Full Text

Введение. Важнейшим фактором обеспечения экономической эффективности, безопасности и надёжности предприятий нефтехимического комплекса является интегрированная логистическая поддержка (ИЛП) производственного оборудования, в частности технологических трубопроводов (ТТ) [1-3]. Интегрированная логистическая поддержка ТТ - это трудоёмкий и затратный по времени процесс, сопряжённый с поиском и обработкой большого количества нормативно-технических данных, требующий создания на каждом этапе жизненного цикла (ЖЦ) изометрических схем и чертежей, содержащий большое количество рутинных инженерно-технических расчётов. Выполнение ИЛП дополнительно осложняется низким уровнем автоматизации процедур интеллектуальной поддержки при принятии инженерно-технических решений и обработке эксплуатационно-технической информации. Вследствие изложенного процесс ИЛП технологических трубопроводов имеет ряд существенных недостатков, среди которых можно отметить: большое количество информационных ошибок и противоречивость данных; низкие скорость и качество формирования проектной, монтажно-исполнительной, паспортно-технической и эксплуатационной документации; трудоёмкость проведения необходимых инженерно-технических и организационно-управленческих расчётов; сложность обмена информацией между субъектами ЖЦ. Приведённые недостатки значительно снижают качество ИЛП, и, как следствие, уменьшаются показатели надёжности, промышленной безопасности и экономической эффективности производственных предприятий в целом. Анализ состояния научных исследований по ИЛП технологического оборудования в различных отраслях промышленности показал, что для устранения существующих недостатков необходимо применять специальные эвристическо-вычислительные инструменты (ЭВИ), разработанные с использованием системного подхода [4-6], методов теории искусственного интеллекта и логистики ресурсосбережения в сфере организации производства [7-10], а также концепций интегрированной информационной среды [1, 2, 11-17]. Руководствуясь результатами проведённого анализа, авторы разработали около двадцати ЭВИ, формализующих процесс принятия решений по ИЛП жизненного цикла технологических трубопроводов. В настоящей статье даны примеры ЭВИ, позволяющих автоматизировать процедуры принятия решений при выборе конструкционных характеристик элементов проектируемых, а также процедуры определения недостающих конструкционных характеристик элементов действующих ТТ. 1. Эвристическо-вычислительные инструменты проектируемых технологических трубопроводов. Одной из важнейших проектных процедур, обеспечивающих надёжность ТТ на этапе эксплуатации, является определение характеристик конструкционных элементов. Как правило, количество применяемых на нефтехимических предприятиях типов элементов трубопровода составляет не менее двадцати единиц при количестве размеров каждого типа элемента также не менее двадцати вариантов. При этом для каждого типа элемента ТТ существуют индивидуальный набор конструкционных характеристик, а также индивидуальные правила их выбора и расчёта, что делает процесс ручного определения характеристик достаточно трудоёмкой и рутинной процедурой. Например, для элемента «труба» требуется определить следующие характеристики: материал изготовления и стандарт на него; стандарты на технические требования и сортамент; значение наружного диаметра; значения отбраковочной, минимально-допустимой и номинальной толщин стенки; тип, марка, длина и масса трубы. В процессе систематизации правил выбора и расчёта характеристик различных конструкционных элементов установлено, что зависимость между искомыми характеристиками элементов, с одной стороны, и определяющими их значения входными параметрами, с другой стороны, имеет дискретный характер и в общем случае может быть представлена следующим выражением: , (1) где - подмножество нормативных характеристик элемента f-го типа; , - количество типов элементов трубопровода; - i-я нормативная характеристика f-го типа элемента трубопровода; , - количество характеристик f-го типа элемента трубопровода; - подмножество параметров трубопровода, необходимых для определения характеристик элемента f-го типа. Непосредственное определение характеристик каждого типа элемента осуществляется с помощью индивидуальных алгоритмов, которые в общем случае можно свести к поиску в специально сформированных массивах нормативных отношений строк, удовлетворяющих условию: (2) При этом для каждого типа элемента трубопровода выражения (1, 2) будут иметь уникальный вид. Практическая реализация процедур определения конструкционных характеристик элементов ТТ осуществлялась с помощью специально разработанных моделей представления знаний (МПЗ) в виде продукционных правил [14] и эвристическо-вычислительных алгоритмов [18]. Продукционные МПЗ или продукционные правила применяются в системах искусственного интеллекта для представления знаний о различных объектах и обладают следующими достоинствами [3, 14, 19, 20]: - обеспечение быстрого отклика на изменяющиеся в широких пределах ситуации внешней среды; - возможность независимого добавления в базу знаний отдельных продукционных правил без перепрограммирования всей программной системы; - простота понимания человеком или интерпретации другой программной системой; - естественность выражения как декларативных, так и процедурных знаний, при этом знания отделены от способа их переработки. Разработка продукционных МПЗ осуществлялась с помощью анализа нормативно-технической, паспортно-технической, эксплуатационной и ремонтной документации, а также с учётом знаний экспертов прикладной области и особенностей этапов ЖЦ технологических трубопроводов. При анализе учитывались методические рекомендации, приведённые в источнике [14]. Продукционные МПЗ и эвристическо-вычислительные алгоритмы были разработаны для определения конструкционных характеристик пяти основных типов элементов ТТ: труб; фланцев; отводов; переходов и тройников. Ниже приведены примеры МПЗ и эвристическо-вычислительных алгоритмов для трёх элементов: отводов, переходов и тройников. 1.1. Эвристическо-вычислительные инструменты определения характеристик конструкционного элемента «отвод». Отводом называется фасонная деталь трубопровода, обеспечивающая изменение направления потока транспортируемого вещества. В результате анализа большого количества нормативно-технической документации (НТД) установлено, что отводы имеют следующие конструкционные характеристики (рис.1): То - тип отвода (крутоизогнутый, гнутый, штампосварной, секционный); Ст - марка стали (более 80 наименований); ССт - стандарт на сталь (более 10 наименований); СТТ - стандарт на технические требования (более 18 наименований); Срт - стандарт на сортамент (более 16 наименований); Дн - наружный диаметр (более 20 вариантов); Sн - номинальная толщина стенки (более 20 вариантов); L - длина (более 20 вариантов); Sо - отбраковочная толщина стенки (расчётная характеристика); Си - способ изготовления (бесшовный, из бесшовных труб, из электросварных труб, сварной, сварной из бесшовных труб, сварной из электросварных труб, штампосварной); aг - угол гиба (30, 45, 60 или 90 градусов); Rг - радиус гиба (более 20 вариантов). Рис. 1. Типы и геометрические характеристики отводов Также установлено, что рекомендуемые НТД значения характеристик отводов полностью зависят от параметров: Тср, t, Р и Ду, где Тср, t, Р - тип, температура и давление рабочей среды, Ду - условный диаметр отвода. Выражения 1 и 2 для типа элемента «отвод» принимают следующий вид: и , где s - напряжение в отводе, возникающее под воздействием давления рабочей среды; R2 - отношение бинарности (min; max); Ру - условное давление. Примеры продукционных МПЗ о конструкционных характеристиках отводов приведены в табл. 1, где индексы min и max относятся к заданным в НТД граничным значениям соответствующих переменных; I - идентификатор строк в таблице. Таблица 1 Пример продукционной модели представления знаний об отводах I Дуmin Дуmax Тср tmin tmax Ру Дн Sн Smin Smax smin smax Ст 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 10 300 Дизтопливо -40 475 10 273 6 0 12 0,35 100 20 2 10 300 Дизтопливо -30 475 10 159 4,5 0 12 0,35 100 20 3 10 300 Дизтопливо -40 475 10 108 5 0 12 -1 0,35 20 Окончание табл. 1 aг ССт СТТ То Си Срт Rг L 15 16 17 18 19 20 21 22 90 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 Крутоизогнутый Бесшовный ГОСТ 17375 375 375 90 ГОСТ 1050 ОСТ 36-49-81 Гнутый Бесшовный ОСТ 36-42-81 500 500 60 ТУ 14-3-460 ГОСТ 17380 Крутоизогнутый Бесшовный ГОСТ 30753 100 58 Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения конструкционных характеристик отвода, реализованного с помощью разработанных и сведённых в продукционную базу знаний (ПБЗ) продукционных МПЗ, приведена на рис. 2, где R - промежуточная переменная; ТЭ - тип элемента трубопровода; [s]20, [s]t - допустимое напряжение стали при температуре 20 град и расчётной температуре рабочей среды; Р20 - давление рабочей среды, приведённое к температуре 20 °С; k1(То) - поправочный коэффициент увеличения напряжений. Разработанный алгоритм определения характеристик элемента «отвод» отличается тем, что по заданным исходным значениям условного диаметра Ду, угла гиба aг, типа Тср, температуры t и давления Р рабочей среды, а также с помощью продукционных МПЗ о характеристиках технологических трубопроводов и базы механических свойств сталей (БМСС) позволяет автоматизировать интеллектуальные процедуры принятия решений при определении соответствующих требованиям НТД значений характеристик конструкционного элемента «отвод». Рис. 2. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения характеристик элемента «отвод» 1.2. Эвристическо-вычислительные инструменты определения конструкционных характеристик элемента «переход». Переходом называется фасонная деталь трубопровода, предназначенная для герметичного соединения между собой труб разного диаметра, а также расширения или сужения потока транспортируемого вещества. В результате анализа НТД и существующих типов конструкций (рис. 3) установлено, что переходы имеют следующие характеристики: ТП - тип (концентрический, эксцентрический); Ст - марка стали (более 40 наименований); ССт - стандарт на сталь (более 10 наименований); СТТ - стандарт на технические требования (более 12 наименований); Срт - стандарт на сортамент (более 12 наименований); Дуб - диаметр условный больший (более 20 вариантов); Дум - диаметр условный меньший (более 20 вариантов); Днб - диаметр наружный больший (более 20 вариантов); Днм - диаметр наружный меньший (более 20 вариантов); Sб - номинальная толщина стенки со стороны большего диаметра (более 20 вариантов); Sм - номинальная толщина стенки со стороны меньшего диаметра (более 20 вариантов); L - длина (более 20 вариантов); Sо - отбраковочная толщина стенки (расчётная характеристика); Си - способ изготовления (бесшовные, вальцованные, лепестковые). Рис. 3. Типы и геометрические характеристики переходов Выявлено, что рекомендуемые НТД значения характеристик переходов зависят от следующих параметров: Тср, t, Р, Дуб, Дум. Выражения 1 и 2 для типа элемента «переход» принимают следующий вид: и Примеры продукционных МПЗ о конструкционных характеристиках переходов приведены в табл. 2. Таблица 2 Пример продукционной модели представления знаний о переходах I Дубmin Дубmax Думmin Думmax Тср tmin tmax Руmax Днб Днм Sб Sм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 10 300 10 300 Дизтопливо -40 475 10 273 159 10 6 2 10 300 10 300 Дизтопливо -30 475 10 159 89 8 6 3 10 300 10 300 Дизтопливо -40 475 10 108 89 6 6 Окончание табл. 2 Smin Smax Ст ССт СТТ ТП Си Срт L 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0 12 20 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 Эксцентрический Бесшовный ГОСТ 17378 180 0 12 20 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 Концентрический Бесшовный ГОСТ 17378 130 0 12 20 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 Концентрический Бесшовный ГОСТ 17378 80 Блок-схема разработанного эвристическо-вычислительного алгоритма определения конструкционных характеристик элемента «переход» приведена на рис. 4. Разработанный эвристическо-вычислительный алгоритм определения характеристик элемента «переход» отличается тем, что по заданным исходным значениям: условного большего Дуб и условного меньшего Дум диаметров, типа Тср, температуры t и давления Р рабочей среды, с помощью продукционных моделей представления знаний о характеристиках ТТ, а также с помощью БМСС позволяет автоматизировать интеллектуальные процедуры принятия решений по определению соответствующих требованиям НТД характеристик конструкционного элемента «переход». Рис. 4. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения характеристик элемента «переход» 1.3. Эвристическо-вычислительные инструменты определения характеристик конструкционного элемента «тройник». Тройником называется фасонная деталь трубопровода, предназначенная для слияния или деления потоков транспортируемого вещества преимущественно под углом 90 град. В результате анализа НТД и используемых на производстве конструкций (рис. 5) установлено, что тройники имеют следующие характеристики: Дум - условный диаметр магистрали (более 20 вариантов); Душ - условный диаметр штуцера (более 20 вариантов); Дм - диаметр наружный магистрали (более 20 вариантов); Дш - диаметр наружный штуцера (более 20 вариантов); Sш - номинальная толщина стенки штуцера (более 20 вариантов); Sм - номинальная толщина стенки магистрали (более 20 вариантов); Sош - отбраковочная толщина стенки штуцера (расчётная характеристика); Sом - отбраковочная толщина стенки магистрали (расчётная характеристика); L - длина тройника (более 20 вариантов); Hт - высота тройника (более 20 вариантов). Рис. 5. Типы и геометрические характеристики тройников Установлено, что рекомендуемые НТД значения характеристик тройников зависят от следующих параметров: Тср, t, Р, Дум, Душ. Выражения 1 и 2 для типа элемента «тройник» принимают следующий вид: и Примеры продукционных МПЗ о конструкционных характеристиках тройников приведены в табл. 3. Таблица 3 Пример продукционной модели представления знаний о тройниках I Тср Думmin Думmax Душmin Душmax tmin tmax Ру Дм Дш Sш Sм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 Дизтопливо 10 300 10 300 -40 475 10 219 219 8 8 2 Дизтопливо 10 300 10 300 -30 475 10 159 108 6 8 3 Дизтопливо 10 300 10 300 -40 475 10 273 219 6 7 Окончание табл. 3 Smin Smax Ст L Нт Си Срт ССт СТТ 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0 12 20 320 140 Бесшовный ГОСТ 17376 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 0 12 20 320 190 Сварной ОСТ 36-46-81 ГОСТ 1050 ОСТ 36-49-81 0 12 10 380 175 Бесшовный ГОСТ 17376 ГОСТ 1050 ГОСТ 17380 Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения конструкционных характеристик элемента «тройник» приведена на рис. 6, где fd - коэффициент прочности тройника, ослабленного отверстием. Разработанный эвристическо-вычислительный алгоритм определения характеристик элемента «тройник» отличается тем, что по заданным исходным значениям условных диаметров магистрали Дум и штуцера Душ, типа Тср, температуры t и давления Р рабочей среды с помощью продукционных моделей представления знаний о характеристиках ТТ, а также с помощью БМСС позволяет автоматизировать интеллектуальные процедуры принятия решений по определению соответствующих требованиям НТД характеристик конструкционного элемента «тройник». 2. Эвристическо-вычислительные инструменты действующих технологических трубопроводов. Анализ процесса ИЛП эксплуатируемых или действующих технологических трубопроводов показал, что разработка ЭВИ востребована при выполнении следующих процедур: - определение периода ревизий; - определение недостающих и исправление ошибочно вписанных значений характеристик конструкционных элементов трубопровода; - проверка характеристик трубопровода на соответствие требованиям НТД; - определение характеристик ремонтируемых сварных соединений. Рис. 6. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения характеристик элемента «тройник» Ниже рассмотрен результат разработки эвристическо-вычислительных инструментов в виде продукционных правил и эвристическо-вычислительных алгоритмов, позволяющих автоматизировать определение недостающих в паспортно-технической документации конструкционных характеристик элементов трубопровода. Актуальность разработки указанных инструментов обусловлена наличием на практике ситуаций неудовлетворительного ведения документации, например, следующих: приведённое в документации значение номинальной толщины стенки элемента использовано со ссылкой на стандарт, в котором этого значения нет; не указан или неправильно указан стандарт на марку стали; вместо стандарта на технические требования указан стандарт на сортамент или наоборот. Основной причиной неудовлетворительного ведения документации в большинстве случаев является плохая организация документооборота между проектными, монтажными и эксплуатационными организациями. Следствием неудовлетворительного ведения документов является низкое качество ИЛП технологических трубопроводов, а, следовательно, низкие значения показателей экономической эффективности и промышленной безопасности нефтехимических предприятий в целом. Полноценное исправление паспортно-технической документации требует анализа большого количества первичных нормативно-технических источников, поэтому выполнение этой задачи некомпьютеризированными методами в условиях действующего производства практически нереально. Анализ конструкционных характеристик элементов, выполненный в соответствии с принципами системного подхода, показал, что процедуру исправления и определения информации во многих случаях можно автоматизировать, разработав систему взаимосвязанных нормативных списков с характеристиками конструкционных элементов трубопроводов. Сущность предлагаемого подхода заключается в том, что для каждого конструкционного элемента создаётся массив отношений или строк нормативных характеристик, представляющий собой продукционную МПЗ об элементе трубопровода, далее в этом массиве автоматически ищутся строки, в которых существуют совпадения с известными характеристиками элементов. Если строка с совпадающими характеристиками находится только одна, то по ней автоматически определяются значения неизвестных характеристик, если более одной, то радикально уменьшается количество допустимых вариантов ответа, что тоже важно. Пример продукционной МПЗ об элементе трубопровода «труба» приведён в табл. 4. Таблица 4 Пример продукционной модели представления знаний об элементе «труба» I Сталь (Ст) Стандарт на сталь (ССт) Стандарт на технические требования (СТТ) Стандарт на сортамент (Срт) Тип труб (Ттр) 1 2 3 4 5 6 1 20 ГОСТ 1050 ГОСТ 8731 ГОСТ 8732 Бесшовный 2 15Х5М ГОСТ 20072 ГОСТ 550 ГОСТ 550 Бесшовный 3 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 ГОСТ 11068 ГОСТ 11068 Электросварная прямошовная 4 17ГС ГОСТ 19281 ГОСТ 20295 ГОСТ 20295 Электросварная спиральношовная 5 20 ГОСТ 1050 ГОСТ 8733 ГОСТ 8734 Бесшовный Окончание табл. 4 Группа труб (Гт) Марка труб (Мт) Диаметр наружный (Дн), мм Номинальная толщина стенки (Sн), мм Плотность стали (RoC), кг/м3 7 8 9 10 11 В В-159х6 159 6 7859 А А-108х5 108 5 7750 - 89х4 89 4 7900 - 2-530х10 530 10 7850 В В-108х6 108 6 7859 В соответствии с данными табл. 4 отношение нормативных характеристик для элемента «труба» запишется в виде следующего выражения: . (3) Эвристическо-вычислительный алгоритм определения неизвестных характеристик конструкционных элементов трубопровода, разработанный с помощью выражения (3) для элемента «труба», приведён на рис. 7. Алгоритм отличается тем, что по известным значениям характеристик конструкционного элемента «труба» с помощью продукционной базы знаний позволяет автоматически определять неизвестные значения его характеристик, соответствующих требованиям НТД. Рис. 7. Блок-схема алгоритма определения неизвестных характеристик конструкционного элемента «труба» Выводы. Определены недостатки существующего способа ведения ИЛП технологических трубопроводов предприятий нефтехимического комплекса. По результатам анализа состояния научных исследований по ИЛП в различных отраслях промышленности показано, что устранить указанные недостатки можно, применив ЭВИ, разработанные с использованием системного подхода, теории искусственного интеллекта, логистики ресурсосбережения в сфере организации производства, а также концепций интегрированной информационной среды. В процессе систематизации правил выбора и расчёта характеристик различных конструкционных элементов установлено, что зависимость между искомыми характеристиками элементов и определяющими их значения входными параметрами ТТ имеет дискретный характер и может быть представлена выражением (1). Разработаны и приведены примеры ЭВИ в виде продукционных моделей представления знаний и эвристическо-вычислительных алгоритмов, которые позволяют автоматизировать процедуры определения исходных характеристик конструкционных элементов для проектируемых и неизвестных характеристик конструкционных элементов для действующих технологических трубопроводов.

About the authors

E. R Moshev

Perm National Research Polytechnic University

V. P Meshalkin

Russian Chemical-Technological University named after D.I. Mendeleev

References

Statistics

Views

Abstract - 48

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.