КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Уровни классификации. Классификация по параметру эффективности. Параметрическая диагностика.

Диагностика разрушения. Классификация по диапазону изменения параметра эффективности. Классификация по номенклатуре нормируемых показателей. Диагностика по внешним параметрам. Неразрушающий контроль

Унифицированная постановка технической задачи определения и обеспечения заданного значения показателя эффективности позволяет в рамках одной системы (1.1.28)н-( 1.1.30) классифицировать (определить) объекты, задачи, виды, этапы и методы технической диагностики. Так, все они классифицируются (различаются) по:

  • • показателю эффективности и его функции — левой части условия (1.1.28);
  • • набору аргументов и параметров функции эффективности — номенклатуре нормируемых показателей (1.1.30);
  • • диапазонам изменения нормируемых показателей (1.1.29). Отсюда следует, что классификации по параметру эффективности — первый (высший) уровень классификации технической диагностики. Поэтому прежде всего необходимо сформировать набор показателей эффективности процессов, обеспечивающих и сопровождающих трубопроводный транспорт.

Любая трубопроводная система состоит из разных механических систем. Их взаимодействие предназначено для решения разных задач в рамках обеспечения единого технологического процесса.

Следствием этого является наличие (как правило, иерархической) совокупности (системы) предельных состояний технологической системы (условий (1.1.29)), принципиально разных между собой (характеризуемых разными показателями хк) и, следовательно, имеющих принципиально разные критерии предельного состояния (разные хк т|П и хк тах). Поэтому для повышения надежности эксплуатации трубопроводной системы необходимо прежде всего выбрать для исследования конкретное предельное состояние и соответствующий ему конкретный процесс, обеспечивающий или сопровождающий технологический режим трубопроводного транспорта, с набором количественно характеризующих его параметров.

Для выбора предельного состояния и соответствующего ему процесса, прежде всего, необходимо конкретизировать понятие механического взаимодействия. Мерой механического взаимодействия является сила. Поэтому результатом механического взаимодействия трубопроводной системы с транспортируемым потоком является возникновение в общем случае системы:

  • • действующих на транспортируемый поток сил гидравлического сопротивления его перемещению по трубе;
  • • действующих на внутреннюю поверхность трубы сил.

Таким образом, любой технологический режим трубопроводного транспорта возбуждает одновременно (как минимум) два механических процесса:

  • • движения транспортируемого потока жидкости или газа по трубопроводу;
  • • деформации трубопроводной системы под воздействием на нее сил (как минимум) со стороны транспортируемого потока.

Для движения по трубопроводу (преодоления сил гидравлического сопротивления) транспортируемый поток должен обладать необходимой энергией, получаемой от нагнетательных машин. Система трубопроводов и нагнетательных машин представляют собой самостоятельную единую гидро- или газомеханическую систему. В рамках этой механической системы обеспечение надежности эксплуатации трубопроводной системы представляет собой задачу, в основе решения которой лежит принцип обеспечения энергетического баланса между получаемой потоком энергией и теряемой им.

Появление процесса деформации трубопровода под воздействием на него (в общем случае не только со стороны транспортируемого потока, но и со стороны распределенных по внешней поверхности трубы) сил ведет к возбуждению в материале трубы напряжений, в свою очередь, способных привести к потере трубопроводом геометрической формы, появлению сквозных отверстий в стенке трубы или даже к полному разрушению трубопровода. Поэтому в рамках механического процесса деформации трубы обеспечение надежности эксплуатации трубопроводных систем представляет собой задачу обеспечения прочности и устойчивости трубопроводов [25, 26].

Эти два механических процесса (две задачи обеспечения надежности эксплуатации трубопроводных систем) одновременно являются:

  • • взаимосвязанными (механически в рамках одного механического взаимодействия трубопроводной системы с транспортируемым потоком и формально в рамках обеспечения надежности одной технологической системы);
  • • самостоятельными (механически по разным наборам исходных и искомых численных характеристик и формально, как процессы, имеющие принципиально разные критерии предельного состояния и соответствующие ему наборы параметров и диапазоны их изменения) задачами (1.1.28)-*-( 1.1.30).

