CC BY
20
УДК 62.45
УПРАВЛЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТЬЮ ПРИ ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОМПЕНСАТОРОВ
ТРУБОПРОВОДА
С.А. Глебович
Акустико-эмиссионные системы и приборы активно используются для контроля и диагностики различных промышленных объектов: трубопроводов, баллонов, сосудов давления, ёмкостного, колонного, реакторного оборудования, резервуаров нефтепродуктов, грузоподъёмного оборудования и т.д. Рассмотрены более перспективные направления диагностики магистральных трубопроводов. Предложена для акустического контроля в управлении отказоустойчивостью, при оценке технического состояния компенсаторов трубопровода, использовать актуальную модель колебательной системы «изделие с трещиной».
Ключевые слова: сильфон, осевые сильфонные компенсаторы, неразрушающий контроль, акустико-эмиссионный контроль, ультрозвуковой контроль, акустико-эмиссионные приборы, деформация, отказоустойчивость.
Компенсаторы применяются в любых отраслях, где есть трубопроводы: от энергетической отрасли (в том числе атомной), в составе трубопроводов кораблей и судов ВМФ до автопрома.
Существует четыре вида компенсаторов. Сальниковые применяются для компенсации температурных деформаций паровых трубопроводов теплосетей. Линзовые компенсаторы используются для компенсации температурных расширений трубопровода. При необходимости снижения передачи вибрации в трубопроводах применяют гибкие вибровставки. В корабельных системах, где принципиально важны компактность и надежность компенсирующих элементов, применяются только сильфонные компенсаторы. Они имеют ряд преимуществ перед другими видами компенсаторов. В отличие от сальниковых и линзовых, сильфонный компенсатор не требует обслуживания в течение всего срока службы. Он представляет собой простое, надежное и экономически эффективное решение.
Конструкция стандартных сильфонных элементов (компенсаторов) классифицированы для условного давления. Оно является рабочим давлением при комнатной температуре (20°С), так как более высокая температура понижает сопротивление материала. При увеличении температуры среды внутри сильфонного компенсатора, уменьшается давление, которое он выдерживает (рис. 1).
Рис. 1. Сильфонные компенсаторы
58
Осевые сильфонные компенсаторы спроектированы для восприятия сжимающих или растягивающих перемещений вдоль продольной оси сильфонов. Принимаемые перемещения обычно нормализованы, как величина от свободной длины. Свободная длина - это теоретическая длина до перемещения. От этой свободной длины соединение будет обеспечивать равную величину перемещения, как в сторону растяжения, так и в сторону сжатия. Следовательно, в случае, когда известно, что при использовании перемещение будет проходить только в одном направлении, необходимо при монтаже компенсатор предварительно растянуть или сжать, в зависимости от перемещений трубы.
Сильфонный компенсатор - приспособление, состоящее из одного либо нескольких сильфонов и арматуры. Сильфонные компенсаторы способны поглощать и уравновешивать условные движения определённой величины и частоты, образующиеся в герметично объединяемых элементах трубопровода, и проводить в данных условиях жидкости и пар. Универсальность этого вида компенсаторов содействует действенному их использованию в промышленности. Компенсатор сильфонный (электроизолирующая муфта) представляет собой слоистую оболочку, полученную намоткой, усиленную подкрепляющими кольцами (ПК), выполненными кольцевой намоткой, с концевыми присоединительными патрубками из металла для врезки в трубопровод, соединяемых сваркой или с помощью фланцев.
Одной из актуальнейших проблем государственного значения в России является внедрение комплексной системы технической диагностики магистральных трубопроводов, включая контроль коррозионного и напряженно-деформированного состояния трубопроводов, внутритрубную дефектоскопию, основанную на использовании современных технологий контроля с помощью ультразвукового, электромагнитного и других современных физических методов инспектирования.
Для управления отказоустойчивостью, при оценке технического состояния компенсаторов применяются множество методов. В данной статье будет рассмотренно несколько эффективных методов неразрушающего контроля (НК).
Применение НК предшествует разработка модели, отражающей изменение свойств материалов и изделий по характерным признакам. НК заключается в проверке физическим методом соответствия показателей качества контролируемой продукции установленным требованиям без нарушения ее свойств, функционирования и пригодности к применению.
Существующие средства НК предназначены для выявления дефектов типа нарушения сплошности материала изделий; оценки структуры материала изделий; контроля геометрических параметров изделий; оценки физико-химических свойств материала изделий.
НК основан на получении информации о качестве проверяемых материалов и изделий при взаимодействии их с веществами или физическими полями в виде электрических световых, звуковых или иных сигналов.
59
Широкое применение нашли акустические методы диагностики и контроля объектов различного назначения, но к более перспективным направлениям диагностики магистральных трубопроводов следует отнести:
- ультразвуковой контроль (ориентирован на обнаружение и локализацию дефектов или на непрерывный сбор данных о текущем состоянии стенок трубы с использованием многодатчиковых устройств, которые пропускают внутри трубы);
- акустико-эмиссионный (АЭ) контроль (применяется для дистанционного контроля крупных конструкций).
Акустические, ультрозвуковые методы (в соответствии с ГОСТ 18353-79) исследования, диагностики и контроля, позволяют получить огромные массивы информации о состоянии материалов и конструкций. Большое колличество современных средств НК являются акустическими. Отсутствие мониторинга, отказ в использовании акустического контроля, -влечет к отказоустойчивости многих сложных технических объектов.
Основными преимуществами акустических методов являются:
- Возможность контроля изделий из самых различных металлических и неметаллических материалов (от сталей до пенопластов) независимо от их электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости. Способность УЗ проникать в материалы с однородной мелкозернистой структурой на расстояния в несколько метров и обнаруживать в них дефекты -рекордно большая толщина для методов НК.
- Возможность выявления как поверхностных, так и внутренних дефектов. Все другие методы НК (кроме радиационного) обнаруживают только поверхностные и подповерхностные дефекты.
- Безопасность для исполнителей и окружающих.
- Сравнительно небольшие затраты на контроль. Кроме контактной жидкости и довольно долговечных преобразователей никаких расходных материалов не требуется.
- Мобильность и адаптивность: возможность выполнять контроль, например, на высоте, в монтажных условиях, в широком диапазоне температур.
- Относительная легкость автоматизации. В этом отношении АК уступает только вихретоковому методу и магнитному методу с электромагнитными преобразователями.
Достоинства акустического метода привели к его широкому применению в различных отраслях науки и техники. Достоверность выявления плоскостных дефектов радиографическим методом при сплошном контроле сварных соединений трубопроводов составляет 35...45%, то для ультразвукового метода достоверность существенно выше и достигает 70... 90%.
Для нового поколения АЭ систем, являются следующие особенности: большой динамический диапозон регистрации сигналов; применение в измерительных каналах высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров; широкий выбор конфигураций систем и комплектация чувствительными преобразователями АЭ для контроля объектов.
Для данного акустического контроля в управлении отказоустойчивостью, при оценке технического состояния компенсаторов трубопровода, используем актуальную модель колебательной системы «изделие с трещиной». Модель, позволяет приближенно получить искомую зависимость независимо от конкретного изделия, дающую возможность изучать гармонические колебания, - это масса, соединенная пружиной с неподвижной опорой. Наличие трещины учтем добавочной пружиной, работающей
Рис.2. Модель колебательной системы «изделие с трещиной»
Здесь пружина с жесткостью Сосн работает и на растяжение и на сжатие. Эта пружина моделирует упругие связи неповрежденной части изделия. Пружина с жесткостью Сдоб работает только на сжатие (при х<0) и остается недеформированной при растяжении первой пружины (при х>0). Будем считать отношение жесткостей Сосн и Сдоп приблизительно равным отношению длины трещины к размеру изделия в направлении трещины. Считая размеры трещины сравнительно небольшими, примем отношение
С С С
Сдоб<< Сосн. Выведем обозначения С = Сосн + Сдоб; со2осн =; = ; со2 = —.
т т т
В силу принятого отношения со2дб << (о1анн и ю2осн » со2.
Свободные колебания модели описываются уравнениями
X + со2оснх = 0 х > 0;
X + Сх = 0 х < 0. Решение этих уравнений, соответствующее одному периоду колебаний, будет
— ътС--< г< 0;
х :
ю ю
V р
0 < г <-
ю ю
осн осн
здесь принято, что при г = 0, х0 = 0, х0 = v0.
Разложим это решение в ряд Фурье:
а ¥
х = -0 + ^ (ак созк ю0г + Ьк вт к^0г), 2 к=1
где
ю
2ююосн _ 2р
ак =~
Т
м+а>осн Т
ж
юосн
| х(()соб кю0^;
ж
юосн
ж ю
Ък = — | х{{ )б1П кю0^.
Вычисляя интервалы, получим
Т
1 - 008 ж
(1 - к ( Ю ^
V ЧЮ0у у
1 - 008 ж
(1 к( ю ^ 1 + к
Ю- кю
+
V \Ю0у у
ю + кю
+
+
008 Ж
( ( 1-к
лл
\Юосн у у
- кю
■ 1 008 Ж +
(( 1+к
V
\Юосн у у
Ю + кт
Ъ1 =- Т
ътж
( ( ю ЛЛ 1 - к
Vю 0 у у
ътж
(л ,( Ю ЛЛ 1 + к
ю- кт
+ -
Vю 0 у у
ю + кю
+
+ ■
ътж
( ( 1 - к
ю
Кюосн у у
ътж
( ( 1 + к
Х\
Кюосн у у
- кю
ю + кю
Учитывая неравенство << а^сн, покажем, что первая гармоника будет мало чем отличаться от единственной гармоники системы без тре-
щины. Для второй гармоники будет а2 » 0; Ъ2
тудой первой гармоники Ъх = —, получаем
ю
Ъ2 _ 1 ®1б _ 1 С3об
2
з ю
. Сравнивая с ампли-
Ъ 3 ю 3 С
т.е. отношение амплитуд второй и первой гармоники примерно такое же , как отношение жесткостей Сдоб и С, а следовательно, и отношение длины трещины к размеру изделия в направлении трещины.
62
2
ак =
1
1
1
Для регистрации АЭ-сигналов наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики на основе цирконататитаната свинца (ЦТС) со сравнительно высокой точкой Кюри 400 о С (для ЦТС-21). Такая пьезокерамика сохраняет работоспособность при штатных температурных режимах водо-водяных ядерных реакторов. Керамика ЦТС обладает устойчивостью к нейтронному и гамма-излучению. При флюенсах нейтронов -10 22 нейтрон/м 2 и температурах до 200 o C она практически не меняет своих свойств, а облучение гамма-квантами с мощностью дозы 1, Р/ч и интегральной дозой 1, Р также существенно не ухудшат ее пьезоэлектрических характеристик.
Заключения о результатах контроля строятся на основании аппарата проверки статистических гипотез. Под статистической гипотезой подразумевают любое утверждение о виде или свойствах распределения значений измеренных величин. Гипотезы выдвигаются на основе теоретических соображений или предыдущего опыта. Можно предположить, что случайные величины, полученные в результате измерений, имеют нормальное распределение.
Использование НК, в частности акустического контроля, влияет на управление отказоустойчивостью, при оценке технического состояния компенсаторов трубопровода. Своевременное определение результатов контроля отказоустойчивости компенсационного звена и состояния сварного шва влияет на степень надёжности любой системы трубопроводов. Особое внимание нужно уделять АЭ контролю сильфонных компенсаторов и трубопроводов в целом.
Список литературы
1. Акустика: Справочник. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
2. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. М.-Л., Машгиз, 1963.
164 с.
3. Ларкин Е.В., Глебович С.А. Оценка технического состояния сильфонных трубопроводных компенсаторов без вывода из эксплуатации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 2. С. 198-203.
4. Глебович С.А. Конструкция сильфонных компенсаторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С.53-57.
5. Глебович С.А., Кулухов В., Стелмар С. Сильфонные компенсаторы в судостроении: как формировался рынок. Интервью корреспонденту Mil. Press FlotProm, Валерию Бутымову. [Электронный ресурс] URL: https://flotprom.ru/2019/Оборонка58/ (дата актуализации: 23.09.2019).
6. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Общие требования. Дата актуализации: 23.09.2019.
7. Чугреев А. А. Измерение шума бытовой аппаратуры // Известия ТулГУ. Проблемы специального машиностроения. Тула: ТулГУ, 2002. Ч. 2. С. 111 - 115.
8. Преимущества и недостатки Акустического Контроля по сравнению с другими методами. [Электронный ресурс] URL: https://armtorg.ru/articles/item/60/ (дата актуализации: 23.09.2019).
Глебович Станислав Александрович, аспирант, slivgl@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FAULT TOLERANCE MANAGEMENT, WHEN ASSESSING THE TECHNICAL CONDITION OF THE EXPANSION JOINTS PIPELINE'S
S.A. Glebovich
Acoustic emission systems and devices are widely used for monitoring and diagnostics of various industrial facilities: pipelines, tanks, pressure vessels, tanks, columns, reactor equipment, tanks of petroleum products, lifting equipment, etc. are Considered more promising directions in the diagnosis of pipelines. It is proposed to use the current model of the oscillatory system "product with crack"for acoustic control in fault tolerance management, in assessing the technical condition of the pipeline compensators.
Key words: bellows, axial bellows compensators, non-destructive testing, acoustic emission control, ultrasonic control, acoustic emission devices, deformation, fault tolerance.
Glebovich Stanislav Aleksandrovich, postgraduate, stivgl@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state university
УДК 004.94
РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ
Б.В. Костров, Е.А. Трушина
В статье рассматривается вариант реализации этапа эскизного проектирования автоматизированной информационной системы путем разработки интегральной модели человеко-машинной системы, бизнес-процессы которой планируется автоматизировать. Предложенный вариант разработки интегральной модели может быть полезен разработчикам автоматизированных информационных систем на этапе эскизного проектирования и, в определенной мере, на этапе технического проектирования.
Ключевые слова: автоматизированная информационная система, эскизное проектирование, техническое проектирование, интегральная модель, человеко-машинная система, системно-эргономический анализ.
Введение. Современные организации (и особенно промышленные предприятия) достигают успеха в реализации бизнес-процессов в случае точного представления своих ресурсов, затрат, прибыли, движения документов и многого другого. Оперативно анализировать процессы и делать правильные выводы по повышению эффективности производства помогают автоматизированные информационные системы (АИС).
64
