You are currently viewing Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления

Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления

Содержание

На основе анализа требований правил промышленной безопасности, была разработана функциональная модель управления безопасной эксплуатацией барабанов котлов высокого давления и предложен новый методологический подход к оценке ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов.

Это позволило выявить недостающие информационные взаимосвязи между акустическими и магнитными характеристиками и параметрами микроструктуры, а также впервые показать возможность их количественного описания.

Методология структурного анализа - Structured Analysis & Design Technique

При разработке функциональной модели была использована методология структурного анализа (Structured Analysis & Design Technique) [1-3].

Решению этой проблемы соответствует методология стандарта EDEF0, которая представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта в какой-либо предметной области.

Разработанная модель отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями.

Результатом применения методологии является модель, состоящая из:

  • Диаграмм.
  • Фрагментов текстов.
  • Словаря терминов, имеющих ссылки друг на друга [1-3].

Главными компонентами модели являются диаграммы, все функции и связи между этими функциями представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип связи.

Положение стрелки по отношению к прямоугольнику показывает конкретную роль взаимодействия (рисунок 1):

Рисунок 1 – Общий вид диаграммы
Рисунок 1 – Общий вид диаграммы

Разработка модели начинается с определения функции высшего порядка.

Как отмечалось ранее, эксплуатационная надежность барабанов котлов зависит от большого числа факторов, поэтому логичным является выделение такой главной функции, как «Управлять безопасной эксплуатацией барабанов котлов высокого давления».

На рисунке 2 представлена контекстная (родительская) диаграмма или диаграмма — предок, состоящая из одного блока и определяющая точку зрения и цель создания модели в ее пояснительном тексте:

Рисунок 2 – Контекстная диаграмма управления безопасной эксплуатацией барабанов котлов высокого давления
Рисунок 2 – Контекстная диаграмма управления безопасной эксплуатацией барабанов котлов высокого давления

Следующие факторы оказывают воздействие на барабаны высокого давления:

  • РО – остаточный ресурс.
  • РП – послеремонтный ресурс.
  • НД — нормативно-техническая документация.
  • ТД — эксплуатационно-техническая документация.
  • БД БК — база данных барабанов котлов высокого давления.
  • БДСМ – база данных состояния металла.
  • РР — расчетный ресурс.
  • Э — фактические условия и режимы.
  • В — ремонтно-восстановительные работы.
  • О – экспертиза.
  • Т — туннельные стрелки.
  • КМ — неразрушающие методы исследования.
  • ФЯ — физико-химические процессы.
  • АР — результаты текущей экспертизы.
  • НДС – показатель напряженно-деформированного состояния.
  • МКЭ — методом конечных элементов.
  • ФМ — металлофизические исследования металла барабанов котлов.
  • АИ — магнитных измерений.
  • ПЭ – программа экспертного обследования.
  • М — математическая модель.

В качестве ресурса принят расчетный срок службы барабана котла высокого давления (до начала эксплуатации).

Модель стандарта IDEF0 начинается с представления системы как единого целого — блока-прямоугольника с взаимодействиями, простирающимися за пределы системы.

Алгоритм работы системы, приведённой на рисунке 2:

  • Продуктом выполнения функции является также срок эксплуатации оборудования, но уже с учетом определенного времени работы при заданных параметрах (либо при их изменениях и нарушениях), или остаточный срок службы или индивидуальный остаточный ресурс — РО.
  • Две стрелки на выходе из блока означают, что ресурс после определенной наработки может быть представлен в одном из двух видов: ресурс остаточный и ресурс послеремонтный — РП.
  • В качестве управляющих воздействий приняты нормативно-техническая документация (НД) на барабаны котлов (ГОСТы, ОСТы, СО и РД Госгортехнадзора России) и эксплуатационно-техническая документация (ТД), включающаяся в себя проектно-конструкторскую документацию, паспорт, инструкции по эксплуатации, ремонтную документацию (сведения о заменах, сертификаты на основной и сварочный материалы, технологии ремонта, сведения о качестве сварки и др.), заключения и результаты предыдущих технических диагностик и др.
  • Механизмами исполнения функции выступают реальные режимы эксплуатации, от параметров которых зависит состояние металла на данном этапе работы, и экспертиза, проводимая в заданные НД ТД сроки и план ремонтно-восстановительных работ.
  • В рамках данной контекстной модели, с целью реализации механизмов исполнения, проводится запрос к базе данных барабанов котлов высокого давления (БД БК) и к базе данных состояния металла (БДСМ).

Запрос также выполняется с целью получения информации о безопасной эксплуатации барабанов котлов, в частности:

  • Высокого давления на разных стадиях службы.
  • Условия их работы.
  • Характер изменения физико-механических характеристик и микроструктуры и других эксплуатационных параметров.
  • Результаты экспертиз.

Таким образом, реализовать главную функцию по управлению безопасной эксплуатацией барабанов котлов можно, если знать:

  • Реальные режимы эксплуатации.
  • Реальное состояние металла.

То есть в категориях и терминах модели должен быть известен характер изменения физико-механических характеристик и микроструктуры используемых материалов во времени.

Определение расчетного ресурса барабанов котлов

Расчетный ресурс (РР) барабанов котлов определяется с учетом проектных режимов и условий эксплуатации и др.

Эксплуатацию технических устройств (А1) проводят согласно требований ТД и НД (рисунок 3) при фактических условиях и режимах (Э):

Рисунок 3 – Первый уровень детализации контекстной диаграммы (АО)
Рисунок 3 – Первый уровень детализации контекстной диаграммы (АО)

где

  • А1 – эксплуатация барабанов котлов высокого давления в заданный срок.
  • А2 – оценка технического состояния барабанов котлов высокого давления.
  • А3 – проведение ремонтно-восстановительных работ.

После некоторого срока наработки техническое состояние барабана изменяется, соответственно уменьшается и ресурс.

Для определения индивидуального (остаточного) ресурса (РО) экспертизой (О) выполняют оценку реального технического состояния барабана котла (А2):

  • Одна из главных составляющих экспертизы заключается в техническом диагностировании, при проведении которого значительное внимание уделяется физико-химическим процессам и явлениям (ФЯ), происходящим в металле при длительной эксплуатации.
  • Запросы в базы данных (БД БК) дают экспертам информацию о процессах в металле аналогичного оборудования после равных сроков и условий эксплуатации, о структуре металла и его физикомеханических характеристиках, о местах возможного появления эксплуатационных дефектов. После исчерпания ресурса необходимо проводить замену деталей или узлов оборудования, либо всего технического устройства.
  • Ремонты (АЗ) выполняют согласно плану ремонтно-восстановительных работ (В).
  • Туннельные стрелки (Т) указывают на возможность изменения режимов работы оборудования для повышения его безопасной эксплуатации при выявлении допустимых дефектов во время проведения экспертизы (О).

Оценка технического состояния приведена рисунке 4:

Рисунок 4 – Детализация блока оценки технического состояния барабанов котлов высокого давления (А2)
Рисунок 4 – Детализация блока оценки технического состояния барабанов котлов высокого давления (А2)

Оценка технического состояния состоит из:

  • Анализа эксплуатационно-технической документации (А21).
  • Проведения экспертного обследования (А22).
  • Принятия решения и выдачи заключения (А23) с определением срока эксплуатации на основании анализа результатов текущей экспертизы (АР) и с учетом информации от запросов из баз данных.

Экспертное обследование барабанов котлов (А22) после детализации представлена на рисунке 5:

Рисунок 5 – Детализация блока экспертного обследования (А22)
Рисунок 5 – Детализация блока экспертного обследования (А22)

Экспертное обследование (ПЭ) представляет собой:

  • Программу экспертного обследования (А221), составленную на основании требований НД и ТД, ФЯ и информации из баз данных (БД БК и БДСМ), результатов анализа эксплуатационно-технической документации.
  • Инструментального контроля (А222).
  • Моделирование (А223) напряженно-деформированного состояния (НДС) методом конечных элементов (МКЭ) по результатам инструментального контроля (РК1).
  • Выбор критерия оценки ресурса металла (А224) на основании результатов моделирования (РК2) и инструментального контроля (РК1) для оценки индивидуального (остаточного) ресурса (РО).
  • Туннельные стрелки (Т) указывают на возможность изменения программы и объемов экспертного обследования в сторону их увеличения при выявлении различных допустимых, либо недопустимых дефектов.
  • Комплекс существующих неразрушающих методов исследования (КМ) и физико-механические характеристики, а также результаты металлофизических исследований металла барабанов котлов (ФМ), в соответствии с этой моделью, представляют собой исходные данные для определения состояния металла по акустическим и магнитным характеристикам (блок А225).
  • Механизмом реализации является процесс акустических и магнитных измерений (АИ) под управляющим воздействием физико-химических явлений (ФЯ), происшедших в исследованном металле за определенный период эксплуатации (рисунок 5).

Программа ПЭ оказывает управляющее воздействие на А222, А223 и А224.

Определение состояния металла осуществляется в результате и обоснования выбора акустического и магнитного метода и соответствия его (А2251), определения акустических и магнитных характеристик исследуемого металла (А2252), разработки математических моделей процесса взаимодействия изучаемых характеристик (А2253) и разработки критерия оценки ресурса металла (А2254).

Детализация данного блока приведена на рисунке 6:

Рисунок 6 – Детализация блока определения состояния металла по акустическим и магнитным характеристикам (А225)
Рисунок 6 – Детализация блока определения состояния металла по акустическим и магнитным характеристикам (А225)

Где описаны следующие взаимодействия блоков:

  • Математические модели и критерий оценки ресурса металла служат исходными данными для разработки методики оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабана котла (А226).
  • Результаты экспериментальных исследований передаются по АВ1 в блок А2253, где методами математического моделирования разрабатывают модели взаимодействия изучаемых характеристик (рис. б).
  • Математические модели через (М) связаны с блоком А2254 для разработки интегрального критерия оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов высокого давления.
  • Критерий оценки ресурса (АК) является основой для создания экспресс-метода (А226) оценки ресурса металла.

Исходными данными для разработки методики (А226) являются математические модели (М) и критерии (акустический и магнитный) (АК) использование которых дает возможность построить алгоритм оценки ресурса (А2261) и по АК передать информацию в А2262 для разработки экспресс-метода.

 Детализация данного блока приведена на рисунке 7:

Рисунок 7 - Детализация блока разработки методики оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов (А226)
Рисунок 7 - Детализация блока разработки методики оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов (А226)

Для внедрения экспресс-метода проводят его апробацию (А2263) по ЭМ первоначально на вырезках из различных участков барабана (поврежденных и после различных сроков эксплуатации) с исследованием микроструктуры, определением физико-механических характеристик.

Положительные результаты апробации дают возможность широкого применения данного метода в промышленности для оценки ресурса длительно работающего основного и наплавленного металла барабанов котлов (РО).

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

  • Применяя разработанный метод, можно значительно сократить объемы работ проведения экспертизы по существующей ныне схеме.
  • Настоящая функциональная модель управления дает четкое представление о существующем и разработанном выше подходе к прогнозированию работоспособности длительно работающего металла. Особенностью рассматриваемой иерархии моделей является подробная детализация этапов экспертизы.
  • Разработанная модель, как элемент информационной модели металловедения и технического диагностирования, может служить основой АС прогнозирования работоспособности длительно работающего металла.

Список литературы

  1. Марка Д.А. Методология структурного анализа и проектирования: Пер. с англ. / Д.А. Марка, К. МакГоуэн. — М.: 1993. — 240 с.
  2. Вендров А.М. CASE-технологни. Современные методы и средства проектирования информационных систем. — М.: Argussoft Со, 1999. — 86 с.
  3. Братухин А.Г. CALS-стратегия наукоемкого машиностроения / Братухин А.Г. // Технология машиностроения, 2001, №1. С.5-17.

Источник: Функциональная модель обеспечения безопасной эксплуатации барабанов котлов высокого давления / А.Н. Смирнов, Н.В. Абабков, О.Н. Дегтярева, М.В. Купченко // Вестник КузГТУ. — 2012. — №1. — C. 76-80.

Статья в формате docx

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org