CC BY
35
и скольжения игл по обрабатываемой поверхности; 2) основное влияние на размеры зоны непосред-
зона ускоренного движения игл после отрыва от заго- ственного контакта оказывает натяг и в меньшей сте-товки; пени - скорость резания.
Библиографический список
1. Тумаш А.М. Влияние режимов иглофрезерной обработки деталей из алюминиевых сплавов на шероховатость поверхности // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и инструментов: сб. науч.тр. Иркутск, 1984. С.103-107.
2. Тумаш А.М. О зависимости съема и шероховатости поверхности при иглофрезеровании от технологических режи-
мов обработки // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и инструмента технологическими методами: сб. науч.тр. Иркутск, 1987. С. 41-47.
3. Промптов А.И., Тумаш А.М. Оптимизация режимов игло-фрезерования // Интенсификация и автоматизация отделоч-но-зачистной обработки деталей, машин и приборов: тез. докл. науч. конф. Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1988. С. 51-52.
УДК 620.171: 621.039.548.58
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ РЕСУРСНО-ПРОЧНОСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А
А.П.Черепанов1
ОАО Ангарская нефтехимическая компания, 665830, Иркутская обл., г. Ангарск.
Технологический комплекс, включающий техническое диагностирование, компьютерную обработку его результатов, ресурсно-прочностные исследования и прогнозирование ресурса, направлен на создание технологического процесса, обеспечивающего качественное изготовление и безопасную эксплуатацию резервуаров, емкостей, теплообменников, аппаратов колонного типа, котлов, трубопроводов и др. технических устройств. Ил. 3. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: безопасность; прочность; ресурс; техническое диагностирование; техническое устройство; экспертиза.
TECHNOLOGY TO FORECAST THE RESOURCE OF TECHNICAL DEVICES BASED ON RESOURCE-STRENGTH
STUDIES
A.P. Cherepanov
PLC Angarsk Petrochemical Company, Angarsk, Irkutsk region, 665830.
The technological complex that includes technical diagnosing, computer processing of its results, resource-strength researches and resource forecasting is aimed at the creation of the technological process, providing high-quality manufacturing and safe operation of reservoirs, tanks, heat exchangers, vertical vessels, boilers, pipings and other technical devices.
3 figures. 7 sources.
Key words: safety; strength; resource; technical diagnosing; technical device; expertise.
Ресурсно-прочностные исследования на основе данных технического диагностирования (ТД) в рамках представленной работы рассматриваются как часть технологического процесса, направленного на обеспечение безопасности технических устройств (ТУ), не имеющих элементов резервирования, в том числе резервуаров, сосудов, котлов, трубопроводов и т.п. ТД проводится в соответствии с Методическими указаниями по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов (РД 03-421-01) [1]. Результаты ТД, анализ эксплуатационной, конструкторской и ремонтной документации, расчетно-аналитические процедуры оценки прочности и ресурса на окончательном этапе обобщаются и отражаются в заключении экспертизы промышленной безопасности ТУ согласно
Правилам проведения экспертизы промышленной безопасности (ПБ 03-246-98) [2]. Резервуары, сосуды, аппараты, котлы, и др. ТУ являются самостоятельными изделиями, входящими в состав опасных производственных объектов, поэтому от их качества зависит промышленная и экологическая безопасность производств.
В работе Н.А.Махутова [3] отмечается, что резервуары, сосуды, котлы, трубопроводы и другие ТУ, несмотря на конструктивные особенности и различные технические параметры, можно отнести к одному классу объектов проектирования изготовления и эксплуатации и рассматривать с общих позиций обеспечения прочности и безопасности. Для проведения исследований рекомендована научно-методическая база, основанная на многокритериальной оценке запа-
1-
Черепанов Анатолий Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, начальник отдела надежности и прочности, тел.: (3955) 576510, e-mail: cherepanovap@anhk.rosneft.ru
Cherepanov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machines and Apparatuses of Chemical Productions of Angarsk State Technical Academy, Head of the Department of Reliability and Strength, tel.: (3955) 576510, e-mail: cherepanovap@anhk.rosneft.ru
сов прочности и ресурса. Применение научных положений и результатов исследований, изложенных в [3], для прогнозирования ресурса ТУ на практике возможно при наличии соответствующей научно-методической и приборной базы и квалифицированных инженерных кадров в диагностических экспертных центрах.