Принципиальным для оценки этих механических процессов является именно то, что они одновременно обеспечивают и сопровождают работу одной технологической системы. Поэтому критерии их предельного состояния будучи критериями самостоятельных процессов, тем не менее или прежде всего, формируют единую взаимосвязанную систему предельных состояний трубопроводной системы. Так, на основе номенклатуры нормируемых показателей надежности трубопроводной системы формируются, в частности, следующие ее предельные состояния:

  • • сочетание параметров технологического режима трубопроводного транспорта, при котором транспортируемый поток не будет обладать необходимой для обеспечения заданного объемного или массового расхода величиной энергии для преодоления гидравлических сопротивлений;
  • • разрушение трубопровода, под которым понимается нарушение сплошности стенки трубы — появление сквозного отверстия или общий разрыв трубы;
  • • потеря трубопроводом геометрической формы (в том числе устойчивости).

Функцией эффективности технологического режима трубопроводного транспорта могут быть расход (массовый или объемный), развиваемый НПС напор, давление транспортируемого потока, утечки и так далее, функцией эффективности разрушения трубопровода и потери им устойчивости — напряжение материала стенки трубы. Сами эти функции эффективности, их наборы аргументов и параметров — номенклатуры нормируемых показателей (1.1.30) — принципиально различны и, следовательно, определяют разные цели и задачи технической диагностики в своем приложении. Функция эффективности технологического режима трубопроводного транспорта требует формирования технологии технической диагностики, называемой параметрической диагностикой, напряжение материала стенки трубы — диагностики разрушения.

Почему нарушение сплошности стенки трубы и потеря трубопроводом геометрической формы (в том числе, устойчивости) обозначены в 125, 26] как предельные состояния и разные предельные состояния?

Нарушение сплошности стенки трубы — появление сквозного отверстия или общий разрыв трубы — ведет к непосредственным экономическим потерям:

  • • потеря определенного количества транспортируемой среды — газа, нефти или нефтепродуктов;
  • • различные штрафы;
  • • стоимость ремонтно-восстановительных работ.

Количественным показателем (функцией эффективности), определяющим условие нарушения сплошности стенки трубы, является напряжение материала стенки трубы [22, 25н-27]. С целью исключения нарушения сплошности стенки трубы критериальным (предельным) значением нормы [25, 26] определяют временное сопротивление на разрыв авр

о

н < кц —

/?;' • т

кК

(1.3.1)

где /?,н — минимальное значение временного сопротивления материала стенки трубы; т — коэффициент условий работы трубопровода; к{ — коэффициент надежности по назначению трубопровода; кн коэффициент надежности по назначению трубопровода.

Количественным показателем — функцией эффективности — процесса потери трубопроводом геометрической формы без нарушения сплошности стенки трубы также является напряжение материала стенки трубы. Критериальным значением напряжения для данного процесса является предел текучести атек.

При выполнении условия

^тек ^ СГпр ^ (7Вр (1.3.2)

потеря геометрической формы трубопроводом — бифуркационная потеря устойчивости:

  • • пластический шарнир;
  • • гофры;
  • • вмятины;
  • • и так далее.

Бифуркационная потеря устойчивости — появление местного гидравлического сопротивления, т.е., непроектное увеличение СОпротивления трубы. Это ведет к экономическим потерям, связанным с необходимостью:

  • • увеличения передаваемой транспортируемому потоку энергии;
  • • переукладки трубы;
  • • и так далее.

Поэтому нормы [25, 26] требуют выполнения условий

и

а

II

пр

^ Уз'

т

  • 0.9 • кн
  • *2

а". <

т

кц

  • 0.9 • кн
  • (1.3.3)
  • (1.3.4)

где 1 з — коэффициент, учитывающий двухосное напряженное

состояние металла труб; /?2Н — минимальное значение предела текучести материала стенки трубы.

Таким образом, нормативные условия (1.3.3) и (1.3.4) требуют не допустить пластических деформаций трубопроводов — бифуркационной потери устойчивости — и ограничить допустимую зону деформации трубопровода упругой зоной.

При выполнении условий (1.3.3) и (1.3.4) — в зоне упругой деформации материала стенки трубы — процесс потери устойчивости не сопровождается остаточными деформациями. Однако потеря устойчивости трубопровода и в этом случае также может вести к экономическим потерям, связанным с:

  • • накоплением в зонах изогнутой оси трубы механических примесей, гидратов, конденсата и, тем самым, ростом местных гидравлических сопротивлений;
  • • выходом трубы из траншеи.

Количественным показателем процесса потери устойчивости в зоне упругой деформации является продольная (осевая) сила и проверку общей устойчивости трубопровода в продольном направлении в плоскости наименьшей жесткости системы следует производить из условия [25,26]

5 кр, (1.3.5)

где 5 — эквивалентное продольное осевое усилие в сечении трубопровода; А^кр — продольное критическое усилие, при котором наступает потеря продольной устойчивости трубопровода.

Таким образом, необходимость обозначения и использования разных предельных состояний трубопровода связана с разными:

  • • технологическими и экономическими последствиями нарушения соответствующего предельного состояния;
  • • функциональными зависимостями функции эффективности (и, следовательно, разной номенклатурой нормируемых показателей (1.1.30)) — напряжения материала стенки трубы в зоне упругой (при выполнении условия (1.3.3) и (1.3.4)) и пластической (при выполнении условия (1.3.2)) деформации;
  • • функциями эффективности в зоне упругой деформации — напряжения материала стенки трубы и продольной (осевой) силы. Следствием данных различий является разница технологии проектирования, технического обслуживания, экспертизы и технической диагностики трубопроводных систем.

Из вышесказанного следует второй уровень классификации технической диагностики — классификация по диапазону изменения параметра эффективности.

Согласно [22] компоненты тензора напряжений упругого тела являются функцией

(1.3.6)

в которой еар — компоненты тензора деформаций упругого тела;

— компоненты метрического тензора; — немеханические параметры физико-химической природы.

При анализе состояния трубопровода в одной системе координат компоненты метрического тензора являются постоянными параметрами. Тогда аргументы функции напряжений упругого тела могут быть разделены на две принципиальные группы:

  • • механические (?ар и Т)
  • • немеханические (%,-).

Физико-химические параметры влияют на параметры, определяющие физико-химические свойства материала трубопровода, а также на величину предельных значений его напряжения (критериальных выражений предельных состояний), геометрию локальных зон пластической деформации и, следовательно, должны учитываться при оценке прочности и устойчивости трубопроводов. Однако на сам механический процесс деформации трубопроводной системы эти параметры не влияют и при его анализе могут быть приняты постоянными величинами. С учетом принципа суперпозиции влияние аргументов еар и Г на функцию напряжения (1.3.6) можно рассмотреть по-отдельности, т.е. функцию напряжения (1.3.6) и формализуемый ею процесс можно анализировать при разной комбинации аргументов и параметров:

  • • все величины еар, Ти х, являются переменными и исследуемыми;
  • • величины еар и Тявляются переменными и исследуемыми, ЗАЯВЛЯЮТСЯ постоянными параметрами;
  • • величины ?ар являются переменными и исследуемыми, Т И ЗАЯВЛЯЮТСЯ постоянными параметрами;
  • Тявляется переменной и исследуемой, еар и X, являются постоянными параметрами.

Из этого следует возможность и необходимость третьего уровня классификации технической диагностики — классификация по набору аргументов и параметров функции эффективности (номенклатуре нормируемых показателей (1.1.30)).

В самом простом варианте функция напряжения а определяется как отношение действующей силы Р к площади поверхности 5, по которой эта сила распределена [27],

Следовательно, определение величины напряжения требует одновременного знания числителя — действующих в конструкции сил Р— и знаменателя — площади 5.

Все необходимые дифференциальные уравнения движения механической системы материальных точек и континуума находятся формально из уравнения Лагранжа 2-го рода. Для системы п материальных точек уравнение Лагранжа П-го рода (закон движения) имеет вид (например [2])

?(Рк-п,как)-8гк = 0, (1.3.8)

к=

где Рк равнодействующая активных сил, приложенных к к-й точке системы; тк — масса к-й точки системы; ак ускорение к-й точки системы; гк радиус-вектор, определяющий положение к-й точки системы; 5^. — вариация радиус-вектора, формализующая возможное перемещение к-й точки системы.

Для системы, состоящей из одного элемента (п = 1), с известным значением массы т и местом ее расположения гк уравнение (1.3.8) —

одно уравнение с двумя неизвестными — силой Рк и ускорением ак. Если измерить ускорение ак, то уравнение (1.3.8) становится одним

уравнением с одним неизвестным Рк и, следовательно, имеет одно решение. То есть, уравнение Лагранжа (1.3.8) предоставляет теоретическую основу и формулирует принцип технологии определения действующих в конструкции сил по внешнему проявлению их действия — по измеренным значениям ускорения (скорости или перемещения). При знании конструкции (набора п элементов и распределения массы по конструкции т*) и мест установления датчиков измерительной аппаратуры гк измеряя ускорение ак (скорость или

перемещение) в к-й точке конструкции находим значения сил Рк.

Определение действующих в конструкции сил по их внешнему проявлению — диагностика сил по внешним параметрам.

Диагностика сил по внешним параметрам является необходимой не только для определения числителя в формуле напряжения (1.3.7), но и для определения, например, сил, действующих в нагнетательных машинах — насосах и компрессорах. Так, установленный на корпусе подшипника вала насоса или компрессора датчик измеряет значение виброскорости, по величине которого и проводится оценка технического состояния нагнетателя.

При расчете нормативных напряжений по формулам [25, 26] стенка трубы рассматривается, как сплошной цилиндр. Реальная труба отличается от сплошного цилиндра, в частности, тем, что содержит в своем теле первоначальные разрушения — геометрические поверхностные и внутренние неоднородности (рис. № 1.3.1).

Наличие геометрических неоднородностей приводит к появлению около них микрозон пластической деформации (превышению значением напряжения предела текучести) и, следовательно, к развитию — увеличению размеров — первоначального разрушения [15]. Этот процесс требует своего контроля и оценки. Для определения факта наличия геометрических неоднородностей, их геометрических размеров и мест расположения применяется неразрушающий контроль. Неразрушающий контроль необходим для определения знаменателя в формуле напряжения (1.3.7).

№ 1.3.1. Варианты поверхностных и внутренних геометрических

Рис. № 1.3.1. Варианты поверхностных и внутренних геометрических

неоднородностей в трубе

Диагностика по внешним параметрам и неразрушающий контроль являются самостоятельными технологиями технической диагностики. Они отличаются между собой, прежде всего, исследуемой функцией эффективности и, следовательно, набором ее аргументов и параметров. Но при этом они функционально взаимосвязаны формулой (1.3.7). Поэтому является принципиальной ошибкой подразумевать под технической диагностикой только неразрушающий контроль.

При отсутствии сил числитель в (1.3.7) равен нулю и, следовательно, напряжение так же равно нулю. В этом случае, дальнейшее разрушение возможно только за счет уже другого процесса — химического, в частности коррозионного разрушения со своей функцией эффективности и, следовательно, своим набором определяющих аргументов и параметров.

В настоящий момент используются и другие принципы классификации технической диагностики — по объектам (диагностика насосов и компрессоров, линейной части, резервуарного парка и т.д.), по используемой измерительной аппаратуре и так далее.

Но классификация по объектам слишком широкое понятие. Работа любого объекта — насоса, компрессора, линейной части — является системой взаимодействия разных процессов. Оценка каждого из процессов должна выполняться по определяющим его параметрам. А для этого нужна функция эффективности каждого процесса и, следовательно, именно классификация по функции эффективности.

Классификация по измерительной аппаратуре — классификация инструментария и в определенном смысле технологии проведения измерений. Это важный вопрос, но который необходимо решать только после определения цели исследования — процесса исследования и его определяющих параметров, то есть, после классификации по функции эффективности.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >