Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Объекты химического комплекса arrow РД 26.260.004-91  
17.08.2018
    
РД 26.260.004-91

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Прогнозирование остаточного ресурса
оборудования по изменению параметров его
технического состояния при эксплуатации

РД 26.260.004-91

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации

РД 26.260.004-91

Дата введения 01.01.92.

Настоящий руководящий документ устанавливает требования к выбору методов прогнозирования остаточного ресурса химико-технологического оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации и рекомендации по применению статистических методов при прогнозировании.

Термины и определения соответствуют ГОСТ 27.002.

Примеры прогнозирования остаточного ресурса оборудования приведены в справочном приложении.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1.1. Основные понятия и определения

При длительной эксплуатации оборудования нефтехимических производств неизбежно возникают повреждения или нарушения работоспособности его элементов даже при отсутствии дефектов изготовления и соблюдении правил эксплуатации. Это обусловлено особенностями нефтехимических производств: высокой коррозионной активностью технологических сред, высокими температурой, давлением и скоростью технологических потоков, наличием переменных температурных деформаций и сложного напряженного состояния металла оборудования. Кроме того, даже при соблюдении технологической дисциплины при эксплуатации оборудования неизбежны колебания состава сырья и реагентов, в том числе содержания в них агрессивных компонентов; колебания регулируемых параметров (температуры, давления, расхода и др.), обусловленные запаздыванием регулирования: колебания внешних воздействий (напряжения электропитания, температуры и давления технологического пара, охлаждающей воды и др.). Воздействие указанных факторов в течение длительного времени вызывает повреждение металла. Развитие микродефектов на поверхностях нагруженных элементов оборудования или отложение на них осадков, препятствующих протеканию технологического процесса. В некоторые моменты функционирования оборудования могут возникать такие сочетания параметров, которые нарушают его работоспособность, т.е. вызывают отказы.

Отказы нефтехимического оборудования можно разделить на три вида: механические, технологические и обусловленные ошибками (нарушениями) при эксплуатации, изготовлении или разработке оборудования.

К первому виду относят отказы, вызванные нарушением механической работоспособности оборудования вследствие изнашивания, коррозии, поломок деталей, нарушения формы элементов оборудования, возникновения недопустимых сопутствующих процессов - вибрации, стука, утечки технологической среды, перегрева подшипников и др.

К технологическим относят отказы, обусловленные нарушением хода технологического процесса, выполняемого на данном оборудовании, приводящего к выпуску некондиционного продукта или нарушению функционирования оборудования. Примерами таких отказов в химических производствах является локальный перегрев сушильного аппарата, приводящий к налипанию на его поверхностях термолабильных продуктов (возникновение так называемого "козла"): закоксовывание труб в трубчатых печах: загрязнение фильтров и разделительных элементов в аппаратах мембранного разделения, приводящее к снижению их производительности: загрязнение катализатора в реакционных аппаратах, отложения на стенках и подвижных элементах машин и др.

Доля отказов третьего вида определяется в основном уровнем технологической дисциплины и культуры производства на конкретном предприятии. В методике этот вид отказов не анализируется.

Большая часть механических и технологических отказов (около 90) проявляется постепенно в изменении одного или нескольких выходных параметров, поэтому их называют также параметрическими. Контролируемыми параметрами могут быть как непосредственно намеряемые величины повреждений (глубина коррозии стенок, износ детали), так и выходные параметры оборудования (производительность, коэффициент полезного действия, степень разделения, осветления, очистки) и другие количественные показатели качества продукта, параметры вибрации, шума, величина утечки среды через уплотнения и т.д.

Далее эти параметры, контроль которых позволяет прогнозировать моменты наступления отказов оборудования, называются параметрами технического состояния, или сокращенно ПТС.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 отказом оборудования считается нарушение его работоспособного состояния. Если оборудование после отказа или технического освидетельствования не подлежит восстановлению, то такое состояние называют предельным состоянием (ПС) оборудования. Нецелесообразность восстановления оборудования, имеющего повреждения, может быть обусловлена как технико-экономическими показателями, так и нарушениями установленных требований безопасности (экологии). Признаки предельного состояния оборудования, установленные в нормативно-технической документации, называются критериями предельного состояния (КПС).

Остаточным ресурсом называют запас возможной наработки оборудования после момента контроля его технического состояния (или ремонта), в течение которого обеспечивается соответствие, требованиям НТД всех его основных технико-эксплуатационных показателей и показателей безопасности.

