенко, аспирант, [email protected] (Российский химико-технологический университет им.. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия)

Согласно публикуемым данным, ежегодно более 30 % аварий на магистральных трубопроводах происходит по причине коррозии. Данная проблема актуальна и для химических производств, особенно связанных с агрессивными средами. Большинство существующих информационных систем и БД, связанных с промышленной безопасностью и защитой от коррозии, являются закрытыми. В данной работе представлена функциональная структура разработанной информационно-моделирующей системы защиты оборудования промышленных предприятий от коррозии, применимая также и для защиты трубопроводов. Описаны ее предназначение и основные функциональные блоки. Представлена логическая модель БД материалов, входящая в подсистему хранения информации, а также перечислены все БД, используемые в рамках системы. При реализации использовалась трехзвенная архитектура с использованием системы управления БД и веб-технологий. Представлены основные интерфейсы пользователей и модуль подбора материалов. Описаны задачи, для которых применима информационно-моделирующая система защиты оборудования от коррозии.

Ключевые слова: информационно-моделирующая система, база данных, коррозия, защита от коррозии, промышленная безопасность.

В настоящее время проблема коррозии оборудования становится все более актуальной. Согласно данным, опубликованным в государственных отчетах «О деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору», ежегодно более 30 % аварий на магистральных трубопроводах, протяженность которых за последние 10-15 лет существенно увеличилась, происходит именно по причине коррозии. Ежегодные потери валовой общественной продукции из-за коррозии составляют приблизительно 4 %. В РФ действует порядка 350 тыс. км трубопроводов, на которых ежегодно происходит большое количество аварий. Результатом этого являются потери углеводородного сырья при добыче и транспортировке до 7 % от добываемого объема, металла - до 20 % годового производства стали, ущерб промышленному производству составляет сотни млрд рублей в год. Аварийность технологических систем в нефтегазовой отрасли из-за коррозии достигает 31 % от общего числа, что связано с большой металлоемкостью оборудования и сооружений и агрессивностью среды [1].

Наибольшие потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс (ТЭК) (порядка 30 %), сельское хозяйство (15 %), химия и нефтехимия (20 %) [1].

Аварийность в химической и смежных отраслях промышленности по причине коррозии оборудования составляет более 30 % от общего числа аварий [2].

В этой связи необходимо иметь соответствующие БД и информационно-моделирующие системы (ИМС), позволяющие оценить и прогнозировать коррозионную стойкость и обеспечить выбор соот-

ветствующих материалов, обеспечивающих защиту оборудования от коррозии.

В настоящее время разработан ряд информационных систем в области экологической и промышленной безопасности, баз и банков данных со свойствами материалов, различных ингибиторов и химической продукции [3-8]. Практически все они являются закрытыми или коммерческими. В связи с этим актуальна разработка доступного для широкого круга специалистов информационного и программного обеспечения для решения задач анализа и оценки коррозионной стойкости оборудования опасных производственных объектов.

Функциональная структура ИМС

Функциональная структура ИМС защиты оборудования от коррозии показана на рисунке 1 .

Основные функции подсистемы защиты от коррозии:

- расчет скорости коррозии оборудования под действием указанных агрессивных сред с использованием и без использования ингибиторов;

- определение ингибитора или покрытия для снижения скорости коррозии;

- расчет срока службы оборудования с учетом и без учета средств защиты от коррозии;

- составление графика профилактических и ремонтных работ технологического оборудования;

- выдача рекомендаций по использованию материалов-аналогов при замене оборудования на основе химического состава или эксплуатационных свойств;

- выдача рекомендаций - мер по снижению скорости коррозии оборудования.

Подсистема взаимодействия с пользователем

Веб-браузер (Internet Explorer, Google Chrome, Opera, Mozilla Firefox)

Подсистема выдачи рекомендаций и генерации отчетов Microsoft Office, Adobe Acrobat

Подсистема хранения данных

БД типового оборудования опасных производственных объектов

БД по веществам и свойствам

БД по показателям коррозионной зашиты

БД материалов

БД ингибиторов

БД покрытий

СУБД Oracle XE

Подсистема поддержки принятия решений

Методы, модели, алгоритмы принятия решений (продукционные, нечеткие, _логические)_

