Надежность регулирующих клапанов в большей степени определяется их способностью обеспечивать наибольшую точность регулирования. Критериями надежности в этом случае будут надежность их работы в измерительном контуре, способность противостоять отказам и диагностироваться на внезапные и постепенные отказы. Учитывая значительный вклад регулирующих клапанов в поддержание точности контура, важно будет определить, как происходит постепенный метрологический отказ и сбои, и какие виды диагностики могут определять подобные отказы.

Для работы контуров отсечки важно рассмотреть влияние режимов работы на работоспособность клапанов. При этом существенное влияние оказывает уже коррозия, эрозия и кавитация. Клапаны постоянно подвергаются пульсациям и вибрации, вносящим значительный вклад в снижение надежности работы клапанов.

Рассмотренные факторы позволяют предложить ряд конструктивных и эксплуатационных методов для повышения надежности, включая метрологическую надежность. Оценка их на основе расчета технико-экономических параметров позволяет выбрать наиболее оптимальную. Но в большей степени такая оценка позволяет наметить долгосрочные пути повышения надежности. Производители арматуры способны в этом случае предложить программы расширения сроков гарантий на основе повышения надежности арматуры.

УМЕЕМ ЛИ МЫ СЧИТАТЬ НАДЕЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ?

Хотя клапаны используются повсеместно, однако, для арматуры энергохозяйств, подобные расчеты надежности в проектные решения практически не закладываются. Иногда производители регулирующей арматуры приводят данные по потокам отказов или наработке на отказ в своих каталогах. В то же время клапан, установленный на сложном участке тепловой схемы и работающий в условиях агрессивной среды, может иметь в 6 раз большую вероятность отказа по сравнению с нормальными условиями, при которых приведены данные по отказам в каталогах арматуры. Наверное, именно поэтому, только длительная эксплуатация и статистика может служить надежным критерием оценки применяемых клапанов.

В предлагаемых материалах мы хотели бы обсудить, что такое надежность регулирующих клапанов и запорной арматуры, как повысить надежность и расширить сроки гарантий по применяемым клапанам, а также предложить оригинальную методику предварительной оценки надежности и диагностики.

НЕМНОГО О ТЕРМИНАХ

Основным показателем качества клапанов является надежность их работы, т.е. свойство выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (определение по ГОСТ 53672 -2009 Арматура трубопроводная. Общие требования безопасности).

Надежность клапана обусловливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью его частей.

Безотказность – это способность сохранять работоспособность в течение срока наработки без вынужденных перерывов.

Вероятность отказа – это вероятность того, что в течение времени T произойдет хотя бы один отказ.

Интенсивность отказов – отношение числа клапанов, вышедших из строя в какой-то интервал времени к среднему числу клапанов, находящихся в этом интервале в работоспособном состоянии, деленное на этот интервал времени. Этот критерий является удобной характеристикой надежности и определяется из опыта эксплуатации и специальных испытаний для оценки надежности.

Работоспособность – это состояние клапана, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

Долговечность – свойство сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности.

Неисправность – состояние узла, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

Ремонтопригодность – свойство, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Дополнительно используются термины вероятности безотказной работы, вероятности отказа, интенсивности отказов, равнонадежности, потока отказов, среднего времени безотказной работы, эффективности восстановления и др.

ТРЕБОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ

По опросу, проведенному журналом CONTROL ENGINEERING в 2007 году, рис.2.5., около 80% респондентов – пользователей регулирующих клапанов – сообщили, что надежность является наиболее важным качеством клапанов. На лучших предприятиях работают или внедряются программы повышения надежности наиболее критичных регулирующих контуров, т.е. тех, которые определяют качество всего процесса, конечного продукта или существенно влияют на себестоимость. Требование надежности возрастает в случае повышения скорости процессов, повышения качества, необходимости стабильности технологических процессов и всегда помогает осуществить высокий уровень автоматизации.