1.2. Концепция прогнозирования остаточного ресурса

Остаточный ресурс оборудование может иметь не только до истечения расчетного срока службы, но и после него. Это обусловлено действующими нормами и правилами расчета сроков службы оборудования, предусматривающими обеспечение прочности и износостойкости изделий при наиболее неблагоприятных режимах нагружения в заданных условиях эксплуатации, а также при минимальных уровнях механических характеристик конструкционных материалов, обеспечиваемых по государственным стандартам. Фактические режимы нагружения при соблюдении правил эксплуатации оказываются, как правило, менее напряженными, чем расчетные, что снижает интенсивность расходования заложенных запасов (по прочности, износо- и коррозионной стойкости) обеспечивает резерв по остаточному ресурсу оборудования.

Возможность прогнозирования величины остаточного ресурса обеспечивается при одновременном наличии следующих условий:

известны параметры, определяющие техническое состояние оборудования (ПТС);

известны критерии предельного состояния оборудования;

имеется возможность периодического (или непрерывного) контроля значений ПТС.

По многим характерным для нефтехимического оборудования деградационным процессам (сплошной коррозии, изнашиванию, ползучести и др.) указанные условия выполняются. По другим видам повреждений (например, образованию трещин, межкристаллитной коррозии) не все условия, необходимые для прогнозирования остаточного ресурса, по данной методике могут выполняться; в таких случаях требуется проведение специальных исследований. /Возможность эксплуатации сосудов, работающих под давлением, у которых будут выявлены дефекты, превышающие допустимые нормы, определяют с привлечением специализированной научно-исследовательской организации (по ОСТ 26-291-87)/.

Прогнозирование надежности оборудования обычно осуществляется по схеме (рис. 1). Через определенные периоды эксплуатации t1, t2, ... и т.д. измеряют максимальные величины возникших повреждений (износа, коррозии, деформаций) h1, h2, ... и т.д. и экстраполируют зависимость до предельно допустимой величины повреждений hn. Такой метод позволяет получить достаточно точные оценки показателей надежности, если известен вид зависимости h(t) и при измерениях значений h определяются действительно максимальные значения повреждений, т.е. осуществляется сплошной контроль поверхностей оборудования.

Вид зависимости h(t) установлен для многих видов разрушения. При некоторых видах коррозии и изнашивания (трение, эрозионное) зависимость износа от времени линейная: h(t) = ho+C×t, где ho и С - постоянные величины для заданных условий. Некоторые другие виды зависимостей h(t) рассмотрены в приложении 2.

При прогнозировании в зависимости от срока эксплуатации оборудования применяют два подхода. При малом сроке эксплуатации (относительно нормативного) и незначительной поврежденности оборудования для прогнозирования его остаточного ресурса используют только информацию о нагруженности. При сроке эксплуатации близком к нормативному или значительной поврежденности элементов оборудования дополнительно исследуют степень поврежденности оборудования. Преимуществом первого подхода является его меньшая трудоемкость, второго - более точный прогноз, возможность выявления дополнительного резерва ресурса оборудования.

В зависимости от требуемой достоверности прогноза и возможностей получения информации применяют два подхода к прогнозированию: упрощенный, основанный на детерминистических оценках показателей, и уточненный, основанный на вероятностных оценках.

Черт. 1. Типовая схема прогнозирования долговечности оборудования:

t - продолжительность эксплуатации; h - величина повреждений.

При первом - отклонения контролируемых параметров относят к погрешностям методов контроля, случайным помехам и при прогнозировании остаточного ресурса в расчетах учитывают с помощью коэффициентов запасов. При втором подходе колебания наблюдаемых параметров используют в качестве дополнительной информации, что позволяет повысить достоверность прогнозирования.

В методике детерминистические методы выделены в отдельную группу (раздел 3), а вероятностные методы изложены в разделах 4-6.

1.3. Анализ условий эксплуатации

Анализ условий эксплуатации проводят с целью определения возможности достоверного прогнозирования остаточного ресурса оборудования, выявления наиболее информативных параметров и источников получения исходных данных, необходимых для расчета.

Возможность прогнозирования остаточного ресурса оборудования имеется в тех случаях, когда критерии предельного состояния оборудования определены в численных значениях, и в ходе эксплуатации оборудования ведутся измерения (периодические или непрерывные) и регистрация параметров, (ПТС), определяющих предельное состояние.

Примеры возможности прогнозирования остаточного ресурса.

1. Предельным состоянием аппарата, работающего с коррозионно-активной средой, является уменьшение толщины его стенок до расчетной величины (Smin). При эксплуатации периодически осуществляет контроль толщины стенок.

2. Предельным состоянием теплообменника является ухудшение теплообмена из-за отложений на трубах, выражающееся в снижении температуры на выходе нагреваемого продукта до предельно допустимой температуры (Tmin) При эксплуатации ведется непрерывный контроль с записью на ленту температуры на выходе из аппарата.

Информативными параметрами для прогнозирования остаточного ресурса химического и нефтяного оборудования могут быть величины возникающих повреждений (глубина коррозии, величина эрозионного или механического износа, деформации ползучести);

параметры сопутствующих процессов (уровни вибрации агрегатов, величины утечек в уплотнениях, температура узлов трения и др.);

технологические параметры (давление, температура, расход продукта, реагентов);

показатели качества и эффективности функционирования оборудования (степень разделения, осветления, очистки, производительность, расход электроэнергии, к.п.д. и т.п.).

Большинство контролируемых технологических параметров нефтехимических процессов являются стационарными и немонотонными, так как подвергаются регулированию. Некоторые из них могут нести информацию об интенсивности деградации оборудования; в таких случаях при анализе записей параметров наблюдается их дрейф, т.е. постепенное смещение среднего значения. Если этот дрейф не устраняется регулированием технологического процесса и определены предельно допустимые уровни параметров, то такие параметры могут быть использованы для прогнозирования ресурса оборудования.

Поэтому прогнозированию должен предшествовать анализ случайных процессов, определяющих параметры технического состояния обследуемого оборудования. Для анализа случайных процессов существует большое число методов, зачастую достаточно сложных для лиц, не имеющих специальной математической подготовки; в качестве руководства можно использовать, например, работу [30]. Упрошенный анализ может быть выполнен в последовательности, изложенной в п. 6.2.

Для выбора наиболее информативных параметров составляют полный перечень предельных состояний оборудования и контролируемых параметров, связанных с каждым предельным состоянием. Затем из этого перечня исключают зависимые (вторичные) параметры, если при контроле основных параметров обеспечивается получение достоверных данных в достаточном объёме.

По результатам анализа определяют имеющиеся источники получения исходных данных для прогнозирования (вахтовые журналы, ведомости дефектов, контрольные карты, диаграммы и др.) или при их недостатке планируют специальные наблюдения за изменением эксплуатационных параметров.

2. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ, МЕТОДЫ ИХ ВЫЯВЛЕНИЯ

Методы прогнозирования остаточного ресурса оборудования различаются для разных видов повреждений. Разнообразие химического и нефтяного оборудования, условий его эксплуатации обуславливают большое разнообразие дефектов и повреждений, возникающих в оборудовании различных производств. Хотя все их невозможно охватить в одной методике, но для многих типов оборудования виды повреждений одинаковы и для прогнозирования их развития могут быть использованы типовые методы.

2.1. Характерные повреждения оборудования, закономерности их развития

Виды повреждений являются характерными для двух групп оборудования: машин и агрегатов (т.е. имеющих подвижные элементы) и сосудов и аппаратов

Повреждения сосудов могут быть вызваны эрозионным истиранием стенок рабочей средой, коррозией металла, усталостью, ползучестью, изменением механических свойств металла и другими причинами. Возможны также повреждения, вызванные нарушениями норм конструирования и изготовления. В сосудах, работающих в водород-содержащих средах, под действием водорода, повышенных температуре и давления может возникнуть водородная коррозия металла.

Повреждение сосудов и аппаратов чаще всего вызывается совместным действием различных факторов, поэтому прогнозирование их надежности производят на основе всестороннего анализа их работы.

Наиболее часто встречаемыми повреждениями поверхностей нагрева являются свищи, отдулины, трещины и разрывы трубных элементов, которые могут быть вызваны различными причинами (вследствие отложений, загрязнений внутренних поверхностей, неравномерности температурного поля по сечению топки и газоходов и др.). Перегрев металла вызывает изменение его структуры, снижение механических свойств, повышенное окалинообразование.

Оценка работоспособности оборудования по результатам периодических обследований обычно осуществляется путем выявления возникших повреждений, определения их величины и сопоставления с предельно допустимыми значениями повреждений [22]. Выявленные дефекты относят к допустимым или недопустимым и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации, необходимости ремонта оборудования или снятия его с эксплуатации. В табл. 1 приведены основные эксплуатационные дефекты оборудования, способы их выявления и возможность эксплуатации.

Таблица 1

Дефекты

Способ выявления

Допустимость эксплуатации

Трещины усталостные, термические, коррозионные и другие

Визуально-оптический, капиллярная и магнитно-порошковая дефектоскопия

Эксплуатация металла с трещинами не допускается*

Коррозионные повреждения

Визуально-оптический, толщинометрия

Эксплуатация возможна в зависимости от степени повреждений, допускаемых по условия прочности

Эрозионный, кавитационный износ

То же

То же

Деформация ползучести

Микрометрирование по реперам

-"-

* Примечание: в некоторых случаях после специальных исследований НИИхиммаш дает разрешения на дальнейшую эксплуатацию сосудов.

Методы выявления и измерений величины повреждений могут быть различными в зависимости от преобладающего характера разрушения оборудования в конкретных условиях. В табл. 2 приведена общая характеристика методов контроля повреждений оборудования, получивших наиболее широкое распространение.

2.2. Критерии предельных состояний оборудования

В соответствии с требованиями ГОСТ 27.002-В9 и ГОСТ 27.003-90 критерии отказов и предельных состояний должны устанавливаться в технических условиях (стандартах технических условий) с целью достоверного определения их технического состояния.

Критерии отказа - это совокупность признаков, характеризующих неработоспособное состояние изделия. Критерием предельного состояния является совокупность признаков, при которых использование по назначению должно быть прекращено (или невозможно) и изделие должно направляться в капитальный ремонт или списываться (сниматься с эксплуатации).

Предельным состоянием оборудования, подвергающегося при эксплуатации коррозионно-эрозионному разрушению, в соответствии с работой [22] является уменьшение толщины его стенок до предельной (расчетной) величины, ниже которой не обеспечивается необходимый запас его несущей способности.

Глубина отдельных локальных повреждений (исключая трещины) может значительно превышать среднюю глубину повреждений (вплоть до сквозного разрушения) 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

Например, для автоклавов [22] установлены следующие критерии предельного состояния (предельных дефектов):

механический износ (истирание), царапины, коррозионное поражение глубиной свыше величины, предусмотренной в расчете на прочность прибавкой толщины стенки на коррозию;

вмятины, овальность, износ запорных устройств свыше величин, указанных в "Положении о диагностировании";

трещины всех видов и направлений;

дефекты сварных швов свыше допустимых по ГОСТ 7512-82, в том числе единичные шлаковые и газовые включения глубиной свыше 10% и длиной более 20% толщины листа;

коррозионное растрескивание металла в зоне сварных швов, а также в местах коррозионных язв и питтингов

Из рассмотренных критериев видно, что критерии предельного состояния могут быть качественными (наличие трещин, вмятин, коррозионного растрескивания) и количественными (величина износа, коррозии и др.)

Так для трубопроводов определены [22] следующие количественные критерии:

износ толщины стенки не более 20%;

величина остаточной деформации труб

из углеродистых сталей не более 3,5%;

из легированных сталей не более 2,5%.

Примеры установления в нормативно-технической документации критериев отказов и предельных состояний приведены в приложении 1.

При отсутствии в технической документации КПС ориентировочными значениями КПС могут служить нормы технологических допусков на изготовление (например, из ОСТ 26-291-87), взятые с коэффициентом 1,5.

2.3. Методы выявления повреждений

Контроль технического состояния сосудов и аппаратов обычно осуществляют путем проведения комплексного обследования, включающего коррозионные исследования, ультразвуковую толщинометрию, ультразвуковую и цветную дефектоскопию, а также исследования прочности аппаратов с учетом выявленных дефектов. В случае необходимости используют также метод акустической эмиссии, позволяющий обнаруживать трещиноподобные развивающиеся дефекты и оценивать степень их опасности.

Наиболее применяемы, методы контроля повреждений оборудования приведены в табл. 2.

Таблица 2

Методы, используемые для контроля повреждений оборудования.

Методы контроля

Тех.средства

Достоинства

Недостатки

Визуально-оптический

Лупы, смотровые трубы, эндоскопы

Простота, возможность осмотра больших поверхностей, определения вида разрушения, участков повышенного износа.

Невысокая точность оценки величины повреждений.

По образцам-свидетелям

Устройства для извлечения образцов

Возможность измерения величины сплошной коррозии и иногда точечной.

Требует длительного контакта с коррозионной средой. Возможны ошибки.

Высверливание при обследовании

Мерительный инструмент

Высокая достоверность измерений

Необходимость последующего заглушения отверстий

Метод градуированных отверстий

Указатели появления среды через отверстия

Возможность наблюдения за скоростью разрушения.

Опасность применения при горячих и токсичных средах.

Микрометрический, по ГОСТ 9.908-85

Механические индикаторы с игольчатым щупом

Возможность измерения глубин отдельных каверн.

Погрешность измерения при наличии сплошной коррозии.

Профилографирование

Каверномеры, профилографы типа ЛИП-3, УИП-5.

Возможность точного измерения распределения повреждений, в т.ч. малых величин

Продукты коррозии могут искажать действительные результаты.

Методы измерение потенциала, электрического сопротивления

Коррозиметры, электроизмерительные приборы.

Возможность непрерывного контроля.

Измерение только усредненной по поверхности скорости коррозии.

Ошибки при появлении в среде примесей

По содержанию ионов железа.

Средства химического анализа.

Пробы отбираются при работающей установке.

Не позволяют оценивать глубину коррозионного поражения металла

Капиллярный (цветной и люминесцентный), ГОСТ 18442-80.

Пенетранты, сорбенты, люминофоры.

Высокая чувствительность при появлении трещин и пор, простота технологии и наглядность.

Необходимость высокой чистоты обработки поверхности, высокая трудоемкость и длительность процесса контроля

Магнитно-порошковый, ГОСТ 21105-87

Дефектоскопы, порошки и пасты.

Высокая чувствительность, производительность и достоверность при контроле трещин в ферромагнитных материалах.

Необходимость удаления покрытий и загрязнений с поверхности.

Металлографический, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 6032-89

Металлографические микроскопы.

Возможность измерения поражений малой глубины.

Необходимость вырезки образцов и последующего восстановления поврежденного участка.

Ультразвуковая толщинометрия ГОСТ 20415-82, ГОСТ 14782-86.

Ультразвуковые толщиномеры типов УT, Кварц, ДМ и др.

Позволяет производить измерения толщины металла в процессе работы оборудования.

Коррозионные повреждения могут уменьшать чувствительность прибора.

Радиационная толщинометрия

Радиационный толщинометр ТОР-1 и др.

- " -

- " -

Акустическая эмиссия

Комплект аппаратуры с датчиками.

Возможность контроля интенсивности роста трещин.

Сложность аппаратуры, необходимость повышения давления аппарате до пробного.

3. МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА, ОСНОВАННЫЕ НА СТАНДАРТИЗОВАННЫХ НОРМАХ РАСЧЕТА

В основу методов, изложенных в данном разделе, положены зависимости ресурса оборудования от его наработки, установленные по конкретным видам деградационных процессов и введенные в государственные стандарты. Для прогнозирования остаточного ресурса оборудования этими методами необходимо установить, что является основной причиной потери работоспособности оборудования, определить фактические действующие на оборудование нагрузки (спектры нагрузок) и при соответствии условий эксплуатации требованиям стандартов выполнить расчеты по установленным стандартами зависимостям.

3.1. Прогнозирование остаточного ресурса при малоцикловых нагрузках

Стальные сосуды и аппараты, подвергающиеся при эксплуатации периодическим нагружениям, могут разрушаться от малоцикловой усталости металла. Поэтому в соответствии с требованиями ГОСТ 14249-89 они должны проверяться на циклическую прочность по ГОСТ 25859-83.

При эксплуатации реальных сосудов фактические действующие нагрузки и напряжения в их элементах отличаются от расчетных, причем в зонах концентрации напряжений или нарушения непрерывности возможно весьма значительное превышение допускаемых напряжений, определяемых по ГОСТ 14249-89. Кроме того, при эксплуатации сосудов возникают различные повреждения (см. раздел 2), которые создают дополнительные концентрации напряжений. Поэтому при оценке остаточного ресурса сосудов необходимо проведение исследования их напряженного состояния с учетом имеющихся концентраторов напряжений. Исследование выполняют расчетными, экспериментальными и расчетно-экспериментальными методами. Расчеты напряженного состояния выполняют с учетом фактической геометрии конструкции, фактических толщин несущих элементов и имеющихся концентраторов напряжений. При экспериментальных методах применяют натурное тензометрирование [34] в условиях эксплуатации, а также замеры температуры несущих конструкций оборудования путем термографирования, использования контактных термометров, термопар или пирометров.

На основе проведенного исследования выполняют расчеты допускаемого числа циклов нагружения [N] в соответствии с ГОСТ 25859-83 и определяют остаточный ресурс сосуда путем вычитания из [N] фактически отработанного числа циклов.

При наличии в элементах сосудов дефектов типа трещин применение для оценки остаточного ресурса ГОСТ 25859-83 не допускается. В таких случаях специализированными организациями, определенными "Правилами" [5] Госпроматомнадзора, используются специальные методы механики разрушения.

3.2. Методы прогнозирования остаточного ресурса составных частей машин

Для прогнозирования остаточного ресурса узлов и агрегатов машин, оборудования и приборов, отказы которых вызывают процессы накопления повреждений, рекомендуется использовать РД 50-490-84 "Методические указания. Техническая диагностика. Методика прогнозирования остаточного ресурса машин и деталей по косвенным параметрам".

