Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Автоматизированная идентификация состояния трубопроводных систем в машиностроении: Учебное пособие

Голосов: 2

В учебном пособии изложены основы автоматизированной идентификации и прогнозирования состояния трубопроводных систем, а также вопросы обеспечения надежности в процессе эксплуатации. Отражены результаты, полученные в разработанном программном комплексе.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
                  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

          ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

              Государственное образовательное учреждение
                высшего профессионального образования
              “Оренбургский государственный университет”

              Кафедра систем автоматизации производства


                          Ю.Р. ВЛАДОВ


       АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ
    ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ
     ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ В
         МАШИНОСТРОЕНИИ


      Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в
области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учеб-
ного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по
направлению подготовки бакалавров «Технология, оборудование и автомати-
зация машиностроительных производств» и специальностям «Технология
машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Автоматиза-
ция технологических процессов и производств (в машиностроении)»




                            Оренбург 2005


УДК 681.5.015:621.64(075.8)
ББК 32.965+39.7(я73)
     В 57




       Рецензенты
       доктор технических наук, профессор В.М. Кушнаренко
       доктор экономических наук, профессор Т.Д. Дегтярёва




              Владов Ю.Р.
В 57          Автоматизированная идентификация состояния трубопро-
              водных систем в машиностроении [Текст]: учебное пособие /
              Ю.Р. Владов. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. - 101с: ил.


              ISBN 5-7410-0544-6


            В учебном пособии изложены основы автоматизированной иден-
       тификации и прогнозирования состояния трубопроводных систем, а
       также вопросы обеспечения надежности в процессе эксплуатации. От-
       ражены результаты, полученные в разработанном программном ком-
       плексе.



                                                     ББК 32.965+39.7(я73)

           2103000000
       В
           6Л9 − 2005
                                                      © Владов Ю.Р., 2005
                                                      © ГОУ ОГУ, 2005

       ISBN 5-7410-0544-6




                                                                        3


                                 Введение
      Системы трубопроводного транспорта газа составляют основу топли-
воснабжения страны. Трубопроводы (ТП) относятся к категории энергона-
пряженных объектов, отказы в которых сопряжены со значительным матери-
альным и экологическим ущербом. Несмотря на существенное снижение ко-
личества коррозионных отказов, аварии трубопроводов по этой причине наи-
более многочисленны. В современных работах в области анализа и прогнози-
рования отказов трубопроводов выделены наиболее типичные механизмы
отказов, составлены физико-механические и математические модели корро-
зионных процессов на основе локальных параметров и ретроспективных све-
дений.
      С появлением промышленных образцов внутритрубных дефектоско-
пов-снарядов стало возможным получение обширной информации о дефек-
тах на протяжении многокилометровых участков ТП. Однако объективный
анализ результатов внутритрубной дефектоскопии (ВТД) затруднен из-за ло-
кального характера используемых параметров и моделей.
      Проблема формулируется следующим образом: несмотря на большой
объем данных по отдельным дефектам, идентификация и прогнозирование
коррозионного состояния (КС) поверхности трубопроводов недостаточно
эффективны. Целью данного учебного пособия является анализ проблемы
повышения эффективности идентификации и прогнозирования состояния
трубопроводов на основе новых агрегированных параметров и моделей рель-
ефности.
      В учебном пособии освещены вопросы: классификации параметров и
моделей кинетики коррозионных процессов ТП на основе характеристик
рельефности; исследования основных статистических характеристик рельеф-
ности вырезок ТП; методики проведения автоматизированной идентифика-
ции состояния участков ТП на основе агрегированных моделей. Также нашли
отражение вопросы прогнозирования и оценки эффективности функциони-
рования ТП с автоматизированной идентификацией. Перечисленные задачи
решены комплексно с применением современных информационных техноло-
гий.
      В первой главе проведен анализ проблемы оценки кинетики коррози-
онных процессов трубопроводов и описан электрохимический механизм кор-
розии металлов. Выяснен локальный характер известных параметров и мате-
матических моделей коррозионных процессов ТП, недостаточно адекватно
отражающих их физическую сущность. Отмечены преимущества автомати-
зированного метода внутритрубной дефектоскопии с помощью снаряда-
дефектоскопа «Ультраскан».
      Вторая глава посвящена классификациям параметров и моделей кине-
тики коррозионных процессов трубопроводов и описанию нового класса аг-
регированных параметров и моделей на их основе. С позиций термодинами-
ки рассмотрено уравнение энергетического баланса в дифференциальной


форме для описания кинетики коррозионного процесса как объекта управле-
ния.
      В третьей главе описаны ряд приспособлений с механической оценкой
рельефности вырезок ТП в лабораторных условиях; анализируются корреля-
ционные и спектральные статистические характеристики параметров рель-
ефности вырезок ТП.
      Методика оценки состояния участков ТП обсуждается в четвертой гла-
ве. Идентификация состояния ТП между внутритрубными инспекциями, в
соответствии с физическими представлениями о характере протекания про-
цессов коррозии, проводится на базе аддитивных, мультипликативных и
комбинированных моделей. Задача прогнозирования кинетики КС ТП реше-
на с помощью ряда моделей в виде переходных характеристик инерционных
звеньев первого и второго порядка с запаздывающим аргументом.
      Автоматизированная идентификация и прогнозирование состояния ТП
на базе программного комплекса, построенного с помощью современных
информационных технологий, рассмотрены в пятой главе.
      Оценка эффективности функционирования ТП с учетом идентифика-
ции состояния на примере типового участка по трем существенным характе-
ристикам: надежности функционирования, стоимости эксплуатации и вели-
чины поставки газа дана в 6 главе.
      В заключительной 7 главе рассмотрены вопросы обеспечения надежно-
сти в процессе эксплуатации с позиций надежности функционирования и
прогнозирования изменений параметров технических объектов.
      Решение поставленных задач предполагает использование современ-
ных теорий и методов: автоматического управления /1, 2, 3, 4/ и идентифика-
ции динамических систем /5, 6, 7/, надежности и эффективности систем /8, 9,
10/, случайных процессов /11, 12/, математической статистики /13, 14/ и мо-
делирования /15, 16/, диагностирования /8, 17/, профилеметрии /18, 19/ и ин-
формационных технологий /20, 21, 22, 23/. В качестве информационной базы
используются сведения о дефектах трубопроводов, полученные в результате
внутритрубных дефектоскопий, проведенных последовательно через опреде-
ленный временной интервал. С внедрением в инженерную практику совре-
менных методов идентификации объектов управления на основе системного
подхода /24, 25/ целесообразно включение в учебный процесс вузов решение
наиболее актуальных проблем в области идентификации и прогнозирования
состояния ТП /26/.
      Учебное пособие выполнено на кафедре системы автоматизации про-
изводств и предназначено для студентов высших учебных заведений, а также
для специалистов, занимающихся диагностикой трубопроводных систем в
различных отраслях машиностроения.




                                                                          4


     1 Современное состояние вопроса идентификации корро-
зионного состояния трубопроводных систем

     1.1 Актуальность коррозионной проблемы

      Известно, что актуальность коррозионной проблемы определяется тре-
мя аспектами. Первый – экономический, учитывает материальные потери,
происходящие из-за процессов коррозии. Второй аспект – снижение надеж-
ности оборудования, разрушающегося в результате коррозии, которое, осо-
бенно в случае аварии ТП, может повлечь катастрофические последствия.
Третьим аспектом является сохранность металлического фонда. Потери от
коррозии металла складываются из прямых и косвенных убытков /17/. Под
прямыми убытками понимают полную стоимость замены прокорродировав-
ших конструкций и безвозвратную потерю металла в виде продуктов корро-
зии. Помимо прямой потери продукта при авариях, недопоставка сырья и то-
плива потребителям, продолжительные остановки в работе влекут за собой
потери за пределами трубопроводной системы.
      Вынужденная остановка промыслов и предприятий – потребителей сы-
рья и топлива обходятся народному хозяйству существенно дороже, чем пря-
мые потери от аварийных ситуаций в системе транспорта. Повышение
надежности приводит к дополнительным материальным затратам, а недо-
оценка надежности - к существенным потерям. Непрерывно увеличивающая-
ся продолжительность эксплуатации трубопроводов существенно повышает
риск их коррозионных разрушений. В то же время ни один из методов ло-
кального коррозионного контроля не оценивает реальную интенсивность
коррозионного процесса ни в трубопроводной системе в целом, ни в отдель-
ных ее элементах. Современными средствами диагностирования являются
внутритрубные дефектоскопы-снаряды, позволяющие получать обширную
информацию о дефектности многокилометровых участков ТП. Однако объ-
ективный анализ результатов внутритрубной дефектоскопии затруднен из-за
неадекватности существующих моделей кинетики коррозионных процессов
реальным.

     1.2 Процесс электрохимической коррозии металлов

      Электрохимическая коррозия представляет собой самопроизвольное
разрушение металла из-за взаимодействия с окружающей электролитической
средой. Электрохимическое растворение металла - сложный процесс, со-
стоящий из анодного процесса; процесса перетекания электронов по металлу
от анодных участков к катодным и соответствующего перемещения катионов
и анионов в растворе и катодного процесса.. Причиной этого вида коррозии
является термодинамическая неустойчивость /16,17/. Весь материальный эф-
фект электрохимической коррозии металла является результатом анодного

                                                                      5


процесса, интенсивность которого определяется величиной протекающего
между анодными и катодными участками корродирующей поверхности ме-
талла коррозионного тока. Скорость электрохимической коррозии металлов
можно выразить посредством плотности коррозионного тока в виде отноше-
ния тока к площади коррозирующей поверхности металла. Таким образом,
расчет скорости электрохимической коррозии металлов сводится к расчету
коррозионного тока. Поверхность коррозирующего металла представляет со-
бой многоэлектродный гальванический элемент и в первом приближении ее
рассматривают, как двух электродную систему анодных и катодных участ-
ков.
      В работах Н.Д. Томашова, Н. П. Жука и др. приведена классификация
причин возникновения электрохимической гетерогенности поверхности ме-
талл-электролит. На первом уровне по критерию общая причина возникнове-
ния, гетерогенность определяется неоднородностью: поверхности металла,
жидкой фазы, физических условий внешней среды. На следующем уровне
конкретными причинами возникновения этих неоднородностей являются:
макро- и микровключения, как включения с более положительным электрод-
ным потенциалом; наличие границ блоков и зерен кристаллитов; выход дис-
локации на поверхность металла; анизотропность металлического кристалла;
неравномерные распределения на поверхности металла вторичных продуктов
коррозии; различие концентраций собственных ионов данного металла в
электролите; различие в рН, т.к. участки металла, соприкасающиеся с рас-
твором с более низким значением рН, являются катодами; различие в кон-
центрации кислорода или других окислителей; различие температуры.
      Таким образом, электрохимическая гетерогенность поверхности метал-
ла приводит к ее дифференциации на анодные и катодные участки, а степень
гетерогенности характеризуется разностью электродных потенциалов этих
участков.
      При аналитическом расчете процесса, проведенном в работах Н. П.
Слугинова, Г. В. Акимова, В. П. Батракова и др., установившуюся величину
коррозионного тока определяют из уравнения:

                        I=(Vк-Vа)/R,                               (1.1)

где  Vк и Vа - эффективные электродные потенциалы;
     I—ток коррозионной пары;
     R—общее сопротивление замкнутого электрического контура коррози-
онной пары.
      Известно, что потенциалы электродов, через которые проходит элек-
трический ток, отличаются от ненагруженных током потенциалов:

                     Vа = (Vа)обр + ∆Vа ;                         (1.2)
                     Vк = (Vк)обр - ∆Vк .

                                                                          6


      При малых плотностях коррозионного тока, т.е. при линейной зависи-
мости поляризации от плотности тока, для приближенных расчетов, учиты-
вая (1.2) записывают:

                 Vа = (Vа)обр + ∆Vа = (Vа)обр + k1ia;                (1.3)
                 Vк = (Vк)обр - ∆Vк = (Vк)обр - k2iк; R≅const.

      Т.к. анодная и катодная плотности тока могут быть различны вследст-
вие различия площадей анодных и катодных участков поверхности корроди-
рующего металла, а сила тока для анодного и катодного процессов одна и та
же, удобнее исключить ia и iк, выразив их отношением силы тока I к площади
анодных и катодных участков поверхности корродирующего металла Sa и Sk.
Тогда эффективные потенциалы электродных процессов будут определяться
уравнениями:

                       Vа = (Vа)обр + k1 I/Sa;                       (1.4)
                       Vк = (Vк)обр - k2 I/Sк,

где k1 I/Sa и k2 I/Sк — смещение потенциалов электродных процессов Vа и Vк
соответственно, вследствие поляризации, при определенной силе тока I.
      Подставляя значения эффективных потенциалов электродных процес-
сов в уравнение (1.1) и решая его относительно I, получим уравнение для оп-
ределения величины коррозионного тока:

                   I=[(Vк)обр- (Vа)обр]/[R+Pa+Pk],                   (1.5)

где Pa = k1 /Sa Pk = k2 /Sк - удельные анодные и катодные поляризуемости.
      Величина коррозионного тока максимальна при R≅0. При больших
плотностях тока и логарифмической зависимости поляризации от плотности
тока для приближенных расчетов можно принять

                  Vа = (Vа)обр + ∆Vа = (Vа)обр + ln (I/Sa);          (1.6)
                  Vк = (Vк)обр - ∆Vк = (Vк)обр - ln (I/Sк).


