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.

К сожалению, наработка статистического материала на предприятии в разрезе эффективности и надежности клапанного хозяйства, тем более метрологической надежности весьма затруднителен. Эти данные разбросаны между разными цехами комбината, 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 большом ЦБК клапанов в состоянии отказа находятся примерно 50 шт. Статистика Мetso 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 регулирования 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, межповерочных сроков, изменение кратности обслуживания клапанов, выбор наиболее эффективного и надежного клапана с точки зрения как общей, так и метрологической надежности и пр. Поиск оптимального решения заключается, например, в выборе наиболее надежного конструктивного исполнения клапана, трендов, и др. 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 для получения достоверных и статистически значимых показателей надежности необходимо использовать статистический материал, полученный в условиях, которые не были специально подобраны и были собраны в режиме нормальной эксплуатации клапанов и арматуры на комбинате. При невыполнении этого условия могут возникать определенные трудности при интерпретации данных.

Пример определения параметров надежности

Наиболее удобным параметром является интенсивность отказов. Для ее определения приведем следующий пример. На предприятии 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, срокам 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 отказов поинтервально.

7. Рассчитывается вероятность безотказной работы.

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

Обобщенные данные за выбранный период сводятся в таблицу. Примерно также определяется и вероятность безотказной работы. Обобщенный пример расчета за выбранный период эксплуатации клапанов приводится в табл. 2.6.4.

Табл. 2.6.4. 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.