Определение ресурса безопасной эксплуатации осуществляется при проектировании расчетными методами [4]. Оценка исходного технического состояния и назначение ресурса проводятся как на стадии изготовления, так и на стадии приемки ТУ заказчиком путем входного контроля с применением широко известных методов ТД. Эксплуатационное техническое состояние определяется преимущественно по истечении расчетного или назначенного ресурса, а также после аварий или обнаруженных повреждений элементов проведением экспертного ТД в соответствии с действующей нормативно-технической документацией. На рис. 1 показана технологическая схема назначения ресурса, применяемая в настоящее время в соответствии с рД 03-421-01 [1]. Последовательность проведения этапов работы осуществляется в соответствии с нумерацией блоков, на основе эксплуатационно-технических данных 1 в соответствии с программой 2, которая предусматривает весь комплекс работ и объем проведения ТД, применяемые методы и виды не-разрушающего контроля, а также испытания образцов. На основе данных ТД, собранных в блоке 3, проводятся ресурсно-прочностные исследования 4. При этом блоком 5 по исходным и фактическим толщинам и сечениям элементов, деталей, узлов ТУ определяются скорости износа (коррозии) элементов. По фактическим толщинам и сечениям блоком 6 проводится расчет на прочность. Затем блоком 7 проводится оценка ресурса ТУ, а блоком 8 - назначение ресурса
безопасной эксплуатации ТУ. Объем проведенного ТД, определенный блоком 9, при назначении ресурса не учитывается, поскольку в [1] отсутствуют методы его учета при оценке ресурса, но указывается в заключении экспертизы промышленной безопасности ТУ.
Основываясь на многочисленных результатах работы по продлению сроков эксплуатации ТУ действующих производств, в научно-диагностическом центре ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» разработан и внедрен технологический комплекс, включающий ТД, компьютерную обработку его результатов, ресурсно-прочностные исследования, прогнозирование ресурса и разработку заключений экспертизы промышленной безопасности [5].
Структурная схема алгоритма обработки данных ТД, ресурсно-прочностных исследований и прогнозирования ресурса ТУ показана на рис. 2. Последовательность технологических операций, заданных алгоритмом, осуществляется в соответствии с нумерацией блоков. В блок 1 сведены результаты анализа технической документации, эксплуатационных параметров, предыдущих ТД и сведений из паспорта ТУ аккумулируются и вводятся в карты исходных данных. С учетом основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов устанавливается доля ресурса, исчерпанного на предшествующих стадиях эксплуатации ТУ или по окончании назначенного ресурса. Блок 2 предусматривает определение риска при разрушении (группа или класс опасности), характеризует ТУ по параметрам эксплуатации, степени опасности применяемых или хранимых веществ, представляющих опасность для окружающей среды. Блок 3 включает разработку программы ТД и ресурсно-прочностных исследований с определением физического объема диагностирования элементов, применяемых методов
Рис. 1. Технологическая схема назначения ресурса, применяемая в настоящее время
и видов неразрушающего контроля, а также испытания образцов. При этом определяется целесообразность демонтажа или разборки для обеспечения доступа к некоторым участкам и сварным швам. Определяется последовательность технологических операций, включая составление программ диагностирования, выбор оптимального маршрута, подготовительные операции, разборку, демонтаж, подготовку поверхностей, сварных швов для выполнения визуально-измерительного и дефектоскопического контроля. Блоком 4 осуществляется техническое диагностирование элементов неразрушающими методами контроля, которые выбираются с учетом особенностей ТУ ввиду наличия труднодоступных для контроля мест в соответствии с [1]. При ТД применяются укрупненные методы, включая визуально-измерительный и акустико-эмиссионный контроль, выявление дефектов
элементов и сварных швов, контроль при испытании давлением. Уточненные методы ТД применяются для исследования дефектов, свойств материалов, замеров сечений, толщин стенок элементов и определения механических напряжений. ТД включает также проведение комплекса экспериментов по определению напряженно-деформированных состояний, остаточных напряжений, опасности дефектов с применением методов и средств, дающих более полную или более точную информацию о техническом состоянии. Составление актов и протоколов по результатам ТД, ввод данных с внесением фактических показателей технического состояния и дефектов по элементам в карты контроля является завершающим этапом ТД (блок 5). Блоком 6 проводится анализ результатов технического диагностирования элементов ТУ, который включает определение параметров первоначаль-