Базы знаний

Экспертная оценка

Анализ и сравнение результатов

СУБД Oracle XE, MySQL; PHP

i-

Подсистема подбора материалов

Подбор материалов по химическому составу

Подбор материалов по физическим и эксплуатационным свойствам

PHP, P/L SQL

Расчетная подсистема

Блок расчета скорости коррозии

Блок технико-экономической оценки

Блок расчета срока службы оборудования

PHP, P/L SQL

Подсистема защиты от коррозии

Блок выбора материала

Блок выбора ингибитора/покрытия

PHP, P/L SQL

Серверная часть:

Microsoft Windows Server, Apache, PHP

Рис. 1. Функциональная структура ИМС защиты оборудования от коррозии Fig. 1. Functional structure of an IMS of corrosion protection OF EQUIPMENT

Для реализации ИМС зашиты оборудования от коррозии использовалась трехзвенная архитектура проектирования информационных систем:

- уровень БД - выполняет задачи хранения, обработки, обеспечения целостности, непротиворечивости информации, контроля прав доступа пользователей и приложений к данным и т.д.; для реализации функций данного уровня используется СУБД Oracle XE (Express Edition) 10g;

- уровень бизнес-логики - выполняет задачи исполнения правил и алгоритмов работы информационной системы; для реализации функций данного уровня используют различные серверные среды и языки программирования, платформы разработки серверов приложений; в ИМС в качестве такой платформы используется стек технологий Windows+Apache+PHP (Hypertext Preprocessor), построенный на основе веб-сервера Apache 2.2.15 и языка программирования PHP 5.3, установленных на операционную систему Microsoft Windows Server;

- уровень презентации данных - основной его задачей является организация взаимодействия пользователя с системой при помоши текстографи-ческих, оконных интерфейсов пользователя; эту роль выполняет стандартный тонкий клиент - интернет-браузер, который должен быть установлен на рабочем месте пользователя системы.

Подсистемы и БД ИМС

В структуру ИМС защиты от коррозии входят семь основных подсистем.

Подсистема взаимодействия с пользователем. В качестве данной подсистемы выступает стандартный веб-браузер (Google Chrome, Opera, Mozilla Firefox, Safari, Internet Explorer или любой другой), установленный на рабочем месте пользователя. Основное предназначение - обеспечение диалога между пользователем и информационно -моделирующей системой. Кроме этого, осуществляется проверка вводимой информации на необходимую полноту и непротиворечивость.

Подсистема хранения данных. Представляет собой СУБД Oracle Express Edition (XE) 10g, в которой хранятся

- БД типового оборудования опасных производственных объектов (содержит таблицы с характеристиками типов аппаратов, модельных рядов аппаратов, конкретных единиц оборудования (экземпляров) модельных рядов, а также характеристик аппаратов, установленных (эксплуатируемых) на производстве);

- БД по веществам и свойствам (содержит данные о физических, пожароопасных, взрывоопасных, токсических свойствах веществ и материалов);

- БД по показателям коррозионной защиты (состоит из трех таблиц, в которых содержится подробная информация о коррозионных средах, материалах (металлические и неметаллические), используемых для работы в этих средах, и соответствующих показателях скоростей коррозии);

- БД ингибиторов и покрытий (содержат перечень ингибиторов и материалов покрытий и информацию о скоростях коррозии в разных агрессивных средах с использованием ингибиторов и покрытий);

- БД материалов.

Логическая модель (структура) БД материалов, реализованная в виде диаграммы типа «сущность-связь» или ER-диаграммы (Entity-Relationship Diagram - ERD), представлена на рисунке 2 и включает 16 сущностей (таблиц):

- таблицу, содержащую систематизированные данные о металлических материалах;

- таблицы, содержащие физические, технологические и эксплуатационные свойства материалов и их химический состав (испытание на усталость, характеристики при испытании на длительную прочность, испытание на изгиб в холодном состоянии, теплостойкость, жаростойкость, эксплуатационные свойства, температурные свойства, ползучесть при испытании на длительную прочность и

др);

- таблицы со сведениями об источниках, откуда берутся данные о материалах: справочники, литературные источники и нормативно-технические документы (НТД);

- таблицы с дополнительными сведениями (страна, производители).

Для создания БД использовалась реляционная модель БД. Между таблицами реализуется связь «один-ко-многим», которая означает, что один экземпляр (запись) первой сущности связан с несколькими экземплярами второй. Например, одной записи в таблице «Материал» могут соответствовать несколько записей в таблицах свойств.

Описанная БД интегрирована с БД по показателям надежности типового оборудования химически опасных и других опасных производственных объектов, являющихся источниками химической и токсической опасности, и БД по химической, токсической и коррозионной стойкости типового оборудования химически опасных и других опасных производственных объектов, являющихся источниками химической и токсической опасности, разработанных ранее в рамках учебно-методического комплекса по проблемам химической и биологической безопасности кафедрой компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева [5].

Подсистема подбора материалов оборудования вспомогательных конструкций и изделий предназначена для поиска материалов в БД по составу стали или сплава или указанным свойствам

(физико-химическим, эксплуатационным и др.). Кроме этого, возможен подбор материала, отвечающего всем введенным параметрам и при этом наиболее экономически целесообразного в использовании.

Расчетная подсистема включает несколько блоков. Блок расчета скорости коррозии оборудования, предназначенный для определения периода времени, в течение которого стенки оборудования будут разрушены по причине коррозии. При этом возможно проведение расчетов при наличии или отсутствии ингибиторов или защитных покрытий. Блок технико-экономических расчетов позволяет провести оценочный расчет рентабельности капитальных вложений на модернизацию, реструктуризацию оборудования и установок, цехов или предприятия в целом с использованием выбранных материалов или средств и методов коррозионной защиты. Блок расчета срока службы оборудования предназначен для определения среднего срока службы оборудования для различных условий эксплуатации.

Подсистема защиты от коррозии предназначена для определения мер по повышению коррозионной стойкости оборудования. Данная подсистема состоит из двух блоков: блока определения оптимального материала, предназначенного для идентификации более коррозионностойкого материала оборудования в указанных пользователем условиях эксплуатации (температурный режим, агрессивная среда), и блока определения оптимального ингибитора/покрытия, используемого для выбора ингибитора агрессивной среды или покрытия материала для снижения скорости коррозии.

Подсистема выдачи рекомендаций состоит из двух блоков: базы знаний по условиям и рекомендациям и блока генерации рекомендаций по мерам повышения коррозионной стойкости оборудования и отказоустойчивости оборудования и установок в различных агрессивных средах. Рекомендации генерируются на основе продукционных правил. В качестве критериев подбора материалов и покрытий могут выступать срок службы оборудования, минимальная стоимость оборудования, изготовленного из выбранных марок стали, с учетом выбранных ингибиторов и покрытий и без их учета и другие.

На рисунке 3 представлен фрагмент главной страницы ИМС (полноценный вариант см. http:// www.swsys.ru/uploaded/image/2016-1/2016-1 -dop/3 .jpg), а на рисунке 4 - основные интерфейсы подсистемы защиты от коррозии, в частности, процесс добавления нового материала в БД. Для добавления необходимо нажать «Добавить новую марку материала» (рис. 3) и заполнить вкладки карточки добавления. Обязательным является заполнение вкладки «НТД» (рис. 4), в которой дается краткое описание нормативно-технического документа, вкладки

^ Испытание на изгиб в холодном состоянии"

НомеР записи <р> #

Уникальный номер материала <Ш1> о

Вид игзиба о

Угол изгиба о

Толщина образца о

Ширина образца о

Длина образца о

Источник <Ш2> о

^Примечание_о

Г

Гг

Теплостойкость

Номер записи <р> #

Уникальный номер материала <Ш1> о

Мин. температура испытания о

Макс. температура испытания о

Мин. твердость о

Макс. твердость о

Источник <Ш2> о

Примечание о

Г"

Жаростойкость

Номер записи *

Уникальный номер материала <fi1> o

Среда o

Температура o

Длительность испытания o

Мин. глубина коррозии o

Макс. глубина коррозии o

Группа жаростойкости o

Источник <fi2> o

Примечание o

Источники \

Номер записи <р|> £

Авторы o

Название o

Год o

Страна <А> o

Примечание o

fî

Эксплуатационные свойства Номер записи

Уникальный номер материала

Температура испытания

Врем я эксплуатации до исп ытания

Предел упругости

Предел текучести

Относительное удлинение

Относительное сужение

Ударная вязкость

Источник

:fi2>/

Температурные свойства

Номер записи <р1> #

Уникальный номер материала <Ш1> о

Минимальное сечение о

Максимальное сечение о

Место вырезки образца о

Направление вырезки о

Температура испытания о

Предел текучести о

Предел упругости о

Временное сопротивление о

Относительное удлинение о

Относительное сужение о

Ударная вязкость о

Твердость поверхности о

. Источник <Ш2> о

Примечание о

tt t

Г

Страна Номер записи <pi> # Название o

Производители материалов

Номер записи <pi> # Уникальный номер материала <fi1> o

Название o

Информация o

Страна

<fi2> o

/*""Длительность при испытании на длительную прочность"\

Номер записи <р> £

Уникальный номер материала <А1> о

Длительность испытания о

Температура испытания о

Мин. предел длительной прочности о

Макс. предел длит. прочности о

Мин. относительное удлинение о

Макс. относительное удлинение о

Мин. относительное сужение о

Макс. относительное сужение о

Источник <А2> о

Примечание о

Испытание на усталость

Номер записи <р1> #

Уникальный номер материала <А1> о

Предел выносливости при изгибе с симметричным циклом нагружения о

Предел выносливости при кручении с симметричным циклом нагружения о

Число циклов нагружения о

Предел текучести о

Временное сопротивление о

Твердость (по Бринеллю) о

Источник <А2> о

^Примечание_о/

Ползучесть при испытании на длительную прочность

Номер записи <р> £

Уникальный номер материала <Ш1> о

Скорость ползучести о

Температура испытания о

Мин. предел ползучести о

Макс. предел ползучести о

Источник <Ш2> о

Примечание о

1 1_Л

Материал N

Номер материала <p> £

Наименование материала o

Тип материала o

Нижняя рабочая температура o

Верхняя рабочая температура o

Марка материала o

f НТД \

Номер записи <pi> £

Название o

Тип o

Год o

Страна <fi> o

^Примечание o

Металлические материалы

Уникальный номер <р1>

Номер материала <Ш1> о

Марка материала о

НТД <Ш2> о

Назначение о

Характеристика о

Примечание о

т

I I

:=1

Химический состав Номер записи <р|>

Уникальный номер материала <Ш>

Минимальное содержание компонента Максимальное содержание компонента Примечание

Физические свойства

Н°мер записи

Уникальный номер материала Модуль упругости Модуль сдвига Плотность

Удельное электросопротивление

Удельная теплоемкость

Коэффициент линейного расширения

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент диффузии водорода

Коэффициент предельного насыщения водородом

Примечание

<pi> £ <fi> o

o o o o o o o o o o

.J

.J

Рис. 2. Логическая модель БД материалов Fig. 2. Logical model of a material database

«Материал», в которой описываются характеристика и назначение материала, и вкладки «Химический состав». Также представлен модуль подбора

материалов по химическому составу. Для подбора материалов в ниспадающих списках нужно выбрать химический элемент и ввести его содержа-

<fi 1

Рис. 3. Фрагмент главной страницы ИМС Fig. 3. The fragment of an IMS of main page

Рис. 4. Основные интерфейсы подсистемы защиты от коррозии Fig. 4. Main interfacs of a corrosion protection subsystem

ние в поля ввода, в таблицу ниже будет выведен список материалов.

Подытоживая, отметим, что разработанная ИМС применима для широкого круга специалистов на всех стадиях жизненного цикла химического предприятия: при проектировании нового объекта или реконструкции, ремонте существующего; при модернизации химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и других предприятий; при обучении проектировщиков и специалистов в области материаловедения и защиты от коррозии, техносферной безопасности.

Литература

1. Пахомов В.С., Шевченко А.А. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. М.: Химия: КолосС, 2009. 448 с.

2. Углова Е.С. Моделирование коррозионных процессов для информационной системы поддержки принятия решений в задачах защиты нефтепромысловых трубопроводов: дисс. ... канд. техн. наук. М.: Изд-во МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2010. 24 с.

3. Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Горанский А.В., Дементи-енко А.В., Кузьмина Ю.А. Разработка баз данных информационно-моделирующей системы мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды // Экологические системы и приборы. 2014. № 4. С. 3-12.

4. Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Колесников В.А., Кузьмина Ю.А. Интеллектуальная система прогнозирования и классификации опасностей химической продукции и техногенных отходов для повышения уровня безопасности населения // Цветные металлы. 2015. № 4. С. 78-84.

5. Учебно-методический комплекс по проблемам химической и биологической безопасности. URL: http://cisserver.muctr. edu.ru/himbez (дата обращения: 04.09.2015).

6. Информационно-моделирующая система мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды и предо-

твращения ее загрязнения в результате негативных воздействий опасных химических веществ и техногенных отходов. URL: http://cisserver.muctr.edu.ru/fcp/ (дата обращения: 04.09.2015).

7. KEY TO METALS :: Самая Полная База Данных по Металлам. URL: http://www.keytometals.com/ (дата обращения 04.09.2015).

8. WinSteel - электронный транслятор международных марок сталей. URL: http://metaldata.info/rus/winsteel.htm (дата обращения: 04.09.2015).

DOI: 10.15827/0236-235X.113.120-125 Received 11.06.15

THE INFORMATION MODELING SYSTEM OF CORROSION PROTECTION OF EQUIPMENT

Egorov A.F., Dr.Sc. (Engineering), Professor, [email protected];

Savitskaya T.V., Dr.Sc. (Engineering), Professor, [email protected];

Dementienko A.V., Postgraduate Student, [email protected] (D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russian Federation, Miusskaya Sq. 9, Moscow, 125047, Russian Federation)

Abstracts. The volume of gas and oil production and the length of pipelines has significantly increased over the past 10-15 years. According to report data, annually more than 30 % of accidents on main pipelines happen because of corrosion. This issue is also relevant for chemical industry, in particular related to aggressive substances. Most of the existing information systems and databases related to industrial safety and corrosion protection are closed. This paper presents a functional structure of a developed information modeling system of corrosion protection of industrial equipment. It can also be used to protect pipelines. The paper describes the purpose and basic function blocks of the information modeling system. It also presentes a logical model of a material database, which is a part of a storage information subsystem, and a list of all other databases used within the system. When implementing, the authors used a three-tier architecture with a database management system and web-technologies. The article presents main user interfaces and a module of material selection. It describes the tasks for application of the information modeling system of equipment protection from corrosion.

Keywords: information modeling system, database, corrosion, corrosion protection, industrial safety.

References

1. Pakhomov V.S., Shevchenko A.A. Khimicheskoe soprotivlenie materialov i zashchita ot korrozii [Chemical Resistance of Materials and Corrosion Protection]. Moscow, Khimiya, KolosS Publ., 2009, 448 p.

2. Uglova E.S. Modelirovanie korrozionnykh protsessov dlya informatsionnoy sistemy podderzhki prinyatiya resheny v zadachakh zashchity neftepromyslovykh truboprovodov [Modeling Corrosion Prosesses for a Decision-Making Information System in the Problems of Oilfield Pipelines]. Ph.D. Thesis. Moscow, MATI Publ., 2010, 24 p.

3. Egorov A.F., Savitskaya T.V., Goransky A.V., Dementienko A.V., Kuzmina Yu.A. Development of databases of information-modeling system for monitoring and forecasting the state of environment. Ekologicheskie sistemy ipribory [Ecological Systems and Devices]. 2014, no. 4, pp. 3-12 (in Russ.).

4. Egorov A.F., Savitskaya T.V., Kolesnikov V.A., Kuzmina Yu.A. Intelligence system of forecasting and classification of hazards of chemical products and technogenic wastes for population safety increasing. Tsvetnye metally [Non-ferrous Metals]. 2015, no. 4, pp. 78-84 (in Russ.).

5. Uchebno-metodichesky kompleks po problemam khimicheskoy i biologicheskoy bezopasnosti [Teaching Materials for the Chemical and Biological Safety Problems]. Available at: http://cisserver.muctr.edu.ru/himbez (accessed September 4, 2015).

6. Informatcionno-modeliruyushhaya sistema monitoringa i prognozirovaniya sostoyaniya okruzhayushhey sredy i predotvrashheniya ee zagryazneniya v rezultate negativnykh vozdeystviy opasnykh khimicheskikh vesh-chestv i tekhnogennykh otkhodov. Available at: http://cisserver.muctr.edu.ru/fcp/ (accessed September 4, 2015).

7. Key to Metals. Available at: http://www.keytometals.com/ (accessed September 4, 2015).

8. WinSteel. Available at: http://metaldata.info/eng/winsteel.htm (accessed September 4, 2015).