Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам

Методология прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого в условиях циклического нагружения, на стадии проектирования и эксплуатации

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

  Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

НАУМКИН ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ, НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.02.13. -а Машины, агрегаты и процессы

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа - 2011

Работа выполнена на кафедре Технологические машины и оборудование ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет.

Научный консультантаа доктор технических наук

Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты: аа доктор технических наук, профессор

Зубаиров Сибагат Гарифович

доктор технических наук, профессор

Шанявский Андрей Андреевич

доктор технических наук, профессор

Ерофеев Валерий Владимирович

Ведущая организация: ОАО Системы и технологии обеспечения безопасности. ТЕХДИАГНОСТИКА а

Защита состоится 28 декабря 2011 года в 11- 00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослана 2011 года

Ученый секретарь совет а аа Ризванов Р.Г.

Актуальность проблемы

Условия эксплуатации оборудования, используемого в технологических процессах подготовки и переработки нефти и газа, характеризуются сложными режимами нагружения, включающими различные виды и сочетания механических, тепловых и коррозионных воздействий. Кроме того, большинство видов оборудования, такие как трубопроводные системы, резервуары, различное нагревательное оборудование имеет высокий уровень изношенности, что в конечном итоге приводит к трудно прогнозируемым последствиям с точки зрения реализации катастрофических разрушений. Значительное количество подобных объектов работает в условиях знакопеременных нагрузок, что представляет наибольшую опасность с точки зрения возникновения аварийных ситуаций. В условиях сложившейся обстановки особенно остро встает вопрос обеспечения надежной и безопасной эксплуатации оборудования нефтегазовой аотрасли.

Существующие на сегодняшний день способы определения технического состояния таких объектов позволяют обнаружить определенные дефекты, однако многие из них из-за протяженности или большой площади объектов своевременно не обнаруживаются и приводят к разрушению оборудования или его элементов. Поэтому актуальной является проблема неразрушающей оценки накопленных повреждений, которая бы позволила определить наступление предельного состояния до периода активного развития дефектов.

Предпосылкой при постановке цели исследования было выдвижение гипотезы о формировании дробно-размерной зоны, которая определяется количественно поверхностной энергией конструкционного материала. Поскольку дробно-размерный слой характерен не только для твердых материалов, но и для жидких, был проведен комплекс исследований, который подтвердил наличие данного слоя и указал на его связь с энергетическими характеристиками поверхности. Поэтому при исследовании закономерностей накопления повреждений в материале оборудования в процессе эксплуатации целесообразно применять такие методы неразрушающего контроля, которые позволяют оценивать изменение свойств на его поверхности.

Используемые при решении задач технической диагностики нефтегазового оборудования в настоящее время методы неразрушающего контроля, как правило, направлены на выявление и измерение достаточно развитых дефектов. Однако для физически изношенного оборудования наиболее опасным является состояние металла, когда на уровне структуры могут произойти необратимые изменения, которые определяют не только степень накопления повреждений в материале, но и дальнейший механизм разрушения конструкции. Поэтому точная оценка предельного состояния материала оборудования с одной стороны позволит снизить частые остановки на ремонт и диагностические работы, а с другой - исключить аварийную ситуацию.

Объект исследования: нефтегазовое оборудование, подверженное циклическим нагружениям.

Предмет исследования: прогнозирование состояния конструкций нефтегазового оборудования по результатам измерения поверхностных характеристик.

Цель работы: повышение эффективности мониторинга технического состояния нефтегазового оборудования и прогнозирования предельного состояния материала конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагружений, на основе результатов измерения его поверхностных характеристик.

Цель достигается решением следующих задач:

  1. Оценить роль поверхности в образовании и разрушении материалов оборудования и изменение поверхностных свойств при накоплении повреждений.
  2. аУстановить особенности усталостного накопления повреждений конструкций и разработать способы оценки уровня накопленных повреждений.
  3. аОпределить диагностические признаки наступления предельного состояния материалов оборудования, подверженных циклическому нагружению.
  4. аРазработать алгоритм прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого под действием циклических нагрузок, с учетом закономерностей изменения поверхностных свойств, на стадии проектирования и эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Научно доказано, что в процессе эксплуатации оборудования в материале в течение всего периода накопления повреждений изменение свойств носит нелинейный характер с локальными экстремумами, указывающими на увеличение вероятности разрушения. Установлено, что наиболее характерными из опасных периодов эксплуатации оборудования являются диапазоны с накоплением повреждений Ni/Np=0,3?0,4 и Ni/Np=0,7?0,8 (Ni/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). Идентификация предельного состояния материала оборудования наиболее точно оценивается с помощью выявленных диагностических признаков трехпараметрического определения физических параметров поверхности, таких как напряженность постоянного магнитного поля, напряжение и затухание отклика электрического сигнала и поверхностная энергия.

2. Разработан научно-обоснованный алгоритм прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования на стадии проектирования и эксплуатации, который основан:

- на оценке распределения напряженно-деформированного состояния материала оборудования численным методом и выявлении потенциально опасных зон, с последующей расчетной оценкой сроков контроля и ремонтно-восстановительных работ;

- на определении области потенциально опасных зон путем измерения акустических и магнитных характеристик, корректировкой дополнительных участков критического накопления повреждений, в которых методами интроскопии определяются координаты и геометрические размеры дефектов, и с учетом степени накопленных повреждений оценивается ресурс исследуемого объекта.

3. На основе экспериментальных исследований научно доказано, что поверхностная энергия материала конструкций при накоплении усталостных повреждений возрастает по всей области нагружения, что дает возможность оценивать степень накопленных повреждений металла оборудования. Кроме того, установлено, что в потенциальной зоне разрушения рост поверхностной энергии происходит в большей степени, чем в других областях исследуемого материала.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Установлены функциональные зависимости между уровнем накопленных повреждений и такими физическими параметрами, как поверхностная энергия, напряженность постоянного магнитного поля, напряжение и амплитуда затухания отклика электрического сигнала, скорость распространения ультразвуковых волн.

Развиты представления о природе поверхности и поверхностной энергии, в основе которой лежит идея о формировании поверхностной энергии за счет потери мерности сред.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Разработанный метод оценки накопленных повреждений и предельного состояния материала оборудования, эксплуатируемого в нефтегазовой отрасли, с учетом закономерностей изменения поверхностных характеристик положен в основу учебно-методического комплекса по изучению дисциплины Оценка накопления повреждений и предельного состояния материала оборудования магистрантов, обучающихся по направлению 150400 Технологические машины и оборудование программы 551831 Надежность технологических систем и оборудования с целью формирования базы знаний о природе явления разрушения в металлических материалах, основных принципах и механизмах разрушения.

Разработан и принят к использованию стандарт предприятия ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет Оценка долговечности оборудования, эксплуатируемого в условиях малоцикловой усталости, с учетом результатов электромагнитных измерений

При выполнении проектных работ блока ДИГ установки АГФУ нефтеперерабатывающего предприятия проведены расчеты напряженно-деформированного состояния и определены прогнозируемые сроки оценки технического состояния и ремонтно-восстановительных работ оборудования, подверженного циклическим нагружениям.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 54-62-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, УГНТУ, 2003-2005 гг.); IX Международной научно-технической конференции Проблемы строительного комплекса России. Ежегодных итоговых конференциях отделения технических наук АН РБ (г. Уфа, 2001, 2002, 2003 г.г.); Международной научно-технической конференции Прикладная синергетика -II (г. Уфа, 2004 г.); 1-ой Всероссийской научной INTERNET-конференции (г. Уфа, 2003 г.); секции Проблемы нефти и газа III Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2001 г.), Всероссийской студенческой научно-технической конференции Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность аи экология (г. Казань, 2005 г.), научно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза (г. Уфа, 2007 г.); аВсероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах (г. Уфа, 2007 г.); Международной научно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах (г. Уфа, 2008 г.); II-й Всероссийской конференции молодых ученых Актуальные проблемы науки и техники (г. Уфа, 2010); Всероссийской научно-технической конференции Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения (г. Уфа, 2010 г.); Международной научно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах (г. Уфа 2010 г.): XIV Международной научно-технической конференции Проблемы строительного комплекса России (г. Уфа, 2010 г.).

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 45 научных трудах, в том числе в 1 монографии и 22 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получено 4 патента.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований, содержит 210 с. машинописного текста, 70 рисунков, 14 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ существующих механизмов накопления повреждений и разрушений материалов, описаны виды предельного состояния и критерии разрушения, приведены факторы, влияющие на повреждение материала оборудования, работающего в условиях статических, знакопеременных и термических воздействий. Описаны особенности накопления повреждений в зоне концентрации напряжений и способы их выявления. Приведены существующие методы оценки остаточного ресурса сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Описано, что остаточный ресурс оборудования определяется по факту утонения стенки аппаратов вследствие коррозионного воздействия. Усталостные явления в материалах оборудования подробно описаны в многочисленных трудах С.В. Серенсена, В.П. Когаева, Н.А. Махутова, А.А. Шанявского, К.В. Фролова, А.П. Гусенкова, Е.М. Морозова, В.С. Ивановой, А.Н. Романова, Л.Ф. Коффина, С.С. Мэнсона, В.Т. Трощенко, В.В. Болотина, А.Г. Гумерова, Р.С. Зайнуллина и многих других.

При выявлении потенциальных зон разрушения в материале оборудования одним из распространенных и эффективных методов является акустико-эмиссионный метод контроля. Данный метод применяется совместно с гидро- и пневмоиспытаниями и фиксирует зоны локации развивающихся дефектов. Однако на ранней стадии эксплуатации таким методом сложно оценить потенциально опасные зоны. Поэтому актуальны исследования по поиску новых подходов выявления областей, наиболее предрасположенных к зарождению и развитию дефектов.

Недостатком существующего подхода при оценке технического состояния и ресурса оборудования является отсутствие учета изменения свойств конструкционных материалов в процессе эксплуатации. Наличие данной информации с одной стороны дает возможность осуществлять точную настройку и калибровку приборов, а с другой - выявлять степень поврежденности материала исследуемого объекта и его предельное состояние. Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют методы оценки приближения к предельному состоянию металла оборудования. Каждый материал имеет свою величину предельного состояния, которая не учитывается при обследовании объекта.

Поскольку материал оборудования имеет неоднородную структуру, различное напряженно-деформированное состояние, то степень поврежденности будет распределяться неравномерно, что необходимо учитывать при диагностировании материала оборудования. Учитывая, что разрушение материала начинается с поверхности и приповерхностных слоев, целесообразно при обследовании оборудования использовать методы, позволяющие получать информацию с поверхности.

Во второй главе даны сведения, показывающие роль поверхности в ускорении и замедлении процессов образования и разрушения твердых, жидких и газообразных сред. Предложена модель образования и трансформации формы. Рассмотрено изменение поверхностной энергии при перераспределении поверхности из объемной части системы в поверхностные слои и наоборот. Приводятся сведения других исследователей о подобных явлениях, где при перераспределении поверхностного слоя изменяется интенсивность протекания тех или иных технологических процессов.

Для описания механизма явлений, происходящих на поверхности раздела фаз в работе предложена обобщенная модель, позволяющая с единых позиций описать механизм образования и трансформации формы. В связи с предложенной концепцией о строении поверхности и ее свойствах было сделано предположение, что поверхностный переходный слой обладает определенными свойствами, в т.ч и геометрическими, т.е любое вещество можно представить в виде двух составляющих А и В. При этом составляющая А образует только границу вещества и границы внутренней структуры, если таковая имеется. Составляющая В образует только объем и не участвует в создании поверхности (рисунок 1). Для данного вещества в данном состоянии считаем, что составляющая А постоянна и имеет определенную толщину. Если вещество имеет внутреннюю структуру, то А распределяется на поверхность и создание внутренней структуры, и в этом случае наружный поверхностный слой должен утоняться.

V = A + B;

A = A1 + A2 +Е+ An

V = A1 + B1 + A2 + B2 +Е+ An + Bn;

B = B1 + B2 +Е+ Bn

?2 а<. ?1

Рисунок 1 - Схема утонения поверхностного слоя

В целях проверки данного утверждения был проведен эксперимент с погружением в жидкость твердых тел и определением поверхностного натяжения методом капиллярного поднятия. Результаты погружения насадочных устройств в воду показали уменьшение высоты и геометрической формы мениска в капилляре (рисунок 2а, 2б).

а

б

в

Рисунок 2 - Изменение высоты (а), геометрической формы мениска в капилляре (б)

в

а

б

а и относительного поверхностного натяжения жидкости (в) при погружении насадочных устройств из синтетического волокна (1), меди (2) и полипропилена (3)

Зависимости относительного поверхностного натяжения от удельной площади поверхности, создаваемой насадочными устройствами представлены на рисунке 2в, где показано, что при увеличении смачивающей способности материалов, погруженных в жидкость, относительное поверхностное натяжение снижается в большей степени.

Кроме этого, согласно вышеописанной концепции следует, что если в воду опустить две пластинки и включить в цепь электрический ток, то на перемещение ионов будет влиять толщина переходного поверхностного слоя жидкости на пластинке, которая в свою очередь, будет зависеть от наличия в жидкости насадочных устройств. Чтобы проверить данное предположение, проведены измерения электрического сопротивления жидкости с насадочными устройствами и без них.

Искомая величина электрического сопротивления дистиллированной воды определялась по падению напряжения на медных пластинах в сравнении с образцовым сопротивлением. Результаты показали, что при последовательном погружении и извлечении насадочного устройства в дистиллированную воду наблюдается снижение электрического сопротивления при погружении и повышение при изъятии (рисунок 3).

а

б

Рисунок 3 - а) принципиальная схема измерения электросопротивления жидкости; б) зависимость относительного электрического сопротивления дистиллированной воды от времени без насадочного устройства (1) и с его периодическим погружением и извлечением (2).

1 - штатив; 2 - колба; 3 - дистиллированная вода; 4 - медные обкладки;

5 - насадочное устройство; 6 - источник питания; 7 - магазин сопротивления; 8 - прибор для измерения напряжения; 9 - персональный компьютер

Данный факт можно объяснить тем, что при погружении в систему насадочных устройств идет перераспределение поверхностного слоя на насадочное устройство и медные пластинки. При этом толщина поверхностного слоя на медных пластинках уменьшается, что позволяет ионам интенсивнее перемещаться от одной пластинки к другой, и электрическоеа сопротивление ападает (рисунок 4).

?1 > ?2

Рисунок 4 - Схемы, объясняющие причину падения электрического сопротивления в жидкости при погружении насадочного устройства

а) - измерение электрического сопротивления дистиллированной воды;

б) - то же при наличии насадочного устройства

Таким образом, полученные результаты подтверждают выдвинутое предположение о перераспределении поверхностного слоя в жидкости при внесении в нее насадочных устройств, что приводит к изменению определенных ее свойств, в частности, электрического сопротивления.

Следующим подтверждением предложенной концепции было проведение исследований по оценке влияния соотношения объемов двух жидкостей на процесс эмульгирования. Для этого использовались стеклянные пробирки, а в качестве исследуемых сред было выбрано трансформаторное масло и дистиллированная вода. В качестве энергетического источника образования эмульсий применялись ультразвуковые колебания частотой 30 кГц. В ходе эксперимента изменялось соотношение объемов исследуемых жидкостей, и фиксировалось начало, максимальная интенсивность и окончание процесса эмульгирования.

Параллельно с этим проведено исследование изменения относительного поверхностного натяжения воды и масла. Для этого был использован метод капиллярного поднятия жидкости. Изменение краевого угла в капилляре и высоты жидкости осуществлялось с помощью фотоаппарата, каждые 30 секунд с момента включения генератора ультразвуковых колебаний, что позволило получить зависимость изменения поверхностного натяжения от времени. На рисунке 5 показаны три контрольных состояния системы, соответствующие началу, пику интенсивности и окончанию процесса эмульгирования.

Рисунок 5 - Схема изменения капиллярного эффекта при эмульгировании

а, б, в - начало, пик интенсивности и окончание процесса эмульгирования соответственно

Таким образом, в процессе эмульгирования происходит изменение краевого угла (?1 < ? 2 < ? 3) и высоты жидкости (p < p < p) в капилляре, что свидетельствует о непостоянстве поверхностного натяжения.

Для расчета сил поверхностного натяжения использована формула Юнга - Лапласа:

, (1)

где ?? - разность плотностей на поверхности раздела фазы жидкость - воздух кг/м3;

g - ускорение свободного падения м/с2;

h - высота подъема жидкости в капилляре, м;

? - сила поверхностного натяжения Дж/м2;

cos ? - значение косинуса краевого угла смачивания;

r - радиус кривизны мениска, м.

Рисунок 6 - Относительное поверхностное натяжение воды и масла

Зависимость изменения относительного поверхностного натяжения воды и масла в процессе получения эмульсии представлена на рисунке 6. Показано, что в капиллярных трубках, погруженных как в масло, так и в воду, сначала происходит снижение относительного поверхностного натяжения, что свидетельствует об утонении поверхностного слоя поверхности раздела фаз вода-масло, поскольку частично поверхность перераспределяется на образование глобул.

Таким образом, полученные зависимости также свидетельствуют о состоятельности ранее выдвинутых предположений о перераспределении поверхностного слоя. Данные эксперименты проведены на жидкостях с той целью, что это более наглядно демонстрирует полученные эффекты, хотя при переходе из одного агрегатного состояния в другое закономерности повторяются.

  Страницы: | 1 | 2 | 3 |
     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам