CC BY
10
Кузнецов В.П., Пухов A.C.
Курганский государственный университет, г. Курган
СИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ МОБИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ТРАССОВЫХ МАШИН ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗО Н ЕФТЕ П РО ВО ДО В
Рассмотрены системные подходы к решению проблемы восстановления работоспособности действующих магистральных нефтегазопроводов на базе комплекса трассовых машин, построенных по агрегатно-модульному принципу (АМП) в сочетании со структурным синтезом унифицированных конструкторско-ком-поновочных решений.
Для капитального ремонта (восстановления) действующего магистрального нефтегазового транспорта необходим комплекс трассовых машин, отвечающих требованиям высокой производительности и мобильности - гибкости их конструкций. Для разрешения этих, в известной мере противоречивых требований необходимо, чтобы такое оборудование обладало свойствами быстрой компоновки и перекомпоновки при достаточно высокой степени автоматизации и производительности, а также имело сжатые сроки проектирования и изготовления.
В наибольшей степени этому удовлетворяет агре-гатно-модульный принцип (АМП) создания машин из стандартных (унифицированных) узлов, каждый из которых предназначен для выполнения заранее определенных функций. Использование АМП существенно сокращает сроки проектирования, затраты на изготовление и сборку машин (на трубопроводе), а также повышает их надежность в работе.
Трудности использования и развития АМП в создании трассовых машин восстановления трубопроводов обусловлены значительным различием операций выполняемого комплексного процесса - снятие старой изоляции с труб; очистки наружной поверхности труб с целью создания на них микрорельефа, обеспечивающего прочное сцепление изоляционного материала с металлом; нагрев трубы; нанесение нового изоляционного материала на трубопровод, подсушка изоляции на участке трубопровода и др.
Вместе с тем, и при таком различии и сложности задач можно обеспечить более высокую эффективность решения проблемы посредством компоновки технологических модулей из рационально ограниченных комплектов унифицированных узлов, то есть по агрегатно-модульному принципу. На рис.1 приведена укрупненная схема агрегатно-модульной компоновки всех трассовых машин-модулей комплекса.
В качестве второго системного принципа создания комплекса трассовых машин-модулей восстановления газонеф-теприводов предлагается использование метода структурного синтеза технических объектов [1,2], учитывая при этом, что структура является важнейшей исходной характеристикой любого объекта и процесса (способа). Она отражает единство их противоположных сторон: расчлененности и целостности. Предлагаемый метод построения структуры как исходного облика создаваемых трассовых машин-модулей единого комплекса осуществляется втри этапа. Этап 1. Структуризация проблемы (целей и задач) создания нового объекта на основе сведений о его потребности и желаемого о нем представления. Этап 2. Дектомпозиционный анализ задачи создания объекта - разделение ее на части, образован-
ные относительно независимыми признаками (свойствами) с указанием множеств возможных альтернатив реализации каждого из признаков. Этап 3. Синтез решений, осуществляемый «сверткой» поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.
Основная идея 1-го этапа - структуризация проблемы-раскрыта в приведенной выше схеме (рис.1). Поэтому ниже рассматриваются в сжатой форме последующие этапы.
На втором этапе осуществляется декомпозиция задач определенных на этапе 1. Результатом этого анализа является декомпозиционная схема (ДС), при построении которой следует исходить из 2-х основных положений. Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на 1-м уровне решения задачи, исходя из потребности (назначения) объекта определяются основные свойства (признаки), формирующие концепцию его строения, в виде множества характеристик Х0. На 2-м уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х^ е Х^ выбираемых
на основе анализа как известных решений, так и кажущихся нереализуемыми (фантастическими), включая идеальные решения, обладающие свойствами типа: «элемента нет, а функция его выполняется» и т.п.
Построенная на основе приведенных положений ДС представляет собой п-мерное поисковое пространство К" ={х^}, в котором структура (облик) объекта
задается вектором х е Я." . Общее количество вариантов таких структур объекта определяется произведением множеств альтернатив, реализующих все п признаков Х(
п
(1)
1=1
где пг - количество альтернатив реализации ¡-го признака X..
I
Использование предложенного метода декомпозиционного анализа позволяет построить и исследовать двухуровневую структуру объекта любого уровня иерархической системы (рис.1), в данном случае комплекса трассовых машин восстановления газонефтепроводов. Ниже с некоторыми сокращениями приведена ДС анализа задачи формирования структуры одного из модулей комплекса - трассовой машины очистки трубопровода перед нанесением на него изоляционного материала.
На 3-м этапе формирования структуры объекта (трассовой машины) необходимо в каждом из п блоков
Хо ДС выбрать по одной характеристике Х^, набор которых сформирует из множества N наилучший конкретный вариант решения - структуру создаваемого объекта. Для этого предлагается использовать метод двухступенчатого выбора альтернатив [2] из разработанной ДС.
На 1-й ступени из п блоков Хо выбирается б блоков, содержащих альтернативы, несущие целевые условия (локальные цели) Хд и сформировать из них Б-мерную цель
х8={х^ = 1,...,8. (2)
Унифицированные элементы каркаса 1-й уровень
Рис.1. Схема агрегатно-модульной компоновки мобильного комплекса трассовых машин восстановления магистральных газонефтепроводов
Таблица 1
Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры очистительной трассовой машины
Окончание таблицы 1
Управление машиной х\ х1 Ручное Автоматическое (собственной АСУ) Собственной унифицированной АСУ в сочетании с ручным управлением
Х9 Компоновка кар- Х\ Специальные узлы, аг-
каса машины регаты, детали
Унифицированные и
Ад2
стандартные узлы, аг-
регаты, детали
Х10 Обеспечение экологично сти Х10 У2 10 У3 10 Сбор продуктов ОЧИСТКИ в емкость Сбор продуктов ОЧИСТКИ на специальный на-тил Выброс продуктов очистки наружу
Выбранные локальные цели, как правило, неодинаково влияют на формирование решения, поэтому должны ранжироваться посредством некоторого оценочного параметра \ по принципу:
^>^>...>^¿^=1. (3)
1=1
В рассматриваемом примере методом экспертных оценок и путем содержательного анализа определены следующие локальные цели и их оценочные параметры Л^
=хгД1 =0,4;Х82 =ХЦ,
Х2 =0,35;Х3з =Х|Д3 =0,25. (4)
На 2-й ступени синтеза решения необходимо сформировать р-мерное решение-ограничение Х0, выбрав «наилучшие» альтернативы в р блоках (р=п-б)
Хо =М,}) = 1'-'ё = п"8- (5)
При этом в качестве оптимизационного подхода в условиях многомерной неформальной цели синтеза согласно [2] целесообразно формирование паретовско-го множества альтернатив.
Альтернатива Х(1 оптимальна по Парето, если
всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних локальных целей, в то же время будет менее предпочтительной для других целей. Таким образом, эффективное решение-ограничение
Хд определяется паретовским множеством альтернатив при «мягкой» конкуренции всех локальных целей Хд . Для решения данной задачи выполняется ряд шагов, результаты которых приведены в табл.2.
Х^ Первый уровень Х^ Второй уровень декомпо-
декомпозиции зиции
Х\ Диаметр восста- х\ 1220,1420
навливаемого трубопровода х1 х\ 1020,1220 630, 720, 820
Х2 Способ очистки х\ Иг ло фрезами
(обработки) х\ х\ х24 Дробью Песком Гидроочистка
Хъ Воздействие ин- Х\ Непрерывное круговое
струмента (среды) на обрабатывае- Xз2 Осцилирующее (качание во вращении)
мую поверхность Объемное
х4 Подача срабатывающей среды в рабочую зону х\ Х24 х\ Механическим устройством Струйными аппаратами В виде электрической энергии
Используемый рабочий орган Х\ Специальные очистительные агрегаты
(аппарат) X] Х\ Унифицированный очистительный агрегат с механизмом качания инструментов, сопел Унифицированный гидроочистительный агрегат
Движение машины по трубопро- Х\ С помощью тягача (трактора)
воду XI Посредством собственного электропривода на унифицированных шасси машины
Х~! Выравнивание Отсутствует
(устранение крена) машины на трубопроводе х72 х73 Устройством от энергоустановки Автоматическим унифицированным устройством на машине
Результаты определения значений при выборе условий-ограничений Х{! Таблица 2
хсц хР. 0/ Х51 = Х2'М = 0,4 ХЯ2 = Х^; Х2 =0,35 ХЯЗ = х/^з =0,25
хо\ = Х3 х\ 3 0,0 2 0,116 2 0,083
'4 1 0,4 2 0,116 2 0,083
4 3 0,0 2 0,116 2 0,083
ХС2 = х4 4 3 0,0 2 0,116 2 0,083
4 1 0,4 2 0,116 2 0,083
А 3 0,0 2 0,116 2 0,083
хоз = Х5 4 3 0,0 2 0,116 2 0,083
х! 1 0,4 2 0,116 2 0,083
XI 3 0,0 2 0,116 2 0,083
ХС4 = Х6 4 2 0,2 3 0,0 2 0,125
4 2 0,2 1 0,35 2 0,125
ХС5 = Х7 4 2 0,133 3 0,0 2 0,083
2 0,133 3 0,0 2 0,083
4 2 0,133 1 0,35 2 0,083
ХС6 = Х9 Х\ 2 0,2 2 0,175 3 0,0
4 2 0,2 2 0,175 1 0,25
ХС7 = х1( Х]0 2 0,133 2 0,116 2 0,083
X2 X* 2 2 0,133 0,133 2 2 0,116 0,116 2 2 0,083 0,083
Далее формируется эффективное решение в виде множества х* ■ оптимальный по Парето вариант структуры создаваемого объекта путем выбора из табл. 2 наилучших альтернатив (взятые в квадратные скобки). В рассматриваемом примере синтеза структуры трассовой машины очистки трубопровода под нанесение изоляции
множество х* имеет вид
X* _ гу 2 VI* Л^З \
- ^Л2,Л8,Л1,Л3,Л4,Л5,Л6,Л7,Л9,Л10|.
На рис.2 приведена компоновка трассовой машины - модуля комплекса для очистки трубопровода дробью, скомпонованная из унифицированных агрегатов и узлов.
Сочетание рассмотренных взаимодополняющих СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
друг друга системных принципов - агрегатно-модуль-ной компоновки и структурного синтеза решений при создании новых технических объектов и процессов, в данном случае комплекса трассовых машин восстановления магистральных газонефтепроводов - создает реальные предпосылки появления и развития инновационных процессов в широком диапазоне научно-технической и производственной сферах. В своем развитии данный инновационный процесс носит стадийный характер: исследование и создание первых опытных образцов; освоение выпуска изделий (машин) в масштабах, удовлетворяющих имеющиеся потребности; использование изделий потребителями, включая обслуживание с целью обеспечения постоянной работоспособности в течении заданного срока.
Таким образом, предложенные системные принципы в сочетании формируют весьма эффективный
Рисунок 2 Компановка трассовой самодвижущейся машины для очистки дробью труб нефтегазопровода
метод ускоренного создания на уровне изобретений в технике (ноу-хау), вообще, и комплекса трассовых машин безостановочного восстановления магистральных газонефтепроводов, в частности.
Список литературы
1. Пухов A.C., Кузнецов В.П., Манило И.И. Структурный синтез
решений при создании новых технологических машин и систем. -СПб. : МАНЕБ, 1999. - 14 с.
2. Пухов А. С. Синтез решений при создании автоматизированных
технических объектов: Учебное пособие. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. - 121 с.
3. Кузнецов В.П., Панфилов А.Н., Пухов A.C. Трассовая самодвижущая-
ся машина для очистки дробью труб нефтегазопроводов// Приоритет Роспатента от 14.12.20004 по заявке №2004136419 на выдачу патента.
В.И. Боченин, В.А. Куликов
Курганский государственный университет, г. Курган
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН В МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ
Предлагается возможность применимости фотонейтронного неразрушающего способа контроля глубины и ширины раскрытия трещин. Физическая сущность его заключается в нанесении на контролируемую поверхность проникающей жидкости, содержащей окись бериллия. При облучении поверхностного слоя с проникающей жидкостью гамма-квантами радиоизотопа БЬ124 (сурьма-124) трещины выявляются по регистрации потока нейтронов, испускаемых атомами окиси бериллия.
В процессе эксплуатации магистральных газопроводов в местах с концентраторами напряжений (сварные швы, изгибы, вмятины) возникает коррозионное растрескивание, создающее макротрещины. Такой вид коррозии считается наиболее опасным, особенно при развитии трещин (росту их глубины). В итоге происходит внезапное разрушение газопровода. Для повышения надежности необходима диагностика участков газопровода с концентраторами напряжений на предмет выявления наличия и размера трещин. Среди существующих методов контроля для этих целей применяют капиллярную дефектоскопию и ультразвуковое просвечивание [1]. Однако капиллярный метод обладает низкой производительностью и реализуется в лабораторном варианте. При ультразвуковой дефектоскопии необходим тщательный контакт преобразователя с поверхностью контролируемой среды. Но такое требование не всегда выполнимо, особенно при контроле сварных швов.
Нами разработан неразрушающий фотонейтронный способ, исключающий влияние рельефа поверхности контролируемой среды на диагностику размера трещин, с возможностью реализации в трассовых условиях. Физическая сущность его основана в нанесении на контролируемую поверхность проникающей жидкости, содержащей окись бериллия (ВеО). При последующем облучении гамма-квантами радионуклида поверхностного слоя, в трещине которого содержится ВеО, она выявляется по регистрации нейтронного излучения, испускаемого атомами бериллия в результате фотоядерного превращения [2]. Поток нейтронного излучения, испускаемого окисью бериллия, содержащейся в трещине, равен
-кг _ тт ' J'Ар т" А
(1)
