автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Оценка долговечности технологических трубопроводов с учетом вынужденных колебаний

Введение

1 Технологические трубопроводные системы нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий

1.1 Классификация и общие сведения о внутризаводских трубопроводных системах заводов

1.2 Современное техническое состояние технологических трубопроводов

1.3 Современные методы расчета долговечности трубопроводов

Выводы

2 Описание объектов и методов исследования

2.1 Характеристика изученных технологических трубопроводов

2.2 Измерение вибраций исследованных трубопроводов

2.3 Методика обработки результатов исследования

Выводы

3 Оценка характера деформирования и нагружения трубопроводов

3.1 Напряженно-деформированное состояние исследованных трубопроводов

3.2 Разработка метода интерпретации вибрационных спектров

Выводы

4 Разработка методики расчета долговечности технологических трубопроводов с учетом влияния распределения энергии упругой деформации и вынужденных колебаний

4.1 Расчет циклов нагружения до реализации трещины

Транспортировка углеводородного сырья на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях осуществляется с помощью трубопроводных систем. По данным Госгортехнадзора Башкирского округа физический износ технологических трубопроводов на предприятиях нефтехимической промышленности приближается к 90%. Принимая во внимание тот факт, что технологические трубопроводы являются транспортерами взрывопожароопасных сред, эксплуатация таких систем создает угрозу безопасному функционированию предприятий. Недостаток свободных оборотных средств не позволяет своевременно обновлять существующие трубопроводные системы, повышая тем самым риск возникновения аварий.

Неполная загрузка технологических установок, обусловленная изменением структуры потребления сырья на предприятиях, приводит к изменению режимов нагружения оборудования и увеличению его остановов. На фоне этих проблем стали возникать дефекты, характер которых не находит объяснения. В большей степени это относится к технологическим трубопроводам, обвязывающим насосно-компрессорное и реакторное оборудование, которое имеет нестационарное изменение напряженного состояния. Традиционный подход к обеспечению и поддержанию работоспособности трубопроводных систем становится недостаточным, так как не позволяет учесть такие факторы как влияние динамики транспортируемой среды, нагрузки от сопряженного оборудования и техническое состояние системы. В связи с вышеизложенным, особое значение приобретает такой подход к обеспечению долговечности технологических трубопроводов, который позволил бы учесть весь необходимый комплекс оценочных характеристик.

Цель работы

Оценка суммарного влияния накопленной энергии упругой деформации v вынужденных колебаний трубопроводов, сопряженных с насосно-компрессорным оборудованием, на их долговечность.

Задачи исследований

1 Провести анализ влияния напряженно-деформированного и дефектного состояния технологических трубопроводов, сопряженных с насосно-компрессорным оборудованием, на выход их из строя в реальных условиях эксплуатации.

2 Разработать метод интерпретации частотных спектров вынужденных колебаний технологических трубопроводов и элементов их конструкций.

3 Разработать методику расчета долговечности технологических трубопроводов с учетом влияния на образование и развитие трещин распределения потенциальной энергии упругой деформации и вынужденных колебаний.

Научная новизна

1 Установлена корреляция между реальной скоростью роста дефектов технологических трубопроводов, сопряженных с насосно-компрессорным оборудованием и скоростью роста дефектов, рассчитанной с учетом влияния вибрационных нагрузок на реализацию накопленной энергии упругой деформации.

2 Установлено, что наложение вибрационных нагрузок на оболочку трубопроводов, находящихся под действием технологических параметров, снижает их долговечность в 1,5.4,0 раза в зависимости от значения напряжения, создаваемого вынужденными колебаниями.

Практическая ценность

1 Разработана методика расчета долговечности технологических трубопроводных систем, сопряженных с насосно-компрессорным оборудованием, с учетом суммарного влияния вибрационных нагрузок и распределения энергии упругой деформации.

2 Разработанная автором методика расчета долговечности технологических трубопроводов, используется в научных исследованиях, проводимых по заказам нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий АО "Башнефтехим", а также в УГНТУ при проведении 6 теоретических и практических занятий по дисциплине "Безопасность и надежность оборудования нефтегазопереработки" студентов специальности 17 17 00 "Оборудование нефтегазопереработки".

По теме диссертации опубликовано 5 работ (общим объемом 5,9 печатного листа). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях.

Диссертация и состоит из введения, 4 разделов, 110 страниц текста, 16 таблиц, 22 рисунков, 101 источника использованной литературы и 2 приложений.

Общие выводы

1 На основе сравнительного анализа данных, полученных при исследовании качества функционирования действующих внутризаводских трубопроводов и оценке суммарного влияния накопленной энергии упругой деформации и вынужденных колебаний трубопроводных систем показано, что скорость роста дефектов технологических трубопроводов, рассчитанная с учетом влияния вибрационных нагрузок коррелятивна реальной скорости роста дефектов трубопроводов.

2 Изучена работа более шестидесяти трубопроводных систем, проведена классификация их дефектов, произведены замеры вибрационных нагрузок и предложен метод их интерпретации, в котором предполагается принять виброперемещения трубопроводных систем за прогибы стержневой системы, что дает возможность учета влияния напряжений от вибрационных нагрузок на долговечность технологических трубопроводов и элементов их конструкций.

3 Для упрощения учета снижения долговечности подверженных вибрационным нагрузкам трубопроводов, рассчитываемой по традиционным методикам, предложен коэффициент Кв, который для рассматриваемых сред и технологических параметров может изменяться в пределах 1,5. .4,0 в зависимости от значения напряжения, создаваемого вынужденными колебаниями.

4 Разработанная методика расчета долговечности с учетом вынужденных колебаний использовалась при выявлении причин возникновения дефектов, повторяющихся на одних и тех же участках трубопроводов ОАО "Уфанефтехим", ОАО "Уфаоргсинтез", ОАО НУНПЗ (г. Уфа), ЗАО "Каустик" (г. Стерлитамак). Предложенные рекомендации по повышению долговечности трубопроводных систем приняты к внедрению.

5 Методика расчета долговечности с учетом влияния вибрационных нагрузок на прирост дефекта путем реализации накопленной энергии упругой деформации также нашла применение в УГНТУ при проведении теоретических и практических занятий по дисциплине "Безопасность и надежность оборудования нефтегазопереработки" студентов специальности 17.17.00 "Оборудование нефтегазопереработки".

Ill

1. Давыдов В.П., Кирьянов Ю.Г. Анализ аварийности и травматизма на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору России // Безопасность труда в промышленности. 1999. - №4. - С. 2-6.

2. Аварии года: оперативная информация об авариях, происшествиях на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору России // Безопасность труда в промышленности. 1999. - №5. - С.25.

3. Белый Н.Г. К вопросу о вибрациях и выносливости трубопроводов. Куйбышев: КУАИ, 1995. С. 129-133.

4. Танасова Г.В. Эффективность и качество ремонта трубопроводной арматуры // Газовая промышленность. 1999.- №8. -С. 33.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов ПБ 03-108-96. М.: НПО ОБТ Госгортехнадзора РФ, 1997.

6. Шпигель М.Я., Задворнов Н.В., Кобзарь Ф.М. и др. Расчет напряженно-деформированного состояния обечайки ресиверов в местах приварки штуцеров и люка // Безопасность труда в промышленности. 1999. - №1. - С. 36-38.

7. Кузнецов Н.С., Тарасюк П.С. Определение дефектов в стенке действующего трубопровода виброакустическим методом // Вопросы теории и практики контроля и диагностики. 2000. - №7. - С. 5-7.

8. Кузнецов Н.С., Тарасюк П.С. Выявление утечек в подземных трубопроводах корреляционным методом // Контроль. Диагностика. 2000. -№6.-С. 22-26.

9. Петровский B.C. Гидродинамические проблемы турбулентного шума. -Л.: Судостроение, 1966. 252 с.

10. Позняк Е.В., Самогин Ю.Н., Хроматов В.Е. Расчет спектра собственных частот оборудования и трубопроводов реакторной установки // Динамика, прочность и износостойкость машин. 1998. - №4. - С. 40-43.

11. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г., Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях. М.: Энергоатомиздат, 1989. -304 с.

12. Бабин О.А., Самогин Ю.Н. Расчет трубопроводных систем на кинематические воздействия совместно с оборудованием и конструкций здания // Межведомственный сборник трудов МЭИ. 1984. - №26. - С. 106-113.

13. Постнов В.А., Хархурим Я.И. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. JL: Судостроение, 1974. - 344 с.

14. Самогин Ю.Н., Симонов Б.П. Метод декомпозиции в расчетах сейсмических сооружений на сейсмостойкость // Сборник научных трудов МЭИ. 1986. -№83. -С. 84-91.

15. Самогин Ю.Н., Чирков В.П. Восстановление вибрационного поля конструкций по показаниям вибродатчиков // Динамика, прочность и износостойкость машин. 1998. - №4. - С. 31-34.

16. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах, Т.1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. -М.: Машиностроение, 1979. 352 с.

17. Бате К., Вилсон Е., Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

18. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. - 351 с.

19. Дедиков Е.В., Маркелов В.А., Клишин Г.С. и др. Расчет прочности технологических трубопроводов КС // Газовая промышленность. 1999.- №8. -С.31-33.

20. Козобков А.А., Коппель А.И., Мессерман А.С. Электрическое моделирование вибраций трубопроводов. М.: Машиностроение, 1974. - 168 с.

21. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. М.: Машиностроение, 1969. - 744 с.

22. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок. М.: Машиностроение, 1964.

23. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. -М.: Химия, 1991.-432 с.

24. Батенчук А.Н. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов. М.: Стройиздат, 1971. - 304 с.

25. Магалиф В.Я. Расчет пространственных трубопроводов на прочность с применением вычислительных машин. Серия "Опыт проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий". М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1967.

26. Магалиф В.Я., Якобсон JI.C. Расчеты трубопроводов на вычислительных машинах. М. Энергия, 1969.

27. Программа расчета прочности и жесткости трубопроводов (Start) / Межотраслевой фонд алгоритмов и программ автоматизированных систем в строительстве. М.: ЦНИИПРОЕКТ, 1986. - 60 с.

28. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов РТМ 38.001-94. М.: ВНИПИНефть, 1994.

29. Зайнуллин Р.С. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа: МИБ СТС, 1997.

30. Магалиф В.Я. Программа расчета трубопроводов на вычислительных машинах. Методы и техника современного проектирования. 1970. - №6.

31. Капов Ю.В., Дворянцева JI.A. Защита от шума и вибрации на предприятиях химической промышленности. М.: Химия, 1991. - 120 с.

32. Прогрессивные методы испытаний на надежность трубопроводных материалов и конструкций // Строительство магистральных трубопроводов. -1990. Вып. №2. - С. 3-4, 15, 17.

33. Ромейко В. Концепция проекта федерального закона "О трубопроводном транспорте". Обоснование необходимости разработки проекта Закона // Трубопроводы и экология. 1998. - №4. - С. 4-5.

34. Магалиф В.Я., Шапиро Е.Е. Компенсирующая способность трубопровода с учетом сил трения на скользящих опорах // Строительство трубопроводов. 1975. - N1. - С. 25-30.

35. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды РД 10-249-98. М.: АООТ НПО ЦКТИ Госгортехнадзора РФ, 1999.

36. Расчет трубопроводов энергетических установок на прочность РТМ 24.038.08-72. Изменение №1 к РТМ 24.038.08-72.

37. Магистральные трубопроводы СНИП 2.05.06-85. М.: ЦИТП Госстроя РФ, 1985.

38. Выбор упругих опор для трубопроводов тепловых и атомных электростанций РТМ 24.038.12-72. М.: Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения, 1973.

39. Пружины винтовые цилиндрические для подвесок трубопроводов ТЭС и АЭС. Конструкция, размеры и технические требования ОСТ 108.764.01-80. -М.: НПО ЦКТИ, 1981.

40. Айнбиндер А.Б., Грин У. Метод расчета тройников на воздействие внутреннего давления и изгибающих моментов // Строительство трубопроводов. 1993. - № 7. - С. 5.

41. Методические указания по расчетной оценке и снижению динамических воздействий на конструкции технологического оборудования. МУ-РВ-1-86. М.: Миннефтехимпром, 1986.

42. Методические рекомендации. Метод расчета сложных пространственных конструкций в области низших форм колебаний. МР-61-82. -М.: Госстандарт, 1982.

43. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. - 258 с.

44. Иванова B.C., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. Уфа: УГНТУ, 1998.-363 с.

45. Сиратори М., Миёси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения: Пер. с японск. М.: Мир, 1986. - 334 с.

46. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. М.: Наука, 1990.-240 с.

47. Закиров О.А., Греб А.В., Шаталина М.А., Габбасова А.Х. Расчет технологических трубопроводов как пространственных конструкций с учетом энергии упругой деформации / Препринт № 7. Уфа: УГНТУ, 1999. - 32 с.

48. Закиров О.А., Шаталина М.А., Греб А.В., Габбасова А.Х. Исследования влияния гидродинамики на эксплуатационную надежность технологических трубопроводов. Уфа: УГНТУ, 1999. - 55 с.

49. Греб А.В. Повышение надежности трубопроводных коммуникаций технологических установок: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук Уфа: УГНТУ, 1999.- 132 с.

50. Технологические трубопроводы промышленных предприятий / Тавастшерна Р.И., Бесман А.И. и др. М.: Стройиздат, 1991. - 655 с.

51. Эксплуатация и ремонт технологических трубопроводов под давлением до 10,0 МПа / Нормат произвол, изд. М.: Химия, 1988. - 288 с.

52. Тепловые и атомные электрические станции / Под ред. В.А. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 608 с.

53. Фролов Д. Российские трубные заводы пострадали больше других // Рынок нефтегазового оборудования. 1997. - № 1. - С. 34 - 37.

54. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978.592 с.

55. Сигаева М.Г., Шумилов Г.А., Князькин И.И. Автоматизация процесса замедленного коксования // Автоматизация и контрольно-измерительные приборы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1989. №1. - 76 с.

56. Аварии на трубопроводном транспорте: По материалам МЧС России // Трубопроводы и экология. 1998. - № 4. - С. 27.

57. Уильям Ф. Маршал. Разработка плана эффективного ремонта трубопроводов // Нефтегазовые технологии. 1997. - № 2. - С. 29 - 33.

58. Bound R.H., Conwad H.G. Jornal of the Pagal Aeronautical Society, 1956. -№487.-p. 14-20.

59. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств. М.: Металлургия, 1988. - 88 с.

60. Общие нормы технологического проектирования ОНТНТГТ 24-86. М.: ВНИИПО, 1987.-26 с.

61. Романов В.В. Влияние коррозионной среды на циклическую прочность металлов. М.: Наука, 1969. - 219 с.

62. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность ГОСТ 14249-89. М.: Издательство стандартов, 1989. - 78 с.

63. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках ГОСТ 25859-83. М.: Издательство стандартов, 1983.-78 с.

64. Gas transmission and distribution piping system ASME, 1992. B31.8.

65. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977.-623 с.

66. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь: Вибро-центр, 1996.-№1.-175 с.

67. Хеллан К. Введение в механику разрушения: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-364 с.

68. Зайнуллин Р.С., Шарафиев Р.Г. Сертификация нефтегазохимического оборудования по параметрам испытаний. М.: Недра, 1998. - 447 с.

69. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

70. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. - 455 с.

71. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов / Пер с англ. под ред. Б.Я. Любова. М.: Мир, 1972.-408 с.

72. Щипачев A.M. Термодинамическая теория прочности: прогнозирование многоцикловой усталости металлов. Уфа: У ТИС, 1998. - 107 с.

73. Щипачев A.M. Прогнозирование характеристик усталостной прочности металлов с учетом модифицированных поверхностных слоев. Дисс. на соиск. уч. степени доктора техн. наук.- Уфа: УТИС, 2000. — 200 с.

74. Дубинский В.Г. Надежность газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. М.: Недра, 1979.

75. Кулаков Н.Н., Загоруйко А.С. Методы оценки повышения надежности технических изделий по технико-экономическим показателям. Новосибирск, 1969.

76. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. - 592с.

77. Экономические проблемы повышения качества промышленной продукции / Под. ред. Д.С. Львова М.: Наука, 1969.

78. Тасев Г., Видинова Е. Экономическая эффективность от повышения уровня надежности объектов // Надежность и контроль качества. 1995. - № 3. -С. 34-40.

79. Шаталина М.А. Экономическая оценка повышения надежности функционирования технических систем (на примере АО "Башнефтехим"): Дисс. на соиск. уч. степени канд. эконом, наук Уфа: УГНТУ, 1999. - 129 с.

80. Гусев А.С., Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

81. Гусев А.С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. М.: Машиностроение, 1989. - 248 с.

82. Матвеев В.В. К анализу эффективности метода спектральной вибродиагностики усталостного повреждения элементов конструкций. Сообщение 1. Продольные колебания, аналитическое решение // Проблемы прочности. 1997. - № 6. - С. 5-19.118

83. Фролов К.В., Махутов Н.А., Каплунов С.М. и др. Вибропрочность главных циркуляционных трубопроводов АЭС: Проблемы разрушения, ресурса и безопасности технических систем. Красноярск: СО РАН, 1997. - С. 345-353.

84. Промышленный стандарт для обслуживания по фактическому состоянию. Справочник. М.: РАО CSI. - 2001.

85. Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. - 288 с.

86. Вибрация энергетических машин. Справочное пособие под ред. Н.В. Григорьева. Д.: Машиностроение, 1984. - 464 с.

87. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиноведение, 1987. - 232 с.

88. Методы расчета характеристик сопротивления усталости / В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков и др. М.: Машиноведение, 1982. - 80 с.

89. Ромвари П., Тот JL, Надь Д. Анализ закономерностей распространения усталостных трещин в металлах: Пер. с англ. // Проблемы прочности. 1980. -№ 12.-С. 18-27.

90. Бендат Дж., Пирсол А. Изменение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1994.-463 с.

91. Случайные колебания: Пер. под ред. А.А. Первозванского. М.: Мир, 1987.356 с.