В методических указаниях рассматриваются методы оценивания остаточного ресурса в условиях основных типовых ситуаций, возникающих в практике испытаний и эксплуатации, отличающихся объемом и видом исходной для обработки информации.

Методические указания предназначаются для специалистов испытательных лабораторий, эксплуатационных и ремонтных служб, занимающихся вопросами прогнозирования технического состояния, прогнозирования остаточного ресурса, сроков и объемов ремонта.

Среди параметров технического состояния (ПТС) различают прямые и косвенные параметры.

Прямой ПТС - это параметр технического состояния (ТС), непосредственно характеризующий конкретное свойство объема или его составной части - и определяющий его предельное состояние. Косвенный ПТС - это параметр ТС, связанный с прямым ПТС детерминированной или стохастической зависимостью, изменяющийся в результате изменения прямых ПТС.

Прогнозирование остаточного ресурса изделия по косвенным параметрам основано на одновременном выполнении условий:

известны физические процессы, приводящие к ресурсным отказам, а также математические модели изменения прямых (структурных) и косвенных (диагностических) параметров;

для каждого прямого ПТС установлены предельные значения, достижение которых определяет величину ресурса по данному параметру;

в процессе наблюдения за изменением технического состояния изделия имеется возможность фиксации параметров, отражающих индивидуальные особенности изделия;

имеется информация о функциональных или регрессионных соотношениях между прямыми и косвенными ПТС;

зависимость между математическими ожиданиями прямых и косвенных ПТС является монотонной и непрерывной.

Определение остаточного ресурса по косвенным ПТС сопровождается, в общем случае, тремя видами погрешностей:

погрешностями измерения косвенных параметров;

погрешностями, связанными со случайной природой физических процессов развития отказов, а также методическими погрешностями определения прямых ПТС по значениям косвенных.

В зависимости от того, какой информацией располагает исследователь относительно объекта, остаточный ресурс которого прогнозируется, в РД рассмотрены три группы типовых ситуаций.

Первая группа типовых ситуаций характеризуется наличием следующей информации:

известны вид функции F, определяющий связь между прямыми и косвенными параметрами, все коэффициенты и дисперсии этих коэффициентов;

имеются результаты периодических измерений каждого косвенного параметра.

Вторая группа типовых ситуаций характеризуется следующей информацией:

вид функции F известен, коэффициенты неизвестны;

имеются результаты периодических измерений косвенных параметров, а также результаты обучающего эксперимента, в процессе которого производится одновременное измерение пряных и косвенных ПТС.

Третья группа типовых ситуаций характеризуется следующей информацией:

функция F монотонна и непрерывна (общий вид неизвестен);

имеются результаты обучающего эксперимента.

В РД приведены соотношения для расчета остаточного ресурса и его дисперсии для указанных групп типовых ситуаций в общем виде.

Дисперсия оценки остаточного ресурса представлена в виде суммы трех слагаемых: погрешности измерений, погрешности определения коэффициентов функции F и дисперсии случайного изменения приращений контролируемых параметров.

Использование приведенных в РД соотношений затрудняется необходимостью большого объема предварительных исследовании для установления исходных данных. Наиболее доступным для практического использования является метод, основанный на степенной аппроксимации изменения ПТС, включенным также в ГОСТ 27.302-86 для прогнозирования процессов изнашивания и других монотонных процессов ухудшения технического состояния объектов.

Изложенный в ГОСТ 27.302-86 метод оценки остаточного ресурса предназначен для прогнозирования процессов изнашивания и других монотонных процессов ухудшения технического состояния узлов и агрегатов машин, оборудования и приборов.

Математическое описание процесса изменения параметра технического состояния Y(t) (после приработки) основано на аппроксимации каждой реализации данного процесса случайной функцией следующего вида:

                                                   (1)

где К - случайное для группы одноименных составных частей, но неизменное для каждой реализации случайного процесса значение показателя скорости изменения параметра;

a - показатель степени аппроксимирующей функции, характеризующий конструктивные особенности составной части;

z(t) - нормальный стационарный случайный процесс отклонений фактических значений параметра от аппроксимирующей степенной функции каждой реализации процесса Y(t).

Статистические характеристики случайного процесса z(t) при t>0,3 Тср следующие:

                                           (2)

Средний остаточный ресурс составной части вычисляют на основе информации об изменении параметра ее технического состояния Yк и о наработке tк к моменту контроля по приближенной формуле:

.                                                   (3)

При s< 0,03 Yп можно не учитывать поправочный коэффициент Kt.

Точно условный средний остаточный ресурс определяют по формуле

                                               (4)

где Q[п. tocт/Y(tr) = Yк] - условная вероятность отказа (условие состоит в том, что в момент tк значение отклонения параметра составляет Yк).

Для определения остаточного ресурса с заданной вероятностью безотказной работы и оптимального остаточного ресурса используют уравнения, куда входит условная вероятность отказа Q(tocт/Y(tк), являющаяся функцией условного распределения остаточного ресурса.

Для практических вычислений рекомендуется рассчитать таблицы и номограммы остаточного ресурса. Пример такой таблицы, где значения остаточного ресурса нормированы в единицах межконтрольной наработки, приведен в Государственном Стандарте.

Необходимую точность оценки рекомендуемый метод обеспечивает в том случае, если изменение параметра технического состояния к моменту контроля составляет не менее половины предельного отклонения параметра Yп и при соблюдении условия tocт<0,5 tк.

При выполнении всех приведенных условий погрешность рекомендуемого метода прогнозирования не превышает 8-9%.

3.3. Оценка остаточного ресурса по изменениям контролируемого параметра

В тех случаях, когда показатели назначения оборудования монотонно изменяются по времени (наработке), а дисперсия показателей не изменяется, для прогнозирования остаточного ресурса может быть использован метод, изложенный в ГОСТ 23942-80.

Правила стандарта разработаны для линейного:

Y(t) = С1+ C2t,

квадратического

Y(t) = С1 + C2t + C3t                                                       (5)

и экспоненциального законов изменения показателя назначения

Y(t) = exp {C1+ C2t},                                                     (6)

где С1, С2, С3 - неизвестные коэффициенты,

t = ti - t0, t³0,

t0³0 - начальное значение наработки изделия.

Для использования метода, рекомендованного в ГОСТе необходимо убедиться в том, что изменение контролируемого параметра подчиняется одному из законов (4-6), а его дисперсия не изменятся с увеличением наработки изделия (см. раздел 6).

Показатель назначения оценивают по измеренным значениям контролируемого параметра

Yi = F(ti)+Di; i = 1,..., N;                                                     (7)

где ti - значение наработки в i-й момент измерения

tc£t1£t2££tN,

Di - неограниченная случайная величина с дисперсией D, симметрично распределенная относительно математического ожидания, равного нулю, либо симметрично распределенная, ограниченная случайная величина, для которой при всех значениях наработки выполняется условие

-D £ D(t) £D, 0 < D < ¥.

Число измерений N выбирают из условия:

N > 2 m,

где m - количество неизвестных коэффициентов закона изменения параметра, Рекомендуется выбирать N³11.

Моменты измерения ti выбирают таким образом, чтобы случайные величины Di были практически независимыми.

Теоретической основой ГОСТ 23942-80 является оценка соответствующих показателей на базе общеизвестного метода наименьших квадратов.

При линейном законе изменения параметра рекомендуется следующий порядок прогнозирования.

1. Проводят N измерений Yi (i=1, 2, ..., N) контролируемого параметра в определенные моменты времени ti.

2. Вычисляют величины

где через S обозначают сумму по i от 1 до N.

3. Вычисляют точечные оценки коэффициентов закона (4):

С1 = Y1×D11×+Y2×D21; С2 = Y1×D12+Y2×D22.

4. Вычисляют оценку среднего квадратического отклонения параметра

где S=S(Yi - С1 - C2×ti)2.

5. Вычисляют средние квадратические отклонения коэффициентов С1 и С2:

6. Вычисляют гарантированные оценки коэффициентов

Cj = Cj ± K×sj (j = 1; 2),

где (+) берется при возрастающем параметре, (-) - при убывающем;

К = 1,282 (при g= 0,9); 1,6459(g= 0,95); 2,326(g= 0,99);

g - доверительная вероятность.

7. Вычисляют средний (ожидаемый) ресурс

Тср = (Yп - C1)/C2 - tк

где tк - наработка на момент последнего контроля.

8. Вычисляют гарантированный остаточный ресурс

Тg = (Yп - C1)/C2 - tк.

Пример прогнозирования остаточного ресурса изложенным методом приведен в приложении 1

Виды функциональных зависимостей, их графика и формулы для определения коэффициентов уравнений, отличающихся от (4) - (6) могут быть взяты из справочника [27] или табл. 6.

4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Уточненные методы прогнозирования остаточного ресурса основаны на учете размеров дефектов и повреждений, возникших в элементах оборудования. Поэтому от точности и достоверности определения этих размеров зависят точность и достоверность прогноза. Поскольку сплошной контроль элементов сосудов всеми методами выполнить удается редко (из-за больших поверхностей аппаратов), применяют выборочный контроль и оценку поврежденности по наибольшим размерам выявленных дефектов; чтобы при этом не возникало большой ошибки необходимо применение статистических методов.

