КУРС ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АРМАТУРНОГО ХОЗЯЙСТВА

Как показывает опыт, основной причиной выхода из строя арматуры в химической и целлюлозно-бумажной промышленности является неправильное ее применение, неучет особенностей эксплуатации и параметров трубопроводных систем. При анализе и аудите причин выхода из строя арматуры зафиксировано большое число отказов, возникающих вследствие использования арматуры в условиях, не предусмотренных технической документацией.

Чтобы избежать этого, многие фирмы разрабатывают программы по повышению качества и надежности арматуры. В таких программах выделяются следующие основные задачи: создание паспортов арматуры и компьютерной базы данных по истории эксплуатации (обслуживание, аварии, ремонт каждой единицы арматуры) и снятие с тендеров закупок арматуры без надлежащего анализа ее пригодности для конкретных условий эксплуатации, предоставление поставщиком расчетных данных и обеспечения гарантий по работоспособности арматуры во время ее эксплуатации, гарантии сервисного обслуживания и поставок запчастей и др. Это устраняет возможность эксплуатации некондиционной арматуры и внеплановых аварийных остановов по причине ее выхода из строя.

К факторам, нарушающим требования документации при монтаже и эксплуатации, относятся следующие:

– перед установкой арматуры в систему не проводятся приемочные испытания, регламентируемые технической документацией;

– не контролируется гарантийный срок службы, что приводит к эксплуатации некондиционной арматуры, вероятность аварийного выхода из строя которой особенно велика;

– нарушается регламент освидетельствования и ремонта арматуры, ведение паспорта;

– применяются «крючки» – рычаги-удлинители при закрывании арматуры вместо применения динамометрических ключей;

– при эксплуатации экстремальные условия возникают при незапланированных остановах и пусках технологических линий;

– запорная арматура может использоваться при регулировании и дросселировании, что приводит к выходу ее из строя.

Недостатки в методологическом подходе к оценке надежности

К ним относятся: Применение только статистических моделей, на основе информации «работоспособность – отказ» и только формального модельного подхода к распределению вероятностей отказа, тогда как на самом деле необходимо полноценно использовать данные эксплуатации.

Для расчетов надежности только арматуры по критерию постепенного или внезапного отказа применяются методика анализа и критерий непревышения «нагрузка – прочность», для анализа метрологической надежности критерий «параметр-поле допуска».

Силовые воздействия, формирующие поля напряжений, например, в корпусных деталях, вызываются как правило, гидростатическим давлением рабочей среды, усилием уплотнения в затворе от привода, изгибающим моментом в местах соединения трубопроводов (монтажные погрешности, деформации трубопроводов в режиме эксплуатации). Возможные последствия силовых воздействий – недопустимые деформации и разрушение деталей арматуры, разгерметизация в затворе и относительно окружающей среды.

Из всех элементов арматуры наиболее катастрофические аварии случаются при разрушении корпусов арматуры. Однако, доля таких разрушений достаточно мала, они связаны, в основном с гидравлическими ударами, технологическими и скрытыми дефектами и составляют 3-5% всех видов отказов.

Наибольшее число отказов вызвано поверхностными процессами – изнашиванием, коррозией, эрозией, кавитацией и их совместным действием. Например, анализ отказов различных видов арматуры (более 150 000 случаев, данные ЦКБА) показал, что их основной причиной явились различные виды изнашивания – 65%, коррозии – 25%, эрозии и кавитации – 5%. Эта тенденция характерна и для арматуры, предназначенной для комплектования химических производств и ЦБП.

Особенно потенциально опасны агрессивные и коррозионно-активные среды. Кроме коррозионного поражения эти среды в условиях действия полей напряжений приводят к усилению механохимических реакций – резкому возрастанию скорости растворения деформированных участков поверхности, коррозионному растрескиванию, значительной интенсификации изнашивания, эрозии и кавитации.

Термическое воздействие среды приводит к заклиниванию деталей в сопряжениях вследствие различного коэффициента термического расширения, возрастанию коррозионной активности рабочей среды, возникновению в деталях дополнительных полей термонапряжений, изменению механических свойств материала и др.

СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНОВ С НАДЕЖНОСТЬЮ УЗЛОВ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Важность учета специфики надежности клапанов для бумагоделательного производства связано как с непрерывностью процесса, необходимостью точного регулирования, так и с огромным количеством установленных клапанов. Их количество на одном крупном ЦБК может доходить до 40.000 из них до 4000 – регулирующих.

Среди общих простоев бумагоделательных машин до 15% приходится на долю клапанов и арматуры. В структуре ремонтного цикла бумагоделательной машины (1 капитальный, до 4-х средних и до 175 малых ремонтов) на долю арматуры приходится также значительная часть. Каждое ТО связано также, как минимум, с осмотром арматуры и ведением ее паспорта. Сам отказ клапанов может приводить как к полному отказу машины, так и постепенной потере эффективности. По классификации отказов бумагоделательных машин клапаны попадают во все категории, см. табл. 2.6.1.

Табл. 2.6.1. Категории отказов клапанов в бумагоделательной машине

Уже достаточно давно установлено, что максимальные простои буммашин после пуска приходятся на первые годы эксплуатации. И далее, приближаясь к 8 годам эксплуатации, когда большая часть узлов исчерпывает свой ресурс, эксплуатационные затраты растут, а эксплуатационная эффективность падает. Заметное снижение уровня надежности машины в целом начинается через 4-5 лет после выхода на нормальный режим эксплуатации. Эти данные могут использоваться для повышения и расчета надежности клапанов, в частности, чтобы кратность их замены приходилась на этапы замены и других изношенных узлов бумагоделательного оборудования. При этом уровень капитального ремонта всей буммашины может быть повышен. Таким образом, формируя ремонтный цикл арматуры до уровня 4-5 лет после выхода на нормальный режим буммашины в целом, можно добиться повышения надежности и эффективности как капитального ремонта, так и эксплуатационной эффективности машины в целом.

Из процессов, действующих на бумагоделательную машину, клапаны и арматуру в ее составе, можно выделить несколько основных:

– Обратимые – временно изменяющие параметры и поддающиеся регулированию, например, процессы регулирования.

– Необратимые – износ штока, седла клапана, разлохмачивание сальникового уплотнения и др.

– Медленно развивающиеся процессы – зарастание масляной шубой пневмопровода, карамелизация клапана, прикипание, забивание слизью, уплотнение сгустков и др.

– Монотонные процессы средней скорости – Линейное расширение клапанов пароконденсатной группы при температурах эксплуатации.

– Быстроизменяющиеся процессы – работа клапана в условиях высокой вибрации трубопровода, наличие кавитации.

Учитывая, что в большей степени в настоящее время применяют обслуживание и ремонт бумагоделательной машины по составляющим узлам (напорный ящик, сеточная часть, прессовая часть, сушильная секция, каландр), обслуживание клапанов также должно сочетаться с кратностью обслуживания этих узлов. Надежность клапанов и арматуры должна быть больше нормируемых показателей надежности для этих узлов.

Общая эксплуатационная надежность одного и того же клапана или его элемента может отличаться в десятки раз. Так, по данным, приведенным в исследованиях по надежности в химической промышленности, показаны следующие цифры, см. табл. 2.6.2. Из этих же данных можно увидеть и место вероятности отказа клапана среди других элементов контуров регулирования и сопряженных узлов.

Табл. 2.6.2. Вероятность отказа клапанов и элементов контуров регулирования

Внезапные и постепенные отказы

В зависимости от характера изменения параметров отказы делятся на внезапные, возникающие в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров, и постепенные, возникающие в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров вследствие старения, например, прокладки, мембраны или износа, например, затвора или штока и т.п. В интеллектуальных клапанах, в которых применяются цифровые регуляторы встречаются т.н. сбои.

Для иллюстрации постепенных и внезапных отказов рассмотрим схему как контура регулирования, так и внутренней передаточной функции самого клапана.

Контур регулирования выглядит следующим образом: «датчик – коммуникатор – преобразователь – логическое устройство – коммуникатор – преобразователь – клапан». Из проблем, связанных с этими элементами, к внезапным отказам, означающим полную потерю работоспособности клапана или потерю работоспособности за короткое время, можно отнести заклинивание клапана и катастрофические утечки. К постепенным – износ, заедание клапана, постепенное накопление люфтов в механических соединениях вследствие собственного износа, накипи, карамелизации и пр.

Внутренняя передаточная функция и внутренняя схема передачи сигнала клапана строится следующим образом: задание значения управления «позиционер-привод-клапан» и обратная связь с отслеживанием положения клапана. В этой схеме к внезапным отказам можно отнести заклинивание клапана, разработку отверстий, разбалтывание болтов между штоком и клапаном с последующим заклиниванием, забивание инородными предметами, грязью и т.п. К постепенным отказам – постепенный износ затвора с постепенным увеличением протечек, постепенное «разлохмачивание» уплотнений и сальников, постепенное увеличение мертвого хода в связи с разбалтыванием механических соединений, постепенное увеличение пропуска воздуха в приводах и энергопотребления в связи с износом поршня и др.

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 уотором вероятно появление трещины; 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 диагностического комплекса (например, для компании Метсо – программы 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. Таким образом, 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 сервисных центров компаний- производителей арматуры, применение в начальный период эксплуатации диагностических средств позволяет повысить временную стабильность работы машины, 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. 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. Функция большинства типов арматуры состоит 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.

Рассмотрим главные входы и выходы запорной арматуры с точки зрения функциональной надежности:

– 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.2.6.3.

Табл. 2.6.3. 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, зависящий 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 на варочном котле и бумагоделательной машине, от которых напрямую зависит качество продукции или совершенство и безопасность процесса. С ростом требований к системе, с повышением ее сложности или опасности арматура может переходить из класса «бюджетной» надежности в высоконадежную. В одних случаях отказы арматуры приводят к возникновению катастрофической ситуации – это утечка токсичных сред, взрывы, выход из строя дорогостоящего объекта, в других – к ограниченному экономическому ущербу – это нарушение технологического процесса, потеря качества продукции 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 скорости бумагоделательной машины, увеличением выпуска качественной продукции, 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 до 100 регулирующих клапанов по всему комбинату могут находиться в состоянии отказа. 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 через 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 в нормальных условиях эксплуатации 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, живучесть 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 наиболее применяемые в ЦБП клапаны Neles, есть свой способ определения надежности или наиболее слабых мест процесса и наиболее сложных участков. Получение данных возможно за счет анализа поставок за длительный период и интервьюирования специалистов комбината. 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 могут предоставляться также и арматурными компаниями – поставщиками, благодаря накапливаемой ими статистике.

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, которыми обладают компании, или происходит из-за обращения со статистическими моделями так же, как и с детерминированными.

В статистической обработке материала помогают дополнительные модели материального или теплового баланса, данные косвенных исследований, например, общие расчеты систем КИП и А для отдельных цехов ЦБК. 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 объектов ЦБП характерны ситуации, когда в число входных параметров, определяющих параметры надежности, входят параметры, которые можно регистрировать, но практически нельзя изменять. Ими могут быть, например, показатели сырья, временной дрейф показателей КИП и А, возникающий из-за старения приборов. Эти параметры с точки зрения метрологической надежности могут относиться к неуправляемым.