Software & Systems

В настоящее время проблема коррозии оборудования становится все более актуальной. Соглас­но данным, опубликованным в государственных отчетах «О деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору», ежегодно более 30 % аварий на магистральных трубопроводах, протяженность которых за последние 10–15 лет существенно увеличилась, происходит именно по причине коррозии. Ежегодные потери валовой общественной продукции из-за коррозии составляют приблизительно 4 %. В РФ действует порядка 350 тыс. км трубопроводов, на которых ежегодно происходит большое количество аварий. Результатом этого являются потери углеводородного сырья при добыче и транспортировке до 7 % от добываемого объема, металла – до 20 % годового производства стали, ущерб промышленному производству составляет сотни млрд рублей в год. Аварийность технологических систем в нефтегазовой отрасли из-за коррозии достигает 31 % от общего числа, что связано с большой металлоемкостью оборудования и сооружений и агрессивностью среды [1].

Наибольшие потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс (ТЭК) (порядка 30 %), сельское хозяйство (15 %), химия и нефтехимия (20 %) [1].

Аварийность в химической и смежных отраслях промышленности по причине коррозии оборудования составляет более 30 % от общего числа аварий [2].

В этой связи необходимо иметь соответствующие БД и информационно-моделирующие системы (ИМС), позволяющие оценить и прогнозировать коррозионную стойкость и обеспечить выбор соот- ветствующих материалов, обеспечивающих защиту оборудования от коррозии.

В настоящее время разработан ряд информационных систем в области экологической и промышленной безопасности, баз и банков данных со свойствами материалов, различных ингибиторов и химической продукции [3–8]. Практически все они являются закрытыми или коммерческими. В связи с этим актуальна разработка доступного для широкого круга специалистов информационного и программного обеспечения для решения задач анализа и оценки коррозионной стойкости оборудования опасных производственных объектов.

Функциональная структура ИМС

Функциональная структура ИМС защиты оборудования от коррозии показана на рисунке 1.

Основные функции подсистемы защиты от коррозии:

-      расчет скорости коррозии оборудования под действием указанных агрессивных сред с использованием и без использования ингибиторов;

-      определение ингибитора или покрытия для снижения скорости коррозии;

-      расчет срока службы оборудования с учетом и без учета средств защиты от коррозии;

-      составление графика профилактических и ремонтных работ технологического оборудования;

-      выдача рекомендаций по использованию материалов-аналогов при замене оборудования на основе химического состава или эксплуатационных свойств;

-      выдача рекомендаций – мер по снижению скорости коррозии оборудования.

Для реализации ИМС защиты оборудования от коррозии использовалась трехзвенная архитектура проектирования информационных систем:

-      уровень БД – выполняет задачи хранения, обработки, обеспечения целостности, непротиворечивости информации, контроля прав доступа пользователей и приложений к данным и т.д.; для реализации функций данного уровня используется СУБД Oracle XE (Express Edition) 10g;

-      уровень бизнес-логики – выполняет задачи исполнения правил и алгоритмов работы информационной системы; для реализации функций данного уровня используют различные серверные среды и языки программирования, платформы разработки серверов приложений; в ИМС в качестве такой платформы используется стек технологий Windows+Apache+PHP (Hypertext Preprocessor), построенный на основе веб-сервера Apache 2.2.15 и языка программирования PHP 5.3, установленных на операционную систему Microsoft Windows Server;

-      уровень презентации данных – основной его задачей является организация взаимодействия пользователя с системой при помощи текстографических, оконных интерфейсов пользователя; эту роль выполняет стандартный тонкий клиент – интернет-браузер, который должен быть установлен на рабочем месте пользователя системы.

Подсистемы и БД ИМС

В структуру ИМС защиты от коррозии входят семь основных подсистем.

Подсистема взаимодействия с пользователем. В качестве данной подсистемы выступает стандартный веб-браузер (Google Chrome, Opera, Mozilla Firefox, Safari, Internet Explorer или любой другой), установленный на рабочем месте пользователя. Основное предназначение – обеспечение диалога между пользователем и информационно-моделирующей системой. Кроме этого, осуществляется проверка вводимой информации на необходимую полноту и непротиворечивость.

Подсистема хранения данных. Представляет собой СУБД Oracle Express Edition (XE) 10g, в которой хранятся

-      БД типового оборудования опасных производственных объектов (содержит таблицы с характеристиками типов аппаратов, модельных рядов аппаратов, конкретных единиц оборудования (экземпляров) модельных рядов, а также характеристик аппаратов, установленных (эксплуатируемых) на производстве);

-      БД по веществам и свойствам (содержит данные о физических, пожароопасных, взрывоопасных, токсических свойствах веществ и материалов);

-      БД по показателям коррозионной защиты (состоит из трех таблиц, в которых содержится подробная информация о коррозионных средах, материалах (металлические и неметаллические), используемых для работы в этих средах, и соответствующих показателях скоростей коррозии);

-      БД ингибиторов и покрытий (содержат перечень ингибиторов и материалов покрытий и информацию о скоростях коррозии в разных агрессивных средах с использованием ингибиторов и покрытий);

-      БД материалов.

Логическая модель (структура) БД материалов, реализованная в виде диаграммы типа «сущность-связь» или ER-диаграммы (Entity-Relationship Diagram – ERD), представлена на рисунке 2 и включает 16 сущностей (таблиц):

-      таблицу, содержащую систематизированные данные о металлических материалах;

-      таблицы, содержащие физические, технологические и эксплуатационные свойства материалов и их химический состав (испытание на усталость, характеристики при испытании на длительную прочность, испытание на изгиб в холодном состоянии, теплостойкость, жаростойкость, эксплуатационные свойства, температурные свойства, ползучесть при испытании на длительную прочность и др.);

-      таблицы со сведениями об источниках, откуда берутся данные о материалах: справочники, литературные источники и нормативно-технические документы (НТД);

-      таблицы с дополнительными сведениями (страна, производители).

Для создания БД использовалась реляционная модель БД. Между таблицами реализуется связь «один-ко-многим», которая означает, что один экземпляр (запись) первой сущности связан с несколькими экземплярами второй. Например, одной записи в таблице «Материал» могут соответствовать несколько записей в таблицах свойств.

Описанная БД интегрирована с БД по показателям надежности типового оборудования химически опасных и других опасных производственных объектов, являющихся источниками химической и токсической опасности, и БД по химической, токсической и коррозионной стойкости типового оборудования химически опасных и других опасных производственных объектов, являющихся источниками химической и токсической опасности, разработанных ранее в рамках учебно-методического комплекса по проблемам химической и биологической безопасности кафедрой компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева [5].

Подсистема подбора материалов оборудования вспомогательных конструкций и изделий предназначена для поиска материалов в БД по составу стали или сплава или указанным свойствам (физико-химическим, эксплуатационным и др.). Кроме этого, возможен подбор материала, отвечающего всем введенным параметрам и при этом наиболее экономически целесообразного в использовании.

Расчетная подсистема включает несколько блоков. Блок расчета скорости коррозии оборудования, предназначенный для определения периода времени, в течение которого стенки оборудования будут разрушены по причине коррозии. При этом возможно проведение расчетов при наличии или отсутствии ингибиторов или защитных покрытий. Блок технико-экономических расчетов позволяет провести оценочный расчет рентабельности капитальных вложений на модернизацию, реструктуризацию оборудования и установок, цехов или предприятия в целом с использованием выбранных материалов или средств и методов коррозионной защиты. Блок расчета срока службы оборудования предназначен для определения среднего срока службы оборудования для различных условий эксплуатации.

Подсистема защиты от коррозии предназначена для определения мер по повышению коррозионной стойкости оборудования. Данная подсистема состоит из двух блоков: блока определения оптимального материала, предназначенного для идентификации более коррозионностойкого материала оборудования в указанных пользователем условиях эксплуатации (температурный режим, агрессивная среда), и блока определения оптимального ингибитора/покрытия, используемого для выбора ингибитора агрессивной среды или покрытия материала для снижения скорости коррозии.

Подсистема выдачи рекомендаций состоит из двух блоков: базы знаний по условиям и рекомендациям и блока генерации рекомендаций по мерам повышения коррозионной стойкости оборудования и отказоустойчивости оборудования и установок в различных агрессивных средах. Рекомендации генерируются на основе продукционных правил. В качестве критериев подбора материалов и покрытий могут выступать срок службы оборудования, минимальная стоимость оборудования, изготовленного из выбранных марок стали, с учетом выбранных ингибиторов и покрытий и без их учета и другие.

На рисунке 3 представлен фрагмент главной страницы ИМС (полноценный вариант см. http:// www.swsys.ru/uploaded/image/2016-1/2016-1-dop/3.jpg), а на рисунке 4 – основные интерфейсы подсистемы защиты от коррозии, в частности, процесс добавления нового материала в БД. Для добавления необходимо нажать «Добавить новую марку материала» (рис. 3) и заполнить вкладки карточки добавления. Обязательным является заполнение вкладки «НТД» (рис. 4), в которой дается краткое описание нормативно-технического документа, вкладки «Материал», в которой описываются характеристика и назначение материала, и вкладки «Химический состав». Также представлен модуль подбора материалов по химическому составу. Для подбора материалов в ниспадающих списках нужно выбрать химический элемент и ввести его содержа- ние в поля ввода, в таблицу ниже будет выведен список материалов.

Подытоживая, отметим, что разработанная ИМС применима для широкого круга специалистов на всех стадиях жизненного цикла химического предприятия: при проектировании нового объекта или реконструкции, ремонте существующего; при модернизации химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и других предприятий; при обучении проектировщиков и специалистов в области материаловедения и защиты от коррозии, техносферной безопасности.

Литература

1.     Пахомов В.С., Шевченко А.А. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. М.: Химия: КолосС, 2009. 448 с.

2.     Углова Е.С. Моделирование коррозионных процессов для информационной системы поддержки принятия решений в задачах защиты нефтепромысловых трубопроводов: дисс. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МАТИ – РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2010. 24 с.

3.     Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Горанский А.В., Дементиенко А.В., Кузьмина Ю.А. Разработка баз данных информационно-моделирующей системы мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды // Экологические системы и приборы. 2014. № 4. С. 3–12.

4.     Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Колесников В.А., Кузьмина Ю.А. Интеллектуальная система прогнозирования и классификации опасностей химической продукции и техногенных отходов для повышения уровня безопасности населения // Цветные металлы. 2015. № 4. С. 78–84.

5.     Учебно-методический комплекс по проблемам химической и биологической безопасности. URL: http://cisserver.muctr. edu.ru/himbez (дата обращения: 04.09.2015).

6.     Информационно-моделирующая система мониторин- га и прогнозирования состояния окружающей среды и предо- твращения ее загрязнения в результате негативных воздействий опасных химических веществ и техногенных отходов. URL: http://cisserver.muctr.edu.ru/fcp/ (дата обращения: 04.09.2015).

7.     KEY TO METALS :: Самая Полная База Данных по Металлам. URL: http://www.keytometals.com/ (дата обращения 04.09.2015).

8.     WinSteel – электронный транслятор международных марок сталей. URL: http://metaldata.info/rus/winsteel.htm (дата обращения: 04.09.2015).