4.1. Оценка предельных размеров повреждений статистическими методами

Достоверность контроля, характеризующая степень соответствия его результатов фактическому техническому состоянию объекта, определяется двумя показателями: точностью и доверительной вероятностью. Точность измерения указывают в виде доверительного интервала (например, для толщины стенки 20±2 мм) или односторонней доверительной границы (например, минимальная толщина стенки - 18 мм). Доверительную вероятность, т.е. вероятность нахождения фактического размера внутри доверительного интервала, стандарты по измерениям рекомендуют указывать в зависимости от ответственности контроля, но не ниже 0,95. При обычном уровне контроля доверительную вероятность не определяют, в основном, из-за недостаточной методической подготовки и квалификации персонала, проводящего обследование.

Источники погрешностей при измерениях можно подразделить на объективные и субъективные. Субъективными являются погрешности, обусловленные действиями конкретного оператора (его квалификацией, физико-психическими данными, состоянием здоровья и др.). Объективными источниками являются погрешности метода и средств измерений, а также статистические отклонения, обусловленные выборочным контролем показателей, имеющих разброс (рассеяние).

Например, при измерении толщины стенок портативными ультразвуковыми толщиномерами типа Кварц-15, УТ-93П техническая погрешность измерений составляет 0,1-0,2 мм, что не оказывает существенного влияния на точность контроля остаточной толщины стенок аппаратов. Более высокую погрешность обуславливает разброс толщины стенок, присущий листовому прокату, из которого изготовляют аппараты. Допуск на отклонения толщины листов проката достигает 5% от номинального размера и при толщинах более 20 мм отклонения могут достигать 1 мм.

Но самый большой вклад в разброс результатов измерений вносит действительное различие толщины стенок из-за неравномерности их коррозии. Это различие часто бывает вызвано различием условий нагружения различных участков поверхностей (различием концентраций агрессивных компонентов, температур, скоростей потоков, механических напряжений и др.), а также стохастическими свойствами процесса коррозии.

Участки, подвергающиеся повышенным нагрузкам и коррозии обычно известны, определяются по конструктивным признакам и по результатам внутреннего осмотра аппаратов. Именно такие участки и подвергают более тщательному контролю. Однако и на участках находящихся в одинаковых условиях нагружения, наблюдаются различия в глубине проникновения коррозии [23].

При традиционной схеме на карте контроля точки для измерения толщин распределяют равномерно по поверхности аппарата.

На каждое днище, царгу или отдельный лист (на развертке) планируют по несколько замеров (обычно не менее 4), число которых увеличивают пропорционально площади контролируемой поверхности. После измерений определяют минимальную толщину стенки и сравнивают ее с расчетной. Если разность положительна, то считают аппарат пригодным для дальнейшей эксплуатации, в противном случае аппарат бракуют. Поскольку измерения осуществляют выборочно (в намеченных точках), то при описанном методе минимальная из измеренных толщин может оказаться существенно больше, чем фактическая минимальная, имеющаяся на аппарате. Достоверность контроля при этом остается неопределенной, если учитывать размеры поверхности аппарата.

При планировании измерений возникает вопрос о необходимом и достаточном числе измерений "n"; чем больше "n", тем выше достоверность контроля, но тем выше и его трудоемкость. Рассмотрим предельные случаи. При сплошном контроле, т.е. когда измеряют толщину стенок на всех элементарных участках, глубина коррозии на которых не зависит от соседних участков, минимальная толщина стенки может быть определена со 100% доверительной вероятностью. При величинах S, порядка 10-100 см2 сплошной контроль практически возможен только для небольших участков поверхности аппарата. Другой предельный случай - единственное измерение на контролируемом участке, т.е. n=1. Такие случаи возможны и имеют место в практике обследования для отдельных участков поверхности аппаратов. При этом достоверность контроля может быть достаточно высокой, если известна мера разброса толщины стенки, то есть коэффициент вариации глубин коррозии, Vh. При сплошной коррозии величина Vh обычно находится в интервале 0,1 - 0,4. При известном значении Vh соответствующем нижней границе этого интервала, величина возможного отклонения от измеренной однократно глубины коррозии (30-50%) может быть вполне приемлемой для потребностей практики (см. табл. 3).

Таблица 3

Возможное превышение измеренной глубины коррозии (в %) на поверхности площадью s=m×sc при уровне доверительной вероятности 0,99.

M = S/Sc

Vh

0,1

0,2

0,3

0,4

2

29,4

70,2

130

232

10

36,7

90,7

175

329

100

41,7



Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: