І відмов
Відмова – це порушення працездатності об'єкта, яке має різні причини виникнення та різноманітні форми прояву. Відмови призводять до погіршення експлуатаційних властивостей об'єкта і пов'язані з матеріальними втратами. Форми прояву відмов залежить від виду об'єкта, від характеру впливу навантаження з його елементи, від якості експлуатації. Характерними проявами відмов можуть бути відхилення вихідних параметрів від нормативних значень, механічні пошкодження, що призводять до появи тріщин, поломок або деформацій, неузгодженості регулюючих та керуючих систем, що призводять до погіршення економічності, точності тощо.
При дослідженні надійності складних технічних об'єктів, наприклад, ТЕЦ або ДРЕС, необхідно розрізняти відмову об'єкта в цілому, відмову функціональних систем та їх агрегатів та елементів. При відмові об'єкта загалом збитки найімовірніше буде максимальним, а разі відмови окремих агрегатів може бути частково збережено його працездатність. У цьому випадку функціонування об'єкта відбуватиметься з меншою ефективністю, але при цьому слід врахувати фактичну потребу в рівні вихідного ефекту, яка також може бути знижена. Так, наприклад, за наявності на газотурбінній ТЕЦ кількох газотурбінних агрегатів однакової потужності та відмові одного з них загальна потужність станції знижується. Але у випадку, якщо навантаження на станцію в момент відмови забезпечується агрегатами, що залишилися в дії, то споживач може не відчути виникнення на станції відмови і, отже, збиток від нього знижується в порівнянні з ситуацією, коли від станції потрібна повна потужність.
Таким чином, залежно від наслідків відмов, а також від характеру їх розвитку та прояву розрізняють такі умовніформи надійності:
- функціональну, коли об'єкт не здатний виконувати задані функції;
- параметричну, коли функції, що виконуються, не задовольняють вимогам економічності та ефективності;
- міцність, коли відбуваються пошкодження та поломки і не забезпечується необхідна довговічність.
Для кожної з цих форм надійності є кілька варіантів розвитку (моделей) відмов.
Найбільш вивченими є такі моделі відмов.
1. Модель миттєвих ушкоджень (раптові відмови). Наприклад, під час роботи турбоагрегата зі змінним навантаженням на електричний генератор відбувається випадкове короткочасне збільшення навантаження до номінального рівня. Система автоматичного регулювання для забезпечення потрібної потужності збільшить подачу пари, що викличе зростання напруги в робочих лопатках турбіни. Припустимо, що відмова (поломка лопатки) настає у разі, коли навантаження перевищує певний допустимий рівень. Внаслідок випадкової зміни навантаження відмова також є випадковою і не залежить від того, скільки часу турбоагрегат знаходиться в експлуатації, і від того, в якому стані знаходилися лопатки перед відмовою. Розрізняють моделі випадкових відмов з постійною, зростаючою та спадною інтенсивністю.
2. Модель змін, що накопичуються (поступові відмови). Ця модель реалізується, коли у процесі функціонування об'єкта у його елементах накопичуються зміни (пошкодження). Поступове старіння та (або) зношування елементів призводять до того, що їх робочі параметри виходять за допустимі межі. Поступово погіршується якість функціонування всього об'єкта. Вихід за нижню допустиму межу якості функціонування (наприклад, економічності або потужності) спричиняє відмову виробу в цілому. Один зваріантів моделі поступових відмов, що враховує зміну характеристик вихідного параметра об'єкта внаслідок накопичення пошкоджень через знос і старіння матеріалу та поле допуску на його зміну, розглянуто нижче.
На рис. 1 представлені характеристики зміни вихідного параметра X у часі при різних процесах накопичення пошкоджень при впливі на об'єкт навантажувальних факторів та зовнішніх умов 2 .
Мал. 1. Характеристика зміни вихідного параметра у часі у процесі накопичення ушкоджень
Відмова об'єкта відбувається після досягнення вихідним параметром свого граничного значення Xmax. У початковий час (приt=0) цей параметр має математичне очікуванняa0с законом розсіювання значеньf(a). Це розсіювання пов'язане з різними величинами вібрацій, теплового розширення, деформації через механічні навантаження та вплив інших процесів, викликаних змінними режимами роботи об'єкта.
У процесі функціонування об'єкта у міру вироблення закладеної довговічності відбувається накопичення незворотних змін, зумовлених зносом та старінням матеріалів, накопиченням тривалих та втомних ушкоджень, а також корозійними, ерозійними та іншими впливами. Ці зміни характеризуються величинами , де - швидкість накопичення пошкоджень. Процес зміни параметра X зі швидкістю x є випадковим, що залежить від швидкості пошкодження окремих елементів об'єкта.
Через війну взаємодії зазначених подій відбувається формування закону розподілу f(x,t), який визначає можливість виходу параметра зарубіжних країнXmax, тобто. ймовірність відмови
.
Ця модель визначає формування відмови, як із поступовому, і при раптовому його прояві. Якщо позначити час початкупрояви ушкоджень через Тв, то в першому випадку процес зміни параметрів починається відразу при Тв = 0, а в другому випадку функція f (Тв) після виникнення ушкодження протікає з великою інтенсивністю X (t) .
На рис. 2 представлена модель формування закону розподілу поступової відмови об'єкта з лінійною залежністю інтенсивності зміни параметра X у часі X = kt.
Рис.2. Модель поступової відмови об'єкта при лінійній залежності швидкості зміни параметра X
В даному випадку швидкість k = і залежить від великої кількості випадкових факторів, що найчастіше характеризується нормальним законом розподілу
Для об'єктів промислової енергетики показники процесів розвитку відмов може бути значно складніше, ніж розглянуті вище. Зношування або старіння можуть бути непрямими причинами відмови, коли їх величину неможливо проконтролювати в експлуатації, а внаслідок збільшеного, наприклад, зазору в підшипниках відбувається заклинювання ротора турбіни. Відмова може бути викликана одразу кількома причинами, вплив яких змінюється залежно від умов експлуатації. Причому ці причини можуть бути незалежними чи взаємопов'язаними.
Характеристики зміни часу показників надійності багатьох промислових об'єктів мають багато спільного. На рис 2.3 представлена типова для об'єктів промислової енергетики залежність зміни часу рівня надійності у процесі тривалої експлуатації з плановими ремонтами.
Рівень надійності окремого об'єкта, точніше ймовірність його безвідмовної роботи під час міжремонтного циклу постійно знижується, оскільки відбувається зношування матеріалів і накопичення втомної ушкоджуваності. Зниження походить від початкової величини P0до мінімально допустимої Pmin. У момент часу t1, коли рівень надійності досягає Pmin, експлуатація об'єкта припиняється і виконується плановий ремонт. Після заміни або ремонту найбільш зношених агрегатів об'єкт починає експлуатуватися знову, проте рівень його надійності буде нижчим від початкового значення, тобто.
На рис.4 представлені характеристики зміни основних складових інтенсивності відмов у часі t, які показують, що в процесі експлуатації об'єктів, що ремонтуються, відбувається зниження відмов, пов'язаних з конструктивними та виробничими недоліками, і одночасне зростання частоти відмов через знос, старіння та втомні пошкодження (Ресурсні відмови).
Рис.4. Модель інтенсивності відмов для окремих елементів об'єкту, що ремонтується.
1-загальний рівень; 2- «вигоряючі» відмови; 3 – ресурсні відмови; 4-випадкові відмови
Як випливає з рис.4, між рівнем надійності і періодом використання об'єкта, що ремонтується, за призначенням існує нерозривний зв'язок. Для кожного періоду експлуатації можна виділити визначальну модель відмов, що відповідає при отриманні кількісних оцінок конкретний математичний апарат. Спільним є підхід до вивчення відмов як до випадкових подій із певними законами розподілу.
Після виникнення відмови у процесі використання об'єкта за призначенням для його усунення виконують комплекс заходів, одним із яких євиявлення джерела (локалізація) та причин відмови. Який відмовив елемент, вузол або механізм визначають двома методами аналізу, що доповнюють один одного: методом структурних схем надійності (метод «знизу вгору») і методом «дерева відмов» (метод «згори вниз»).
Метод структурних схем надійності полягає у послідовному перетворенні паралельних та послідовних ділянок структурної схеми надійності еквівалентними блоками до відома її до одного блоку. Основний принцип методу полягає у послідовній постановці питання, якого події у процесі роботи об'єкта (його елементів) призводить відмова елемента наступного рівня структури, тобто. у здійсненні аналізу «знизу нагору».
Для більшості механічних систем можливі три основні причини відмов:
- дія енергії навколишнього середовища, включаючи людину, яка виконує функції оператора чи ремонтника;
- дію внутрішніх джерел енергії, пов'язані як із робочими процесами, які у машині, і з роботою окремих механізмів машины;
- дія потенційної енергії, яка накопичена в матеріалах і деталях машини в процесі їх виготовлення (внутрішні напруги у виливку, монтажні напруги).
Різні види енергії, що діють на машину, викликають у її вузлах і деталях процеси, пов'язані зі складними фізико-хімічними явищами, що призводять до деформації, зношування, поломки, корозії та інших видів ушкоджень. Виникнення пошкоджень спричиняє зміну вихідних параметрів об'єкта, що може призвести до відмови. Процеси, що призводять до зміни початкових властивостей об'єкта, протікають у матеріалах, з яких створені елементи, включаючи як деталі машини, а й мастильні матеріали, паливо, що у робочому процесі.
Наведемоприклади цих взаємозв'язків. Механічна енергія, що діє в турбіні, призводить до зношування підшипників, зміни осьових і радіальних зазорів в проточній частині. Це викликає спотворення початкового положення ротора щодо статора, може бути джерелом підвищених вібрацій корпусу турбіни, що може призвести в кінцевому підсумку до зачеплення ротора статора. Внаслідок цього може відбутися руйнування лопаткового апарату.
Хімічна енергія викликає процеси корозії в трубних системах та колекторах котлоагрегатів, теплообмінних апаратах і теплотрасах. Пошкодження стінок труб різного теплотехнічного обладнання може призвести спочатку до погіршення вихідних параметрів об'єкта (відплив теплоносія, зміна пропускних перерізів трубопроводів), а потім при руйнуванні стінок до повного виходу з ладу.
Розрізняють оборотні та незворотні процеси, що відбуваються в агрегаті та впливають на його технічні характеристики.Оборотні процеситимчасово змінюють параметри деталей, вузлів і всієї системи в деяких межах, без прогресивного погіршення. Найбільш характерним прикладом таких процесів є відкладення шлаку в топці котлоагрегату або забруднення проточної частини газотурбінних двигунів промисловими частинками (вихлопні гази, пари олії тощо). Регламентні роботи з очищення робочих поверхонь практично повністю відновлюють характеристики агрегатів.
Необоротні процесиприводять до прогресивного погіршення технічних характеристик машини з часом. Характерними незворотними процесами в турбомашинах є ерозія лопаток турбін, що працюють на вологій парі, зношування підшипників, зовнішня та внутрішня корозія трубних систем котлоагрегатів, накопичення втомних ушкоджень у лопатках компресорів ВМД,перерозподіл внутрішніх напруг і короблення деталей з часом.