Full Text

Введение Главной целью современных промышленных предприятий является достижение максимальной прибыли за счет усовершенствования существующих технологических процессов и сокращения производственных затрат. Одним из эффективных методов сокращения затрат является снижение простоя оборудования при осуществлении ремонтных и профилактических работ, т.е. увеличение межремонтного периода. Для этого требуется развитая система диагностики наиболее важных, критических узлов оборудования и аппаратов, позволяющая с высокой точностью регистрировать их состояние и прогнозировать возникновение отказов. В нефтегазодобывающей, перерабатывающей и химической промышленности условием работоспособности оборудования является герметичность его узлов, предотвращающая их газовое или жидкостное взаимодействие со средами через разделяющие оболочки (корпуса), элементы и соединения. К числу критических узлов относятся неподвижные разъемные соединения (РС), такие как фланцевые соединения трубопроводов, сосудов, аппаратов и т.д. В настоящее время для обеспечения герметичности РС широко применяются уплотнения из терморасширенного графита (ТРГ). Общеизвестны следующие положительные свойства уплотнений ТРГ: - термостойкость; - низкий коэффициент трения; - химическая инертность; - отсутствие токсичности; - стабильность механических свойств и объема в течение всего срока эксплуатации; - износостойкость и сопротивление экструдированию; - доступная стоимость [1]. Однако на практике невозможно полностью исключить вероятность отказов РС, но можно свести их к минимуму с помощью систем диагностики. Большим потенциалом в этом направлении обладают оптоволоконные технологии, позволяющие измерять практически любые физические величины: температуру, давление, напряженность поля, деформацию, скорость, перемещение и др. [2-7]. Преимуществами волоконно-оптических датчиков (ВОД) являются малые размеры, позволяющие без труда интегрировать их в структуру материала; высокая чувствительность, защищенность от воздействия электромагнитных полей, пожаровзрывобезопасность, устойчивость к вибрациям и ударам, возможность установки измерительной аппаратуры для снятия показаний на значительном (десятки километров) расстоянии от места установки датчиков [8]. В качестве чувствительного элемента ВОД чаще всего применяется волоконная брэгговская решетка (ВБР) [9-10]. В основе работы волоконно-оптического датчика лежит изменение периода ВБР при воздействии на нее деформацией или температурой, при этом наблюдается изменение резонансной длины волны ВБР. Смещение резонансной длины волны при продольной деформации где эффективный фотоэлектрический коэффициент волокна (≈0,22); деформационная чувствительность решетки (≈0,78). Внедрение ВБР в полимерные композиционные материалы [11] является одним из наиболее перспективных направлений решения проблемы. Последние достижения в данной области описаны в обзорных статьях [12-14]. Помимо композитов исследуется интеграция ВБР в структуру бетона [15, 16], силикона [17], металла [18] и объектов, созданных с использованием аддитивных технологий [19]. Необычный способ детектирования, отклеивания в сотовых сэндвич-панелях предлагается в работе Minakuchi [20]. Способ основан на изменении спектра ВБР, встроенной в клеевой слой. Цель данной работы - разработка технического решения для контроля состояния РС в процессе эксплуатации на базе оптоволоконных технологий. Материалы и методики исследований В качестве предмета исследований выбраны прокладки из ТРГ ПУТГ-2-100-01-146´60-3,0 ТУ 5728-006-93978201-2008 с интегрированной линией из четырех волоконных брэгговских решеток[1], записанных на специальном оптическом волокне FS031 (1/1-1-2) (рис. 1). а б Рис. 1. Прокладка из ТРГ с интегрированной ВБР: а - общий вид: б - линии ВБР Прокладки изготовлены из графитового листового материала посредством вырезки[2]. Параметры прокладки перед проведением испытаний: толщина прокладки hср = 3,17 мм, наружный диаметр D = 146 мм, внутренний диаметр d = 60 мм, масса m = 40,53 г, плотность ρ = 0,92 г/см3. Геометрические размеры прокладки обусловлены размерами зеркала фланца. Выбор толщины прокладки основан на материале фланца и его состоянии. Для неметаллических (мягких) прокладок был выбран тончайший материал, способный компенсировать неоднородности фланца[3]. За информативные параметры эксперимента были выбраны мощность проходящего сигнала (Psp) и изменение длины волны ВБР (λ), регистрируемые анализатором сигналов. Тип используемых оптоволоконных датчиков выбран на основании ранее проведенных исследований, в которых в качестве оценочного критерия была использована форма спектра ВБР. В эксперименте использован стенд, состоящий из анализатора сигналов волоконно-оптических датчиков ASTRO A312[4] [24], со следующими характеристиками: ширина перестройки лазера 100 нм, точность 2 пм, разрешение 1 пм, персонального компьютера с установленным программным обеспечением ASTROSOFT для обработки и регистрации данных с анализатора сигналов, комплекта фланцев с гладкими уплотнительными поверхностями для обтяжки исследуемой прокладки и подачи давления в системе (рис. 2). а б в Рис. 2. Испытательный стенд: а - ПК с ПО ASTROSOFT; б - фланцы плоские с выступом и система подачи давления в систему; в - анализатор сигнала ASTRO A312 Согласно ГОСТ Р 52857.4 момент затяжки резьбовых крепежных элементов (РКЭ) и давление, оказываемое на поверхность прокладки, вычислены с использованием следующих формул: где - момент затяжки резьбовых соединений, Н·м; усилие на прокладке, Н; - диаметр шпильки, мм; - количество РКЭ; - давление на поверхности прокладки, МПа; - площадь поверхности прокладки, мм2. Во время испытаний обтяжка прокладки проведена с применением динамометрического ключа с фиксируемым моментом HOLEX и мультипликатора Gedore. Для подачи давления в систему испытательного стенда использован плунжерный насос АЭ 2.5/400К14А. Перед установкой прокладки уплотнительные поверхности фланцев были зачищены шабером. Для надежной фиксации прокладки на поверхности фланца использована безосновная лента-клей марки TESA 4985. Прокладка на фланце центрирована при установке. Затяжка РКЭ произведена крестообразно с последующей подтяжкой по окружности для обеспечения равномерного обжатия прокладки (рис. 3). Без влияния на эксплуатационные свойства прокладки перед проведением испытаний по внутреннему диаметру прокладки были вырезаны два отверстия для подачи давления в систему. Для измерения зазора l по плоскостям между уплотняемыми поверхностями с использованием штангенциркуля РС собрано без установленной прокладки (положение 0). Далее в РС установлена прокладка с интегрированными ВБР (рис. 4). Обжатие произведено в три обхода Мкр = 150 Н·м (первоначально), 400 Н·м (повторно), 750 Н·м (окончательно). После каждого обхода экспериментально измерена l и оценена равномерность обжатия, выполнен приближенный расчет h. При вычислении h деформация фланцев и РКЭ не учтена ввиду малости. В ходе предварительных экспериментов было выявлено, что параметрами, несущими наиболее информативную часть, являются мощность проходящего сигнала и изменение длины волны ВБР. Данные параметры были выбраны в качестве основных для контроля состояния РС. После достижения Мкр расчетной величины производилась проверка герметичности РС: в систему подано давление p от 0 до 40 МПа с шагом 10 МПа. Зарегистрированы изменения Psp(p) и λ(p). Для оценки воспроизводимости результатов опыты повторяли минимум 2 раза. Выдержавшей испытания считалась прокладка, если при ее испытании отсутствовало падение давления по манометру и не наблюдалось течи в месте соединения в течение всего времени выдержки при испытательном давлении. При демонтаже РКЭ ослаблены равномерно для предотвращения разрушения прокладки в связи с возможным перегибом, вызванным прилипанием прокладки к поверхности фланцев. Рис. 3. Схема обжатия: крестообразно (1-5, 7-3, 8-4, 6-2); по окружности до необходимого момента а б Рис. 4. Прокладка из ТРГ с интегрированными ВБР на поверхности фланца испытательного стенда: а - начало испытаний; б - окончание испытаний Результаты эксперимента и их анализ На основании результатов эксперимента (таблица) установлены зависимости Psp(Mкр) и λ(Mкр). Общий вид спектра до и после обжатия уплотнения представлен на рис. 5. Интегрированные в прокладку ВБР испытывают нагрузки, идентичные нагрузкам на уплотнение. В процессе затяжки шпилек ВБР регистрирует изменения нагрузки, локализованной в зоне РКЭ, который подвергается воздействию в данный момент. На основании этих данных возможна организация контроля параллельности плоскостей РС. Существует так называемый нейтральный радиус (рис. 6). Это радиус, на котором нет радиальной деформации при осевом нагружении [21]. Согласно исследованиям Г.В. Божко, нейтральный радиус располагается вблизи внутреннего радиуса уплотнения [22]. Ввиду того, что ВБР были интегрированы по центру поля прокладки (на бóльшем радиусе, чем нейтральный), на них действуют растягивающие кольцевые напряжения. При данном типе напряжений меняются геометрические размеры решетки, в том числе ее период. Намного меньшее влияние при растяжении ВБР играет изменение показателя преломления за счет эффекта фотоупругости. Однако при сдавливании поперек оптического волокна изменение показателя преломления вызывает не только изменение брэгговской длины волны λ, но также может вызвать изменение мощности проходящего сигнала Psp (рис. 7). Влияние момента затяжки резьбовых соединений Mкр при p = 0 на мощность проходящего сигнала и длину волны ВБР, внедренных в прокладку № п/п Mкр, Н·м l, мм (с I по IV плоскости) h, мм ps, МПа Psp, дБ λ, нм Δλ, нм 1 0 12,09 3,15 0 -18,87 1520,705 0,000 12,02 3,16 -19,28 1540,085 0,000 11,92 3,15 -19,37 1559,630 0,000 11,92 3,18 -18,74 1579,810 0,000 2 150 10,91 1,97 3,23 -19,63 1521,855 1,150 10,95 2,09 -20,10 1541,950 1,865 10,87 2,1 -19,70 1561,315 1,685 10,88 2,14 -19,42 1581,010 1,201 3 400 10,46 1,52 8,6 -24,75 1523,485 2,780 10,36 1,5 -23,15 1545,185 5,100 10,39 1,62 -21,48 1561,550 1,920 10,24 1,5 -23,47 1581,705 1,895 4 750 10,1 1,16 16,13 -24,09 1522,405 1,700 9,81 0,95 -26,58 1543,890 3,805 9,87 1,1 -30,28 1562,875 3,245 9,83 1,09 -31,25 1582,465 2,655 Рис. 5. Спектр ВБР, внедренных в прокладку до обжатия (0 Н·м) и после обжатия (750 Н·м) Рис. 6. Схема сил, действующих на уплотнение c интегрированными ВБР во время обтяжки а б Рис. 7. Графики изменения в процессе обжатия параметров сигнала, прошедшего через ВБР: а - мощности (Psp); б - длины волны (λ) Как можно заметить на рис. 6, с увеличением момента затяжки РКЭ длина волны ВБР увеличивается, а мощность падает. Но при максимальном достижении момента затяжки Mкр = 750 Н·м длина волны прошедшего сигнала через ВБР 1 и 2 падает, а мощность сигнала ВБР 1 возрастает. Данные изменения параметров свидетельствуют о разгружении прокладки в местах установки датчиков вследствие перекоса фланца. В процессе обжатия на прокладку действуют осевые нагрузки, под действием которых она деформируется в осевом (уменьшение h) и радиальном (увеличение D и уменьшение d) направлениях. Данные изменения геометрических размеров подтверждены обмерами прокладки после испытаний относительно первоначальных размеров: hср = 1,68 (уменьшилась на 47 %) мм; D = 147,6 (увеличился на 1,1 %) мм; d = 59,2 мм (уменьшился на 1,3 %); m = 40,53 г; ρ = 1,68 г/см3 (увеличилась на 82,3 %). Графики зависимости длины волны ВБР и мощности проходящего сигнала от подаваемого в систему давления представлены на рис. 8. На графиках видно обратное поведение характеристик сигнала относительно процесса обтяжки. Происходит разгрузка фланца при подаче давления. В рабочем состоянии под действием p нагрузка на РКЭ увеличивается, а F уменьшается [23]. Кольцевые напряжения меняют свой характер на противоположный. Перекос фланца в зоне расположения ВБР 1 влияет на поведение датчика также и при подаче давления. а б Рис. 8. Графики зависимости от давления в системе (р) параметров проходящего сигнала: а - мощности (ΔPsp); б - длины волны (Δλ) Прокладка из ТРГ с интегрированными ВБР после монтажа и проверки герметичности не повреждена (см. рис. 4). Выводы Компанией «Силур» совместно с компанией «Инверсия-Сенсор» при участии представителей ПНИПУ было разработано уплотнение из ТРГ с интегрированными волоконно-оптическими датчиками в качестве технического решения для диагностики РС во время эксплуатации. Выявлено, что ВБР, интегрированные в структуру прокладки из ТРГ, не влияют на ее прочностные характеристики. Проведенный эксперимент подтвердил правильность выбора мощности проходящего сигнала и изменения длины волны ВБР в качестве основных параметров для контроля состояния РС. Предложенные информативные параметры позволяют отслеживать влияние внешних воздействий (внутреннее давление системы и момент затяжки РКЭ РС) на состояние уплотнения и РС в целом. Можно выделить несколько задач, решение которых позволит в дальнейшем создавать принципиально новые системы мониторинга промышленных объектов и тем самым повышать их безопасность и эффективность: - разработка серийной методики установки уплотнений с внедренными ВБР в различные типы РС; - создание системы регистрации протечки в РС; - разработка алгоритмов прогнозирования надежности и состояния уплотнения по накапливаемым данным. Использование уплотнений из ТРГ с внедренными ВБР позволит свести к минимуму отказы оборудования и масштабы их последствий.

About the authors

O. Yu Yu Isaev

Sealur, Ltd

D. V Smirnov

Sealur, Ltd

A. A Ponomarev

Sealur, Ltd; Perm National Research Polytechnic University

A. L Kameneva

Perm National Research Polytechnic University

I. S Shelemba

Inversion Sensor Co., Ltd

A. A Ogleznev

Inversion Sensor Co., Ltd

R. S Yudin

Inversion Sensor Co., Ltd

References

Statistics

Views

Abstract - 30

PDF (Russian) - 18

Refbacks

• There are currently no refbacks.