Определение напряженно-деформационного состояния

Оборудования

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.

Вибрационная диагностика

Под вибрационной диагностикой понимают техническуюдиагностику, основанную на анализе вибрации объекта диагностирования. Вибрационная диагностикаприменяется при диагностирова­нии трубопроводов и объемногооборудования, колебания которых возбуждаются пульсациями потока технологической среды, и машинногооборудования, колебания которого возбуждаются движением его элементов.

Движущиеся части машинного оборудования создают в нем колебания, анализ которых позволяет получить информацию о его техническом состоянии.

Существуют несколько причин, вызывающих колебания механизма:

1. Неуравновешенность движущихся деталей. Эти колебания характеризуются низкими частотами, сравнительно большими амплитудами перемещения и малыми ускорениями. Основная часть вибрации механизма равна числу оборотов вала, на котором имеются несбалансированные массы. Наблюдаются также гармоники, кратные основной частоте.

2. Соударение деталей механизма из-за зазоров в кинематическихпарах. Колебания отличаютсявысокими частотами (тысячигерц), малыми амплитудами и значительнымиускорениями. Частоты не зависят от скоростного режима механизма, а определяются в основном размерами,формойи упругими константами материаловдеталей.

3. Соударение деталей механизма, не составляющих кинематические пары (детали форсунок топливной аппаратуры, клапаны и др.).

4. Трение к кинематических парах. Колебания имеют место в широком диапазоне частот, имеют малую амплитуду, создавая фоновый шум акустического сигнала от соударения деталей.

5. Гидроакустические колебания технологической среды (транспортируемого газа, жидкости).

6. Колебания связанных с машиной элементов технологической системы (трубопроводов и др.).

По мере износа машины, оседания фундамента, ослабления креплений, деформации деталей в динамических свойствах машины происходят изменения: нарушается центровка валов, баланс роторов, увеличиваются зазоры в кинематических парах, изменяется геометрия деталей. Все эти факторы приводят к увеличению энергии механических колебаний. Для большинства машин механические колебания имеют типичные характеристики и уровни, если машина находится в хорошем состоянии. Когда начинается развитие неисправностей, происходит изменение динамических процессов, меняется уровень динамических колебаний и форма спектра колебаний. Под спектром понимают совокупность соответствующих гармоническим колебаниям значений величин, характеризующих колебания (амплитуда, фаза, энергия), в которой указанные значе­ния располагаются в порядке возрастания частот гармонических составляющих.

Основной задачей вибродиагностики является исследование состояния кинематических пар и деталей механизма. Рассмотрим причины, приводящие к импульсному, ударному взаимодействию деталей.

К основным погрешностям подшипников качения относятся: волнистость беговых дорожек, их овальность, огранность тел качения, дисперсия их диаметров, радиальный зазор. Ось вала в подшипнике с зазором не остается постоянной, а совершает прецессию, т.е. блуждание, допускаемое имеющимися степенями свободы. В процессе блуждания вал сталкивается с телами качения, что является причиной колебаний. Аналогичная прецессия наблюдается и в подшипниках скольжения. В подшипниках и шарнирных соединениях удар происходит в результате изменения величины и направления действия нагрузки.

Динамические явления в зубчатых парах возникают при изменении частоты вращения и крутящего момента. Однако даже в идеальных зубчатых передачах колебания имеют место вследствие изменения условий нагружения по линии зацепления зубьев. С неравномерным износом поверхности зубьев их профили отличаются от первоначальных эвольвентных, изменяется мгновенное пере­даточное отношение по линии зацепления, увеличиваются зазоры.

Наличие зазора между поршнем и цилиндром в поршневых парах и увеличение его при износе вызывает биение поршня. Перекладка поршня с одной стороны гильзы на другую происходит при изменении направления равнодействующей силы, приложенной к поршню, и сопровождается ударным импульсом.

Кроме кинематических пар источником ударных импульсов является, например, посадка клапана на седло. Износ клапана приводит к изменению геометрии и собственной частоты. К такому эффекту приводит и наличие трещин.

Вибродиагностические признаки наиболее распространенных дефектов холодильных компрессоров:

• дисбаланс ротора (или муфты) проявляется на оборотной частоте;

• несимметрия магнитного поля электродвигателя, вызванная воздушным зазором между ротором и статором, проявляется на сетевых частотах (50 и 100 Гц);

• износ опорных подшипников роторов проявляется на различных частотах от субгармонических до высших кратных оборотной (зависит от типоразмера подшипника);

• дефекты износа шеек роторов, перекосы шеек вала (несоосность), расцентровка валов электродвигателя и компрессора проявляются на оборотных и кратных им частотах;

• для винтовых машин касание ротора о корпус проявляется на высших кратных частотах от оборотной;

• износ профилей зубьев роторов винтовых компрессоров или их неправильная укладка проявляется на зубцовых частотах;

• неуравновешенность возвратно-поступательно движущихся узлов поршневой группы проявляется на тактовой частоте;

• повышенные зазоры кривошипно-шатунного механизма проявляются на кратных оборотной частотах;

• износ зубьев шестерен масляного насоса проявляется на зубцовых частотах.

Информацию о состоянии машины и ее элементов несет акустический сигнал, регистрируемый датчиком колебаний. Акустический сигнал представляет собой последовательность импульсов, расположенных в определенном порядке. Каждый импульс порожден соударением деталей. Амплитуда импульса зависит от величины зазора в кинематической паре. Последова­тельность импульсов зависит от последовательности взаимодей­ствий деталей, поэтому по положению импульса на осциллограмме можно определить кинематическую пару, которая его послала. Им­пульс, видимый на осциллограмме, представляет собой совокуп­ность импульсов, порожденных несколькими кинематическими парами.

Задачей исследователя является выделение сигнала, соответствующего определенной кинематической паре. С этой целью акустический сигнал обрабатывается различными методами: представляется в виде спектра S(f), v(f), a(f); частотной фильтрацией, стробированием (пропусканием сигнала с определенными уровнем), детектированием (выделением низкочастотного модулирующего сигнала), огибающей сигнала и другими.

Современная вибродиагностическая аппаратура позволяет фиксировать параметры сигнала, проводить преобразования диагностического сигнала, фиксировать и хранить в памяти результаты исследований, выводить результаты на дисплей и принтер.

Большинство критериев оценки общего уровня механических колебаний базируется на среднем квадратическом значении (СКЗ) скорости колебаний в частотном диапазоне до 1000 Гц.

Практика показывается, что увеличение амплитуды до 8 дБ следует рассматривать как значительное изменение состояния объекта, являющееся основанием для выявления причин увеличения вибрации.

Увеличение до 20 дБ указывает на необходимость проведения ремонта.

Оценка по средним показателям не позволяет оценить состояние отдельных деталей в машине. Более полную информацию дает сравнение текущего спектра с базовым спектром машины, соответствующим машине в исправном состоянии (как правило, после обкатки оборудования при приемно-сдаточных испытаниях). Сравнение спектральных характеристик позволяет отслеживать изменение состояния отдельных элементов машины.

При необходимости постоянного контроля за состоянием потенциально опасного оборудования и получения информации о его изменении на ранних стадиях зарождения неисправностей применяют систему непрерывной мониторизации. При этом датчики устанавливают на машине стационарно, а пульт обработки и отслеживания информации в диспетчерской. Подобные системы применяют на электростанциях, нефтегазоперерабатывающих предприятиях, нефтегазопродуктопроводах.