Рис. 2.5.. Критерии выбора регулирующих клапанов

Уже достигнуты несомненные успехи по повышению надежности работы клапанов. До 40 % пользователей клапанов сообщили, что они заменяют или ремонтируют клапаны раз в 3 года, 30 % – раз в 2 года и 30 % – раз в год. При этом компании, которые осуществляют ремонт раз в 3 года, используют интеллектуальные системы диагностики клапанов, позволяющие предвидеть аварию, а не разбираться с ней по свершившемуся факту.

Основными причинами невысокого уровня надежности арматуры назывались: недостаточный учет реальных условий эксплуатации, недостатки в методологическом подходе к решению проблемы обеспечения надежности, скрытые технологические дефекты. Рассмотрим их подробнее.

Недостаточный учет условий эксплуатации. Имеется как минимум три этапа, и точнее это стыки между этими этапами, когда объективно «теряются» и не учитываются факторы, являющиеся потенциальными причинами будущих отказов: это недостаточное определение технических требований и неправильное заполнение опросных листов, неучет возмущающих факторов при эксплуатации. Ими могут быть: реальные режимы нагружения на элементы арматуры, зависящие от постоянных, аварийных и незапланированных пульсаций давления; монтажные перекосы и вибрация трубопроводов; усилия, возникающие при функционировании арматуры; внутренние концентраторы напряжений; технологическое термоциклирование и др. Это и специфичность совместного действия механических и термических факторов – коррозии и механических напряжений. Всегда существует возможность появления критических режимов протекания рабочих сред вследствие изменения технологических режимов системы, приводящих к повышенной турбулизации, кавитации, эрозии в местных гидравлических сопротивлениях проточной части арматуры.

Как показывает опыт, основной причиной выхода из строя арматуры является ее неправильное 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, поставок запчастей и др. Это устраняет возможность эксплуатации некондиционной арматуры и аварийных внеплановых 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 применяется методика анализа и критерий непревышения критических значений «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 – это 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, связаны они, в основном с гидравлическими ударами, технологическими 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%.

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 ОБОРУДОВАНИЯ

Важность учета специфики надежности клапанов, как с непрерывностью процесса, необходимостью точного регулирования, так и с огромным количеством установленных клапанов, очевидна. Их количество на одном крупном энергоблоке может доходить до 40.000 ед. При этом на долю отказов установки в целом по причине выхода из строя клапанов может приходиться до 60-70%.

Среди общих простоев до 15% приходится на долю клапанов и арматуры. В структуре ремонтного цикла на долю арматуры приходится также значительная часть. Каждое ТО связано так же, как минимум, с осмотром арматуры и ведением ее паспорта. Сам отказ клапанов может приводить как к полному отказу установки, так и к постепенной потере эффективности. По классификации отказов клапаны попадают во все категории, см. табл. 2.7.

Табл. 2.7. Категории отказов клапанов

Уже достаточно давно установлено, что максимальные простои 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 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, для того чтобы кратность их замены приходилась на этапы замены и других изношенных узлов. При этом уровень капитального ремонта всей установки может быть повышен. Таким образом, формируя ремонтный цикл арматуры до уровня 4-5 лет после выхода на нормальный режим установки в целом, можно добиться повышения надежности и эффективности, как капитального ремонта, так и эксплуатационной эффективности установки в целом.

Из процессов, действующих на клапаны и арматуру в составе энергоустановки, можно выделить 3 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 поузловое обслуживание и ремонт, то 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 ряде отраслей, показаны следующие цифры, см. табл. 2.8. Из этих же данных можно увидеть и место вероятности отказа клапана среди других элементов контуров регулирования и сопряженных узлов.

Табл. 2.8. Вероятность отказа клапанов и элементов контуров регулирования

Внезапные и постепенные отказы

В зависимости от характера изменения параметров отказы делятся на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров. Постепенные отказы возникают 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, карамелизация и др.

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 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.