автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем

РГК од

г >\ млр т

На правах рукописи

ИБРАГИМОВ ИЛЬДУС ГАМИРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АГРЕГАТОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ

05.04.09.- Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 1997

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный консультант:

Официальные оппоненты: -

доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р.

доктор технических наук, профессор Зайнуллин P.C.

доктор технических наук, профессор Гумеров А.Г.

доктор технических наук, профессор Мешалкин В.П.

Ведущее предприятие: Международный институт безопасности сложных технических систем, г. Москва

Защита диссертации состоится 4 апреля 1997 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 063.09.03 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, Уфа, ул.Космонавтов,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ. Автореферат разослан _" марта 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор \уУ\ Ольков П.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Известно, что чрезмерная концентрация предприятий нефтегазо-химического комплекса в отдельных регионах и крупных населенных пунктах является одним из основных источников нарушения экологического равновесия окружающей среды, вызванного техногенными авариями и катастрофами,

В свою очередь, причинами техногенных аварий и катастроф на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии могут быть износ технологических агрегатов, а также ошибочные и неправильные решения обслуживающего персонала в критических ситуациях, обусловленных отказами агрегатов и нарушениями работоспособности технологических процессов.

Из всех известных методов и способов обеспечения технологической и экологической безопасности можно выделить три:

1) рассредоточение или ликвидация потенциально опасных предприятий;

2) полная замена морально устаревших процессов и технологий, а также физически изношенных и отработавших регламентированный ресурс агрегатов потенциально опасных объектов, включая агрегаты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств;

3) дальнейшая эксплуатация потенциально опасных объектов нефтепереработки и нефтехимии с регламентированной вероятностью возникновения техногенных аварий и катастроф, не превышающей 10 ^ на основе разработки и внедрения научно-обоснованных принципов обеспечения работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем технической диагностики.

В настоящее время и в ближайшем будушем, исходя из сложившейся социально-экономической ситуации, характерной для пере-

ходного периода любого общества, наиболее реальным является третий вариант. Поэтому обеспечение работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем технической диагностики, учитывающих специфические особенности эксплуатации агрегатов, включая влияние эксплуатационных параметров, гидродинамических факторов и конструктивных особенностей агрегатов, а также действия лиц, принимающих оперативное решение при технической диагностике и эксплуатации агрегатов, является актуальной проблемой.

Основные направления исследований диссертации выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных аварий и катастроф" (ГНТП "Безопасность"), принятой распоряжением Совета Министров СССР № 1111р от 12.07. 90 г., по направлению "Безопасность сложных технических систем".

ЦЕЛЬРАБОТЫ

На основе изучения физико-химической сущности факторов и явлений, приводящих к нарушению работоспособного состояния и возникновению отказов агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, разработать принципы обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности эксплуатации технологических установок с использованием экспертных систем технической диагностики.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.Анализ современного состояния научных методов и средств технической диагностики и неразрушающего контроля, а также экспертных систем технической диагностики в химической технологии.

2.Выявление специфических особенностей агрегатов нефтеперера-

батывающих и нефтехимических производств как объектов технической диагностики.

3.Разработка методологии обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности технологических установок на основе оптимального выбора условий принятия научно-обоснованных инженерно-технологических решений с использованием экспертных систем технической диагностики.

4.Разработка архитектуры, интеллектуального и программно-информационного обеспечения экспертной системы технической диагностики агрегатов производств нефтепереработки и нефтехимии.

5.Разработка принципов создания базы знаний и данных экспертной системы технической диагностики на основе:

-классификации факторов и явлений, приводящих к нарушению работоспособных состояний агрегатов;

-системного анализа основных причин неполадок и отказов агрегатов;

-разработки стратегии технической диагностики отказов агрегатов с использованием тепловых и акустических методов для оценки их фактического технического состояния;

-исследования влияния эксплуатационных параметров, гидродинамических факторов и конструкционных особенностей агрегатов на их работоспособное состояние;

-разработки технических решений по совершенствованию конструкции основных агрегатов технологических установок;

-разработки научно-обоснованных способов снижения степени воздействия адгезионных и диффузионных явлений на физико-механические свойства конструкционных материалов, применяемых в аппаратостроении, и уровня остаточных сварочных напряжений в крупногабаритных колонных аппаратах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Для нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, рассматриваемых как иерархически организованные техногенные системы, разработан метод обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности технологических установок с вероятностью катастрофического выхода из строя, равной Ю-6 , который основан на оптимальном выборе условия принятия решения с использованием экспертной системы технической диагностики.

2. Для интеллектуального и программно-информационного обеспечения экспертной системы технической диагностики применительно к технологическим установкам нефтеперерабатывающих заводов в архитектуру системы введен блок логико-аналитического прогнозирования нарушений технического состояния агрегатов, позволяющий выявить причины неисправностей, оптимальные способы их предупреждения и ликвидации.

3.Разработан метод многокритериальной оценки агрегатов, который позволяет определить степень ответственности и важности агрегатов в обеспечении работоспособного состояния технологической установки, а также выявить наиболее узкие места по показателям надежности и безопасности как отдельных агрегатов, так и технологической установки в целом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1 .Разработаны архитектура, интеллектуальное и программно-информационное обеспечение экспертной системы технической диагностики установки замедленного коксования, которые могут быть использованы как прототип вновь создаваемых экспертных систем технической диагностики других технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Разработана экспертная система технической диагностики установки замедленного коксования, функционирующая в пассивном и активном режимах.

2.Проведена оценка фактического технического состояния сосудов давления, используя методы и средства неразрушающего контроля, преимущественно метод акустико-эмиссионного контроля, на технологических установках АО "НУНПЗ", АО "Нижнекамскнефтехим ".

3.Разработана и внедрена методика диагностирования трубчатых печей в АО "НУНПЗ", основанная на сопоставлении результатов периодического измерения температурного поля и данных износа элементов трубчатой печи.

4.Разработаны и внедрены в производство устройства для ввода сырья в вакуумные колонны диаметром от 2,6 м до 9,0 м, которые обеспечивают устойчивую работу последних в широком диапазоне изменения технологического режима без снижения качества получаемых продуктов.

5.Разработана и внедрена технология определения уровня остаточных сварочных напряжений отремонтированных крупногабаритных колонных аппаратов и их снижения с применением ультразвукового ударного метода в АО "Нижнекамскнефтехим". Целесообразность применения данной технологии подтверждена отраслевым институтом ВНИКТИнефтехимоборудование.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы докладывались в 1982-1996 г.г. на Всесоюзных, Всероссийских и Республиканских семинарах, совещаниях и конференциях по проблемам, направленных на развитие нефтегазохимиче-ского комплекса и обеспечения технологической и экологической безопасности в данной отрасли, в том числе на:

-Республиканской научно-технической конференции "Резервы повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности", Уфа, 1982;

-Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии", Сумы, 1986;

-Всесоюзной научно-технической конференции НХП-1-87 "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности", Уфа, 1987;

-Республиканской научно-технической конференции

"Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти", Уфа, 1988;

-Всесоюзном школе-семинаре "Методы и средства технической диагностики", Ивано-Франковск, 1990;

-Республиканской научно-технической конференции "Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса", Уфа, 1995;

-Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий", Уфа, 1996.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 1 монографии, 9 статьях, 27 тезисах докладов конференций, получено 7 авторских свидетельств на изобретения и 1 патент.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 167 наименований; содержит 222 стр. машинописного текста, 21 рис., 41 табл. и 4 приложения.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, цели и задачи исследований и приведена краткая характеристика работы.

В первой главе рассматривается современное состояние научных методов и средств технической диагностики агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. На основании анализа способов повышения надежности технологического оборудования показано, что одним из эффективных способов повышения работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств является использование неразрушающих методов контроля и экспертных систем технической диагностики.

В научно-технической литературе экспертные системы технической диагностики определяются как интеллектуальные системы, которые на основе накопления и переработки специальных знаний и правил принятия решений в интеллектуальном диалоге с непрограммирующим пользователем (лицом, принимающим решение) способны проводить экспертизу, консультировать и давать рекомендации по выбору действий или операций, распознавать ситуации, ставить диагноз и обосновывать заключения при поиске неформализованных задач некоторой предметной области.

Анализ известных в химической технологии экспертных систем технической диагностики позволяет сделать следующие выводы:

1 )отличительной особенностью известных экспертных систем в целом является то, что каждая экспертная система направлена на решение конкретных неформализованных задач в некоторой предметной области;

2) архитектура или структура экспертных систем (функционально-информационная структура программно-аппаратурных средств) практически не отличается друг от друга, и она может быть адаптирована для решения любых неформализованных задач;

3)использование экспертных систем при разработке принципов обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств позволит решить ряд проблем, связанных с обработкой и анализом большого количества информации, разработкой рекомендаций по выбору правильных решений, постановкой диагноза и др.

С другой стороны, повышение работоспособности агрегатов производств нефтепереработки и нефтехимии, направленное на обеспечение технологической и экологической безопасности в отрасли, может быть достигнуто на основе принципиально новых подходов. Это связано с тем, что, по данным ГНТП "Безопасность", во-первых, из 100

тыс. потенциально опасных производств и объектов Российской Федерации около 3000 обладают повышенной опасностью. Во-вторых, коэффициент нарастания техногенных аварий и катастроф за последние 5 лет увеличился до 6,0, а природных - до 1,4. Резкое увеличение техногенных аварий и катастроф является следствием общепринятой системы создания новой техники, основанной на использовании традиционных правил проектирования и простейших инженерных методов расчета и испытаний, не отвечающих современным требованиям обеспечения безопасности. Более того, ряд агрегатов работает за пределами проектного ресурса или выработали от 50 до 80-90 % проектного ресурса. В третьих, производства нефтепереработки и нефтехимии имеют ряд специфических особенностей и сложную многоуровневую, или иерархическую, структуру. Специфика производств нефтепереработки и нефтехимии по сравнению с другими отраслями промышленности заключается в большом ассортименте выпускаемых продуктов, требующих проведения технологических процессов многостадийно в жестких условиях при переработке того или иного вида углеводородного сырья. Можно выделить следующие особенности:

-углеводородное сырье и продукты его переработки являются одним из основных источников нарушения экологического равновесия окружающей среды;

-углеводородное сырье и продукты его переработки являются взрыво-и пожароопасными веществами по всей технологической цепочке: от добычи и переработки до момента использования потребителем;

-чрезмерная концентрация нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических заводов в отдельных регионах;

-широкий спектр технологических процессов переработки углеводородного сырья, отличающихся по эксплуатационным параметрам;

-множество применяемых технологических агрегатов, отличающихся друг от друга по назначению, принципу действия, конструкции, условиям эксплуатации.

-возможность мгновенного распространения последствий аварии одного агрегата на другие сопряженные с ним агрегаты или на технологические объекты в целом.

-эксплуатация технологических агрегатов и управление всеми организационно-техническими структурами требуют высокой квалификации специалистов.

Учитывая специфические особенности производств нефтепереработки и нефтехимии и на основе анализа современных методов и средств неразрушающего контроля и технической диагностики показано, что из всех известных методов и средств на современном этапе развития отрасли наиболее эффективны тепловые и акустические методы неразрушающего контроля агрегатов и экспертные системы технической диагностики.

Вторая глава посвящена разработке архитектуры, интеллектуального и программного обеспечения экспертной системы технической диагностики "ЕХЗУБГ' на примере установки замедленного коксования типа 21-10/300.

Общая архитектура данной экспертной системы представлена на рис. 1. Информационные связи системы с технологическими агрегатами и пользователем обозначены сплошными линиями. Пунктирными линиями обозначены управляющие воздействия, осуществляемые пользователем. Кроме стандартных подсистем и блоков, данная система содержит блок логико-аналитического прогнозирования, позволяющий лицам, принимающим решение, предсказывать изменения технического состояния технологического процесса и агрегата через интересующий промежуток времени. Система имеет архив, в котором автоматически

Общая- архитектура экспертной системы -ЕХБУВ!

-я

о

г

Рабочая база знаний

Технологический объект

Г

Подсистема вывода решений

Блок Блок

активной пассивной

диагностики диагностики

Подсистема координации

и управления -1-

База знаний 1 База

База База *> экспертных

данных правил оценок

Архив

Подсистема пользовательского , интерфейса •

Блок регла-менгирозкнного общения

Блок когнитивной графики

1_

Подсистема отладки

Редактор Блок

баз знаний тестирования

Пользователь

Рис. 1

Эксперт

Разработчик

сохраняются все данные о неполадках, что существенно облегчает анализ неисправностей и поиск путей их ликвидации и предупреждения.

При разработке интеллектуального и программно-информационного обеспечения экспертных систем технической диагностики необходимо каждый агрегат рассматривать во взаимодействии с другими сопряженными агрегатами технологической установки.

Разработан метод многокритериальной оценки агрегатов, который позволяет определить степень ответственности и важности агрегатов в обеспечении работоспособного состояния технологической установки, а также выявить наиболее узкие места по эксплуатационным показателям, показателям надежности и безопасности как отдельных агрегатов, так и технологической установки в целом.

Критерии разделены на три группы:

1) характеризующие влияние конструктивных и функциональных особенностей агрегата на технологический режим процесса, качество и количество целевых продуктов;

2) характеризующие агрегат по степени опасности при возникновении аварии или отказе в процессе эксплуатации;

3) характеризующие материальные затраты на эксплуатацию и ремонт агрегата.

Определение суммарной оценки усложняется в связи с разнородностью критериев, т.к. сложно разработать единую шкалу оценок для всех групп критериев. Поэтому целесообразно по каждому критерию сделать перерасчет баллов каждого аппарата относительно интервала между минимальным и максимальным значениями соответствующего критерия:

от к _ V

МАХ

Таким образом, каждый критерий представляется в безразмерных единицах, причем значение Кош любого критерия лежит в пределах

от 0 до 1. Суммарную оценку аппарата определяют сложением К0Тн. каждого критерия.

Производя анализ агрегатов по методу многокритериальной оценки, можно определить степень ответственности агрегатов с целью повышения их работоспособности, а также определить наиболее важные или слабые стороны элементов технологической установки. Данный принцип заложен в основу разработки моделей представления неформализованных знаний эксплуатационных параметров установки.

В результате проведенной оценки технологических агрегатов установки замедленного коксования определился наиболее важный блок - реакторный (41,1% от суммы баллов по установке).

В состав реакторного блока входят: печь П-1/2 (балл 11,4); реакторы Р-1, 2, 3 (балл 11,1). Вспомогательным оборудованием, заслуживающим наибольшего внимания, являются насосы Н-1,2,6,8 (балл 3,4; 4,9; 3,4; 5,2, соответственно).

' Для работоспособности агрегатов реакторного блока имеют значение следующие эксплуатационные параметры: температура, давление, уровень жидкости. Для этих параметров определяются верхний и нижний допустимые значения (уставки) - ВУ и НУ.

Система диагностирования строится на принципе сравнения действительного значения параметра с его верхней и нижней уставками. В случае отклонений параметров за допустимые границы согласно разработанной логико-аналитической схеме ведется поиск возможных причин неполадок и извлекаются из памяти ЭВМ соответствующие сообщения и рекомендации.

Первоначально составляется таблица параметров, причин их отклонений и рекомендаций (табл.1). Затем на основании этой таблицы разрабатывается логическая блок-схема функциональных связей параметров (рис. 2).

; обеда 1

Параметры а сообщения

Диагностируемый параметр Уставка* Диагн. параметр < НУ Диагн. параметр > ВУ

N (НУ) (ВУ) Причина отклонения Рекомендации Причина отклонения Рекомендации

1 Температура на выходе из П-1, 'С 390 420 ^Неисправность газового клапана. 2.Увеличился расход в П-1. Регулировать по байпасу. Проверить уровень внизу К-1. Если уровень з нижнем положении, то увеличивается расход в П-1. Увеличить подачу газа к форсункам П-1, 1 Неисправность газового клапана. 2.Попадание бензина в газовую линию в результате неисправ ногти уровнемера Е-3. 3.Неисправный насос Н-1 4.Прекращение подачи сырья, неисправен уровнемер Е-1, насос Н-1 сбросил. 5.Расход Н-1 нине нормы. 6 Неисправен клапан на выходе Н-1. Регулировать по байпасу. Увеличить откачку бензина из Е-3 насосом Н-4. Снизить температуру в П-1 до минимума. Перейти на резервный насос. Снизить температуру в П-1. Набрать уровень в Е-1 из товарного парка или с кр. М3,4 Уровень К-1 превышает норму. Уменьшить подачу газа к форсункам. Открыть байпас- ■ ную задвижку.

*НУ-нижняя устаВка, ВУ-5ерхная устаВка

Пример логической блок-схемы функциональных связей параметров реакторного блока

Рис. 2

В логической схеме рассматриваются четыре наиболее существенные аварийные ситуации: разрыв печной трубы, прекращение подачи воды, воздуха к КИП и пара.

В пакет экспертной системы входит полная база знаний для диагностики установки замедленного коксования, созданная в результате всестороннего обследования и анализа работы установки.

В третьей главе приведены принципы обеспечения работоспособности агрегатов с использованием экспертных систем технической диагностики. При этом нефтеперерабатывающее и нефтехимическое производство рассматривается как сложная иерархическая структура.

Принципы обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности технологических установок разработаны исходя из особенностей иерархической структуры производств.

В табл. 2 представлен фрагмент иерархической структуры для размещения защитных ресурсов по обеспечению максимально возможного уровня безопасности.

"Защитный ресурс" - совокупность мероприятий, направленных на обеспечение безопасности. В данном случае предполагается использование экспертных систем и методов технической диагностики.

В работе рассмотрена модель разрушения иерархически организованной системы (табл. 2) при возникновении аварийных ситуаций на отдельном или нескольких масштабных уровнях. Характеристики подсистем или блоков высокого уровня определяются характеристиками подсистем предшествующего уровня.

В качестве целевой функции выбрана вероятность разрушения системы, представляющей собой "бинарное дерево" п-го порядка с равномерным перераспределением нагрузки при разрушении.

Вероятность полного разрушения системы определяется по формуле:

ОМ = П РМ ), к=0

где Р(к,(Цк)- вероятность возникновения неработоспособного состояния блока к-го уровня, вычисляемая по формулам:

р<о)(<!) = В0)(С1), Р®(Я) = 2Р<ыНя) Р(к-1>(д-8к.1)-[Р(И>(д)]2) Як = в* + вк-Як;

где Як - нагрузка на систему,

б* - нагрузка от воздействия внешних факторов, Эк - воздействие, вызываемое неработоспособным состоянием парного блока,

к

где п- параметр защиты или объем защитных ресурсов уровня ¡,

Р°(ч)" работоспособность агрегатов на нулевом уровне, описываемая распределением Вейбулла:

Р(ч) = 1-ехр(-я2).

Варианты размещения защитных подсистем представлены в табл.3. Результаты вычислений вероятности полного разрушения системы по масштабным уровням представлены в табл. 4. Величины воздействий и параметров защиты изменяются по линейному закону в зависимости от номера уровня.

В первом варианте оптимальным является размещение защиты на уровне 1, во втором варианте - на уровне 2, а в третьем варианте - на уровне 1. По третьему варианту вероятность полного разрушения системы уменьшается по сравнению с первым вариантом на четыре порядка, а по сравнению с расчетными данными системы без защиты - на шесть порядков.

Анализ экстремальных значений показывает, что наибольший эффект (вероятность полного разрушения системы равна 7,98-Ю"7) достигается при размещении защитных ресурсов на всех уровнях с их распределением согласно варианту 3. Суммарная эффективность системы защиты при распределении защитных ресурсов по нескольким уровням

Таблица 2

Иерархическая структура технологических объектов и размещение защитных ресурсов

Уровень иерархии Технологический объект Экспертная система (способ защиты)

4 Объединение Ситуационное управление

3 Совокупность цехов Поддержка принятия решений

2 Цех То же

1 Технологическая установка Диагностирование установки

0 Агрегат Техническая диагностика Таблица 3

Схема размещения защитных ресурсов

Вариант Распределение защитных ресурсов

1 Все ресурсы размещены на одном уровне

2 80 % ресурсов размещены на одном уровне, 20 % ресурсов -размещены на других уровнях в равных долях

3 60 % ресурсов размещены на одном уровне, 40 % ресурсов размещены на других уровнях в равных долях

Таблица 4

Результаты расчетов вероятности полного разрушения

Уровень, на котором размещена защита Вариант

1 2 3

Без защиты 1,26 -10-' 1,26-10'1 1,26 -10-'

0 9,42 -10"3 4,38 -Ю"3 7,54 -Ю-4

1 3,56 -Ю"3 5,15 -Ю-4 7,98 -10"7

2 9,16 -10"3 1,49 -10~5 2,88 -Ю"6

3 2,16 -10"2 3,17 -10"4 7,93 -10"4

4 5,47 -10"2 3,47-10"2 1,60 -10"2

оказывается несколько раз выше, чем при использовании всех ресурсов только на одном уровне.

Согласно ГОСТ производственные процессы должны разрабатываться так, чтобы вероятность взрыва на любом взрывоопасном участке в течение года не превышала Ю-6. Одним из способов обеспечения работоспособности агрегатов и безопасности технологических установок является использование экспертных систем технической диагностики на всех уровнях в иерархической структуре технологических объектов нефтепереработки и нефтехимии. Экспертные системы технической диагностики рассматриваются как распределенные защитные ресурсы.

Экспертная система технической диагностики EXSYDI является универсальным средством для создания экспертных систем типа "интерпретация показаний датчиков".

Такие системы наиболее эффективны для диагностирования технического состояния агрегатов, технологического процесса, ситуационного управления объектами более высшего уровня в иерархической структуре производств, так как обеспечивают работу в реальном масштабе времени. Системы функционируют на IBM - совместимых ПЭВМ под управлением MS-DOS.

Учитывая технические возможности нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, предусмотрено функционирование системы в пассивном и активном режиме.

Активный режим предназначен для оперативного контроля за изменением эксплуатационных параметров и диагностирования объекта в реальном масштабе времени. Периодически проводится полный опрос эксплуатационных параметров и в случае выявления отклонения выдается диагностическое сообщение. Быстродействие в активном режиме на два порядка выше, чем при пассивном режиме. Опрос около 100 параметров, анализ ситуации, формирование и вывод диагностиче-

ского сообщения занимает меньше 1 сек. Следовательно, интервал замеров, устанавливаемый пользователем, ограничен одной секундой.

Пассивный режим предназначен для обучения пользователя и анализа уже прошедших ситуаций. Для текущего диагностирования этот режим используется, когда значащие изменения эксплуатационных параметров происходят через промежутки времени не менее 5 мин. В данном режиме ЭВМ может быть не связана с выходами преобразователей диагностируемого объекта и не отображает на экране текущие значения параметров. Наличие щита КИП или других средств визуальной информации в данном режиме обязательно.

