Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции складывается из совокупности деформаций и напряжений под воздействием внешних нагрузок, температурных полей и других факторов. Знание параметров НДС трубопровода позволяет оценить перспективы его дальнейшего использования или, иными словами, его остаточный ресурс.

В предлагаемом Вашему вниманию материале в качестве примера проанализирован опыт диагностики НДС обвязки компрессора высокого давления на морской нефтедобывающей платформе.

25.12.2016 Инженерная практика №09/2016

Моисеев Артем Павлович Начальник отдела прочности ООО «Компания ФИЛАКС»

В число наиболее часто встречающихся проблем трубопроводов входят вибрация оборудования, ошибки при проектировании (в том числе опор, подвесов и креплений) и смещение опор. Система контроля напряженно-деформированного состояния позволяет проводить оценку несущей способности элементов трубопровода, определять его остаточный ресурс, отслеживать изменения состояния в зависимости от различных факторов, а также выдавать оператору различную информацию о трубопроводе – как оперативную, так и статистическую.

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА

Компрессор высокого давления, установленный на морской платформе месторождения имени Корчагина, представляет собой трехступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением газа. В зоне контроля системы находится обвязка, состоящая из шести трубопроводов (три трубопровода на всасывание, три – на нагнетание). Рабочий диапазон температур 40-110°С, давлений – 1,55-16 МПа.

В данном случае существует опасность нарушения герметичности трубопроводов вследствие возникновения непроектных нагрузок (рис. 1).

ТИПЫ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДАТЧИКОВ

Единственная физическая величина, которую в данном случае возможно измерять, – это механическая деформация, которая потом пересчитывается в напряжение, перемещение и т.п. Чаще всего для соответствующих измерений и выявления деформаций на поверхности элементов из металла, пластика, бетона и других материалов применяется тензорезистор. Прибор устанавливается наклеиванием или с помощью точечной сварки.

Более технологичный способ – защищенный тензорезистор. Защищенный прибор может эксплуатироваться в сложных климатических условиях, при высоких температурах и на протяжении длительного срока. Устанавливается он также с помощью точечной сварки.

Наиболее прогрессивный вариант – оптический датчик деформации. Датчик нечувствителен к электромагнитным помехам. Может эксплуатироваться в сложных климатических условиях. Нет ограничений по взрыво- и пожаробезопасности (рис. 2).

ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

В первую очередь производится расчет напряженно-деформированного состояния и выяснение оптимального и критического состояния трубопроводов. Для этого создается 3D-модель каждого из трубопроводов. Если трубопроводы соединены друг с другом, в модель включаются сразу все трубопроводы, работающие совместно. После этого производится расчет в специализированных программных комплексах методом конечных элементов с учетом всех реальных условий работы данных трубопроводов: давление, температура и т.д.

Результаты расчетов дают данные, которые, в свою очередь, позволяют определить диапазоны измерения напряжения деформации для нормальных и аварийных значений, а также наиболее удобные места для размещения датчиков.

Датчики устанавливаются точечной сваркой на контролируемые трубопроводы. Рядом на металлической пластинке располагаются компенсационные тензодатчики, которые позволяют компенсировать «паразитный» сигнал от нагрева (рис. 3).

Основная обработка информации происходит в шкафу тензоизмерений. Шкаф поставляется во взрывозащитном исполнении и оснащается системой обогрева. Так как шкаф располагается в непосредственной близости к датчикам, он оборудован всем необходимым, чтобы долгое время располагаться в поле. Основные элементы шкафа – контроллеры, которые выполняют все взаимодействие с датчиками: питают, калибруют, снимают информацию, оцифровывают и передают ее на сервер. Также важную роль играют барьеры искрозащиты, необходимые по требованиям взрывопожаробезопасности (рис. 4).

Конечное звено цепи – шкаф системы, в котором располагается сервер. Данный шкаф расположен в помещении с меньшими требованиями по пожарной безопасности, поэтому по защищенности он существенно уступает шкафу тензоизмерений. В качестве сервера выбран безвентиляторный промышленный компьютер, который с помощью модема соединяется с локальной сетью платформы. Это позволяет передавать информацию на любой компьютер, входящий в данную сеть (рис. 5).

Оператор на рабочем месте видит 3D-модель трубопровода в реальном времени, на которой отмечены установленные датчики. Около каждого датчика выводится текущий уровень напряжений. Если цифры окрашены зеленым цветом, значит показатели находятся в пределах нормы. Если же показатели превышают норму, то цифры окрасятся в желтый или красный цвет (рис. 6). Кроме того, существует окно трендов, в котором оператор может как отслеживать ситуацию в реальном времени, так и просматривать историю изменений (рис. 7).