Оборудования

Определение напряженно-деформационного состояния

Оценка напряженно-деформационного состояния (НДС) оборудования является основой для заключения о его работоспособности, безопасной эксплуатации и определении остаточного ресурса.

Исследования НДС проводятся аналитическими, экспериментальными и расчетно-экспериментальными методами.

Аналитические методы исследования НДС базируются на известной идеализации объекта исследования, свойств конструкционных материалов, режимов эксплуатации объекта. Они не учитывают изменение технического состояния объекта при эксплуатации (старения конструкционных материалов, прирабатываемоcти, перераспределения нагрузки между элементами конструкции, коррозию, износ и другие процессы деградации), а также широкую гамму режимов и условий эксплуатации. Вызывает определенные трудности расчет сложно-напряженного состояния объекта при наличии не всегда известных граничных условий или их изменения в процессе эксплуатации, изменения режимов и условий работы.

В основе традиционных методов расчета НДС сосудов, аппаратов, технологических трубопроводов лежит теория тонкостенных оболочек. Эти методы нормализованы (см. список нормативно-технической литературы).

К более общим методам расчета НДС конструкций различной конфигурации, позволяющим рассчитывать НДС конструкций, отличающихся от правильных геометрических форм (с учетом дефектов монтажа, мест коррозии, несплошностей и других дефектов) относятся методы граничных и конечных элементов.

Метод конечных элементов (МКЭ) относится к вариационно-разностным приближенным методам решения задач поля. Сущность метода состоит в переходе от континуальной расчетной модели сплошного тела с дискретной модели, состоящей из конечных элементов простой геометрической формы (треугольников, тетраэдров и др.). Задача отыскания напряженно-деформационного поля в континуальной модели сводится к отысканию напряжений и деформаций в конечном числе узловых точек, соединяющих конечные элементы. Эти расчеты проводят с помощью ЭВМ по специальным программным комплексам. Однако и эти методы по указанным причинам не всегда точно описывают напряженно-деформационное состояние объекта в условиях реальной эксплуатации. Поэтому экспериментальные методы исследования НДС являются единственной гарантией объективности наших знаний о техническом состоянии.

Наиболее широкое применение в экспериментальных иссле­дованиях НДС нашли методы тензометрирования. Суть метода состоит в изменении электрического сопротивления проводника (проволочного или фольгового датчика) или полупроводникового элемента при его растяжении (сжатии). Изменение сопротивления проводника связано с деформацией формулой

где r - удельное сопротивление проволоки, -длина проводника, S-площадь поперечного сечения проводника.

Отношение называют коэффициентом чувствительности к деформации.

Изменение тока в цепи датчика усиливается специальным прибором (тензоусилителем) и фиксируется осциллографом. Широкое применение нашли тензостанции, позволяющие работать одновременно с большим количеством тензодатчиков, обрабатывать в численном виде информацию о показаниях датчиков, хранить ее в памяти и выдавать ее в удобной для анализа и отчета форме.

Тензодатчики прикрепляются к поверхности объекта (обычно приклеиваются) и ориентируются в направлении измеряемого напряжения. Тензодатчики могут изготавливаться в виде розетки, позволяющей одновременно измерять напряжения в нескольких направлениях.

Косвенно об уровне напряжений можно судить по изменению магнитного поля напряженного тела. В этом случае необходимо знать корреляционную связь между параметрами магнитного поля и напряженным состоянием материала. Принцип работы такой измерительной аппаратуры (например, Stresscan-500C) основан на магнитоупругом эффекте ферромагнитных материалов, заключающемся в том, что при внешнем силовом воздействии, вызывающем деформацию и напряжения, в материале происходит изменение намагниченности. Эти изменения характеризуются соответствующим уровнем электромагнитных импульсов (шумов Бакхаузена), возникающих при приложении внешнего магнитного поля.

Для качественной оценки напряженно-деформационного состояния используют также тензочувствительные покрытия, методы муара, интерферометрии, голографии. Широко приме­няется исследование НДС на моделях.

Информация об остаточной деформации элемента сосуда может быть получена при изменении расстояния между реперными точками, линиями или по искажению сетки, нанесенной на поверхность объекта при проведении испытаний.

Суть расчетно-экспериментальных методов исследования НДС состоит в том, что ряд граничных условий, режимов нагружения, вибрационных характеристик объекта, а также напряженно-деформационное состояние в ограниченном числе точек, находят экспериментальным путем. После чего проводится уточненный расчет конструкции в целом.

Прогнозирование остаточного ресурса проводится с целью определения наработки с момента технического диагностирования его состояния до достижения им предельного состояния с заданной вероятностью безотказной работы.

Прогнозирование поведения объекта проводят различными методами:

• экстраполяцией данных о техническом состоянии, полученных ранее по результатам диагностирования;

• моделированием, т.е. исследованием физической модели объекта, деградационных процессов, математическим (машинным) экспериментом аналитической модели;

• опросом экспертов;

• анализом статистических данных об отказах и ресурсе множества аналогичных объектов при схожих режимах и условиях эксплуатации;

• методом аналогий поведения объекта с поведением других объектов в данных условиях эксплуатации.

По форме представления количественных результатов различают статистические и детерминированные методы.

Для прогнозирования надежности оборудования применяют, в основном, две группы методов: статистические (основанные на статистической обработке данных об отказах и ресурсе аналогов) и экстраполяционные (основанные на анализе тренда параметров технического состояния исследуемого оборудования).

Статистические методы применяют в тех случаях, когда по исследуемому объекту нет ретроспективных данных об изменении параметров, определяющих его техническое состояние. Сбор информации и статистическая обработка данных об отказах и ресурсе аналогов проводится нормализованными методами.

Если на исследуемом объекте периодически или непрерывно проводится контроль параметров технического состояния и эти данные накоплены за достаточный срок эксплуатации, то более эффективно использование метода прогнозирования тенденций изменения (тренда) параметров технического состояния. Графическая или аналитическая интерпретация тренда параметров в будущее время называется экстраполяцией.

В общем случае выбор метода прогнозирования остаточного ресурса должен обосновываться точностью и достоверностью полученных данных, а также требованиями точности и достоверности прогнозируемого ресурса объекта и риска его дальнейшей эксплуатации, наличия и надежности системы контроля его технического состояния.

В соответствии с РД 09-102-95 определение остаточного ресурса потенциально опасного объекта осуществляется на основе имеющейся информации прогнозированием его технического состояния по определяющим параметрам до достижения ими предельного значения.

Возможность прогнозирования величины остаточного ресурса методом экстраполяции обеспечивается при одновременном наличии следующих условий:

• на основании обследования известны параметры технического состояния объекта;

• известны определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов объекта;

• известны критерии предельного состояния объекта, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

По ряду деградационных процессов (сплошной коррозии, изнашивания, ползучести) эти условия выполняются. По другим видам повреждений (образование трещин, межкристаллической, щелевой, язвенной коррозии, некоторых видов изнашивания) выполняются не все условия, что требует специальных исследований.

Основой прогнозирования остаточного ресурса служит следующая информация:

• диагностические данные о состоянии объекта;

• данные о режиме и условиях эксплуатации;

• априорная информация о процессах, ограничивающих ресурс.

Номенклатура параметров технического состояния должна содержать:

• наименование параметра;

• принадлежность его к параметрам, описывающим групповые или индивидуальные особенности исследуемого объекта;

• способ измерения параметра;

• характеристику погрешности измерения параметра.

В число информативных параметров в каждом конкретном случае включаются только те параметры, которые определяют работоспособность потенциально опасных участков рассматриваемого объекта и заметно изменяются в ходе эксплуатации. В качестве информативных параметров для определения предельного состояния потенциально опасного оборудования, подверженного коррозии, в первую очередь принимают толщины стенок силовых элементов, напряженно-деформационное состояние, дефектность и прочностные характеристики материалов в потенциально опасных участках.

Повреждения сосудов и аппаратов возникают вследствие воздействия различных эксплуатационных факторов, влияние каждого из которых имеет свои закономерности. Поэтому необходим всесторонний анализ их влияния на ресурс. Повреждения могут быть вызваны эрозионным истиранием стенок рабочей средой, коррозией металла, усталостью, температурной ползучестью, изменением физико-химических свойств металла и другими причинами. Наиболее часто встречающимися поврежде­ниями поверхностей нагрева являются: отдулины, трещины, разрывы элементов (например, труб), которые могут быть вызваны загрязнением поверхностей теплообмена, неравномерностью температурного поля и др. Перегрев металла вызывает изменения его структуры, снижение механических характеристик, окалино-образование. Накопленный опыт типовых повреждений сводится в атласы повреждений химического оборудования.

Допустимое количество повреждений на поверхности аппаратов и их размеры регламентируются в зависимости от характера нагружения и свойств материалов нормативными документами. Предельно допустимые значения повреждений, установленные в нормативно-технической документации, называются критериями предельного состояния.

Безусловными критериями предельного состояния сосудов, аппаратов, трубопроводов, подвергающихся коррозии, являются:

• потеря прочности при уменьшении толщины стенки,

• наличие растрескивания металла, коррозионных язв, питтинга в зоне сварных швов,

• распространение дефектов (трещин, коррозионных язв и др.) на регламентированную нормативной документацией площадь и глубину.

При возможности непрерывного контроля параметров технического состояния могут использоваться упрощенные методы, при которых прогнозирование осуществляется по одному параметру технического состояния:

• для объектов, работающих в условиях статического нагружения и общей равномерной коррозии, расчет проводится по снижению несущей способности вследствие уменьшения толщины стенки;

• для объектов, работающих в условиях циклического нагружения при отсутствии коррозионной среды, расчет проводится по снижению несущей способности вследствие малоцикловой усталости;

• для объектов, для которых накоплен объем информации по функциональным параметрам, достаточный для экстраполяции их значений на последующий период эксплуатации, расчет проводится по изменению этих параметров до предельных значений.

В основе выбора типовых моделей экстраполяции лежат априорные знания физических закономерностей развития повреждений и результаты предшествующих исследований закономерностей деградации на объектах-аналогах со сходными режимами и условиями эксплуатации.

Аналитическим прогнозированием называют прогнозирование, задачей которого является получение аналитических выражений для оценки значений прогнозируемых параметров. При этом искомой величиной является, параметр технического состояниях в будущий момент времени t или момент времени, когда параметр технического состояния достигает предельного значения. Если техническое состояние описывается несколькими параметрами, то используют понятие обобщенного многомерного вектора состояния х = (х₁, х₂, ….)

Индивидуальный прогноз объекта исследования основан на знании математического ожидания М_х и условной дисперсии величины х в моменты времени, предшествующие моменту обследования x(t_i), i=1,N, и принимаемой модели развития этого процесса.

Рассматриваемый процесс представляют в виде сочетания регулярной и случайной составляющих

x(t,j)=y(t,j)+z(t).

Предполагается, что регулярная составляющая y(t,j) представляет собой гладкую функцию времени, описываемую конечномерным вектором параметров j. Эта составляющая имеет ряд синонимов: тренд, уровень, тенденция, детерминированная основа процесса.

Случайная составляющая z(t) принимается не коррелируемым случайным процессом с нулевым математическим ожиданием.

Оценка z(t) необходима для определения точностных характеристик прогноза. При оценке точности прогноза принято рассматривать три класса случайных процессов: стационарные случайные процессы, случайные процессы с медленно возрастающим (убывающим) математическим ожиданием и дисперсией. Выбору аппроксимирующей функции регулярной составляющей предшествует сглаживание, выравнивание и анализ временного ряда значений показателей. Выбор вида функции является неформализованным процессом и зависит от интуиции и субъективных качеств прогнозиста. Наибольшее применение нашли следующие аппроксимирующие функции:

• линейная модель вида y(t)=у₀+Ct. Эта модель хорошо описывает кинетику разрушения металлов при общей коррозии и различных видах механического изнашивания, гидро- и газоабразивной эрозии;

• степенная модель y(t)=Ct^m. Модель применяется при описании многих видов коррозии (сплошной, локальной), а также при коррозии под напряжением и изнашивании;

• логарифмическая зависимость y(t)=Aln(t+С). Она хорошо описывает кинетику газовой и локальной коррозии;

• экспоненциальная модель y(t) = C*exp[T(t)]. Применяется при описании общей коррозии под напряжением.

В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма-процентный ресурс, задаваемый двумя численными параметрами: наработкой и выраженной в процент ах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто. В отсутствии второго показателя величина наработки считается назначенной.

Выбор вероятности осуществляется в зависимости от назначения, степени ответственности и режима использования объекта. Для уникальных и ответственных объектов, отказ которых может привести к человеческим жертвам и существенным экономи­ческим потерям, значение вероятности приближается к единице.

В статистических методах оценки ресурса по результатам исследования партии изделий гамма-процентный ресурс определяется по кривой распределения ресурсного показателя. В отсутствии закона распределения используют непараметрические методы оценки надежности.

В экстраполяционных методах определения ресурса единичного объекта ожидаемый ресурс определяется при достижении y(t) предельной величины. Если параметр х неравномерно распределен по поверхности (например, глубина и площадь коррозионного разрушения), то определяют функцию распределения этой величины и находят доверительные нижнюю и верхнюю границы ресурсного показателя, задаваясь величиной гамма. При этом полагают, что закон распределения в начале и конце прогнозируемого интервала времени не изменяется.

Например, опыт эксплуатации показывает, что распределение язв коррозионного повреждения подчиняется закону Вейбулла с коэффициентом вариации 0,2-для эрозии, сплошной равномерной коррозии, 0,3-0,5-для сплошной неравномерной коррозии, 0,6-1,0-для язвенной, питтинговой, межкристаллитной коррозии.

При статическом разрушении для оценки гарантии прочности учитывают распределение действующих напряжений (нагрузок), вызываемых максимальными нагрузками. При расчете конструкции по критерию усталостной прочности учитывают распределение числа циклов до разрушения при определенной амплитуде. В расчетах на износ принимают нормальное распределение износа детали.

Общая типовая методика прогнозирования технического состояния оборудования содержит следующие этапы исследования:

1. Определение стратегии прогноза (определение цели, задач, интервала упреждения, рабочих гипотез, методов и организации исследования).

2. Прогностический фон (сбор информации о методах прогнозирования по схожим с объектом исследования объектов).

3. Разработка системы показателей, параметров, отображающей характер и структуру объекта.

4. Разработка поисковой модели (проекции в будущее системы показателей модели на дату упреждения по наблюдаемой тенденции с учетом факторов прогностического фона).

5. Разработка нормативной модели (проекции в будущее системы показателей модели в соответствии с заданными целями и нормами по заданным критериям).

6. Оценка степени достоверности (варификации) и уточнение предварительных моделей с помощью параллельных контрольных методов (опросом экспертов, математическим экспериментом).

7. Выработка рекомендаций для оптимизации принятия решения в планировании и управлении эксплуатацией оборудования на основе прогностических моделей.

Право разработки методик расчета остаточного ресурса предоставляется специализированным организациям, имеющим лицензию Ростехнадзора на этот вид деятельности. Методики согласовываются с Ростехнадзором в установленном порядке.

Дата добавления: 2015-04-30