2.6. Программа "Повышение эксплуатационной надежности и расширения гарантий"

«Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении и подерживается при эксплуатации»

Эта фраза подскажет нам, что надежность не является каким-то отдельным показателем, но представляет собой сумму надежности по многим индикаторам. Чтобы обосновать эту программу мы должны рассмотреть ряд вопросов, которые в значительной степени прояснят, что такое надежность для непрерывных процессов целлюлозно-бумажного производства. Мы рассмотрим следующие вопросы:

– Умеем ли мы считать надежность?

– Требования надежности. Как их обнаружить? Будут ли это опросы потребителей? Какова связь надежности работы клапанов с надежностью узлов бумажной машины, системы АСУТП, измерительных систем? Как учитывать внезапные и постепенные отказы арматуры?

– Какие методики применяют для определения надежности. Методика предварительного статистического анализа и полевого аудита. Примерная форма определения параметров надежности.

– Почему особенно важна надежность клапанов и арматуры в составе измерительных комплексов?

– Внезапные отказы. Постепенные отказы. Постепенный метрологический отказ и сбои.

– Каково влияние режимов работы на работоспособность клапана. Влияние коррозии. Влияние эрозии и кавитации. Влияние пульсации и вибрации на клапаны массопроводов и системы парораспределения.

– Как повысить надежность клапанов? Конструктивные и эксплуатационные способы, применяемые арматурными компаниями. Повышение надежности клапанов в составе измерительных комплексов и контуров регулирования.

– Экономические аспекты надежности.

– Программа расширения сроков гарантии на основе повышения надежности клапанов.

УМЕЕМ ЛИ МЫ СЧИТАТЬ НАДЕЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ?

Хотя клапаны используются повсеместно, однако, для такой технологической среды как бумажная и целлюлозная масса и других сред, используемых в ЦБП, 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, но не для отрасли ЦБП. В то же время клапан, установленный на бумажной массе и работающий в условиях агрессивной среды целлюлозно-бумажного производства, может иметь в 6 раз большую вероятность отказа по сравнению с нормальными условиями, для которых приведены данные по отказам в каталогах арматуры. Наверное, именно поэтому, только длительная эксплуатация и статистика может служить надежным критерием оценки применяемых клапанов и, наверное, поэтому в справочниках по автоматизации ЦБП из данных по зарубежным производителям приведены данные только по надежным клапанам Neles.

В предлагаемых материалах мы хотели бы обсудить, что такое надежность регулирующих клапанов и запорной арматуры применительно к ЦБП, как повысить надежность и расширить сроки гарантий по применяемым клапанам, а также предложить оригинальную методику предварительной оценки надежности и диагностики. В качестве примеров приводится опыт компании Метсо Автоматизация.

НЕМНОГО О ТЕРМИНАХ

Основным показателем качества клапанов в ЦБП 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 ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике (ССНТ).

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. Интенсивность отказов 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 (см. рис.2.6.1.), 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. 2.6.1. 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.

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 в процессе технологических циклов системы, монтажных перекосов и вибрации трубопроводов, усилий, возникающих при функционировании арматуры, внутренних концентраторов напряжений, технологического термоциклирования и др. Это и специфичность совместного действия механических и термических факторов – коррозии и механических напряжений. Возможность появления критических режимов процессов 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 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.