CC BY
7ДИАГНОСТИКА
УДК 531/534
С.Ю. Трутаев1, e-mail: stas@himmash.irk.ru 1 АО «ИркутскНИИхиммаш» (Иркутск, Россия).
Оценка напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования на основе применения технологии корреляции цифровых изображений
В работе отмечена необходимость учета фактора динамического нагружения для проектируемых и уже введенных в эксплуатацию опасных производственных объектов, что в частном случае может быть обеспечено на основе применения специализированных расчетно-экспериментальных методов исследования. Отмечена возможность использования для обеспечения промышленной безопасности оборудования опасных производственных объектов расчетно-экспериментального метода идентификации, позволяющего расчетным путем, а также с использованием математического аппарата метода конечных элементов оценивать фактическое напряженное и деформированное состояние промышленного оборудования, эксплуатируемого в условиях динамических воздействий, по экспериментальным данным о динамических перемещениях в различных его точках. Дано краткое изложение метода идентификации, а также порядка его применения в отношении различного промышленного оборудования. Показана возможность использования в качестве источника данных для процедуры идентификации технологии корреляции цифровых изображений. Дано краткое описание технологии корреляции и способов ее применения. Отмечены проблемы прямого использования технологии при контроле напряженного и деформируемого состояния оборудования вне лабораторных условий. В качестве решения проблемы предложено использовать специализированное программное обеспечение Correlation, обеспечивающее возможность связывания отдельных точек поверхности исследуемого объекта с соответствующими точками заранее подготовленной его конечно-элементной модели, что позволяет использовать регистрируемые в результате корреляции перемещения объекта при идентификации. Представлено описание модифицированного алгоритма распознавания перемещений поверхности объекта, позволяющего отказаться от необходимости нанесения на нее нерегулярной высококонтрастной «спекл»-картины, что обеспечивает возможность применения технологии корреляции цифровых изображений в условиях действующих предприятий, когда качественная подготовка поверхностей для последующей корреляции невозможна. Продемонстрированы примеры использования предлагаемого подхода.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, метод наименьших квадратов, идентификация, корреляция, опасный производственный объект, «спекл».
S.Y. Trutaev1, e-mail: stas@himmash.irk.ru 1 IrkutskNIIhimmash JSC (Irkutsk, Russia).
Estimation Of Stress-Strain State Of Industrial Equipment Based On Applying Digital Images Correlation Technology
The article notes the necessity of taking into account the factor of dynamic loading for those hazardous industrial facilities that are in the process of designing or are already placed into service. In a special case, it can be provided by applying some specific calculating and experimental methods of investigation. The article shows the opportunity of using calculating and experimental method of identification for providing industrial safety of hazardous industrial facilities. This method allows, with calculations and mathematical tools of finite-element method, to estimate actual stress and strain state of industrial equipment used under the dynamic impact on the basis of the experimental data on dynamic movements in different points of it. The author briefly describes the method of identification and the order of its applying while working with different industrial equipment. The article shows the opportunity of using the digital images correlation technology as a source of data for identification procedure. Brief description of correlation technology and ways of its applying are given. The problems of direct usage of the technology while monitoring the stress and strain state of equipment outside
DIAGNOSIS
the laboratory environment are noted. As a solution the author offers to use specialized software «Correlation», that gives an opportunity to bound separate points on the surface of an inspected object with related points of its prepared finite-element model, that allows to use the movements of an object registered after correlation during the identification procedure. The article gives a description of a modified algorithm of an object surface movements recognition that gives an opportunity to refuse the necessity of applying irregular high-contrast «speckle»-image on it. This provides an opportunity to implement the digital images correlation technology at the working enterprises when the quality preparation of surfaces for the following correlation is impossible. The article gives examples of using of this method.
Keywords: stress-strain state, finite-element method, least-squares method, identification, correlation, hazardous industrial facility, speckle.
Предприятия Российской Федерации таких промышленных отраслей, как нефтепереработка, химия и нефтехимия, нефте- и газодобыча, относятся к опасным производственным объектам (ОПО), связанным с получением, переработкой и хранением взрывопожаро-опасных, токсичных веществ, а также с использованием технологического оборудования, работающего при высоких температурах и давлениях. Возникновение аварийных ситуаций на таких ОПО, особенно на объектах I и II классов опасности, могут сопровождаться неконтролируемыми взрывами, масштабными возгораниями, выбросами токсичных веществ в атмосферу, а также разрушениями инфраструктуры и человеческими жертвами. В соответствии с Федеральным законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] для снижения рисков аварий на предприятиях, эксплуатирующих ОПО, должны функционировать так называемые системы управления промышленной безопасностью, основной задачей которых являются 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 технологического оборудования,эксплуатируемого на ОПО. Такие оценки проводятся, как
правило, на основе комплексного применения современных средств технической диагностики и мониторинга в сочетании с передовыми расчетными и экспериментальными методами определения напряженно-деформированного состояния и ресурса оборудования с учетом фактически действующих на него повреждающих факторов. К наименее изученным повреждающим факторам, оказывающим негативное влияние на техническое состояние технологического оборудования промышленных предприятий, сегодня относится фактор динамического нагружения. Как правило, оборудование ОПО проектируется и вводится в эксплуатацию без учета динамических воздействий, а при расчете ресурса во внимание принимаются лишь малоцикловые нагрузки, связанные прежде всего с технологическими пусками и остановами, изменениями режимов работы и т. д. Между тем значительный вклад в величину срока службы оборудования могут вносить факторы, не предусмотренные на этапе проектирования. Так, например, известно, что неотъемлемой частью эксплуатации насосно-компрес-сорного оборудования 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 вы-
соковязкие или высокотемпературные среды. При проектировании подобных объектов основное внимание уделяется технологическим вопросам,а задачи размещения и закрепления оборудования решаются без расчета спектра частот свободных колебаний и проверки системы на резонанс. В результате при эксплуатации в условиях реальных производств 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 аварийных ситуаций на ОПО, человеческим и материальным потерям, загрязнению окружающей среды.
Одним из перспективных методов, применяемых, в частности, при оценке фактического напряженно-деформированного состояния оборудования промышленных предприятий,эксплуатируемого в условиях интенсивных динамических воздействий, является расчетно-экспериментальный метод идентификации напряженно-деформированного состояния [2-4]. Метод основан на том, что поле динамических перемещений объекта может быть аппроксимировано полями перемещений, соответствующими собственным формам его колебаний. При этом исследуемый объект представляется в виде упругой механической системы с конечным числом степеней свободы, что позволяет организовать решение зада-
Ссылка для цитирования (for citation):
Трутаев С.Ю. Оценка напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования на основе применения технологии корреляции цифровых изображений // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 12. С. 68-73.
Trutaev S.Y. Estimation Of Stress-Strain State Of Industrial Equipment Based On Applying Digital Images Correlation Technology (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 12, P. 68-73.
Рис. 1. Схема определения перемещения фрагмента поверхности (заимствовано из [10]) Fig. 1. The scheme of determining the displacement of the surface fragment (taken from [10])
чи с применением известных численных методов, например метода конечных элементов (МКЭ) [5, 6]. В последнем случае уравнение динамики такой системы может быть записано в виде
[M]{6} + [C]{6} + [K]{6} = {P(t)}, (1)
где [K], [C], [M] - матрицы жесткости, демпфирования и масс системы; {P(t)} -вектор внешней нагрузки. Предположим, что в результате натурных измерений в n точках исследуемого объекта измерены амплитуды динамических перемещений D., i = 1, 2, ..., n. Отметим, что в одной точке объекта могут быть измерены динамические перемещения по различным направлениям. Такие измерения в дальнейшем приравниваются к измерениям в разных точках. Вектор n измеренных перемещений обозначим как {D*}. Пусть по результатам динамического расчета объекта, например, с использованием МКЭ были найдены несколько первых собственных форм колебаний. Расчетные перемещения, соответствующие k-й форме колебаний по направлению i-го измеренного перемещения, обозначим как Ф.k. Вектор всех расчетных перемещений, соответствующих k-й форме колебаний, обозначим как {Фк}. Совокупность всех m0 векторов {Фк}, участвующих в построении идентификационной модели, обозначим как [Ф], размерностью m^n.
Введем тф обобщенных перемещений dk, к = 1, 2, ..., тф. Совокупность всех тф обобщенных перемещений dk обозначим как {(}. Тогда вектор перемещений {Э}, рассчитанный по идентификационной модели, будет определяться как
{D} = [Ф]№.
(2)
Невязку между расчетными и измеренными перемещениями обозначим как тогда
= т - = {Э*} - [ФДО}. (3)
Вектор обобщенных перемещений {(} определяется из условия минимума суммы квадратов невязок узловых перемещений 2Ш:
2ш = = {Э*}т{Э*} -- ^*}т[Ф]{((} - №т[Ф]т^*} + + №т[Ф]т[Ф]№. (4)
Дифференцируя (3) по (к, к = 1, 2, ..., тФ, получим систему тФ-уравнений с тФ-не-известными:
д_ 8й
(2W) = -2[Ф]т{й*} + 2[Ф]T[Ф]{d} = 0, (5)
решая которую, найдем искомый вектор обобщенных перемещений {d}:
{d} = [А]-1[Ф]^*}, где [A] = [Ф]Т[Ф].
(6)
В общем случае процесс оценки напряженно-деформированного состояния объекта по инструментальным записям динамических перемещений его отдельных точек включает следующие основные этапы:
• формируется конечно-элементная модель объекта с использованием стержневых, а при необходимости -оболочечных и объемных конечных элементов;
• определяются частоты и формы собственных колебаний системы и назначаются точки измерения динамических перемещений;
• выполняется синхронное измерение динамических перемещений в намеченных точках;
• на основе анализа данных измерений выделяются характерные частоты вынужденных колебаний системы;
• для каждой характерной частоты вынужденных колебаний решается задача идентификации и определяются формы фактических вынужденных колебаний системы;
• по найденным фактическим формам вынужденных колебаний определяется напряженно-деформированное состояние объекта.
Как следует из представленного алгоритма, основным условием применения рассмотренного расчетно-эксперимен-тального метода является использование при формировании вектора {Э*} амплитудных значений динамических перемещений, синхронизированных по времени, что позволяет точно учесть фазовые сдвиги между различными колеблющимися точками исследуемого объекта и избежать искажения действительной картины напряженно-деформированного состояния. К сожалению, на практике это может быть достигнуто лишь с применением многоканальной измерительной техники, что в ряде случаев не является экономически оправданным. В качестве одного из решений проблемы сбора синхронных перемещений деформируемого объекта может быть рассмотрена так называемая технология корреляции цифровых изображений [7]. Применение данной технологии в настоящее время набирает популярность, например, при лабораторных
DIAGNOSIS
испытаниях различных материалов [8, 9]. Технология основана на программной обработке двух оптических изображений в целях отслеживания изменения перемещений и деформаций на поверхности исследуемого объекта. При этом для получения качественных полей перемещений и деформаций исследуемого объекта на его поверхность наносится специальная пятнистая нерегулярная высококонтрастная структура - так называемая «спекл»-картина (англ. speckle - «крапинка», «пятнышко»). Как правило,такая структура наносится с использованием обычной краски, распыляемой на поверхности объекта определенным образом. При этом сама процедура корреляции основана на отслеживании местоположения небольших уникальных фрагментов изображения поверхности (рис. 1) в серии фотографий (кадров) путем перемещения видового окна до максимально точного совпадения структуры деформированного и опорного изображения, вычисляемого, например, по разности уровней серого в каждой точке [10].
Рис. 2. Приложение Correlation. Пример работы Fig. 2. The application Correlation. The example of work
К сожалению, применение указанного выше подхода возможно лишь при проведении испытаний в лабораторных условиях, позволяющих нанести на поверхность исследуемого объекта «спекл»-картину требуемого качества. В производственных условиях, когда речь идет об исследовании напряжен-
но-деформируемого состояния действующего промышленного оборудования, целевые поверхности которого в силу различных факторов (температура, вибрация, загрязнение и т. п.) не пригодны для создания «спекл»-структур, необходимо применение модифицированных алгоритмов распознавания изо-
Встречи нефтяников и газовиков с поставщиками и подрядчиками
московские нефтегазовые
конференции Москва, улица Тверская, 22, отель Intercontinental
16 марта 2017
Нефтегазснаб
Снабжение в нефтегазовом комплексе
Конференция собирает руководителей служб материально-технического обеспечения нефтегазовых компаний. Обсуждается организация закупочной деятельности, практика импортозамещения, оплата и приемка поставленной продукции, информационное обеспечение рынка
17 октября 2017
Нефтегазсервис
Нефтегазовый сервис в России
Традиционная площадка для встреч руководителей геофизических, буровых предприятий, а также компаний, занятых ремонтом скважин. Подрядчики в неформальной обстановке обсуждают актуальные вопросы со своими заказчиками - нефтегазовыми компаниями
23 мая 2017
Нефтегазстрой
Строительство в нефтегазовом комплексе
Формирование цивилизованного рынка в нефтегазовом строительстве, практика выбора строительных подрядчиков, создание российских ЕРС-фирм, увеличение доли российских компаний на нефтегазостроительном рынке, расценки и порядок оплаты проводимых работ
12 сентября 2017
Нефтегазопереработка
Модернизация производств для переработки нефти и газа Вопросы модернизации нефтеперерабатывающих и нефтехимических мощностей, проблемы взаимодействия с лицензиарами, практика импортозамещения, современные модели управления инвестиционными проектами, стандарты и требования безопасности
7 декабря 2017
Нефтегазшельф
Подряды на нефтегазовом шельфе
Заказчиками оборудования выступают "Газпром нефть", "Роснефть", "ЛУКОЙЛ", "Газфлот" и другие крупные компании. В условиях введения экономических санкций необходимо быстро освоить производство жизненно важного оборудования, в первую очередь запасных частей
Новые встречи — новые возможности!
Телефоны: (495) 514-58-56, 514-44-68; факс: (495) 788-72-79; info@n-g-k.ru; n-g-k.ru
ДИАГНОСТИКА
Вектор поиска A search vector
Целевой фрагмент The target fragment
Базовая точка на опорном изображении The base point on the reference image
Новое положение базовой точки в i-ом изображении The new position of the base point in the ith image
Рис. 3. Идентификация смещения поверхности объекта с нанесенной «спекл»-структурой Fig. 3. Identification of surface displacement of an object with the speckle-structure
бражений, позволяющих, в частности, проводить отслеживание специальных маркеров, установленных на объекте. С учетом изложенного разработан специализированный программный комплекс (ПО Correlation), реализующий различные подходы к корреляции изображений деформируемого объекта, в том числе обеспечивающий качественное отслеживание перемещения закрепленных на целевой поверхности маркеров.
Программный комплекс Correlation разработан на языке C#. Он позволяет в пределах одного многооконного приложения (рис. 2) 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. При этом реализована возможность связывания отдельных точек поверхности с соответствующими точками заранее подготовленной конечно-элементной модели объекта в целях использования регистрируемых перемещений объекта при идентификации его фактического напряженно-деформируемого состояния согласно (1) - (6). Для обеспечения работы программного комплекса, в частности, применен подход,основанный на использовании метода наименьших квадратов [11], позволяющего в окрестности целевой области (маркера) на каждом последующем изображении деформируемой поверхности однозначным образом идентифицировать искомый фрагмент опорного изображения путем минимизации отклонений исходного вектора яркостей целевой области от набора
векторов яркостей, получаемых при смещении видового окна.
В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФРАГМЕНТА ИЗОБРАЖЕНИЯ СОСТОИТ В СЛЕДУЮЩЕМ:
1) на первом этапе формируется опорный вектор яркостей опорного изображения ^ОП} в окрестности отслеживаемой базовой точки поверхности. Размерность вектора определяется числом пикселей, необходимых для формирования целевого фрагмента изображения, расположение которого в опорном изображении однозначным образом характеризует перемещение базовой точки при деформировании поверхности;
2) для каждого последующего т-го изображения:
а) a) б) b)
Рис. 4. Поршневой компрессор:
а) место образования трещин в корпусе компрессора; б) напряженно-деформированное состояние «проблемной» зоны Fig. 4. Piston compressor:
a) the place of formation of cracks in the compressor case; b) stress-strain state of the "troublesome" area
DIAGNOSIS
а) осуществляется циклическое перемещение видового окна вокруг базовой точки со сдвигом на выбранное пользователем количество пикселей к с формированием соответствующего набора (матрицы) [V] векторов яркостей, размерности, аналогичной размерности опорного вектора;
б) для каждой пары векторов вычисляется сумма квадратов невязок ^ между опорным вектором и вектором из сформированного набора, по минимуму которой определяется вектор последующего поиска:
20 = (Ма) - - адт-™п; (7)
в) по найденному вектору поиска осуществляется смещение базовой точки на к пикселей;
г) процедура по п. а - в повторяется до тех пор, пока не будет достигнут
экстремум 20 по найденному вектору поиска;
д) экстремальному значению ^ будет соответствовать искомое положение базовой точки на 1-м изображении. На рис. 3 показан пример работы алгоритма при идентификации деформирования поверхности объекта с нанесенной «спекл»-структурой. Предложенный метод прошел апробацию и доказал свою эффективность при контроле напряженно-деформированного состояния такого оборудования, как трубопроводы,сосуды и аппараты, компрессоры на ряде промышленных предприятий Иркутской области. Например, с использованием рассмотренной методологии, а также дублирующего метода натурной тензометрии был проведен контроль напряженно-деформированного состояния поршневых компрессоров, позволивший
идентифицировать причины образования трещин в их корпусных деталях во время работы (рис. 4а). Проведению работ предшествовало построение корректной конечно-элементной модели корпуса компрессора, участвующей в дальнейшем в идентификационных расчетах напряженно-деформированного состояния (рис. 4б).
ВЫВОДЫ
Показаны результаты исследований, проводимых в АО «ИркутскНИИхиммаш» в области обеспечения промышленной безопасности оборудования опасных производственных объектов в части развития методологии идентификационных расчетов напряженно-деформированного состояния оборудования с применением модифицированной технологии корреляции цифровых изображений.
References:
1. Federal Law No. 116-FZ of 21.07.1997 (revised on 13.07.2015). On Industrial Safety Of Hazardous Production Facilities. (In Russian)
2. Trutaev S.Y. Method For Stress-Strain-State Evaluation Of Production Equipment And Buildings And Structures Of Industrial Entities. Chemical and Petroleum Engineering, 2014, Vol. 49, No. 11-12, P. 816-819.
3. Trutaev S.Y., Bezdelev V.V. The Stress-Strain Experimental Analysis For Structures Evaluation During Earthquakes. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy = Structural Mechanics and Analysis of Constructions, 2014, No. 1 (252), P. 49-52. (In Russian)
4. GOST R 55431-2013. Piping Systems. Calculated And Experimental Method For Estimating The Dynamic Stress-Strain State (approved by the order of Rosstandard No. 104-st of 14 May 2013). (In Russian)
5. Zenkevich O. Finite-Element Method In Technics. Moscow, Mir, 1975, 542 pp. (In Russian)
6. Bathe K., Wilson E. Numerical Methods Of Analysis And Finite-Element Method. Moscow, Stroiizdat, 1982, 448 pp. (In Russian)
7. Sutton M.A., Orteu J.-J., Schreier H.W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. University of South Carolina, 2009, 364 pp.
8. Pleshanov V.S. and others. Measuring The Deformation Of Materials With Digital Images Correlation Method. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University [Bulletin of the TPU], 2008, Vol. 312, P. 343-349. (In Russian)
9. Panin S.V. and others. Combined Method Of Deformation And Destruction Investigation Of Carbon-Carbon Composite Material Samples With Acoustic Emission, Digital Images Correlation And Strain Measurement. Vestnik nauki Sibiri = Siberian Journal of Science, 2012, No. 4 (5), P. 129-138. (In Russian)
10. Vic-3D. Guide for testing, 2009, 64 pp. (In Russian)
11. Linnik Y.V. Least-Squares Method And The Basics Of Mathematical And Statistical Processing Of Observation Theory. Moscow, FIZMATLIT, 1958, 336 pp. (In Russian)
Литература:
1. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
2. Trutaev S.Y. Method For Stress-Strain-State Evaluation Of Production Equipment And Buildings And Structures Of Industrial Entities. Chemical and Petroleum Engineering, 2014, Vol. 49, No. 11-12, P. 816-819.
3. Трутаев С.Ю., Безделев В.В. Расчетно-экспериментальный метод оценки напряженно-деформированного состояния конструкций зданий при землетрясениях // Строительная механика и расчет сооружений. 2014. № 1 (252). С. 49-52.
4. ГОСТ Р 55431-2013. Системы трубопроводные. Расчетно-экспериментальный метод оценки динамического напряженно-деформированного состояния (утв. Приказом Росстандарта от 14 мая 2013 г. № 104-ст).
5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 542 с.
6. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.
7. Sutton M.A., Orteu J.-J., Schreier H.W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. University of South Carolina, 2009, 364 pp.
8. Плешанов В.С. и др. Измерение деформации материалов методом корреляции цифровых изображений // Изв. Томского политех. ун-та. 2008. Т. 312. С. 343-349.
9. Панин С.В. и др. Комбинированный метод исследования деформации и разрушения образцов из углерод-углеродного композиционного материала по данным акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и тензометрии // Вестник науки Сибири. 2012. № 4 (5). С. 129-138.
10. Vic-3D. Руководство по проведению испытаний. 2009. 64 с.
11. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1958. 336 с.
