Надёжность систем теплоснабжения промышленных предприятий

1. Проблема надёжности технических объектов и пути её решения

Развитие техники характеризуется разработкой и внедрением сложных технических систем и комплексов. В промышленности создаются и уже эксплуатируются объекты с единичной мощностью вырабатываемой энергии несколько тысяч мегаватт, существуют разветвлённые линии транспортировки энергии с высокими параметрами рабочих сред, сложные установки трансформации и потребления энергии. Как правило, получение и передача энергии в любых её формах связаны с использованием высоких температур и давлений жидкостей и газов.

Для современных объектов промышленной энергетики характерно использование материалов, которые подвергаются огромным нагрузкам: механическим, электрическим, радиационным, тепловым, химическим, биологическим и пр. Требования к надёжности таких объектов повышаются в связи с ростом опасности, которую они могут представить для окружающей среды при аварии. Под надёжностью в упрощённом смысле понимают способность объекта выполнять заданные функции во время эксплуатации. Надёжность как внутреннее свойство сложной системы закладывается на этапе проектирования, обеспечивается в процессе конструкторской отработки и производства и реализуется в процессе применения системы по прямому назначению.

Эти три составляющие процесса формирования и проявления надёжности объектов позволяют говорить об определённой формуле или триаде надёжности: надёжность закладывается в объект при разработке, затем обеспечивается в производстве и только потом реализуется в эксплуатации. В эксплуатации первые два этапа наглядно не проявляются и их роль часто совсем не очевидна для обслуживающего персонала и для потребителя энергии. Однако для специалиста важно понимать закономерности и причины изменения надёжности того или иного объекта, для того чтобы при необходимости управлять процессом эксплуатации. Этому может и должна способствовать теория надёжности - наука о методах обеспечения и сохранения надёжности при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Теория надёжности сравнительно молодая наука. Первые попытки чёткой постановки задачи обеспечения надёжности промышленных изделий относятся лишь к 30-м годам нашего столетия. Тогда преимущественно стремились разработать методы приёмочного контроля массовой промышленной продукции. Дальнейшее развитие проблема поддержания надёжности сложных систем получила во время Второй мировой войны при создании и эксплуатации радиолокационных станций, устройств связи и других объектов ответственного назначения, отказ которых мог иметь тяжёлые последствия. В этот же период стали интенсивно развиваться математические методы в теории надёжности. Математика в теории надёжности используется для построения моделей изучаемых процессов, количественной оценки показателей, а также для прогнозирования событий, связанных с обеспечением надёжности.

Применение теории надёжности позволяет решать следующие задачи:

- обосновывать требования к вновь создаваемым промышленным объектам;

- проектировать объекты и системы с требуемым уровнем надёжности;

- планировать объёмы, сроки и способы отработки систем для достижения заданного уровня надёжности;

- обосновывать пути снижения экономических затрат и сокращения времени на отработку изделий;

- повышать качество и стабильность производства;

- выбирать и обосновывать наиболее эффективные мероприятия по обеспечению надёжности на этапах проектирования, конструкторской отработки, изготовления и эксплуатации систем;

- объективно оценивать техническое состояние находящейся в эксплуатации техники;

- разрабатывать научно обоснованные рекомендации, направленные на улучшение техники и методов её эксплуатации.

При решении указанных задач теория надёжности использует несколько важных положений, связанных со случайным характером событий и процессов, происходящих с объектом. Объект в каждый момент времени может находиться только в одном из строго оговоренных состояний. Это состояние может быть известно исследователю с определённой вероятностью, причём закон, определяющий данную вероятность, часто выявляется только при специальных испытаниях или во время эксплуатации.

Отказ объекта рассматривается в теории надёжности как случайное событие. Переход объекта из работоспособного состояния в неработоспособное представляется как случайный процесс, который в свою очередь может состоять из нескольких этапов. Наработка объекта с момента начала эксплуатации до очередного отказа является непрерывной случайной величиной с некоторым законом распределения. Таким образом, ясно, что для получения выводов, рекомендаций и количественных оценок надёжности требуется использовать закономерности теории вероятности и математической статистики.

Современный уровень развития этих наук характеризуется высоким уровнем формализации понятий, определений, выводов и требует определённого развития абстрактного мышления. Решение прикладных задач оценки и прогнозирования надёжности связано с применением элементов регрессионного и корреляционного анализа, методов статистической проверки гипотез распределения случайных величин, интервальной и точечной оценки параметров распределения и некоторых других математических методов. Такими методами владеют, как правило, специалисты с углублённой математической подготовкой.

Одновременно следует отметить, что решение основных задач теории надёжности неразрывно связано с глубоким пониманием физических процессов, происходящих в объектах эксплуатации. Знание закономерностей процессов накопления повреждений при комплексном действии эксплуатационных факторов способствует выявлению причин отказов, установлению их связи с условиями эксплуатации. Это необходимо для построения достоверных моделей надёжности и в конечном итоге для получения корректных количественных оценок. Подобные задачи более близки специалисту в прикладной области знаний.

Таким образом, можно утверждать, что теория надёжности является наукой комплексной, и что математические методы занимают в ней существенное место. Но эти методы должны быть подчинены запросам практики, инженерным требованиям. Поэтому следует ожидать, что наиболее интересные и практически значимые результаты при решении задач обеспечения надёжности объектов промышленной энергетики могут быть получены инженерами-энергетиками, которые освоили расчётные методы теории надёжности и имеют твёрдые навыки их применения.

Теория надёжности является развивающейся наукой, имеющей многочисленные связи с современной инженерной практикой. Она родилась из задач практики, и её результаты находят немедленное использование в реальных ситуациях. Несмотря на имеемые к концу 20-го века положительные результаты от применения методов теории надежности в различных отраслях техники, остаются нерешёнными многие важные проблемы, основные из которых в кратком изложении заключаются в следующем:

- разработка программ ускоренных эквивалентных испытаний для малосерийных или уникальных объектов. Их целью является получение индивидуальной оценки надёжности объектов с длительным сроком службы за ограниченное время испытаний;

- создание методики прогнозирования надёжности объектов в условиях наличия неопределённости действия эксплуатационных факторов и случайного характера процесса потери прочностных свойств материалами основных элементов. Решение этой проблемы способствовало бы предотвращению многочисленных аварий на транспорте и в промышленности;

- управление надёжностью объектов путём выбора оптимальных режимов эксплуатации, планирования технического обслуживания и формирования необходимого комплекта запасных частей;

- оценка надёжности сложных систем с учётом влияния эргатического фактора. Известно, что роль оператора или другого лица, принимающего решение, в отдельных случаях является определяющей в обеспечении безотказности систем. Анализ крупных аварий на транспорте и в энергетике показывает, что создание систем и объектов, защищённых от ошибочных действий человека, и одновременно разработка методов прогнозирования показателей надёжности с учётом таких действий являются чрезвычайно актуальными;

- и ряд других.

Нет сомнения в том, что с дальнейшим развитием технического прогресса возникнут новые проблемы, которые предстоит решать теории надёжности.

2. Основные понятия и определения

Таким образом, качество проявляется только через свойства, которые в свою очередь характеризуются показателями. Показатель - количественная характеристика свойств объекта, входящих в состав его качества, рассматриваемая применительно к определённым условиям его создания и эксплуатации.

Одним из важнейших свойств объектов промышленной энергетики, характеризующих их качество, является надёжность. Без высокой надёжности не может быть изделий с высоким качеством. Надёжность по существу и заключается в сохранении качества объектов и изделий при их эксплуатации.

Надёжность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность его выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определённые сочетания этих свойств.

Как следует из определения, уровень надёжности объекта, характеризуемый количественными показателями, нельзя рассматривать в отрыве от фактора времени и условий применения. По мере непрерывной работы объекта на заданных режимах работы происходит исчерпание запаса долговечности, снижение уровня безотказности, а также изменение показателей ремонтопригодности и сохраняемости.

Уровень надёжности объектов промышленной энергетики задаётся в нормативной документации на проектирование, а реализация требований обеспечивается выполнением конструктивно-производственных работ при их создании.

Задание требований по надёжности выполняется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 27.003-83¹¹ ГОСТ 27.003-83. Надёжность в технике. Выбор и нормирование показателей надёжности. Основные положения/Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1985. с учётом обеспечения высокого технического уровня создаваемого объекта и достижений в области конструирования производства и эксплуатации. Особое внимание обращается на обеспечение высокого уровня безопасности, приспособленности к техническому обслуживанию и экономичности энергетических объектов.

Выполнение заданных требований по надёжности объектов контролируется согласно ГОСТ 27.401-84²² ГОСТ 27.401-84. Надёжность в технике. Порядок и методы контроля показателей надёжности, установленных в нормативно-технической документации. Общие требования/ Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1986. и обычно требует проведения определённых исследований и разработок, технического оснащения и материальных затрат.

В дальнейшем под объектами промышленной энергетики будем понимать объекты - производители электрической энергии (всевозможные ТЭЦ), трансформаторы всех видов энергии, включая теплообменные аппараты, магистрали, связывающие источники энергии и потребителей, а также их функционально самостоятельные элементы (котлоагрегаты, турбины, насосы и пр.). Выбор объекта определяется целью исследования.

В научно-технической литературе по надёжности используют понятия восстанавливаемые объекты и невосстанавливаемые объекты. Иногда эти понятия относят к отдельным элементам объектов промышленной энергетики. Невосстанавливаемые объекты - это обычно структурно простые элементы в сложной технической системе, которые в случае их отказа проще заменить на исправные, чем ремонтировать. Понятно, что объекты промышленной энергетики чаще всего являются восстанавливаемыми. Приведённая классификация вызвана смысловыми и вычислительными особенностями оценок показателей надёжности различных объектов.

Как отмечено выше, надёжность является комплексным свойством, которое включает несколько частных свойств.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

В приведённых выше определениях часто встречается термин «состояние», который в теории надёжности имеет вполне определённое значение. Различают пять основных состояний объекта.

Исправное - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неисправное - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Для сложных объектов возможно деление их неработоспособных состояний. При этом из множества неработоспособных состояний выделяют частично неработоспособное, при котором объект способен частично выполнять требуемые функции.

Предельное - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Признаками технического состояния объекта могут быть качественные или количественные характеристики его свойств, фактические значения которых определяют техническое состояние объекта. Каждое из перечисленных состояний объекта характеризуется одним или несколькими признаками, установленными в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Значения этих признаков при предельном состоянии объекта называются критерием предельного состояния³³ ГОСТ 27.103-83. Надёжность в технике. Критерии отказов и предельных состояний. Основные положения/ Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1986. .

Переход объекта из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее происходит вследствие определённых событий: отказов и повреждений. Появление и развитие каждого события обусловлены, как правило, внутренними процессами, происходящими в элементах и деталях объекта, характером нагружений и действием внешних условий.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния при сохранении работоспособного состояния. В ГОСТ 15.467-79 предусмотрено понятие дефект, под которым понимают каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям. Этот термин часто применяют при контроле качества продукции на стадии изготовления или при ремонте. Иначе можно сказать, что событие возникновения дефекта соответствует переходу объекта от исправного состояния к неисправному.

Термин дефект отличается от термина отказ. В результате влияния неустранённых дефектов для объекта, находящегося в работоспособном состоянии, может наступить одно из двух состояний: повреждение или отказ. Так, например, случайное и не устранённое при монтаже разрушение (дефект) тепловой изоляции подземной магистрали может вызвать различные последствия. Если при таком дефекте магистраль остаётся работоспособной, то подобное событие называется повреждением. Если наличие дефекта изоляции вызывает коррозию металла, появление свищей, язв, и в результате разрыв трубопровода, то такое событие называется отказом.

Каждый отказ имеет определённую причину, а его возникновение наблюдают по появлению признаков неработоспособного состояния, которые называют критерием отказов. Обычно критерии отказов приводятся в научно-технической документации для конкретного объекта. Существует множество классификаций отказов, но основная из них приведена в ГОСТ 27.002-89⁴⁴ ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия и определения. Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам / Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1985.. В данном стандарте выделяется тринадцать видов отказов, некоторые из которых ниже рассмотрены подробнее.

Теория надёжности содержит сформировавшуюся систему терминов, определений и понятий. Большинство из них приведено в Государственных стандартах, объединённых в единую систему⁵⁵ ГОСТ 27.001-81.Система стандартов »Надёжность в технике». Основные положения/ Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1984. . Некоторые из основных понятий рассмотрены выше. В процессе изучения разделов дисциплины необходимые термины и определения будут подробно разъясняться.

Заключение

В данном курсе рассматриваются основы надёжности объектов промышленной энергетики как комплексной инженерной дисциплины, включающей изучение закономерностей, описывающих надёжность этих объектов, а также инженерных методов обеспечения высокой надёжности на всех этапах жизненного цикла. Основное внимание обращено на изложение практических приёмов оценки показателей надёжности на основе анализа эксплуатационных данных.

Размещено на Allbest.ru