Проблема «невидимых» дефектов
В современной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, характеризующейся высокой степенью интеграции и автоматизации, запорно-регулирующая арматура (ЗРА) является критическим функциональным элементом. ЗРА выступает в качестве исполнительного механизма, непосредственно взаимодействующего с рабочей средой, что предопределяет ее работу в условиях экстремальных механических, термических и химических нагрузок. От надежности функционирования этих узлов напрямую зависят ключевые показатели предприятия: аварийность, качество выпускаемой продукции и общая эффективность технологических установок. Любой отказ или некорректная работа клапана могут привести к значительным финансовым потерям из-за выпуска брака или невыполнения договорных обязательств.
При этом опыт эксплуатации показывает высокую надежность ЗРА, выпускаемых мировыми лидерами арматуростроения, что приводит к повышению расходов при проведении плановых ремонтов на фактически исправно работающих ЗРА.
Таким образом актуальной с технической точки зрения является задача оценки состояния ЗРА без снятия с технологической позиции.
Основные направления решения поставленной задачи: онлайн- и офлайн-диагностика
Онлайн-диагностика подразумевает сбор данных с ЗРА по полевым шинам с использованием протоколов HART, Foundation Fieldbus и др. В большинстве случаев техническая реализация опирается на интеллектуальные позиционеры и информационные системы производителей: Samson Trovis View/ Sam Guard, Fisher ValveLink, Metso Plant Triage и другие. Данный подход имеет ряд преимуществ, позволяющих реализовать накопление данных, их анализ для перехода к предиктивной аналитике. К минусам таких решений можно отнести отсутствие универсальных платформ, ориентированных на кроссплатформенные решения, а также зависимость от встроенных в интеллектуальный позиционер датчиков, контроль состояния и метрологические характеристики которых также требуют проверки.
Онлайн-системы диагностики комплексно работают с офлайн-комплексами, предназначенными для проверки состояния ЗРА без снятия с технологической позиции.
Наиболее широко известными комплексам офлайн-диагностики являются:
1. Тестеры-коммуникаторы: Emerson AMS Trex, Emerson 475 Field Communicator, ЮТОРУС АМ-850, Метран HART комплект и другие. Данные устройства позволяют считать данные самодиагностики интеллектуальных позиционеров через протоколы HART, Wireless HART и FOUNDATION Fieldbus.
2. Приборы диагностики: Masoneilan ValScope и его аналоги (SofTek Profiler, Emerson FlowScanner 6000, Комплекс СДК РДК Системс). Принцип работы данных устройств заключается в подключении внешних датчиков (давления, перемещения), подачи управляющих сигналов разного типа и анализа реакции системы.
Последние решения являются наиболее комплексными и позволяют реализовать концепцию диагностики без разборки, но имеют ряд недостатков:
• ограниченный перечень протоколов диагностики (токовая петля 4-20 мА, HART);
• ограничение полевого использования в связи с отсутствием сертификации;
• высокие требования к квалификации специалиста для анализа полученных в результате диагностики данных.
Поэтому зачастую услуги диагностики данными комплексами осуществляются подрядными организациями.
Задачу по разработке комплексной системы диагностики ЗРА без снятия с позиции, лишенной выше приведенных недостатков, поставили специалисты ООО «Автоматика-сервис» перед группой разработчиков в 2017 году.
При решении задачи запорно-регулирующая арматура была разделена на 3 части (рис. 1):
1. Клапан (Valve body).
2. Привод (Valve actuator).
3. Позиционер (Valve positioner).
Диагностика ЗРА может быть произведена установкой датчиков давления в канал питания, в канал управления, датчика перемещения в жесткой связке со штоком. В случае использования электропривода вместо датчиков давления могут быть установлены датчики тока и напряжения.
В такой конфигурации без снятия с позиции можно определить следующие дефекты и отклонения от требуемых эксплуатационных параметров:
1. Превышение величины гистерезиса прямого и обратного хода штока клапана.
2. Превышение величины мертвой зоны при страгивании штока.
3. Утечки в пневматических магистралях.
4. Корректность настройки позиционера.
5. Величина полного хода штока.
При выявлении дополнительных диагностических признаков могут быть локализованы повреждения конкретных элементов конструкции:
• загрязнение узлов трения/перетяжка сальника;
• ослабление пружины привода;
• разрыв мембраны / повреждение уплотнений поршня;
• дефекты внутренних датчиков позиционера.
Описание работы ЗРА для составления математической модели: управляющий сигнал (OP) идет на электромагнит пневмоклапана, тот оттягивает золотник, давление (p) в полости мембраны повышается, клапан открывается (MV), расход повышается (PV). На базе данного описания составим модель ЗРА.
1. Зависимость давления от управляющего сигнала регулятора p(OP)
OP – это токовый управляющий сигнал, который подается на электромагнит пневмоклапана. Если не учитывать инерцию золотника, то в качестве модели можно взять безынерционное звено: p = kO OP. (1)
2. Зависимость перемещения клапана от давления MV(p)
MV – перемещение клапана MV = 0: клапан закрыт. Отрицательные значения (до –4 мм) могут означать плохую калибровку датчика. Кроме того, даже при хорошо откалиброванном датчике MV может уходить в минус в динамике, так как калибровка проводится в статике, а клапан или седло покрыты упругими элементами, и при ударах будет деформироваться больше, чем при статическом поджатии клапана.
Положительное направление перемещения, скорости и сил соответствует открытию клапана.
Предположим, что упругим элементом привода клапана является мембрана, которая имеет упругую характеристику жесткого типа:
где x0 – отклонение от положения равновесия мембраны при MV = 0.
Динамика клапана описывается уравнение:
где F = SM p – сила от давления p, SM – эффективная площадь мембраны.
Сила трения Fтр = -F0 sign V, при V ≠ 0.
При V = 0 Fтр стремится сохранить состояние покоя
V = 0:
Для уменьшения идентифицируемых параметров примем допущения, исключив мало значимые факторы:
• упругая характеристика линейна c3 = 0. Так как мембрана подпружинена (рис. 1), то нелинейную часть можно считать несущественной;
• инерцией клапана можно пренебречь m = 0;
• вязкое трение при движении клапана несущественно по сравнению с сухим b = 0.
С учетом допущений получим следующие уравнения:
Подставив (1) в (2), получаем уравнение:
где – идентифицируемые и наблюдаемые в процессе диагностики параметры.
Кроме анализа комплексных параметров, состояние агрегатов ЗРА можно оценить, анализируя графики изменения величин, поступающих с датчиков графоаналитическими методами.
В рамках первой итерации был разработан комплекс в лабораторном исполнении (рис. 2).
В конструкции стенда реализован модульный принцип: основные функциональные блоки – серийно выпускаемые модули, позволяющие легко ремонтировать и модернизировать стенд.
Стенд реализует комплексную диагностику ЗРА по протоколам токовая петля 4–20 мА, HART и FOUNDATION Fieldbus. За счет модульного принципа перечень протоколов может быть дополнен и расширен.
Программное обеспечение (рис. 3), разработанное в процессе выполнения работ, кроме проведения диагностики, позволяет вести базу ЗРА с сохранением результатов проведенных исследований. Таким образом формируется база данных, описывающая эволюцию состояний конкретных образцов ЗРА, что в дальнейшем позволит дополнить данные системы, реализующие предиктивную аналитику.
На данное программное обеспечение получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023665223.
Также возможна установка сторонних программных комплексов для анализа состояния ЗРА через опрос интеллектуальных позиционеров: PACTWare, EH DeviceCare, ValVue и пр., что существенно расширяет функционал стенда.
В данной конфигурации стенд офлайн-диагностики прошел опытную эксплуатацию на крупнейших предприятиях нефтепереработки и нефтехимии Омска, Москвы и Томска. На основе полученных данных было произведено 4 комплекса, которые поставлены заказчику работ и введены в эксплуатацию.
Однако конструкция лабораторного исполнения стенда офлайн-диагностики ограничивает его применение в полевых условиях.
Продолжение работ по разработке полевого исполнения стенда офлайн-диагностики проводилось по заказу ООО «Омский завод запорной арматуры».
В результате работ фактически было создано новое устройство, сохранившее базовые принципы, но функционально расширенное и дополненное (рис. 4).
Новое кроссплатформенное программное обеспечение (рис. 5) существенно увеличило удобство работы оператора и расширило функционал стенда, дополнив его новым мастером создания дефектов, новыми видами отчетов и возможностью проведения многоцикловых испытаний.
Данные разработки защищены охранными документами: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025662265 «Диагностика запорно-регулирующей арматуры», патент на полезную модель № 244501 «Диагностический контроллер».
На диагностический контроллер получен сертификат соответствия требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011) № 0505834. Выпущена партия в количестве 50 штук.
Полученный в результате проведенных работ комплекс позволяет решить задачи офлайн-диагностики
ЗРА на технологической позиции в полевых условиях, но при эксплуатации сформированы новые сценарии применения стенда:
• формирование перечня ЗИП по результатам диагностики при передаче ЗРА в ремонт;
• входной контроль состояния новых ЗРА, в том числе по результатам многоцикловых испытаний;
• входной контроль состояния ЗРА при приемке в ремонт;
• выходной контроль состояния ЗРА по завершении ремонта.
Опытная эксплуатация комплекса показывает сходимость результатов по выявлению дефектов выше 84 %.
Комплексы такого класса позволяют решать широкий перечень задач технического обслуживания и ремонтов, при этом могут успешно взаимодействовать с информационными системами MES для оценки остаточного ресурса ЗРА.
При таком подходе ЗРА может восприниматься как «цифровой актив», состояние которого прозрачно и прогнозируемо.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №5 (98)
