Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

Кроме наиболее прогнозируемых постепенных отказов необходимо предусматривать и возможность защиты от катастрофических и случайных отказов. Катастрофическая авария – отказ с разрушением клапана и существенным ущербом. Например, это вынос штока из клапана, находящегося под давлением с катастрофической потерей рабочей среды. Случайная авария – событие, связанное с разрушением клапана или его частей в результате небрежности обращения. Примером является, например, повреждение соединения штока с затвором при использовании для усиления крутящего момента – т.н. «крючка». Другой пример – это непонимание связи работы внутренних частей клапана и приваривание хомута к клапану; удары по корпусу клапана для сбива свода при карамелизации, чтобы не было заеданий, при котором вероятно появление трещин; использование нерегламентированных агрессивных промывных жидкостей для снятия меркаптана с поверхности топливных клапанов, например, керосина, которые могут привести к разбуханию сальников и тефлоновых подшипников; заливка неочищенных смазок в клапан, замена подшипников в клапане с нарушением правил и технологии сборки; нарушение инструкций по эксплуатации; несоблюдение температурных режимов.

Надежность работы повышается, если соблюдаются инструкции по монтажу и эксплуатации, запрещается использование нерегламентированных и неочищенных смазок и промывателей, осуществляется одновременные регламентные работы на всем клапане. Дополнительно должна вестись история клапана, т.е. систематические записи о наработке, отказах, неисправностях и ремонтах, как в специальном журнале или паспорте, так и при помощи программ программно-диагностических комплексов, например, FIELD CARE. Необходимо вести наблюдения и учет наиболее изнашивающихся деталей, соблюдать правила техники безопасности.

Высока и роль обслуживающего персонала и его квалификации. Примером влияния квалификации на снижение регулирующей способности клапана может служить следующая иллюстрация: чтобы избежать утечек, операторы стремятся затянуть сальник по максимально возможному пределу. Однако это приводит к повышению трения и росту зоны нечувствительности. При этом зачастую, если у привода не хватает мощности, чтобы обеспечить надежное передвижение штока в условиях повышенного трения, растет мертвая зона и зона нечувствительности, с резким увеличением вероятности заедания. В результате простого неправильного действия будут наблюдаться как снижение качества регулирования, так и повышенное потребление воздуха и износ.

Надежность определяется параметрами конструктивной и эксплуатационной надежности. Надежность клапанов дополнительно пытаются увеличивать, занижая требования к самому процессу, или устраняя нестабильность и факторы, вызывающие проблемы с надежностью. Сама надежность в работе клапана определяется как постепенной потерей показателей надежности в процессе естественного износа, так и катастрофического, например, в результате скрытых дефектов. Примерами скрытых дефектов могут быть: частое или значительное завышение параметров над номинальными, например, скачки давления и связанные с ними гидравлические удары, изменения характера среды и коррозии, частые нарушения режима, большой поток абразива, осаждение, гипсация, усталость отдельных узлов клапана в результате цикличности работы и др.

Отдельно выступают требования надежности и снижения простоев в момент запуска новых производств. Опыт показывает, что уровень простоев в этот период превышает количество и время простоев при нормальной эксплуатации в несколько раз. Применение заранее калиброванных клапанов с широким внедрением цифровых позиционеров, привлечение на шефмонтаж специалистов сервисного центра, применение в начальный период эксплуатации диагностических средств позволяет повысить временную стабильность работы клапанов, снизить простои по вине выходящей из строя техники из-за ошибок персонала.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ СХЕМА НАДЕЖНОСТИ

Большинство типов арматуры относят к простым системам, т.е. к таким, элементы которых составляют функционально единую последовательную цепь, отказ любого из элементов которых вызывает отказ системы.

Арматура, как система, легко выделяется из ее окружения, ее параметры четко оговорены в технических условиях и документации. Легко определяются границы системы. Со стороны входа границей системы являются присоединительные элементы приводов, со стороны выхода – граничными элементами являются любые присоединительные детали, с помощью которых арматура подсоединяется к трубопроводам и детали, соприкасающиеся со средой. Для арматуры со встроенными приводами границами являются также электрические контакты или элементы присоединения для подачи управляющих или рабочих сред. Функции большинства типов арматуры состоят в преобразовании входов – параметров работы (движения) – в используемые для реализации технологических процессов выходы – параметры потоков материалов – рабочих сред. Параметры работы выражаются обычно через переменные величины: силу или момент, необходимые для приведения рабочего органа (затвора) – в рабочее положение. Для некоторых типов арматуры, требующих быстродействия в качестве рабочего переменного параметра, необходимо использовать скорость или частоту срабатывания. Переменные параметры потоков – это расход, давление, температура и другие регулируемые параметры рабочих сред.

Главные входы и выходы запорной арматуры:

– момент

– рабочее гидростатическое давление

– скорость срабатывания (для отсечной арматуры)

– утечка на затворе – для запорной арматуры

– гидравлическое сопротивление проточной части при открытом состоянии затвора.

Главные входы и выходы регулирующей арматуры:

– внешняя управляющая сила (момент)

– рабочее гидростатическое давление

– объемный расход.

Возмущения – это те явления в структуре арматуры, которые приводят к ее деградации и потере работоспособности. Возмущения происходят, как от внешних причин (коррозия, эрозия от движения потока, термические явления, теплосмены, гидромеханические, динамические процессы – пульсации, вибрации, ударные, распространяющиеся по трубопроводам), так и внутренних, например, переход к резонансным явлениям из-за неучета частоты собственных колебаний элементов и подсистем арматуры, собственная виброактивность клапанов, большие скорости соударения деталей затвора без демпфирования, большие зазоры в кинематических звеньях, передающих работу от привода к затвору, и возникновению значительных динамических нагрузок. Примеры характерных видов возмущений и вызванных ими потерь, встречающихся при эксплуатации арматуры, приведены в табл.2.9.

Табл. 2.9. Характерные виды возмущений и их последствия

Потери являются функцией возмущений. Если возмущения превышают допустимые пределы, то можно говорить об отказах. Например, интенсификация гидромеханического воздействия потока рабочей среды может вызвать эрозию уплотнительной поверхности седла, что, в свою очередь, может привести к сверхнормативной протечке.

Структура арматуры характеризуется своими подсистемами, их взаимосвязями и свойствами. Первая подсистема реализует функцию арматуры и включает затвор, передаточную кинематическую цепь и привод. Вторая образует несущую оболочку и обеспечивает функции перемещения рабочей среды, герметизацию, механическое крепление к трубопроводам, базу для регулирования и направления подвижных элементов. Третья – корпусные детали. Пятая – узлы уплотнения, шестая – узлы крепления. Седьмая – упругие и чувствительные элементы.

Взаимодействие подсистем между собой обеспечивается в основном рабочими поверхностями уплотнений, пар трения, резьбовыми и другими соединениями. Их можно вынести в отдельную трибомеханическую подсистему.

Каждая из этих подсистем имеет свои собственные закономерности развития и изменения, управляя которыми можно добиваться повышения надежности.

УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ

Уровень надежности – это определенное сочетание значений нормируемых показателей надежности изделий, характеризующее его на определенном этапе жизненного цикла. Для высоконадежной арматуры таким сочетанием может быть: вероятность безотказной работы, назначенный ресурс, средний ресурс до списания, наработка на отказ и др.

Управление уровнем надежности арматуры предполагает обоснованный расчет и выбор уровня надежности. Он зависит от работоспособности клапанов в технологическом потоке, и методы организации, обеспечения и поддержания этого уровня на всех этапах жизненного цикла.

Выбор уровня надежности подчиняется следующим двум основным стратегиям – обеспечение требуемого, как правило, высокого уровня надежности и обеспечение экономически обоснованного оптимального уровня надежности. В первом случае рассматриваются контуры регулирования, критичные для работоспособности системы, куда входит арматура в целом. Такими контурами могут быть критические контуры регулирования, от которых напрямую зависит качество поддержания режимных параметров и безопасность процесса. С ростом требований к системе, повышению ее сложности или опасности арматура может переходить из класса «бюджетной» надежности в высоконадежную. В одних случаях отказы арматуры приводят к возникновению катастрофической ситуации. Примером может быть утечка токсичных сред, взрывов, выход из строя дорогостоящего объекта. В других случаях – к ограниченному экономическому ущербу – нарушению технологического процесса, колебательности процесса или выходных параметров технологического режима.

Если последствием отказа является катастрофическая ситуация, то уровень надежности должен задаваться достаточно высоким. Экономические вопросы при этом не являются первостепенными. Если последствия отказа арматуры ограничены умеренными экономическими затратами, то определяющим в выборе надежности принимается некоторый оптимальный уровень, соответствующий минимуму суммарных затрат при эксплуатации. Это общая точка зрения.

Однако с ростом сложности технологических процессов, скорости их протекания, усложнением систем автоматики, ростом числа установленного оборудования, увеличением сложности и взаимовлияния сопряженных контуров регулирования, картина существенным образом меняется. При установленной базе клапанов в 1000 ед., даже если они распределены по всему комбинату, при низком коэффициенте надежности в состоянии отказа по всей станции могут находиться до 100 клапанов. Это означает, что угроза внеплановых и плохо диагностируемых остановов может нависать над выпуском продукции в целом. Это перестает быть проблемой одного клапана, а становится проблемой производства в целом. Отсюда следует, что на всех участках уровень надежности необходимо повышать. Переход к повышенному уровню надежности без большой оглядки на низкие цены является требованием времени. Со временем должен наблюдаться переход от стратегии экономически обоснованной надежности на уровень высокой надежности в целом.

Переход от второй стратегии к первой происходит не только через применение высоконадежной арматуры в целом, но и применение активной диагностики технического состояния в целом. В этом случае удается для конкретного производства вовремя определять проблемы и переводить контуры регулирования из обычных в требующие повышенной надежности или даже критические.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Определение надежности в основном производится статистическими методами за счет длительного накопления статистических данных и практики отработки применения клапанов для конкретного процесса. Математические методы часто не дают достоверных результатов. Однако, длительная обработка измерений в т. н. промышленном эксперименте или проведение испытаний по методу планирования эксперимента с математической обработкой и получением уравнений регрессии надежности позволяют дать достоверные прогнозы. Помогают и отработанные методы укрупненной статистической обработки данных заказов на клапаны и запчасти, а также паспорта и карты регистрации эксплуатации клапанов. Дополняя эти материалы информацией, полученной при обработке данных, снятых непосредственно с клапана при помощи программ диагностики, можно получить ясную и полную картину состояния клапана и спрогнозировать его долговечность и работоспособность.

К характеристикам надежности относятся такие параметры как безотказность, наработка на отказ, а к характеристикам надежности в анормальных условиях способность выдерживать нагрузки выше номинальных, пульсации, вибрации, гидравлические удары, работа в условиях кавитации и эрозии и др. Определение надежности совместно с безопасностью эксплуатации в условиях аварийной эксплуатации является особо важным для вредных, агрессивных или опасных производств.

Для крупных предприятий, на которых установлены клапаны одной компании, есть свой способ определения надежности наиболее слабых мест процесса и наиболее сложных участков. Получение данных возможно за счет анализа поставок за длительный период и интервьюирования специалистов предприятия. Даже на этой основе можно дать предложения по прогнозированию надежности клапана в конкретных условиях. Установлено, что исходные данные могут быть собраны из опыта поставок и эксплуатации в течение 2-3-х лет работы производства. Этого, как правило, может быть достаточно для оценки надежности, расчета вероятности отказов и прогнозирования срока службы без отказов. Также основой такого анализа является тот факт, что можно идентифицировать определенное число однотипных клапанов и средств КИП, работающих в близких условиях, что позволяет рассматривать их как совокупность, обладающую одинаковыми свойствами. Такие данные накапливаются при отслеживании статистики.

Одним из часто задаваемых вопросов является следующий: а насколько достоверна статистика, полученная из статистических данных, где не было возможности заранее задать критерии сбора данных? Такие вопросы возникают из-за того, что не было изначального представления о границах применимости того или иного метода статистического исследования, о «потенциальных возможностях» накопленного статистического материала, которым мы обладаем, или происходит из-за обращения со статистическими моделями так же как и с детерминированными.

В статистической обработке материала нам помогают дополнительные модели материального или теплового баланса, данные косвенных исследований, например, общие расчеты систем КИПиА для отдельных цехов предприятия. Специальные методы статистических методов обработки материала, например, специально для случаев неполных исходных данных информации, пассивного промышленного эксперимента, при наличии неуправляемых показателей с выделением главных влияющих факторов и их взаимодействий, анализ временных рядов являются математической базой оценки статистически накопленного материала. Для некоторых объектов характерны ситуации, когда в число входных параметров, определяющих параметры надежности, входят параметры, которые можно регистрировать, но практически нельзя изменять. Ими могут быть, например, показатели сырой воды в зависимости от времени года, временной дрейф показателей КИПиА, возникающий из-за старения приборов. Эти параметры с точки зрения метрологической надежности могут относиться к неуправляемым.

К сожалению, наработка статистического материала на предприятии в разрезе эффективности и надежности арматурного хозяйства, тем более метрологической надежности, весьма затруднена. Эти данные разбросаны между разными цехами, не отслеживаются в полной мере из-за высокой трудоемкости сбора такой информации и, зачастую, определяются субъективно. Требуются большие усилия по формированию подобных баз данных с целью оценки надежности и расчета показателей обслуживания, как со стороны руководства, так и персонала.

Наиболее простым способом является определение количества клапанов одного типа и одного производителя, находящихся в ремонте или в состоянии отказа. Так, если компания – производитель задает вероятность безотказной работы 0,95, то это означает, что из 1000 установленных на большой установке клапанов в состоянии отказа находятся примерно 50 шт. Статистика МЕТSO AUTOMATION подтверждает, что вероятность безотказной работы клапанов NELES значительно выше и может составлять примерно 0,998. Это означает, что в состоянии отказа будет находиться только 2 клапана с соответствующим сокращением вероятности аварий и нормо-часов на ППР и обслуживание. Для примера, в технической документации на клапаны других производителей задается обычно уровень безотказной работы всего 0,9-0,95.

Погрешности и пренебрежение взаимосвязями между различными параметрами, когда вклад каждого невелик, но в совокупности влияние может быть значительным, особенности поведения процесса вблизи допустимых значений – все это может оказать существенное влияние на течение процесса и метрологическую надежность в целом. Поэтому при задании критериев метрологической надежности учет такого рода особенностей необходим.

Конечной целью статистического аудита могут являться разные задачи. В частности, это может быть увеличение межремонтных сроков, межпроверочных сроков, изменение кратности обслуживания клапанов, выбор наиболее эффективного и надежного клапана с точки зрения как общей, так и метрологической надежности и др.

Поиск оптимального решения заключается, например, в выборе наиболее надежного конструктивного исполнения клапана, трендов, и т.п. Критерием оптимизации могут быть как наибольшее правдоподобие, так и предсказание вероятности отказа, оптимизация и выяснение особенностей распределения выхода из строя и др.

Результат может выражаться, например, в удлинении интервалов обслуживания, изменении кратности обслуживания и ремонтов с целью снижения издержек или регулирование интервалов обслуживания с целью повышения точности регулирования и метрологической надежности. Такие задачи характерны для критических контуров регулирования.

Еще раз уточним, что мы будем использовать статистический материал, полученный в условиях, которые не были специально подобраны и были собраны в режиме нормальной эксплуатации клапанов и арматуры на предприятии. Вследствие этого могут возникать определенные трудности при интерпретации данных.

Пример определения параметров надежности

Наиболее удобным параметром является интенсивность отказов. Для ее определения приведем следующий пример для предприятия, на котором установлено N однотипных клапанов:

1. По результатам статистического исследования по отказам этой группы составляется ряд безотказной работы в часах (днях, мес., кварталах, годах). Для предприятий, на которых используется множество клапанов Neles, как правило, есть данные статистики, которые ведет компания Metso Automation в системе Bernie.

2. Производится разбиение этого ряда на промежутки времени. Наиболее эффективно разбивать на мес., что связано с легкостью сбора информации, ее соответствия требованиям расчета, сроков планирования и остановов. Выделяется середина промежутка времени.

3. Определяется число исправных клапанов как «влево» от середины промежутка времени, так и «вправо».

4. Рассчитывается число отказов на интервале.

5. Рассчитываются частоты отказов на каждом интервале.

6. Рассчитывается вероятность отказа поинтервально.

7. Рассчитывается вероятность безотказной работы.

8. Выводится характеристика интенсивности отказов, номинальные фактические значения и тренды.

Обобщенные данные сводятся в табл. Обобщенный пример расчета за выбранный период эксплуатации клапанов показан в табл. 2.10. Примерно также определяется и вероятность безотказной работы.

Табл. 2.10. Определение основных характеристик надежности клапанов

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

Среднее время наработки на отказ. Статистические и расчетные данные, полученные выше, позволяют определить среднее время наработки на отказ или продолжительность работы клапана, которую можно измерить в часах и, например, в циклах для высокоцикличных процессов. Из этих данных по массиву однотипных клапанов и клапанам одного производителя выводится помесячная наработка. Среднее время безотказной работы – это математическое ожидание времени безотказной работы для клапанов, работающих в одинаковых режимах.

Среднее время безотказной работы между ремонтами. Далее могут быть рассчитаны среднее время безотказной работы между 1-м и 2-м отказом, 2-м и 3-м отказом и т.д.

Ресурс и назначенный ресурс. Ресурс определится как наработка клапана до предельного состояния, оговоренного в технической документации. Задачей является как назначение, так и продление максимально возможного ресурса. Для клапанов более характерен назначенный ресурс, при достижении которого эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния клапана в связи со слишком сильным влиянием его надежности на регулирование и потери при отказе.

Коэффициент готовности. Это отношение наработки на отказ на полное время, включая время восстановления, вызванного отказом клапана.

Коэффициент использования. Рассчитывается, когда к времени восстановления добавляется и время простоев, технического обслуживания и ремонтов. Неиспользованным резервом является доведение коэффициента до максимально возможных величин, за счет как снижения времени простоев, внеплановых остановов, так и времени на ремонт и техническое обслуживание. Резервы здесь значительные. Так, одни предприятия останавливаются на техническое обслуживание до 1-го раза в неделю на 8-12 часов, тогда как лидеры, использующие современные средства диагностики останавливаются 1-н раз в месяц на 4-12 часов. Коэффициент технического использования для клапанов может при этом колебаться от 0,8-0,93 до 0,995%. Это означает, что за счет повышения коэффициента технического использования можно увеличить степень полезного времени на эксплуатацию до 5-15%.

Срок службы с позиций надежности. Срок службы определяется календарной продолжительностью эксплуатации клапана до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации. Однако срок службы может рассматриваться и как срок службы до первого капитального ремонта, и как срок службы между капитальным и средним ремонтами, и как срок службы до списания, как средний срок службы и др.

Со знанием условий эксплуатации есть возможность расширять срок гарантий, в течение которого изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение установленных требований к клапану при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в т.ч. обслуживания и ремонта.

ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Все показатели надежности могут быть разделены на главные и вспомогательные, а также отдельно на показатели в составе простых механических устройств, например, простая регулирующая и отсечная арматура в составе простых регуляторов, и показатели надежности в составе измерительных комплексов. Следует отметить, что с учетом все большего применения цифровых устройств, различие в показателях надежности будет все больше отличаться.

Главные и вспомогательные показатели надежности арматуры в составе механических устройств:

Главные показатели – это:

1. Срок службы до списания.

2. Гарантийный срок службы и вероятность безотказной работы в течение гарантийного срока,

3. Наработка на отказ, средняя наработка на отказ до первого отказа и за календарное время, как один из наглядных показателей надежности восстанавливаемых клапанов. В случае если время безотказной работы не зависит от момента, в который произошло восстановление клапана, то наработка на отказ совпадет со средним временем безотказной работы и средним временем между отказами. Это реально, когда предприятие работает по системе обменного фонда и восстановление клапанов производится до момента останова, т.е. персонал тратит время только на замену. Обменный клапан должен восстанавливаться предварительно.

4. Вероятность безотказной работы.

5. Среднее время восстановления.

6. Коэффициент готовности.

К выводимым из этих показателей являются такие расчетные показатели как интенсивность отказов, коэффициент технического использования, параметр потока отказов, коэффициент использования, вероятность отказа, средняя частота отказов с учетом ремонта, ресурс и назначенный ресурс.

К числу показателей, которые могут быть использованы при коммерческих расчетах, являются срок гарантии и срок службы. К примеру, к ним привязываются программы сервисного обслуживания сервисным центром компании Метсо Автоматизация.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Цена отказа регулирующего клапана, работающего в составе высокоточного измерительного комплекса, очень высока и сопровождается значительно большими потерями, чем отказ обычного клапана. Для клапанов, работающих в измерительных комплексах, также характерны внезапные и постепенные отказы. Отдельно стоят постепенные метрологические отказы и сбои.