Подставляя уравнения (1.6) в уравнение (1.1), получим

                                                    I k1 + k 2
                      (Vк)обр- (Vа)обр = I R + ln               .    (1.7)
                                                    S a 1 S kk2
                                                      k




                                                                             7


      Анализ уравнений (1.5), (1.7) Э. Х. Ленцем, А. С. Савельевым, Р. А.
Колли и др. показывает, что коррозионный ток растет с увеличением разно-
сти электродных потенциалов и падает с ростом сопротивления и удельных
поляризуемостей анодного и катодного процессов.
      Из особенностей электрохимического коррозионного процесса следует
отметить следующее: подразделение его на два одновременно протекающих,
но достаточно независимых электродных процесса - анодный и катодный; за-
висимость кинетики анодного и катодного процессов от величины электрод-
ного потенциала металла, т.к. смещение потенциала металла в положитель-
ную сторону облегчает анодный процесс и тормозит катодный и наоборот;
локализация электродных процессов на тех участках поверхности, где их
протекание облегчено; растворение металла преимущественно на анодных
участках поверхности металла при локализации процессов.
      В работах /16,17/ рассмотрена дискретная природа коррозионного про-
цесса. Если мысленно увеличить сечение коррозионной каверны, то ее мож-
но представить как анодный участок, окруженный электролитом. С высту-
пов каверны в электролит стекают единичные токи. Эти токи различны по
величине, т.к. зависят от фактических значений локальных переходных со-
противлений и напряжений между анодами и катодами замкнутых контуров.
Чем сложнее геометрический профиль поверхности коррозирующего метал-
ла, тем более разветвленной является система коррозионных токов, вследст-
вие неоднородности и сложности поверхности металла и соответствующих
элементарных токовых нагрузок в коррозионной каверне. Отсюда следует,
что не существует идеальных условий кинетики в виде обобщенного корро-
зионного тока, приложенного ко всей анодной поверхности коррозионной
пары. Дискретная природа коррозионного процесса является причиной воз-
никновения эффекта неравномерности материальных потерь металла, это оз-
начает, что даже при идеализированной равномерной коррозии поверхность
металла не может быть гладкой поверхностью.
      Дискретный характер коррозионной кинетики вызывает сложные и не-
достаточно изученные явления, к числу которых можно отнести: наличие
случайной закономерности распределения локальных токов на анодной по-
верхности коррозионной пары, каждый из которых зависит от локального
переходного сопротивления и разности потенциалов анод-катод; общая тен-
денция изменения во времени локальных коррозионных токов, глубины ка-
верн dk(t), потерь металла Gk(t) - монотонное затухание. В результате дейст-
вия множества коррозионных пар существенно увеличивается геометриче-
ская неоднородность поверхности металла. Наличие избирательности в рас-
пределении локальных токов усиливает кинетику коррозионных процессов.
Электронное микроскопирование коррозирующей поверхности с увеличени-
ем неровности поверхности металла это подтверждает.
      В любом сечении можно определить характер и закон распределения
локальных токов коррозионной пары как случайной величины. В реальных
условиях измерить как общий, так и локальные токи коррозионной пары не
                                                                           8


представляется возможным, так как расстояние между анодом и катодом на-
ходится в диапазоне 10-6 - 10-7 м.
       Полагают, что локальные токи изменяются как по величине, так и по
месту протекания. Стекание анодных токов в электролит происходит по из-
бирательному принципу - в местах с наименьшим переходным сопротивле-
нием. В этом процессе локальные токи перемещаются по анодной поверхно-
сти коррозионной пар и коррозия выступов начинается с вершины и распро-
страняется вглубь металла. Скорость перемещения локальных токов опреде-
ляется как неоднородной структурой металла, так и неравномерностью рас-
пределения этих токов по анодной поверхности коррозионной пары. Однако
количественной оценки связи между дискретной природой коррозионного
процесса и неровностью поверхности металла до сих пор нет.
       В соответствии с принципом инвариантности коррозионной кинетики,
сформулированным Е.Вигнером, Л.Я. Цикерманом и др., события в одной
части пространства, например, в каверне коррозирующей поверхности тру-
бопровода, зависят только от условий в окрестности именно этой каверны, то
есть характеризуется отсутствием действия на расстоянии. В соответствии с
этим принципом, выделение на поверхности металла какой-либо коррозион-
ной каверны, развитие которой описывается определенным дифференциаль-
ным уравнением, не дает возможности приписывать данный локальный ре-
жим коррозии другой коррозионной каверне, удаленной от первой и находя-
щейся в иных агрессивных условиях. Информацию, необходимую для описа-
ния кинетики коррозии одной каверны, можно получить только из локальных
измерений, однако неизвестно то минимальное расстояние, для которого этот
принцип справедлив. Очевидно, коррозионный процесс не мог бы существо-
вать без принципа инвариантности, формулировка которого осуществлена в
терминах непосредственных наблюдений и статистических обобщений.
       Некоторые авторы указывают на корреляцию между условиями разви-
тия отдельных каверн, зависящих только от интервалов времени, разделяю-
щих эти события, и не зависящих от момента времени, в который происходит
возникновения отдельной каверны. Если в различные моменты времени воз-
никли одни и те же агрессивные условия воздействия на поверхности метал-
ла, то вероятности образования коррозионных каверн, будут одинаковыми
независимо от того, когда созданы внешние условия.
       В опубликованных работах /16, 17/ приводятся экспериментальные ки-
нетические кривые коррозия— время в экспоненциальном виде с постоянной
времени и установившейся глубиной бку коррозионной каверны при беско-
нечно длительном времени коррозии металла. Если за бкi(t) обозначить мгно-
венную глубину коррозионной каверны, то, учитывая свойство экспоненты,
можно составить предел отношения текущей глубины коррозионной каверны
бк(t) к ее установившемуся значению бку, который при t → ∞ стремится к
единице.
       Принцип инвариантности позволяет установить корреляцию между
коррозионными процессами металла в различных внешних агрессивных ус-
                                                                         9


ловиях. Например, если изменение удельного омического сопротивления
грунта, разности потенциалов, тока коррозии влекут за собой событие, за-
ключающееся в возникновении в металле коррозионной каверны бк, то по-
добные события вызывают образование другой коррозионной каверны бк’.
Коррозионный процесс протекает по нелинейным закономерностям, и по-
этому равномерного и прямолинейного развития коррозионной каверны об-
наружить в реальных условиях невозможно. Если бы кинетика коррозии тру-
бопровода менялась бы от участка к участку по принципиально различным
законам, то ее нельзя было бы прогнозировать. Все участки трубопровода
подчиняются общей закономерности.
      В соответствии с теорией замкнутых необратимых систем по П Шам-
бадалю и Э. Борелю, коррозионный процесс является типичным примером
неорганизованной замкнутой системы, в которой металл в конечном счете
превращается в продукты коррозии за счет разрушения упорядоченного со-
стояния кристаллической решетки металла. Полное разрушение кристалли-
ческой решетки металла соответствует предельному росту энтропии замкну-
той системы, какой и является коррозионная пара. Поскольку последняя изо-
лирована от внешних источников энергии, то ее внутренняя энергия, опреде-
ляемая фактической разностью потенциалов анод — катод, в пределе стре-
мится к нулю и она является термодинамической замкнутой системой.
      К этой системе применим принцип Карно—Клаузиуса, в соответствии
с которым, энтропия коррозионной пары увеличивается. Если до начала
электрохимического растворения металла, имеет место порядок в кристалли-
ческой решетке металла, то это соответствует условиям функционирования
одно-емкостной системы. После начала процесса коррозии первоначальная
организация кристаллической решетки металла нарушается, и наступает пе-
риод ее дезорганизации, что является естественным законом природы. Пере-
ходный процесс в завершающей стадии характеризуется полным рассеянием
внутренней энергии коррозионной пары, а следовательно, превращением, в
конечном итоге, металла в продукты коррозии.
      Работа коррозионной пары как замкнутой необратимой системы сопро-
вождается увеличением энтропии, что определяется неизбежностью необра-
тимого процесса. При исследовании самоуправления коррозионных пар и ус-
ловий изменения во времени их степени организации, а также при изучении
информативных свойств замкнутых систем, необратимость процесса корро-
зии необходимо учитывать и особенно при прогнозировании развития корро-
зии металлов.
      С помощью неравенства Клаузиуса можно получить количественную
оценку цикла эволюции коррозионной пары, как необратимого. Проведя ин-
тегрирование по замкнутому контуру коррозионной пары (анод—катод—
электролит), получим неравенство Клаузиуса в следующем виде:



                                                                      10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика