Введение

МОСКВА 1996

Часть I

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

В. Д. ЧЕРНЯЕВ, С. Н. ЧЕЛИНЦЕВ

В. М. ПИСАРЕВСКИЙ, В. А. ПОЛЯКОВ, А. Д. ПРОХОРОВ,

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Государственная академия нефти и газа

им.И.М.Губкина

Кафедра транспорта и хранения нефти и газа

В.М.ПИСАРЕВСКИЙ, В.А.ПОЛЯКОВ, А.Д.ПРОХОРОВ,

В.Д.ЧЕРНЯЕВ, С.Н.ЧЕЛИНЦЕВ

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

ПО КУРСУ

Часть I

Для студентов специальностей:

090700 - Проектирование, сооружение и эксплуатация

газонефтепроводов и газонефтехранилищ,

090900 - Морские нефтегазовые сооружения,

071100 - Динамика и прочность машин

Под редакцией проф. В. М. ЛИСА РЕВСКОГО

Москва 1996

УДК 621.643.622.32

Писаревский В.М., Поляков В.А., Прохоров А.Д., Черняев В.Д., Челинцев С.Н. Основы технической диагностики: Методические указания к практическим занятиям по курсу. Часть I. — М: ГАНГ, 1996 — 90 с.

Методические указания к практическим занятиям по курсу "Основы технической диагностики" (Часть I) предназначены для изучения теоретических основ и приобретения навыков решения практических задач по разделу "Вибрационная диагностика машин".

Предназначены для студентов, аспирантов и преподавателей вузов и факультетов нефтегазовых специальностей, они будут полезны инженерно-техническим работникам нефтяной и газовой промышленностей.

Разработаны кафедрой транспорта и хранения нефти и газа ГАНГ им.И.М.Губкина.

Ó Государственная академия нефти и газа имени И.М.Губкина, 1996

Задача проектирования и эксплуатации любой технологической системы состоит в обеспечении экономичности ее функционирования, то есть обеспечении максимума прибыли при минимуме затрат. Затраты состоят из капитальных и эксплуатационных. Возможно ли снижение этих затрат? Для ответа на этот вопрос рассмотрим определение технологической системы. Технологической системой называется совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов и операций. В приложении к системам магистральных трубопроводов технологическая система включает:

· головные насосные и компрессорные станции;

· линейную часть (собственно трубопровод);

· промежуточные насосные и компрессорные станции;

· конечные пункты;

· резервуарные парки для хранения нефти и нефтепродуктов и хранилища газа.

Это значит, что магистральный трубопровод состоит из составляющих систем с разным ресурсом. Под ресурсом понимается суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Предельным состоянием объекта называется состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Каждая из составляющих технологической системы магистрального трубопровода призвана обеспечить выполнение соответствующих технологических задач. Неконтролируемый выход из строя какого-либо из элементов системы может привести (и приводит) к катастрофическим материальным потерям. Отсюда следует, что экономичность и надежность эксплуатации сложных систем взаимосвязаны.

Под надежностью систем трубопроводов понимается их способность осуществлять подачу транспортируемого продукта, сохраняя во времени установленные эксплуатационные показатели в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям исполь зования. С течением времени эксплуатационные показатели могут измениться и выйти за допустимые пределы. Поэтому необходим их контроль.

К существующим видам контроля технического состояния технологической системы относятся:

планово-предупредительный ремонт (ППР);

оценка по надежности (ресурсу);

диагностика технического состояния (техническая диагностика).

К методам технической диагностики относятся:

параметрическая диагностика;

диагностика по внешним параметрам;

неразрушающий контроль.

Использование методов технической диагностики позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты.

Для трубопроводного транспорта нефти и газа транспортируемый поток должен обладать энергией, необходимой для преодоления различных сопротивлений. При этом возникает необходимость контроля энергетических характеристик потока. Мерой энергии транспортируемого по нефтепроводу потока является сумма удельной потенциальной и кинетической энергий потока, называемая полным напором и численно определяемая по формуле

,

где p - давление транспортируемого продукта;

v - скорость потока

g = rg - удельный вес потока;

r - плотность продукта;

g - ускорение свободного падения;

z - разность высот.

Состояние транспортируемого газа описывается уравнением состояния, которое для единицы массы имеет вид (уравнение Менделее­ва - Клапейрона)

,

где р - давление газа;

r - плотность газа;

z - коэффициент сжимаемости;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура газа.

Таким образом, диагностика энергетического состояния транспортируемого потока должна включать контроль давления, скорости, плотности, температуры потока. Кроме этого, для оценки энергетических потерь необходим контроль вязкости потока.

Энергию, необходимую для перемещения нефти или газа по трубопроводу на заданное расстояние, поток получает от нагнетательных машин (насосов или компрессоров). Таким образом, работа нагнетательных машин характеризуется прежде всего давлением и подачей, определяющими энергию, передаваемую перекачиваемому продукту. Кроме этого, работа нагнетателей характеризуется такими параметрами, как расход топлива, масла и т.д.

Контроль указанных параметров составляет параметрическую диагностику.

При прохождении через проточную часть нагнетательных машин поток взаимодействует с механической системой насосов или компрессоров. Количественной мерой механического взаимодействия между механическими объектами является сила.

Любое механическое перемещение характеризуется законом движения. Закон движения устанавливает зависимость положения элемента системы в пространстве от времени. При векторном способе задания закона движения радиус-вектор r движущейся точки задается как функция времени r=r(t).

Согласно второму закону механики (основному закону динамики) ускорение, сообщаемое свободной материальной точке приложенной к ней силой, имеет направление силы и по значению пропорционально силе

F = m w,

где m - масса.

При этом состояние равновесия может быть не только состоянием покоя, но и движением с постоянной скоростью (равномерное и прямолинейное). При осуществлении технологического процесса сумма действующих на систему сил не должна быть равна нулю. Это значит, что механическая система нагнетателей, связанная с ними трубопроводная система и транспортируемый поток находятся под воздействием не равной нулю системы сил и совершают движения, описываемые некими законами движения.

Общим уравнением динамики системы материальных точек (законом движения) является уравнение Лагранжа II рода

,

где r - радиус-вектор, определяющий положение k -й материальной точки системы.

Таким образом, закон движения механической системы определяется законом изменения во времени действующих в системе сил, который, в свою очередь, может быть выражен через изменение ускорения, следовательно, скорости и положения в пространстве входящих в систему элементов. То есть, определяя аналитически или путем измерения значения перемещений, скорости или ускорения элементов механической системы можно определить закон изменения во времени действующих сил. По полученному закону можно определить:

· состояние механической системы, характеризуемое уровнем действующих сил;

· тенденции изменения состояния механической системы, связанное с изменением действующих сил;

· момент достижения механической системой критического (предельного) состояния, определяемый моментом времени, в который действующие силы достигают предельного значения, определяемого условиями износа и прочности.

Под предельным (критическим) состоянием системы магистрального трубопровода понимается:

· сочетание технологических параметров, при котором поток не будет обладать энергией, необходимой для преодоления сопротивлений;

· потеря трубопроводом устойчивости;

· разрушение трбопровода;

· разрушение нагнетательной машины или одного из ее элементов.

Разрушение может быть частичным или полным. При частичном разрушении в материале возникают повреждения в виде отдельных трещин или в виде распределенных по объему тела дефектов материала, приводящих к изменению (в неблагоприятную для прочности сторону) механических свойств материала. При полном разрушении происходит разделение тела на части. К основным видам разрушения относятся:

· пластическое разрушение. Происходит при существенной пластической деформации, протекающей по всему (или почти по всему) объему тела;

· хрупкое разрушение. Происходит в результате распространения трещины при пластической деформации, сосредоточенной в малой области действия механизма разрушения;

· усталостное разрушение. Происходит при циклическом (повторном) нагружении в результате накопления необратимых повреждений (усталость и малоцикловая усталость);

· разрушение при ползучести;

· коррозионное разрушение.

Таким образом, задача технической диагностики состоит в выявлении факта снижения надежности системы и оценке этого процесса:

· оценке состояния технической системы, то есть оценке действующих в ней сил и оценке состояния поверхности (в частности, труб);

· определении тенденции изменения технического состояния, то есть тенденции изменения сил и развития одного или нескольких видов разрушения;

· определении предельной комбинации действующих в системе сил, в свою очередь зависящей от накопленного в материале объема разрушения. Количественной мерой предельного состояния должен являться критерий предельного состояния.

Поэтому основными видами технической диагностики являются диагностика сил (диагностика по внешним параметрам) и оценка состояния поверхности материала (неразрушающий контроль), составляющие вместе диагностику разрушения.

Диагностика сил и объема накопленных в материале разрушений являются самостоятельными областями диагностики, различающиеся прежде всего по целям и составляющие одновременно одно целое (диагностику разрушения). Диагностика накопленных в материале разрушений это прежде всего определение геометрии и ориентации дефекта. Диагностика сил это определение набора сил, действующих в системе, их численных значений и источников появления.

В рамках нашего курса будем изучать основы диагностики по внешним параметрам, то есть диагностики сил.

Действующие в технических системах силы можно разделить на монотонные и немонотонные. Немонотонная функция имеет в пределах рассматриваемого интервала изменения аргумента (интервала времени) участки возрастания и убывания. Сила, как векторная величина, характеризуется абсолютной величиной, направлением и точкой приложения. Процесс поочередного возрастания и убывания во времени какой-либо величины называется колебанием скалярной величины.

Силы характеризуют состояние механической системы. Колебания значений кинематической или динамической величины, характеризующей механическую систему, называются механическими колебаниями.

Движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих механическую систему величин, называются вибрацией.

Техническая диагностика, основанная на анализе вибрации объекта диагностирования, называется вибрационной диагностикой.

Цель вибрационной диагностики - определить условия сохранения и момент нарушения вибрационной устойчивости (виброустойчивости) механической системы. Вибрационной устойчивостью называется свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять в пределах норм значения параметров.