Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Техническая диагностика нефтегазового оборудования

Введение

Техническая диагностика — молодая наука, возникшая в последние десятилетия в связи с потребностями современной техники. Все возрастающее значение сложных и дорогостоящих технических систем, применяемых при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа, требования их безопасности, безотказности и долговечности делают весьма важной оценку состояния системы, ее надежности.

Уровень безопасности связан со свойствами перерабатываемых веществ, режимами и условиями эксплуатации оборудования, его техническим состоянием. Техническая диагностика является одним из основных элементов системы управления промышленной безопасностью в России.

Техническая диагностика — наука о распознавании состояния технической системы, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации. В процессе диагностики устанавливается диагноз, т. е. определяется состояние технической системы. Техническая диагностика — область знаний, охватывающих теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Здесь и далее интересующими нас объектами являются буровое и газонефтепромысловое оборудование, газонефтепроводы и нефтехранилища.

Целью технической диагностики являются определение возможности и условий дальнейшей эксплуатации диагностируемого оборудования и в конечном итоге повышение промышленной и экологической безопасности. Задачами технической диагностики, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются:

обнаружение дефектов и несоответствий, установление причин их появления и на этой основе определение технического состояния оборудования;
прогнозирование технического состояния и остаточного ресурса (определение с заданной вероятностью интервала времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние оборудования).

Таким образом, техническая диагностика решает обширный круг задач. Основной проблемой технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации.

1.ЗАДАЧИ, СИСТЕМЫ И ТИПОВАЯ ПРОГРАММА

ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

1.1.Виды дефектов, качество и надежность машин

Техническое состояние оборудования определяется числом дефектов и степенью их опасности. Дефектом называют каждое отдельное несоответствие детали или технической системы требованиям, установленным технической документацией. По расположению дефекты подразделяют на наружные и внутренние (скрытые). Наружные дефекты чаще всего обнаруживают визуально, скрытые — посредством различных методов неразрушающего контроля. По форме дефекты бывают объемные и плоскостные. Объемные проявляются в виде изменения (искажения) начальной формы или размеров объекта, плоскостные — в виде трещин или полос скольжения. По происхождению дефекты подразделяют на производственные и эксплуатационные. Производственные дефекты могут быть металлургическими, возникающими в процессе металлургического передела, и технологическими, возникающими при изготовлении детали.

Такие дефекты обычно проявляются в начальный период работы оборудования — период приработки. Эксплуатационные дефекты возникают после некоторой наработки в результате износа, накопления усталостных и иных повреждений, а также из-за неправильного технического обслуживания и ремонта. Практика показывает, что можно выделить следующие основные причины накопления дефектов и повреждений, приводящих к отказам оборудования по мере его эксплуатации:

• сквозные трещины, разрушения и деформации элементов
оборудования, возникающие при превышении допускаемых напряжений;

механический износ, обусловленный трением сопрягаемых поверхностей;
эрозионно-кавитационные повреждения, вызванные воздействием потока жидкости или газа;
деградация свойств материалов с течением времени и под воздействием эксплуатационных факторов;
коррозия металлов и сплавов, коррозионно-механические повреждения, возникающие под влиянием коррозии, напряжений, трения и т.п.

По степени опасности дефекты разделяют на критические, значительные и малозначительные. Критическими являются дефекты, при наличии которых использование агрегата невозможно или недопустимо по условиям безопасности. К значительным относят дефекты, существенно влияющие на использование агрегата по назначению или на его долговечность. Малозначительные соответственно не оказывают существенного влияния ни на использование агрегата по назначению, ни на его долговечность.

Совокупность свойств, определяющих степень пригодности машины для использования по назначению, называется качеством. Эти свойства характеризуются эксплуатационными показателями (мощность, расход топлива, скорость, производительность и т.д.), экономической эффективностью, технологичностью, показателями эстетики и эргономики, надежностью.

Надежность эксплуатируемой машины определяется в первую очередь ее техническим состоянием. По ГОСТ 27.002—83 надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Надежность оценивается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, ресурсом, а также сочетанием или совокупностью этих свойств.

Безотказность — свойство оборудования сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность — свойство оборудования сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации вплоть до наступления предельного состояния.

Ремонтопригодность - способность оборудования к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и повреждений при проведении технических обслуживании и ремонтов.

Ресурс — наработка оборудования от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Из-за большого числа конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на надежность, точно ее рассчитать или предсказать нельзя. Надежность можно оценить только приближенно путем расчета с использованием теории вероятностей и математической статистики или специально организованных испытаний, а также сбора эксплуатационных данных об отказах.

Для оценки фактического технического состояния и контроля надежности оборудования (его основных узлов) производится анализ данных по временным показателям надежности оборудования — ресурсу, сроку службы, наработке (суммарной — с начала эксплуатации, с момента проведения последнего капитального ремонта). Показатели надежности, определяемые по годам за период не менее двух лет эксплуатации в соответствии с ГОСТ 27.002—83, рассчитывают по формулам, приведенным в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Наименование и условное обозначение показателя по ГОСТ 27.002	Формула для расчета статической оценки показателя надежности
Средняя наработка на отказ (наработка на отказ)
Средний ресурс (средний срок службы)
Среднее время внепланового восстановления (ремонта)
Среднее время планового восстановления (ремонта)
Вероятность безотказной работы P(t)
Коэффициент технического использования

Примечания:

r — число отказов, произошедших за период наблюдений t;

t_i — наработка между двумя последовательными отказами;

n — число объектов, работоспособных в начальный момент времени (эксплуатационных наблюдений) t= 0;

t_pecj- наработка каждого из объектов от начала эксплуатации;

t_вi- продолжительность внепланового восстановления после 1-го отказа оборудования;

t_ППРi- продолжительность i-го планового восстановления оборудования;

N_ППР- число плановых ремонтов оборудования за период наблюдений t;

п(t) — число объектов (оборудования), отказавших на отрезке времени 0...t.

Приведенные определения показывают, что надежность оборудования зависит не только от качества его изготовления, но и от своевременности технического диагностирования и обнаружения дефектов, полноты и качества производимых ремонтов.

Требование повышения надежности оборудования вступает в противоречие с требованием достижения максимального экономического эффекта. Любое повышение надежности достигается за счет увеличения расходов на изготовление машин, оснащения современными системами мониторинга и диагностики их технического состояния. Одновременно с повышением затрат на изготовление машины Q_и с целью повышения ее надежности Р уменьшаются затраты на содержание и ремонт Q_Р в течение всего срока службы машины (рис. 1.1). Суммарные эксплуатационные затраты

Рис. 1.1. Затраты на изготовление, ремонт и эксплуатацию оборудования[1,стр.6].

Q_С = Q_и + Q_Р имеют некоторое минимальное значение, соответствующее оптимальной надежности.

Снижение эксплуатационных затрат и потерь от аварий и простоев оборудования является одним из основных источников повышения рентабельности производственных предприятий.

Наиболее важным показателем надежности является безотказность.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности технической системы или ее элементов. Критериями отказов оборудования являются: прекращение функционирования, снижение эксплуатационных параметров за предельно допустимый уровень. Наиболее опасными являются отказы, приводящие к катастрофическим ситуациям, возникновение которых создает угрозу для жизни и здоровья людей, приводит к тяжелым экономическим потерям или причинению большого вреда окружающей среде.

Отказы можно разделить на два вида: внезапные и постепенные. Внезапные отказы происходят в любой момент времени из-за различных непредвиденных обстоятельств: внезапного повышения нагрузки, механического повреждения, стихийных бедствий и др. Появлению постепенных отказов предшествует накопление дефектов и повреждений. Общая закономерность распределения интенсивности отказов по времени приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Распределение интенсивности отказов[1,стр.7]:

Т₁ — период приработки; Т₂ — период нормальной эксплуатации; Т₃ — период ускоренного накопления повреждений

Начальный и завершающий периоды эксплуатации характеризуются повышенным количеством неисправностей и отказов по сравнению с этапом нормальной эксплуатации. Статистически закономерность увеличения количества отказов на начальном периоде эксплуатации объясняется приработкой деталей и проявлением конструктивных и производственных дефектов. Период нормальной эксплуатации является наиболее продолжительным и характеризуется практически постоянным значением интенсивности отказов. В третьем, завершающем, периоде проявляются так называемые деградационные отказы, интенсивность которых возрастает по мере увеличения износа, накопления микроповреждений и ухудшения (деградации) свойств материалов. При этом с увеличением зазоров в сопряжениях нарушается кинематика механизмов, ухудшаются условия смазки и возникают дополнительные динамические нагрузки. Обеспечить требуемую безотказность оборудования, особенно при монотонном накоплении дефектов и повреждений, исключить аварийные ситуации и минимизировать эксплуатационные затраты возможно только путем проведения своевременной диагностики [1,стр.5-10].

1.2.Виды состояния оборудования, системы технической диагностики

ГОСТ 20911—89 предусматривает использование двух терминов: «техническое диагностирование» и «контроль технического состояния». Термин «техническое диагностирование» применяют, когда решаемые задачи технического диагностирования, равнозначны или основной задачей являются поиск места и определение причин отказа. Термин «контроль технического состояния» применяют, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния.

Различают следующие виды технического состояния, характеризуемые значением параметров объекта в заданный момент времени:

• исправное — объект соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;

неисправное — объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
работоспособное — значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;

• неработоспособное — значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;

• предельное — дальнейшая эксплуатация объекта технически невозможна или нецелесообразна из-за несоответствия требованиям безопасности или неустранимого снижения эффективности работы.

Системой технического диагностирования (контроля технического состояния) называют совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимую для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации. Объектами технической диагностики являются технологическое оборудование или конкретные производственные процессы.

Средство контроля — техническое устройство, вещество или материал для проведения контроля.

Исполнители — это специалисты службы контроля или технической диагностики, обученные и аттестованные в установленном порядке и имеющие право выполнять контроль и выдавать заключения по его результатам.

Методика контроля — совокупность правил применения определенных принципов и средств контроля. Методика содержит порядок измерения параметров, обработки, анализа и интерпретации результатов.

Классификация видов технической диагностики приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация видов технической диагностики

1.3.Типовая программа технического диагностирования

Типовая программа (типовой алгоритм) технического диагностирования состоит из наиболее общих этапов работ, присущих различным типам диагностируемых объектов. Перечень и последовательность выполнения таких этапов приведены на рис. 1.4.

Первый этап технического диагностирования включает анализ эксплуатационно-технической документации и данных оперативной диагностики. Этот этап является предварительным и позволяет получить ретроспективную информацию об объекте диагностирования, определить соответствие проекту использованных материалов и фактического конструктивного исполнения, фактических условий эксплуатации (нагрузок, температур, рабочих сред и др.) проектным, выбрать определяющие параметры технического состояния, предварительно установить ожидаемые деградационные процессы, составить перечень элементов и участков объекта диагностирования, которые в наибольшей степени предрасположены к появлению повреждений и дефектов. Анализу подлежат нормативно-техническая, проектная, монтажная и ремонтно-эксплуатационная документация, заключения экспертиз промышленной безопасности, проведенных ранее, а также научно-техническая информация по отказам и повреждениям аналогичных объектов.

Рис. 1.4. Алгоритм технического диагностирования

Натурное обследование объекта осуществляют в несколько последовательных этапов. В первую очередь проводят визуально-измерительный контроль, измерение геометрических параметров объекта и размеров выявленных дефектов. На объектах, имеющих большие габаритные размеры, выполняют геодезическую съемку. Результатом этого этапа является выявление изменения геометрии объекта, наличия поверхностных видимых дефектов и уточнение объема неразрушающего контроля. Далее неразрушающими методами выполняют толщинометрию и дефектоскопию элементов и участков объекта, выявленных на предварительном этапе диагностирования и уточненных при визуальном контроле. При необходимости производят исследование структуры, определение химического состава и механических свойств материалов.

В большинстве случаев натурное обследование завершают испытанием объекта под нагрузкой на прочность, устойчивость и герметичность. Испытаниям предшествуют соответствующие проверочные расчеты с учетом выявленных дефектов. Проверочные расчеты в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ 14249-89, 25859-83, 26202-84, 24755-89, РД 03-421-01, ПБ 03-605-03 и др.) выполняют по допускаемым напряжениям с учетом коэффициентов запаса. Величина запаса определяется физико-механическими характеристиками материала конструкции и условиями ее нагружения.

Оборудование считают работоспособным, если его несущие элементы имеют запасы прочности выше следующих нормативных значений:

n_т= 1,5 — запас прочности до образования пластического шарнира (по пределу текучести);

n_в = 2,4 — запас прочности по пределу прочности;

n_к = 2,0 — запас прочности по критическому коэффициенту интенсивности напряжений.

Если расчетный коэффициент запаса ниже установленных значений, то принимают решение о снижении рабочих параметров диагностируемого оборудования (давления, температуры, расхода) или выводе его из эксплуатации.

На завершающем этапе диагностирования выполняют анализ выявленных дефектов и повреждений, их соответствие нормам и критериям, установленным в нормативно-технической документации, дают оценку технического состояния объекта. Выясняют необходимость проведения дополнительных исследований с целью уточнения определяющих параметров на основе уточнения напряженно-деформированного состояния, деградационных процессов и фактических характеристик материалов.

При признании объекта работоспособным, а также при наличии возможности восстановления его работоспособности выполняют прогнозный расчет остаточного ресурса по определяющим параметрам технического состояния с учетом скорости роста соответствующих дефектов и повреждений.

По результатам технического диагностирования принимают решение о возможности и условиях дальнейшей эксплуатации объекта: продолжении эксплуатации на рабочих или сниженных параметрах, необходимости ремонта объекта или демонтажа из-за невозможности или нецелесообразности его дальнейшего использования.

В зависимости от конструктивного исполнения в типовую программу диагностирования вносят изменения и дополнения, учитывающие особенности конкретного объекта и предусматривающие проведение дополнительных исследований и применение различных методов неразрушающего контроля: например, контроль состояния магистральных трубопроводов с помощью специальных снарядов-дефектоскопов, инструментальное обследование состояния оснований и опор, тепловизионное обследование в режиме эксплуатации объектов с термоизоляционным покрытием (например, изотермических резервуаров для хранения сжиженного газа), дополнительное обследование фундамента ГПА и конструкций зданий насосных и компрессорных станций и др.

2.ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ТИПОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Диагностирование оборудования различных типов осуществляется по определенным программам (алгоритмам). Индивидуальная программа технического диагностирования разрабатывается на основе типовой с учетом конструктивных особенностей конкретного оборудования. Ниже рассмотрены программы и особенности диагностирования некоторых типов основного технологического оборудования нефтегазовой промышленности.

2.1.Диагностирование буровых установок

Буровые установки представляют собой сложные технические системы, включающие комплекс машин, механизмов и подъемных сооружений. Техническое состояние буровой установки определяется состоянием ее составляющих, в том числе: основных грузоподъемных механизмов (лебедки, талевой системы); металлоконструкций вышки, оснований; вспомогательных механизмов для выполнения спуско-подъемных операций на буровой площадке и приемных мостках; сосудов, работающих под давлением, систем пневмооборудования установки, работающих под давлением; циркуляционных систем приготовления и подачи буровых растворов; комплекса приводов буровых роторов и другого оборудования.

По условиям эксплуатации буровые установки являются объектами повышенного риска, а соответствующий им вид деятельности связан с повышенной опасностью производства работ.

Комплексное обследование технического состояния буровой установки независимо от года выпуска должно проводиться в обязательном порядке после:

окончания установленного заводом-изготовителем гарантийного срока эксплуатации;
восстановления в результате аварии;
устранения обнаруженных дефектов вышки (мачты).

Обследования буровых вышек, мачт и оснований проводятся путем проведения неразрушающего контроля и металлографии.

При проведении обследования буровой установки работы должны выполняться в последовательности, изображенной на рисунке 2.1:

		буровая установка		экспертиза технической документации

визуально-оптический контроль металлоконструкций			визуально-оптический контроль механизмов и оборудования

капиллярный, ультразвуковой, магнитный контроль и металлография металлоконструкций			капиллярный, ультразвуковой, магнитный контроль металлоконструкций, механизмов и оборудования

	ремонт (при необходимости)

	проверка работы на холостом ходу

	проверка работы приборов и устройств безопасности

	составление протокола и оформление результатов

Рис 2.1. Порядок технического диагностирования буровых установок

При проведении обследования выполняют следующие основные работы:

ознакомление с технической эксплуатационной и ремонтной документацией буровой установки и ее анализ;
внешний осмотр комплекса буровой установки, характеризующий визуально общее состояние металлоконструкций, механизмов, агрегатов, электро-, гидро- и пневмооборудования, проверку комплектности буровой установки;
проверку состояния основных несущих элементов металлоконструкций с применением методов неразрушающего контроля;
проверку состояния механизмов, агрегатов, канатов, канатно-блочных систем и других узлов и деталей с проведением необходимых измерений величины износа элементов механизмов;
проверку состояния электрооборудования, электроаппаратуры, приборов безопасности, гидро- и пневмооборудования;
отбор проб образцов (при необходимости) для химического анализа и проверки механических свойств несущих элементов металлоконструкций.

Предусматривают три вида обследования буровых установок с истекшим сроком эксплуатации: первичное, повторное и внеочередное.

Первичное обследование проводят по истечении нормативного срока эксплуатации, установленного заводом-изготовителем оборудования (7 лет с начала эксплуатации). Период, на который может быть продлен срок службы бурового оборудования не превышает три года, устанавливают исходя из требований нормативных документов и фактического состояния оборудования.

Повторное обследование проводят по истечении срока, установленного первичным обследованием. Количество повторных обследований не ограничивается. Срок до последующих обследований назначают не более трех лет. Возможность дальнейшей эксплуатации определяют общим состоянием бурового оборудования, экономическими показателями и затратами на ремонт и максимальным сроком в соответствии с паспортными данными.

Внеочередное обследование буровых установок проводят в случаях:

• обнаружения деформаций в металлоконструкциях, возникших в результате перегрузок и внешних воздействий (стихийные бедствия, пожары, открытые фонтаны и т.д.), а также при неоднократном повторении поломок оборудования;

Визуальный осмотр должен выполняться при установке буровой установки в рабочее положение. При этом основное внимание уделяется металлоконструкциям, тормозной системе лебедки, канатам талевой системы и оттяжкам. Определяется состояние (с использованием необходимых замеров) опорной рамы, мачты, мест крепления растяжек к мачте, транспортной базы, балконов для работы со штангами и трубами и пр. Выявленные дефекты и отклонения фиксируются в Карте осмотра буровой. Обращается внимание на изгиб балок и ферм, скручивание балок, изгиб осевых линий мачты и др.

Ультразвуковой контроль (УЗК) проводится в соответствии с ГОСТ 14782-86, ГОСТ 17410-78, применяется для выявления с помощью ультразвуковой дефектоскопической аппаратуры различных дефектов (типа разрушения сплошности и однородности металла), расположенных на наружной и внутренней поверхностях, в толще стенок прямых металлических однослойных бесшовных труб, изготовленных из черных и цветных металлов и сплавов, а также в труднодоступных местах грузоподъемного оборудования.

Результаты контроля требуется оформлять в виде протоколов, в которых приводится описание размеров, формы и местоположения выявленных дефектов.

Проверка работы буровой установки на холостом ходу выполняется без груза на крюке или с грузами не более 0,3 Q_н (Q_н - номинальная нагрузка). При проверке работы буровой установки (в зависимости от модели) на холостом ходу определяют пусковые качества двигателя (время, затраченное на пуск холодного и прогретого двигателя при пробных запусках), проверяют качество работы трансмиссии, гидронасосов, гидромоторов, гидро-, пневмо- и электросистем, распределителей, клапанов и электроаппаратуры, проверяется качество намотки талевого каната, работа тормозов, работа узлов и механизмов (прослушивание шумов, стуков, обнаружение искрений, течи и др.).