Эффективность использования экспертных систем технической диагностики зависит от полноты и достоверности базы знаний. Дополнение этой базы новыми данными и правилами, характеризующими специфические особенности эксплуатации агрегатов, позволяет более объективно распознавать аварийные ситуации, приводящие к неработоспособному состоянию агрегатов, выявить причины неисправностей и найти оптимальные способы предупреждения и ликвидации отказов и аварий.

В четвертой главе приводится системный анализ факторов и явлений неработоспособных состояний агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

Трудность создания универсальной системы обеспечения безопасной и безаварийной работы установок заключается в том, что каждый процесс накладывает специфические особенности на условия деформирования и старения конструкционных материалов, связанных с активным взаимодействием компонентов нефтепродуктов с металлом, нестационарной гидродинамикой высокотемпературных потоков. Активно с конструкционным материалом взаимодействуют углерод и сера, сильно изменяя физико-механические характеристики материала. Учет конкурирующих процессов является достаточно сложным делом.

Проведена классификация и анализ факторов, приводящих к неработоспособному состоянию агрегатов. Выделены следующие факторы:

1) изменение состава и свойств сырья во времени;

2)изменение количества или отсутствие материальных потоков и энергоресурсов;

3) факторы, влияющие на техническое состояние;

4) неисправность в работе КИП и средств автоматизации;

. 5) влияние погодных условий.

Учитывая, что основными агрегатами любой технологической установки являются колонны, трубчатая печь и реакторы, в работе исследованы поверхностные явления (адгезия, диффузия, коррозия) при контакте продуктов переработки углеводородного сырья с конструкционными материалами, а также влияние нестационарности температурного поля в реакторах и трубчатой печи на износ их элементов.

Методами радиоактивных индикаторов и ЭПР доказано, что ответственными за адгезионное взаимодействие продуктов переработки углеводородного сырья с поверхностью конструкционных материалов являются соединения, способные к межмолекулярным взаимодействиям - парамагнитные частицы и полярные соединения. По характеру изотермы адсорбции нефтяного пека показано, что взаимодействие нефтяных остатков с поверхностью конструкционых материалов происходит по механизму хемосорбции.

Адгезионный контакт углеродистых продуктов с поверхностью конструкционных материалов приводит к науглероживанию. Используя метод радиоактивных индикаторов, доказан факт диффузии углерода из нефтяного сырья в конструкционный материал (рис. 3 ) и определены параметры диффузии в условиях, соответствующих эксплуатационным параметрам реактора коксования и змеевиков трубчатых печей. Например, зависимость коэффициента диффузии от температуры

Распределение относигешого содержания углерода по толщине образцов из стали 20 и 12Х18Н13Т при 700 "С

Зависимость коэффициента диффузии й углерода в стали 20 и 1Ш8НЮТ от температуры :

2,5

Ьл

¡1,3

си

0 1,0

1 0,5

г73 /

V ! >

\\ уЧ л Л ОЧ к \

1 \ С4 V V Ль .А.

- 20

-- 12Х18Н10Т

1 сГ = 0

2 СГ = 0,5 СГ012

3 сГ = 0(9сГ012

4 2

.и

1,0

а 0,8 2 0,6 о л ,

0,2

0,1

чУх1 V 1 ■/3

Л ч

-V- \\Ч\

\

\ \ V

\ г V

5 10 15 20 25 Расстояние от поверхности образца, мкм

Схема науглероживания биметалла (16Г008Х13)

тт-А/

) \

I

I

\

к \

;П1 1 X

-Чс\

>03

ч\Ч

■ Пз

М-16 ГС П-08X13

К- кокс С - содержание углерода

Рис. 3

1,0

1,2

ПЛ) Ю1,1/К

700 600 9С

500

1,4

Сщ»Са , С02<СП СВЗ>СП , С„з = С„+С:

Смз<<;См I См^ ^

М1

смэ<с

М2

ю

достаточно точно описывается уравнением Аррениуса:

I) = Ооехр[- Е/кТ], где Во - предэкспоненциальный множитель, м2/с;

Е - энергия активации, Дж;

Т- температура, К;

к = 1,381- 10вДж/К-постоянная Больцмана.

Полученные закономерности адгезии и диффузии в совокупности с ранее известными данными металлографических исследований и послойного химического анализа металлов реакторов коксования и печных труб позволяют уточнить механизм науглероживания конструкционных материалов (см. рис. 3). Биметаллический корпус реактора (16ГС + 08X13) по содержанию углерода, соответственно, физико-механическим свойствам, является многослойной оболочкой. Вероятность возникновения отказов такой оболочки увеличивается по сравнению с оболочками, где отсутствует науглероживание.

Результаты коррозионных испытаний металлов в условиях коксования показывают, что с увеличением температуры скорость коррозии экспоненциально возрастает. При температуре 300-320 °С характер влияния напряжений в образце изменяется. Образующиеся на поверхности конструкционного материала в результате действия напряжений активные центры интенсифицируют процессы коррозии в начальный момент времени и создают благоприятные условия для образования кокса, что в последующем ведет к блокированию этих центров. Такой характер коррозионного разрушения под напряжением более четко выражен при повышенных температурах, поскольку интенсивность кок-сообразования при этом значительно возрастает.

Коррозионное разрушение конструкционных материалов оценено по следующей формуле:

К = АСф-Сц^ГЧтр ,

где ф=0,5-0,7 - коэффициент, учитывающий длительность контактирования металла с коксом при температуре 450°С; тц - длительность одного цикла коксования, ч; N=160-180 - число циклов коксования; тр - длительность работы реактора, г.

Таким образом, при разработке интеллектуального обеспечения экспертных систем технической диагностики необходимо учитывать полученные закономерности адгезионных, диффузионных и коррозионных процессов. Эта информация позволяет дополнить базу данных и знаний экспертной системы технической диагностики.

Наиболее характерным агрегатом производств нефтепереработки и нефтехимии, с точки зрения изучения нестационарности температурного поля в агрегатах на износ их элементов, являются трубчатые печи.

На нефтеперерабатывающих заводах средней мощности насчитывается от 50 до 70 трубчатых печей, отличающихся друг от друга по назначению, конструкции, условиям эксплуатации, а также по срокам службы. Более половины трубчатых печей находятся в критическом состоянии: морально и физически изношены, отработали регламентированный ресурс, полная замена которых не представляется возможным.

В настоящее время на технологических установках первичной переработки нефти, термического крекинга и производства масел в основном эксплуатируются трубчатые печи типа ШС (двух- или односкатные). Конструктивная схема печей типа ШС предопределяет неравномерность подвода тепла по зонам топочного пространства. Это приводит к появлению значительных термических деформаций трубчатого змеевика в камере радиации, что ускоряет процессы ползучести в металле печных труб. Боковой отвод дымовых газов приводит к образованию застойных зон в камере конвекции. Образование застойных зон, помимо снижения эффективности пучка конвекционных труб, вы-

зывает коробление этих труб, разрушение вальцовки в ретурбендах или появление трещин в отводах.

Из-за неудовлетворительной регулировки горелок температурная неравномерность для факела составляет 250 -470 °С. Колебания расхода и давления в топливной системе печи приводят к нарушению оптимального режима подвода тепла к печным трубам, т.е. данный режим можно оценивать как тепловой удар. Это достаточно хорошо иллюстрируют данные , приведенные на рис. 4.

В табл. 5 показаны результаты анализа эксплуатационной надежности нагревательных печей установок селективной очистки масел типа 37. Более трети всех дефектов, определенных путем визуального осмотра и специальными методами технической диагностики, приходится на дефекты, главной причиной возникновения которых является ползучесть. Растрескивание поверхности печных труб, являющееся следствием частых и резких колебаний температуры стенки трубы, составляет более 75% от всех дефектов, обусловленных ползучестью.

Влияние нестационарное™ изменения температурного поля в аппаратах, например, в реакторах установки замедленного коксования, достаточно хорошо изучены, определены закономерности влияния этого явления на физико-механические свойства металла реактора и на возникновение дефектов.

Одним из факторов возникновения нестационарности температурного поля в реакторе установки замедленного коксования (рис. 5) является гидродинамическая неустойчивость струи сырья, которая образует каналы неравномерно как по сечению аппарата, так и по высоте. Более того, в каждом цикле коксования траектория каналов имеет вероятностный характер. При расположении каналов вблизи внутренней поверхности оболочки реактора в процессе охлаждения кокса локальные скорости изменения температуры оболочки реактора превышают

Температура стенки труб потолочного экрана печи П-4 (поток II)

~ 1 ИТ"

-+ 4 -И- -

Т,°С 900

труба над перевальной

стеной

Ю 12 Рис. 4

Нестационарность температурного поля в реакторе УЗК

центральная труба экрана

! труба над горелками

Координата по длине труб

Номер пояса по высоте

?89 Номер замера по периметру

Таблица 5

Дефекты, обусловленные ползучестью трубчатого змеевика

Установка Шифр печи Доля дефектов, %

по виду по расположению экрана общая

прогар прогиб сетка трещин подовый потолочный

37/1 П-1 12, 5 - 18, 8 18, 8 12,5 31, 3

П-2 - 30, 4 8,7 - 39,1 39,1

П-3 - 20, 8 8,4 8,3 20, 9 29,2

37/2 П-1 - - 100 100 - 100

П-3 - - 2,8 - 2,8 2,8

37/3 П-1 - - 9,1 9,1 - 9,1

П-2 2,2 4,3 6,4 4,3 8, 6 12, 9

П-3 - 4,4 3,6 - 8 8

37/4 П-3 2 10 30 16 26 42

П-4 - - 73, 3 26,3 47,4 73,7

Среднее значение 1, 67 6, 99 26,15 18, 28 16, 53 34, 81

Доля по среднему, значению, % 4,8 20, 08 75,12 52,25 47,49 100

\

допустимые значения в 10 раз. Это предопределяет появление значительных термических напряжений, в конечном итоге приводящих к снижению работоспособности реактора.

Пятая глава посвящена разработке стратегии технической диагностики с использованием тепловых и акустических методов.

Согласно статистическим данным Госгортехнадзора РФ, за последние два года при снижении объема промышленного производства в 2 раза уровень аварийности вырос примерно в 1,5 раза.

Системный анализ основных причин аварийных ситуаций производств нефтепереработки и нефтехимии позволил выделить следующие:

-организационно-технические (отсутствие сырья и вспомогательных материалов, недостаточная обеспеченность энергоресурсами, несвоевременная отгрузка готовых продуктов, ошибка или некомпетентность лиц, принимающих решение);

-технологические (изменение температуры, давления, расхода от регламентированных значений, поступление на переработку сырья низкого качества);

-механические (отказ технологического оборудования, трубопроводных систем);

Любая из указанных выше причин или их совокупность определяет степень опасности аварийных ситуаций и их последствий, а также влияние на сопряженные технологические агрегаты или производства в целом. С другой стороны, аварийные ситуации, возникающие по одной из причин, могут вызвать возникновение отказов по другим причинам.

На рис. 6 представлена доля причин возникновения отказов по результатам анализа фактических данных из протоколов, зарегистрированных при расследовании причин и последствий производственных неполадок и аварий по цеху №22 АО "НУНПЗ". Видно, что более 50 процентов отказов возникают по организационно-техническим причинам, т. е из-за некомпетентности обслуживающего персонала и непра-

Доля причин возникновения отказов

20, б %

11,8 %

технические ■ технологические И механические

О организационно

68,6%

Рис.6

вильного принятия решений при возникновении тех или иных нештатных ситуаций руководящим персоналом.

Отказ технологического оборудования и трубопроводных систем или нарушение технологического режима процесса не всегда являются основными причинами, приводящими к возникновению аварийных ситуаций. По мнению автора и других компетентных специалистов производств нефтепереработки, аналогичная картина наблюдается и на других потенциально опасных производственных объектах.

В связи с тем, что процесс диагностирования любого объекта технической природы, в том числе и агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, состоит из трех основных этапов (подготовительные операции, непосредственно диагностирование, анализ результатов и выдача заключения о фактическом техническом состоянии), предложена и разработана система классификации агрегатов как объектов технической диагностики, которая на основе закодированных проектно-конструкторских, технологических и эксплуатационных признаков позволяет систематизировать комплексную характеристику агрегатов, повысить качество технологической подготовки диагностических работ, правильно выбрать методы и средства неразру-

шагощего контроля, а также сократить трудоемкость составления базы данных.

В основу классификации агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств заложены следующие признаки: эксплуатационные параметры процесса (рабочие температура и давление); физико-химические свойства перерабатываемого углеводородного сырья; конструкционный материал, из которого изготовлен агрегат; габаритные размеры, форма и ориентация агрегата в пространстве; вид сборки; конструкционные особенности; подведомственность Госгор-технадзору; вид испытания; срок службы.

Предлагаемая классификация технологических агрегатов принципиально отличается от традиционных или известных тем, что каждый из вышеуказанных признаков присваивается агрегату в виде символов: буквенных или цифровых обозначений (табл. 6 ). В качестве примера приводится обозначения экстракционной колонны К-1 установки селективной очистки масел 37/5:

IIА - С 2,6/22,3 - 16-УП УТГ Гидр. N.

В диссертации приводится подробная расшифровка всех признаков, принципов разделения и обозначений с обоснованием и ссылкой на соответствующую нормативно-техническую документацию.

Предлагаемая классификация агрегатов, подлежащих технической диагностике, позволяет решить две проблемы: 1)повысить качество технологической подготовки диагностических работ и правильно выбрать методы и средства контроля; 2) сократить трудоемкость составления базы данных при разработке экспертных систем технической диагностики отказов.

В настоящее время наиболее распространенными и приемлемыми для технической диагностики оборудования, исходя из анализа агрегатов по вышеприведенной классификации, являются тепловые и акустические методы и средства неразрушающего контроля.

Таблица 6

Признаки и принципы классификации агрегатов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств

Признаки Принципы Обозначения

разделения

1 Технологические параметры Категория 1,11, Ш, IV

процесса (Ч,Р)

2 Физико-химические свойства Группа А,Б,В,Г,Д

срсды

3 Конструкционный материал Класс 1-10

4 Габариты: -диаметр, м - 2,6

-высота, м - 30

-толщина стснки, мм - 24

5 Вид сборки сварной С

клепаный К

литой л

6 Форма и ориентация в Тип 1-ХИ

пространстве

7 Конструктивные Наличие: Ф-футеровка

особенности -защитных покрытий и тепловой изо- Т-тепловая

ляции изоляция

-внутренних устройств У

-вращающихся деталей О

-рубашек охлаждения Р

-многослойной конструкции М

8 Срок службы Период эксплуатации:

-до 1 года 1

-от 1 года до расчетного срока в

-от 1 года до 1,5 расчетного срока N

-свыше 1,5 расчетного срока в

9 Подведомственность

Госгортехнадзору Г

10 Вид испытания Гидравлический Гидр.

Пневматический Пневм.

Преимуществами метода акустической эмиссии являются контроль без разрушения объекта исследований, высокая чувствительность и возможность обнаружения развивающихся дефектов типа трещин, представляющие наибольшую опасность при эксплуатации агрегатов.

Сущность стратегии технической диагностики отказов агрегатов с использованием метода акустической эмиссии заключается в следующем:

-комплексное изучение характеристики агрегата; - определение наиболее напряженных участков агрегата автоматизированным расчетом;

-экспериментальное исследование акустико-эмиссионных характеристик на модельных сосудах давления;

-акустико-эмиссионный контроль промышленного агрегата.

По результатам расчета на ЭВМ тангенциальных и мери-дианальных напряжений от внутреннего давления строятся эпюры напряжений, возникающих в оболочке аппарата.

Анализируя полученные эпюры напряженного состояния, можно сделать вывод о наличии нагруженных участков, где наиболее вероятно возникновение различных дефектов. Такими участками являются сварные швы в местах сопряжения оболочек различной геометрической формы. Например, в выпарном аппарате - это переход цилиндрической обечайки в днище конусообразной формы (рис. 7 ). В зоне сопряжения цилиндрической (толщиной 12 мм) и конической (толщиной 16 мм) оболочек возникают напряжения, равные 746 МПа, намного превышающие допускаемые ([ст]=187,2 МПа для стали 12Х18Н10Т при температуре 163 °С ).

Для проведения акустико-эмиссионного контроля на реальных аппаратах необходимо получить характерные зависимости числа импульсов (Ие) и суммарного счета (И) акустической эмиссии от давления (Р) на модельных сосудах в лабораторных условиях. Это вызвано тем,

что наиболее ответственным этапом контроля является расшифровка полученных результатов для оценки дефектности выпарных аппаратов.

Экспериментально установлено, что при бездефектном образце из-за эффекта Кайзера уже на втором цикле нагружения активность событий резко падает и к четвертому циклу нагружения суммарное число событий за цикл близко к нулю. При наличии трещины интенсивность акустической эмиссии практически не убывает с увеличением числа циклов, благодаря ее росту или трению берегов трещины.

При оценке технического состояния реальных агрегатов методом акустической эмиссии для каждого конкретного объекта составляется методика акусгико-эмиссионного контроля, которая включает следующие операции:

. 1) определение уровня механических шумов нагружаемого агрегата;

2) выбор схемы расположения преобразователей на объекте и порядок их перемещения в зависимости от величины контролируемой площади;

3) составление программы гидроиспытаний;

4) регистрация акустической эмиссии при нагружении;

5) сравнительный анализ параметров акустической эмиссии, полученных при испытании промышленных агрегатов, с эталонными;

6) обработка и представление данных.

При испытаниях агрегатов реализуют циклическое нагружение. Максимальная нагрузка не должна превышать величины, соответствующей регламентным значениям штатных испытаний.

Зону, в которой обнаружены источники повышенной акустической эмиссии, необходимо проверить штатными методами диагностики (ультразвуковой дефектоскопией, радиационными методами контроля и т.д.) для окончательного установления местоположения дефекта и его идентификации.

В настоящее время для контроля состояния трубчатых печей используются контактные стационарные приборы контроля температуры и практикуется визуальный осмотр, которые не отличаются необходимой надежностью, и используют при этом косвенные показатели температуры в оценке состояния таких основных элементов печи, как горелки и трубчатый змеевик.

Для современного парка трубчатых печей производств нефтепереработки и нефтехимии, гоношенного на 70...80%, применение дорогостоящих тепловизионных приборов контроля представляется не эффективным, поскольку разработанные для них методики требуют доработки для условий трубчатых печей, отличающихся особой спецификой измерений.

Предлагаемая система диагностики включает проведение периодических систематизированных измерений и анализ температурных параметров, сопоставительный анализ с дефектами и отказами элементов печи и прогнозирование возникновения отказов. На рис. 8 представлены результаты исследований, где максимальная скорость износа труб соответствует температуре, превышающей допустимые значения.

Реализация данного принципа технической диагностики с использованием тепловых методов позволяет не только повысить работоспособность трубчатых печей, но и продлить срок службы трубчатого змеевика на 30-50%.

Шестая глава посвящена разработке методологии обеспечения работоспособности агрегатов на основе научно-обоснованных инженерно-технологических решений.

Обследование вакуумных колонн АВТ ряда НПЗ отрасли позволило выявить некоторые недостатки в конструкции устройств ввода сырья в колонну, устранение которых возможно при соблюдении следующих требований: 1) должны обеспечивать максимальную степень сепарации парожидкостного потока; 2) должны иметь минимальное

Изменение скорости износа толщины стенки и температура труб печи П-3/1 установки Л 35-11/1000

Номер трубы

.-температура; ■ -скорость износа Рис. 8

Оценка напряженного состояния выпарного аппарата

гидравлическое сопротивление; 3) обеспечивать равномерное распределение паровой и жидкой фаз по сечению колонны; 4)исключить столкновение встречных потоков в колоннах с двумя тангенциальными вводами; 5)возможность изготовления и монтажа в условиях НПЗ. Этим требованиям отвечают устройства ввода сырья, разработанные для четырех типов вакуумных колонн диаметром от 2,6 м до 9,0 м.

На основании всесторонних исследований трубчатых печей НПЗ разработана вертикальная трубчатая печь модульного типа, которая имеет ряд преимуществ. Простота конструкции позволяет ее изготовить на базе ремонтного производства любого НПЗ, при этом материалоемкость на единицу тепловой мощности составляет не более 14 т/МВт. При разработке данной конструкции решены принципиальные вопросы: 1)радиантная секция состоит из 4-6 сборно-разборных модулей; 2)в радиантной секции трубчатый змеевик расположен вертикально; 3)достигнуто оптимальное соотношение основных размеров; 4)возможность сборки и монтажа непосредственно на технологической установке.

При плановом осмотре колонных аппаратов Д401, Д402 и Д407 производства получения дивинила на АО "Нижнекамскнефтехим" обнаружен наружный коррозионный износ обечайки. На рис. 9 показан фрагмент поверхности колонны Д407.

Коррозионный износ в виде пояса располагался над усиливающими кольцами по всему диаметру колонн в пределах от 50 до 250 мм от верхней кромки кольца. В табл. 7 представлены результаты замера толщины стенок. Общая поверхность составляет от 0,5 до 2,8% на глубину до 12-43% проектной толщины стенок.

Результаты анализа расположения участков коррозионного повреждения позволили определить, что причиной послужило попадание атмосферных осадков под теплоизоляцию, накопление их над кольцами

в слое теплоизоляции и в совокупности с высокой температурой стенки колонны создавало благоприятные условия для коррозии.

Восстановление обечаек проводилось по специальной технологии, используя способ наплавки металла по месту, т.е. без демонтажа колонных аппаратов. Однако при этом возникли две проблемы: определение уровня остаточных напряжений в местах наплавки и уменьшение уровня остаточных напряжений до допустимых значений.

Для определения уровня остаточных напряжений использовали специальный прибор, основанный на измерении магнитной проницаемости поверхностного слоя металла глубиной до 5 мм. Проводились следующие замеры:

1) на основном металле, то есть на участке обечайки без сварных швов и коррозионных повреждений;

• 2) на сварном шве заводского изготовления;

3) на наплавленном участке обечайки.

Все замеры выполнялись в вертикальном и горизонтальном направлениях, что показывало остаточные напряжения: меридианальные и кольцевые. Сравнивая полученные значения на наплавленном металле, на основном металле и в сварном шве, определяется необходимость проведения дополнительной обработки поверхности наплавленного участка обечайки.

В данном случае для снижения уровня остаточных напряжений применение термообработки было технически невозможным, дополнительная обработка поверхности наплавленных участков обечайки осуществлялась с применением ультразвукового ударного метода. Ударно - ультразвуковая обработка сварных швов применяется в судостроении при изготовлении корпусных конструкций, для обработки ферм железнодорожных мостов, стрел кранов и др. В табл.8 представлены количество точек обработки поверхности наплавленного металла колонны и результаты замера остаточных напряжений до и после обработки.

Фрагмент поверхности колонны Д407

/

2

/

1

I

1 - развертка обечайки на отм.24150;

2 - сварной шов;

3 - участки коррозионного износа.

Рис. 9

Таблица 7

Толщина стенки обечайки на участках коррозионного износа

Колонна Толщина стенки, мм Износ, %

По проекту тах тт

Д401:

отм.39190 21 21,0 15,6 25

отм. 29160 25 23,7 20,2 18

отм.22000 27 27,0 23,8 12

Д402 15 14,2 8,6 43

Д407 15 14,0 10,8 28

Таблица 8

Максимальные значения напряжений до (Д) и после (П) обработки ультрозвуковьтм ударным методом и их снижение (С)

Колонна Количество Меридианальные, отн.ед. Кольцевые, отн.ед.

замера д 1 П С,% Д П С,%

Д401

отм.39190 67 8,5 3,5 60 12,0 4,5 62

отм.29160 54 0,3 0 100 7,5 0,2 97

отм.22000 54 2,5 0 100 9,3 1,0 89

Д402 13 4,0 0 100 9,0 1,0 88

Д407 60 9,0 3,5 61 10,0 1,5 85

При ультразвуковой ударной обработке происходит пластическая деформация обрабатываемой поверхности в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности, вследствие чего снижаются остаточные сварочные напряжения, действующие в материале шва вдоль поверхности.

Анализ полученных результатов замера остаточных сварочных напряжений на наплавленных участках корпусов колонн до и после обработки ультразвуковым ударным методом, а также на основном металле и заводском сварном шве позволяет констатировать что:

1) комплексный метод снижения остаточных сварочных напряжений, включающий в себя измерение напряжений и механическую обработку поверхности наплавленного металла ультразвуковым ударным методом, обеспечивает снижение уровня остаточных сварочных напряжений на сварных швах и наплавленных участках.

2) обработка поверхности металла (сварных швов и наплавленных участков) ультразвуковым ударным методом обеспечивает снижение уровня остаточных меридианальных и кольцевых напряжений от 60 до 100%.

3) анализ результатов замеров уровня остаточных сварочных напряжений до и после обработки ультразвуковым ударным методом показывает целесообразность применения данного комплексного метода при ремонте колонных аппаратов нефтехимических и других производств.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.На основе изучения физико-химической сущности факторов и явлений, приводящих к нарушению работоспособных состояний и возникновению отказов агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, предложены принципы технической диагностики и обеспечения их работоспособности с использованием экспертных си-

стем, применение которых позволяет повысить эффективность и технологическую безопасность агрегатов.

2. Предложена и разработана система классификации агрегатов как объектов технической диагностики, которая на основе закодированных проектно-конструкторских, технологических и эксплуатационных признаков позволяет систематизировать комплексную характеристику агрегатов, повысить качество технологической подготовки диагностических работ, правильно выбрать методы и средства неразру-шающего контроля, а также сократить трудоемкость составления базы данных.

3. Разработана стратегия технической диагностики отказов агрегатов с использованием метода акустической эмиссии, сущность которой заключается в комплексном изучении характеристик диагностируемого агрегата, автоматизированном расчете наиболее напряженных участков агрегата, экспериментальном исследовании акустико-эмиссионных характеристик на модельных системах и акустико-эмиссионном контроле промышленного агрегата. С использованием разработанной стратегии проведена техническая диагностика аппаратов АО "НУНПЗ", шаровых резервуаров АО "Нижнекамскнефтехим".

4.Разработаны способы и принципы технической диагностики, заключающиеся в проведении периодических систематизированных измерений температуры (бесконтактным методом точечных ИК-измерений) и анализе температурных параметров, в сопоставительном анализе с дефектами и отказами элементов трубчатой печи, с применением которых проведена техническая диагностика трубчатых печей АО "НУНПЗ", разработаны научно-обоснованные мероприятия по повышению их работоспособности.

5.Разработана технология снижения уровня остаточных сварочных напряжений, отремонтированных с использованием способа наплавки металла по месту без демонтажа обечаек колонных аппаратов,

подверженных наружному коррозионному износу, сущность которой заключается в определении уровня остаточных меридианальных и кольцевых напряжений в местах наплавки и снижении уровня остаточных сварочных напряжений до допустимых значений за счет обработки поверхности металла и сварных швов ультразвуковым ударным методом. Данная технология внедрена на АО "Нижнекамскнефтехим" при технической диагностике и восстановлении колонных аппаратов.

6.Разработан метод многокритериальной оценки агрегатов, который позволяет определить степень ответственности и важности агрегатов в обеспечении работоспособного состояния технологической установки, а также выявить наиболее узкие места по показателям надежности и безопасности как отдельных агрегатов, так и технологической установки в целом. По разработанной методике осуществлена оценка агрегатов и технологической установки коксования типа 21-10/300 АО "НУНПЗ", что позволила получить более объективную информацию об объекте диагностирования, используемой при разработке моделей представления неформализованных знаний.

7.Предложены принципы создания интеллектуального и программно-информационного обеспечения экспертной системы технической диагностики, отличительной особенностью которых является наличие в архитектуре экспертной системы блока логико-аналитического прогнозирования, позволяющий предсказывать изменения технического состояния агрегатов, выявлять причины неисправностей и разработать способы их ликвидации и предупреждения.

8.Разработаны архитектура, интеллектуальное и программно-информационное обеспечение экспертной системы технической диагностики установки замедленного коксования, которые могут быть использованы как прототип вновь создаваемых экспертных систем технической диагностики других технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

Разработана экспертная система технической диагностики установки замедленного коксования, функционирующая в пассивном и активном режимах.

9.На основе использования принципа избирательности способов защиты многомасштабных иерархически организованных техногенных объектов и применения экспертных систем технической диагностики разработана методика обеспечения безопасности агрегатов и технологических установок с регламентированной вероятностью возникновения аварий, равной Ю-6.

Ю.Разработаны научно-обоснованные инженерно-

технологические решения по повышению работоспособности основных агрегатов технологических установок.

Разработаны и внедрены в производство 4 варианта устройств ввода сырья в вакуумные колонны диаметром от 2,6 м до 9,0 м, которые обеспечивают устойчивую работу колонн в широком диапазоне изменения технологического режима без снижения качества получаемых продуктов.

Разработана и внедрена в производство трубчатая печь нового поколения, отвечающая современным требованиям экономики, промышленной и экологической безопасности.

11. В результате классификации факторов и явлений, приводящих к нарушению работоспособных состояний агрегатов, и исследованиями влияния технологических факторов и конструкционных особенностей агрегатов на их работоспособное состояние, установлены закономерности адгезиошюго, диффузионного и коррозионного взаимодействия нефтяных остатков с конструкционными материалами в условиях высоких температур.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.А.с.№1118420.МКИ В05В 1/30. Центробежно-струйная форсунка/ И.Г.Ибрагимов, Б.И.Брондз, А.В.Купцов и др.- Бюлл. изобр. №38,

1984.

2.А.с.№1197698. МКИ ВОЮ 45/12. Сепарирующее устройство/ В.В.Фрязинов, И.Г.Ибрагимов, А.М.Соловьев и др.-Бюлл. изобр. №46,

1985.

3.А.с.№1279990. МКИ С10В 55/00. Способ получения нефтяного кокса/ Д.Ф.Варфоломеев, И.Р.Кузеев, И.Г.Ибрагимов и др,-Бюлл. изобр. №48, 1986.

4.А.с.№1491882. МКИ СЮв 9/20. Вертикальная цилиндрическая трубчатая печь/ И.Г.Ибрагимов, Е.А.Филимонов, И.Р.Кузеев и др.-Бюлл. изобр.№25,1989.

5.А.с.№1498538. МКИ ВОЮ 45/12. Сепарирующее устройство/ И.Г.Ибрагимов, И.Р.Кузеев, Е.А.Филимонов и др.-Бюлл. изобр. №29, 1989.

6.А.с.№1517983. МКИ ВОЮ 45/12. Сепарирующее устройство/ И.Г.Ибрагимов, Б.И.Брондз, С.В.Затолокин и др.-Бюлл.изобр. №40, 1989.

7.А.с.№1772581. МКИ в ОГВ 3/20. Устройство для измерения диаметра/ К.Х.Вахитов, В.И.Краснов, И.Г.Ибрагимов и др.-Бюлл.изобр. №40, 1992.

. 8.Пат.№1197698. МКИ МКИ ВОЮ 45/12. Сепарирующее устройство/ В.В.Фрязинов, И.Г.Ибрагимов, А.М.Соловьев и др.-Бюлл. изобр. №32,1993.

9.Ибрагимов И.Г, Брондз Б.И., Хайрудинова С.С. Совершенствование вакуумсоздающих систем на установках первичной переработки нефти // Тез.докл.сб.:Актуальные проблемы нефтехимии.-Уфа,1982.-с.76.

Ю.Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Ибрагимов И.Г. Образование диффузионной зоны при контакте кокса с металлом // в сб.:Резервы повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.-Уфа,1982.-С.23-25.

П.Кузеев И.Р., Шарафиев Р.Г., Ибрагимов И.Г., Абызгильдин Ю.М. Закономерности кристаллизации углерода из углеводородных сред // В сб.: Повышение качества и эксплуатационной стойкости углеродной продукции.-Челябинск,1983.-с. 173-176.

12.Фшшмонов Е.А., Ибрагимов И.Г. Надежность нагревательных печей // В сб.: Современные машины и аппараты химических производств "Химтехника-83".-Ташкент,1983.-с.28-30.

1 З.Ибрагимов И.Г. Изучение каналообразования в реакторе установки замедленного коксования II В сб. ".Современные достижения в области исследования, производства и эксплуатации углеродных материалов и изделий.-Челябинск, 1984.-c.160.

Н.Ибрагимов И.Г., Шарафиев Р.Г, Кузеев И.Р. и др. Влияние скорости охлаждения на толщину пристеночного кокса// В сб.Актуальные проблемы нефти и газа.-Уфа,1984.-с.20-21.

15.Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р. Исследование диффузионных явлений на границе кокс-металл// В сб.:Роль студенческой молодежи в ускорении научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности.-Уфа,1984.-с.68.

16. Ибрагимов И. Г. Статистическое распределение размеров спиралевидных образований при кристаллизации нефтяного углерода на металле// В сб. .'Проблемы глубокой переработки сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов.-Уфа,1984.-е.48-49.

П.Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р., Кузеев И.Р. и др. Исследование состава и свойств адгезионных центров в коксосмолистых продуктах// В сб.-.Проблемы глубокой переработки сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов.-Уфа, 1984.-С.97-98.

18.Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Баязитов М.И. и др. Коррозия металлов при коксовании сернистых нефтяных остатков// В сб.:Проблемы глубокой переработки сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов.-Уфа,1984.-С.166-167.

19.Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И., Корякин П.С. и др. Расчет термодеформирования печных труб// В сб.:Проблемы глубокой переработки сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов.-Уфа,1984.-С.180-181.

20.Кузеев И.Р., Хайрудинов И.Р., Ибрагимов И.Г. и др. Состав спиралевидных структур при кристаллизации нефтяного углерода на поверхности металла.-Химия и технология топлив и масел, 1984, №11, с.29-30.

21.Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И., Захаров Н.М. К вопросу об интенсивности замены печных труб по годам// В сб.:Научно-гехническое творчество ВУЗов в помощь производству.-Уфа,1986.-с.66.

22.Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния печных труб// В сб.:Научно-техническое творчество ВУЗов в помощь производству.-Уфа,1986.-с.67.

23.Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Галиев Л.Г. Влияние параметров технологического режима на физико-механические свойства нефтяного кокса// Химия и технология топлив и масел, 1986, №1, с. 18-20.

24.Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И. и др. Предотвращение коррозии сталей при коксовании нефтяных остатков// Химия и технология топлив и масел, 1986,№3, с.8-9.

25.Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р. и др. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл// Химия и технология топлив и масел, 1986, №6, с.13-14.

26.Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Гидродинамика двухфазных потоков// В кн.: Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии.-Сумы, 1986.-С.215-216.

27. Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточные толщины стенки труб конвекционных и радиантных экранов нагревательных печей// В кн.: Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии.-Сумы, 1986.-С.217-218.

28.Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р., Унгер Ф.Г. Состав отложений коксосмолистых продуктов на металлической по-верхности//Изв. ВУЗов "Химия и химическая технология", т.29, вып. 12, 1986, с.47-54.

29.3ахаров Н.М., Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г. Высокотемпературные теплоносители и их применение в различных технологических процессах/® сб.:Интенсификация процессов переработки тяжелых нефтяных остатков.-Уфа,1987, С.-16-17.

30.Ибрагимов И.Г., Затолокин C.B., Хайрудинова С.С. Повышение эффективности работы вакуумных колонн// В сб.:Надежность оборудования производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности.-Уфа,1987.-с.160.

31.Расмус O.P., Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф. Принцип построения схем функциональных связей //В сб.Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти.-Уфа, 1988.-е. 1213

32.Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф., Мухаметов Р.Ш. Оценка функционирования технологических установок нефтепереработки и нефтехимии// В сб. Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти.-Уфа,1988.-е. 15-16.

33.Готенко В.Ф., Расмус O.P., Ибрагимов И.Г. Автоматизированная система диагностики в помощь оператору// В сб. Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти.-Уфа,1988.-c.8-9.

34.Ибрагимов И.Г., Готенко В.Ф., Расмус O.P. Экспертные системы диагностирования в нефтепереработке//В сб.:Материалы IX Межвузовской щколы-семинара "Методы и средства технической ди-агностики.-Ивано-Франковск, 1990.-С.75-76.

35.3атолокин C.B.,Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р. Диагностика трубчатых печей измерением температурного поля// В сб.¡Глубокая переработка углеводородного сырья.-М:ЦНИИТЭнефтехим.-с. 135-137.

Зб.Съемники нефтеперерабатывающего и нефтехимического оборудования: Справочное издание/ Краснов В.И., Жильцов A.M., Ибрагимов И.Г. и др.-М.:Химия, 1993.-112 с.

37.3атолокин C.B., Ибрагимов И.Г. Система термодиагностики трубчатых печей бесконтактным методом точечных ИК-измерений -современный способ повышения их работы// Тез.докл. I отраслевого совещания "Проблемы и перспективы развития АО "УНПЗ".-Уфа, 1995,- с.57-58.

38.Ибрагимов И.Г. Классификация оборудования с целью проведения технологической подготовки диагностических работ// Тез.докл. I

отраслевого совещания "Проблемы и перспективы развития АО "УНПЗ".-Уфа, 1995.-c.55.

39.Ибрагимов И.Г. К вопросу обеспечения промышленной и экологической безопасности в нефтегазохимическом комплексе// В сб.:Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплек-са.-Уфа, 1995.-c.7-8.

40.Ибрагимов И.Г. Иерархическая структура технологических объектов// В сб.:Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса.-Уфа, 1995.-C.17-19.

41.Ибрагимов И.Г., Хабиев Р.Х., Затолокин C.B. Исследование влияния нестационарности температурного поля в трубчатой печи на износ трубчатого змеевика// В сб.:Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса.-Уфа, 1995.-c.30.

42.Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г. Закоксовывание змеевиков и критическая деформация печных труб // В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, г. Уфа, 1996. - с.122-

43.Ибрагимов И.Г., Сельский Б.Е., Леликов A.A. Экспертная система технической диагностики // В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, г. Уфа, 1996. - с.23-26.

44.Ибрагимов И.Г. Принцип разработки комплексной системы технической диагностики технологических объектов нефтепереработки и нефтехимии// В сб.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, г. Уфа, 1996. - с. 19-22.

45.Ибрагимов И.Г. Принципы обеспечения работоспособности агрегатов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с использованием экспертных систем.- Уфа: Издательство УГНТУ, 1996,-49 с.

123.

Соискатель

И.Г. Ибрагимов