Рис. 2. Структурная схема алгоритма обработки данных результатов ТД и ресурсно-прочностных
исследований ТУ
ных и накопленных повреждений и их соответствие требованиям норм и технической документации. Блоком 7 определяется фактический объём контроля ТУ по каждому методу проведенного ТД с учетом их достоверности. Расчет эффективного объёма и показателя эффективности ТД (блок 8) проводится по изложенной ниже методике. Далее проводятся ресурсно-прочностные исследования ТУ (блок 9). Расчет прочности по фактическим толщинам стенок и фактическим механическим характеристикам материала выбранных элементов проводится на основе широко известных нормативов путем выбора элементов ТУ, подлежащих расчету с подключением соответствующих расчетные модулей. Рассчитываются корпуса ТУ на прочность и устойчивость от ветровых и сейсмических нагрузок, рассчитываются условия укрепления отверстий и напряженное состояние зон сопряжения патрубков с оболочками ТУ и другие элементы. Блоком 10 проводится оценка запасов прочности элементов от воздействия давления среды, опорных и малоцикловых нагрузок, на сопротивление хрупкому разрушению по результатам прочностных расчетов. Оценка запасов прочности включает также исследование напряженно-деформированного состояния и выбор критериев предельных состояний. Блоком 11 предусмотрен выбор толщин стенок элементов, который проводится в том случае, если их прочность не обеспечивается, запасы прочности получаются меньше единицы и ослабленные элементы подлежат замене. С использованием блоков 9 и 10 проводится их повторный расчет прочности с увеличением толщины заменяемых элементов до достижения величины запасов прочности более единицы. К расчету ресурса элементов ТУ (блок 12) переходят при достижении запасов прочности элементов более единицы (п >1,0) с учетом показателя эффективности ТД. Полнота выполнения объема работ, предусмотренных программой по ТД и продлению срока безопасной эксплуатации, является существенным фактором при прогнозировании ресурса ТУ. Блоком 13 осуществляется выбор минимального ресурса элементов по наименьшим запасам прочности. Конечным этапом является прогнозирование остаточного и допускаемого ресурса ТУ (блок 14). На основе ресурсно-прочностных исследований разрабатываются рекомендации по замене или усилению элементов, имеющих низкие запасы прочности и малый ресурс. Работа заканчивается оформлением заключения экспертизы промышленной безопасности с назначением ресурса ТУ (блок 15) и предписаниями по устранению всех имеющихся замечаний. Заключительным этапом экспертизы промышленной безопасности является выполнение предписаний по устранению всех имеющихся замечаний, проведение ремонта, сборка, контроль качества ремонта, испытание, приемка службой технического надзора владельца и получение разрешения органов Ростех-надзора на эксплуатацию ТУ.
Анализ определяющих параметров технического состояния, полученных ТД и ресурсно-прочностными исследованиями ТУ, показывает, что безразмерные величины запасов прочности позволяют минимизиро-
вать количество показателей, используемых для оценки технического состояния и прогнозирования ресурса ТУ. Универсальность безразмерных величин запасов прочности состоит в том, что они применимы как ко всему ТУ, так и к каждому отдельному его элементу или зоне сопряжения элементов между собой.
Однако факторы, связывающие результаты ТД и прогнозирование ресурса, не находят широкого применения в технологии ТД и ресурсно-прочностных исследованиях из-за отсутствия методических рекомендаций, устанавливающих зависимость ресурса от запасов прочности элементов ТУ и показателя эффективности ТД.
С учетом запаса прочности, заданной скорости износа, группы опасности и эффективного объема ТД ресурс ТУ предлагается определять зависимостью
Т=f (п; V; Уз, 4; р), (1)
где п - запас прочности, устойчивости и т.п. на момент изготовления или на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем; V - скорость износа стенок элементов; УЭ - эффективный объем диагностирования; 4 - коэффициент ответственности, учитывающий степень опасности ситуации, возможной в случае разрушения ТУ; )- коэффициент дефектности, учитывающий наличие допустимых или недопустимых дефектов, обнаруженных при ТД и устраненных ремонтом при необходимости.
Зависимость (1) дает возможность определить ресурс изношенных, заменяемых или усиливаемых элементов. Ресурс ТУ, состоящего из общего количества элементов от 1 до т, включая элементы корпуса, зоны их сопряжения, другие узлы и детали, определяется ресурсом наиболее слабого элемента (зоны сопряжения элементов). При проведении поэлементного ТД возможна оценка ресурса элементов, зон их сопряжения и ТУ в целом. При этом запасы прочности сопряжения отдельных элементов между собой (штуцерных зон, опорных нагрузок и др.) могут определяться по различным методикам прочностных расчетов в зависимости от конструкции и условий работы каждого элемента.
Показатель эффективности ТД, предложенный в [6], определяется в зависимости от эффективного объема ТД, группы или класса опасности ТУ в соответствии со схемой оценки показателя эффективности и стоимости ТД, показанной на рис. 3. Диагностируемое ТУ условно разбивается на типовые элементы, включая штучные - например, обечайки, пояса, днища, крышки и др., и сварные швы, в том числе продольные, кольцевые, их перекрестья и сварные швы крепления элементов между собой (штуцеров, опор и др.), которые контролируются соответствующими методами в объеме, заданном программой ТД с учетом достоверности его проведения. Показатель эффективности диагностирования типовых элементов ТУ в зависимости от класса его опасности связывает выбор методов, физического объема, заданной достоверности ТД с прогнозированием ресурса. Физический объем дает возможность на основе норм времени и расценок оценить трудоемкость и стоимость работ ТД.
Эффективный объем диагностирования ТУ в целом составляет
^э =
N + Ь 2
+ V
(2)
где N - объем диагностирования штучных элементов; I - объем диагностирования сварных швов; - объем диагностирования методами, охватывающими весь сосуд (резервуар) или часть его поверхности (например, АЭ метод).
Физический объем диагностирования штучных элементов определяется выражением
т:
Т ("А)
N =
1
М
М'
т
т
]=1
(3)
где Пд - число элементов 1-й группы, диагностированных ]-м методом; Т, - число всех элементов ¡-ой группы; - коэффициент относительной значимости элементов ¡-ой группы; Т) - число методов, примененных при диагностировании элементов ¡-ой группы; М - число имеющихся групп штучных элементов (в том числе патрубков, перекрестий сварных швов и т.п.,); М' - число диагностированных групп штучных элементов; Кд - коэффициент достоверности ]-го метода диагностирования 7.
Физический объем диагностирования сварных швов определен выражением
Р
Ь=Рр Т
1=1
чт т\',к
Ч }=1
В. 1
(4)
где ¡'у - длина всех сварных швов ¡-ой группы, диагностированных ]-м методом (ультразвуковым, цветным, магнитопорошковым, радиографическим и т.п.); ¡, -длина имеющихся сварных швов в ¡-ой группе; Р -число групп всех элементов в виде сварных швов (кольцевых, продольных, их перекрестий); Б,- число методов, примененных к ¡-ой группе.
Физический объем диагностирования определен выражением
=
т
]=1
4 • К
-+V, +
(5)
где Ад - относительная часть поверхности сосуда, диагностируемая ]-м методом; г - число примененных методов, включающих наружный и внутренний визуальный контроль, замеры толщин стенок, металлографические и механические исследования, измерение твердости и др.; VP - объем контроля при нагру-жении давлением; VАEc - объем АЭК контроля.
Сочетание хотя бы двух методов, применяемых при диагностировании одной и той же группы штучных элементов или поверхности, резко повышает общую достоверность результатов ТД, и в этом смысле сумма по ] неаддитивна, что рекомендуется учитывать
Типовые элементы технического устройства
Штучные элементы Обечайки, пояса, днища, крышки, опоры, фланцы,
патрубки, отводы, тройники, уппотнительные элементы, прокладки
-
Сварные швы Продольны«, кольцевые, перекрестия
сварных швов соединения элементов
Т
Методы диагностирования
В изуально-из мерительный Дефектоскопический А куст ико-эмисс ионный
Испытание пробным давлением, течеискание Контроль состояния металла: измерение твёрдости, механические испытания, металлография Измерение механических напряжений
Класс опасности технического устройства
Достоверность диагностирования
Нормы арем»ни
Физический объем диагностирования
Показатель эффективности диагностирования
Трудоемкость диагностирования
Расценки
Стоимость диагностирования
Рис. 3. Оценка показателя эффективности и стоимости технического диагностирования технического
устройства
1=1
г
при расчете Н, I и УА введением поправочных коэффициентов.
Ввиду различных требований к набору применяемых методов диагностирования в экспертных организациях, их объёму, а также к достоверности этих методов, определяемой, например, способом экспертной оценки 7, всегда необходимо знать предел эффективного суммарного объема УЭ, к которому затем можно отнести действительный объем диагностирования.
Показатель эффективности (или достаточность объема) диагностирования ТУ вычисляется эмпирически:
(1+1п4)
, (6) где WЭфф - нормированный эффективный объем диагностирования ТУ,
Кэ = ^эфф
Жэфф = Уэ /
(7)
где УЭ - эффективный объем диагностирования; б -нормировочный параметр.
Так, например, если максимальное численное значение УЭ при 100%-ном применении имеющихся методов составляет 5.6, это и является нормировочным параметром б в (7). Таким образом, нормированный эффективный объем диагностирования рассчитывается как WЭфф = УЭ./5.6 и имеет значение меньше единицы. Коэффициент ответственности -непрерывная величина, принятая в качестве аналога степени ответственности (группы или класса опасности) ТУ.
Коэффициент ответственности 4, выраженный через параметры у и 8, которые однозначно характеризуют степень опасности ситуации, возможной в случае разрушения ТУ, определяется формулой
5 = У"5 (8)
При принятии на коэффициент ответственности норматива величина 4 может служить абсолютным показателем степени опасности ТУ, наиболее удобным для аналитической обработки результатов ТД взамен групп или классов опасности.
Технологический комплекс реализован на основе предложенного алгоритма благодаря использованию запасов прочности, определяемых ресурсно-прочностными исследованиями, и применению показателя эффективности, который определяется в зависимости от объема ТД, группы или класса опасности ТУ. Алгоритм дает возможность оценки ресурса на любом временном отрезке - от проектирования до достижения предельного состояния, а также способствует созданию единой технологии ТД и ресурсно-прочностных исследований на протяжении всего срока эксплуатации ТУ и повышает результативность экспертизы промышленной безопасности.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
• Обобщение опыта ТД и ресурсно-прочностных исследований в зависимости от показателя эффективности и группы или класса опасности позволило разработать единые технологические требования к прогнозированию ресурса конкретных видов ТУ.
• Возможность выбора совокупности необходимых методов, обеспечивающих заданный показатель эффективности ТД, снижает стоимость и объемы работ по ТД.
• Разработка технологии ресурсно-прочностных исследований позволяет создать обоснованные нормативы оценки трудоемкости технического диагностирования ТУ.
Библиографический список
1. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. Серия 03. Выпуск 17 / Колл. авт. М.: Государственное унитарное предприятие «Научно- технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002. 136 с.
2. ПБ 03-246-98. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности. Утв. постановлением ГГТН России от 6.11.98 № 64.
3. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техно-
генная безопасность: в 2 ч. Новосибирск: Наука, 2005. Ч. 1: Критерии прочности и ресурса. 494 с.; Ч. 2: Обоснование
ресурса и безопасности. 610 с.
4. РД 26.260.005-91. Методические указания. Оборудование химическое. Номенклатура показателей и методы оценки надежности.
5. Колмаков В.П., Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Комплекс компьютерной обработки результатов технического диагностирования // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 7. С. 59-63.
6. Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Оценка эффективности диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 10. С. 4346.
7. Сосуды и трубопроводы высокого давления: справочник. Изд. 2-е, доп. / А.М. Кузнецов, В.И. Лившиц и др. Иркутск: Издание ГП "Иркутская областная типография №1", 1999. 600 с.
