МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Надежность - свойство объекта сохра­нять во времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять тре­буемые функции. Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может проявляться через безотказность, долговеч­ность, ремонтопригодность и сохраняемость как в отдельности, так и через определенное сочетание этих свойств для объекта в целом или для его частей.

Значение надежности [2|. Решение прак­тических задач теории надежности примени­тельно к объектам химического машинострое­ния и смежных отраслей имеет многолетнюю историю и в то же время играет огромную роль в решении центральной задачи - повышения качества выпускаемой продукции.

Развитие научно-технического прогресса требует решения на высоком уровне вопросов проектирования, изготовления, испытания, доводки и эксплуатации машин и агрегатов химических производств и обеспечения их надежности на всех этапах жизненного цикла.

Наука о надежности получила бурное развитие в 50-60-е годы XX века в результате решения больших экономических проблем и обеспечения безопасности работы человека в этих условиях.

В химическом машиностроении и родст­венных отраслях проявились следующие ха­рактерные черты:

Большая единичная мощность машин и агрегатов (колонны синтеза аммиака произво­дительностью 1360 т/сутки, оборудование про­изводства полиэтилена высокого давления - 150... 180 тыс. т/год, аппараты переработки нефти - 6 млн. т/год и др.).

Сложность технологических систем хи­мического производства, связанная с ком­плексной переработкой сырья;

Интенсификация процессов, проводимых в агрегатах;

Объединение нескольких химических и смежных производств общими материальными и энергетическими потоками.

В этих условиях каждый случай непред­виденной остановки производства (авария, отказ) вызывает огромные убытки.

Большая единичная мощность машин и агрегатов, обработка в них пожароопасных, взрывоопасных и токсичных сред предъявляют к ним повышенные требования по обеспече­нию безопасности. Отказы оборудования в этих условиях могут привести не только к эко­номическим, но и, в большей степени, к эколо­гическим и социальным потерям.

Оценку надежности оборудования и его элементов можно производить двумя путями: статистической обработкой эксперименталь­ных данных о надежности и аналитическим вероятностным представлением закономерно­стей химических процессов, протекающих в объектах. Следует иметь в виду, что аналити­ческая оценка надежности обходится намного дешевле экспериментальной.

Проблема повышения надежности обору­дования решается разработкой методов про­гнозирования показателей его надежности на стадии проектирования. Определение количе­ственных характеристик при проектировании позволяет оценить принятие технических ре­шений, выбрать оптимальные варианты конст­руктивных исполнений отдельных агрегатов и машин и всего производства, конструировать производство с заданным уровнем надежности, т. е. управлять формированием его надежности при создании. На стадии изготовления надеж­ность должна обеспечиваться применяемой технологией изготовления и, кроме того, может конструктивно и технологически совершенст­воваться. На стадии эксплуатации надежность должна поддерживаться за счет разработки эффективной системы технического обслужи­вания и ремонта. На этом этапе могут прово­диться успешные работы по модернизации, в результате чего надежность оборудования мо­жет быть повышена.

Для того чтобы объективно сравнивать различные типы и образцы машин и аппаратов по надежности, задаваться необходимым уров­нем их надежности и осуществлять контроль за ним при производстве, испытаниях и эксплуа­тации, необходимо располагать количествен­ными характеристиками (показателями) на­дежности.

При анализе надежности необходимо различать объекты невосстанавливаемые и восстанавливаемые в условиях эксплуатации. Критерии оценки этих объектов будут различ­ными. Большинство химического оборудова­ния относится к восстанавливаемым объектам. К невосстанавливаемым могут быть отнесены подшипники качения, шестерни, шпонки, бол­ты, гайки, клиновые ремни.

Методы прогнозирования надежности. Определение показателей надежности на ста­дии проектирования является наиболее инте­ресной и важной задачей в теории надежности. Эта задача имеет огромное значение для дос­тижения наибольшей эффективности исполь­зования оборудования. С учетом прогноза на­дежности возможен рациональный выбор ва­рианта проекта, перспективное планирование ремонтного хозяйства.

Существуют три группы методов прогно­за надежности.

1. Теоретические расчетно-аналитичес - кие методы, или методы математического моделирования. Вероятностно-аналитические методы имеют для практики значительный недостаток: некоторые из них могут быть ис­пользованы только тогда, когда имеются ана­литические выражения для распределений слу­чайных величин. Вывести и получить аналити­ческие выражения для распределений случай­ных величин обычно очень сложно, поэтому на стадии проектирования, когда дается ориенти­ровочная оценка показателей надежности, эти методы не всегда подходят. Хотя вычисление вероятности нахождения случайной величины в заданных пределах ее значений, обеспечи­вающих нормальное безотказное функциони­рование используемого объекта, в математиче­ском отношении весьма простая операция, если имеется закон распределения этой случайной величины:

Тіпдоп - X < ^тахдоп) = ^тах доп

= R= J ф {X)DX,

^ITlin доп

Где R - надежность, т. е. вероятность нахожде­ния случайной величины X в допустимых пре­делах ХтіпД0п, Хтахд0п (минимально и мак­симально допустимом).

Задача подсчета надежности сводится к нахождению теоретической непрерывной и дискретной плотности вероятности состояния одной X или нескольких Х\, Х2 - Хп случай­ных величин. Знание распределения ф(^) -

Необходимое условие расчета. Наиболее рас­пространенные теоретические расчетно-анали - тические методы следующие:

1) на основе известных законов распреде­лений для показателей надежности оборудова­ния в целом;

2) на основе известных законов распреде­лений для показателей надежности отдельных элементов;

3) на основе принятия нормальных зако­нов распределения для показателей надежно­сти отдельных элементов (упрощение);

4) на основе любых законов распределе­ния параметров оборудования (статистическое моделирование, или метод Монте-Карло);

5) комбинаторно-матричный с любыми распределениями вероятности параметров обо­рудования.

Перечисленные методы представляют ос­новную часть из большого количества расчет - но-аналитических методов.

2. Экспериментальные и эксперимен­тально-аналитические методы - физическое моделирование. Здесь можно отметить сле­дующие методы:

1) на основе сбора и обработки ретро­спективной и текущей информации о надежно­сти оборудования;

2) на основе специальных испытаний на надежность в нормальных условиях эксплуата­ции и ускоренных или форсированных испыта­ний;

3) на основе испытаний моделей обору­дования в нормальных условиях эксплуатации и ускоренных испытаний.

3. Эвристические методы, или методы эвристического моделирования. Здесь можно выделить следующие методы:

1) экспертных или балльных оценок. Вы­бирается комиссия, состоящая из опытных, высокопрофессиональных в данном вопросе экспертов, которые путем выставления баллов оценивают рассматриваемый показатель на­дежности. Затем проводится математическая обработка результатов оценки (коэффициент конкордации и др.);

2) мажоритарный, или голосования, осно­ванный на использовании мажоритарной функции. Мажоритарная функция принимает значения «да» или «нет»: «1» или «О», причем
значение «1» принимается тогда, когда число переменных, входящих в нее и принимающих значение «1», больше числа переменных, при­нимающих значение «О». Иначе функция при­нимает значение «О».

Все перечисленные методы являются не­детерминированными, или основанными на статистике, или субъективными, поэтому ответ является неопределенным. Но несмотря на это, эти методы позволяют сравнить по надежности различные варианты, выбрать оптимальную систему, найти слабые места и выработать рекомендации по оптимизации надежности и эффективности функционирования оборудова­ния.

Если невозможны испытания объекта в целом, то можно прогнозировать надежность, комбинируя испытания отдельных элементов с аналитическими методами. Прогноз на надеж­ность позволяет провести расчеты по обеспе­чению запасными частями, организовать тех­ническое обслуживание и ремонт, а значит, обеспечить рациональную эксплуатацию обо­рудования.

Чем сложнее объект, тем больший эффект дают расчетные методы на всех этапах его разработки и эксплуатации.

Оценка надежности по критерию кор­розионной стойкости. В химической про­мышленности в 57 случаях из 100 причиной преждевременного выхода оборудования из строя является коррозия. Оценка надежности с использованием традиционных статистических методов для многих видов химического обору­дования малопригодна, так как для применения таких методов необходима однородная стати­стическая информация об отказах. Поэтому оценка эксплуатационной надежности многих видов химического оборудования осуществля­ется индивидуально для каждого экземпляра.

Одним из основных показателей, опреде­ляющих надежность (ресурс) оборудования в условиях коррозионного воздействия сред, является скорость коррозии. Оценка ресурса оборудования в коррозионных средах фактиче­ски сводится к определению скорости корро­зии металла, из которого оно изготовлено, и расчету срока службы путем деления толщины стенки на скорость коррозии. Такой подход позволяет правильно прогнозировать ресурс оборудования при равномерной (общей, сплошной) коррозии его элементов. Однако равномерная коррозия наблюдается примерно в 1/3 всех случаев причин выхода оборудова­ния из строя. Неравномерность коррозии обо­рудования обусловлена многими причинами, как детерминированными (различием нагрузок или воздействий на разные участки поверхно­сти), так и стохастическими (обусловленными случайными сочетаниями физико-химических свойств металла, его нагруженного состояния на разных участках поверхности и другими причинами).

Предельным состоянием сосуда (аппара­та), подвергающегося при эксплуатации корро - зионно-эрозионному разрушению, является уменьшение толщины его стенок до предель­ной (расчетной) величины, ниже которой не обеспечивается необходимый запас его несу­щей способности. Следует иметь в виду, что глубина отдельных локальных повреждений (исключая трещины) может значительно пре­вышать среднюю глубину повреждений и не нарушать несущей способности аппарата. До­пустимое количество (доля) повреждений на поверхности аппаратов и их размеры должны регламентироваться в зависимости от характе­ра нагрузки на элементы оборудования и свойств применяемых материалов.