Характеристика отказов объектов промышленной теплоэнергетики

Классификация отказов объектов промышленной энергетики. Характеристика основных изменения выходного параметра во времени в процессе накопления повреждений. Изучение особенностей модели интенсивности отказов для отдельных элементов ремонтируемого объекта.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лекция
Язык русский
Дата добавления 19.09.2017
Размер файла 159,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

27

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция № 4. Характеристика отказов объектов промышленной теплоэнергетики

Введение

ГОСТ 27.002-89 11 ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия и определения. Госкомитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. -М.: 1990.определяет тринадцать основных видов отказов технических объектов. Эта классификация не является единственной, но она достаточно полно обобщает накопленный опыт эксплуатации объектов различного назначения.

Практика эксплуатации показывает, что на многих однотипных объектах возникают преимущественно отказы одного или нескольких видов и в тоже время один и тот же отказ может принадлежать к нескольким классам.

Существуют достаточно изученные общие закономерности возникновения и развития основных отказов, что позволяет рекомендовать для практических расчётов хорошо проявившие себя модели отказов. Рассмотрению некоторых таких закономерностей посвящена данная лекция.

1. Классификация отказов объектов промышленной энергетики

Отказы классифицируют по способам проявления или обнаружения, по причинам возникновения, по последствиям или способам устранения.

По способу проявления (обнаружения) отказа различают:

Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одного или нескольких параметров объекта.

Постепенный отказ - отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта.

Явный отказ - отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ - отказ не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования , но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

По причинам возникновения различают:

Конструктивный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ - отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами.

Зависимый отказ - отказ, обусловленный другими отказами.

По последствиям, наступающим после отказа, различают:

Ресурсный отказ - отказ, в результате которого объект достигает предельного состояния.

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

В различных отраслях техники существуют ведомственные классификации, необходимость которых объясняется тем, что требуется, например, дополнительно учесть потери, вызванные отказом. Такие классификации обычно затрагивает интересы заказчика и поэтому согласовываются с ним. Подобный подход часто встречается в международных стандартах. Классификация по последствиям отказа необходима при нормировании надёжности (в частности, для обоснования выбора номенклатуры и численных значений показателей надёжности), а также при установлении гарантийных обязательств.

Разделение отказов на внезапные и постепенные носит условный характер, так провести границу как между ними для многих объектов практически невозможно.

Цель такого разделения связана с желанием прогнозировать момент наступления отказа. Считается, что внезапный отказ невозможно предсказать с использованием средств диагностирования. Однако механические, физические и химические процессы, которые лежат в основе накопления повреждений в деталях и узлах, как правило, протекают достаточно медленно. Так, например, усталостная трещина в трубопроводе теплотрассы, зародившаяся из коррозионной язвы, медленно растёт в процессе эксплуатации и может быть своевременно обнаружена средствами неразрушающего контроля (постепенный отказ). Если соответствующий контроль не проводился, то появление течи (отказ) будет внезапным. С развитием средств технического диагностирования всё большее число отказов будет переходить в класс постепенных.

Классификация отказов по причинам возникновения установлена с целью выявления, на какой стадии создания или существования объекта следует провести мероприятия для устранения причин отказов. Подобную классификацию необходимо применять и для комплектующих элементов, изготовленных на другом предприятии. При эксплуатации сложных объектов встречаются отказы, имеющие не одну, а несколько причин.

Особого внимания заслуживают деградационные отказы, которые встречаются чаще всего на заключительной стадии эксплуатации объекта, когда вследствие естественных процессов старения и изнашивания объект или его элементы приближаются к предельному состоянию. Расчётами на прочность деталей и узлов должна быть обеспечена достаточно малая вероятность возникновения деградационных отказов в течение назначенного ресурса (межремонтного срока). Кроме того, для снижения такой вероятности предусматривается соответствующая система технического обслуживания и ремонта.

Многообразие объектов и соответствующее многообразие отказов позволяют дополнительно классифицировать их, например, по природе происхождения (естественные и искусственные), по возможности последующего использования объекта (полные и частичные), по числу причин отказов элементов объектов и т.п.

2.Модели отказов

Отказ - это нарушение работоспособности объекта, которое имеет различные причины возникновения и разнообразные формы проявления. Отказы приводят к ухудшению эксплуатационных свойств объекта и всегда связаны с материальными потерями. Формы проявления отказов зависят от вида объекта, от характера действия нагрузки на его элементы, от качества эксплуатации. Характерными проявлениями отказов могут быть отклонения выходных параметров от нормативных значений, механические повреждения, приводящие к появлению трещин, поломок или деформаций, рассогласования регулирующих и управляющих систем, приводящие к ухудшению экономичности, точности и т.п.

Анализ характеристик надёжности нельзя проводить в отрыве от целевого назначения объекта и его функциональных характеристик. Это относится и к понятию отказ, содержание которого нельзя рассматривать в отрыве от сущности выполняемой объектом главной функции. Для котлоагрегата это будет выработка пара с нормативным значением параметров, для турбоагрегата - развитие мощности, передаваемой электрогенератору, для теплообменника - передача определённого количества тепловой энергии.

При исследовании надёжности сложных технических объектов, например, ТЭЦ или ГРЭС, необходимо различать отказ объекта в целом, отказ функциональных систем и их агрегатов и элементов. При отказе объекта в целом ущерб вероятнее всего будет максимальным, а в случае отказа отдельных агрегатов может быть частично сохранена его работоспособность. В этом случае функционирование объекта будет происходить с меньшей эффективностью, но при этом следует учесть фактическую потребность в уровне выходного эффекта, которая также может быть понижена. Так, например, при наличии на газотурбинной ТЭЦ нескольких газотурбинных агрегатов одинаковой мощности и отказе одного из них общая мощность станции снижается. Но в случае, если нагрузка на станцию в момент отказа обеспечивается оставшимися в действии агрегатами, то потребитель может не ощутить возникновение на станции отказа и, следовательно, ущерб от него снижается по сравнению с ситуацией, когда от станции требуется полная мощность.

Таким образом, в зависимости от последствий отказов, а также от характера их развития и проявления различают следующие условные формы надёжности:

- функциональную, когда объект не способен выполнять заданные функции;

- параметрическую, когда выполняемые функции не удовлетворяют требованиям экономичности и эффективности;

- прочностную, когда происходят повреждения и поломки и не обеспечивается необходимая долговечность.

Для каждой из этих форм надёжности существует несколько вариантов развития (моделей) отказов.

Наиболее изученными являются следующие модели отказов.

1. Модель мгновенных повреждений (внезапные отказы). Например, при работе турбоагрегата с переменной нагрузкой на электрический генератор происходит случайное кратковременное увеличение нагрузки до номинального уровня. Система автоматического регулирования для обеспечения потребной мощности увеличит подачу пара, что вызовет рост напряжений в рабочих лопатках турбины. Предположим, что отказ (поломка лопатки) наступает в том случае, когда нагрузка превышает некоторый допустимый уровень. Вследствие случайного изменения нагрузки отказ также является случайным и не зависит от того, сколько времени турбоагрегат находится в эксплуатации, и от того, в каком состоянии находились лопатки перед отказом. Различают модели случайных отказов с постоянной, возрастающей и убывающей интенсивностью.

При внезапных отказах используют экспоненциальный закон надёжности, а количество отказов за определённый промежуток времени прогнозируют на основе формулы Пуассона. Подробнее об этом законе будет сказано в Лекции №5.

2. Модель накапливающихся изменений (постепенные отказы). Эта модель реализуется, когда в процессе функционирования объекта в его элементах накапливаются изменения (повреждения). Постепенное старение и (или) износ элементов приводят к тому, что их рабочие параметры выходят за допустимые пределы. Постепенно ухудшается качество функционирования всего объекта. Выход за нижний допустимый предел качества функционирования (например, экономичности или мощности) влечёт за собой отказ изделия в целом. Один из вариантов модели постепенных отказов, учитывающей изменение характеристик выходного параметра объекта в результате накопления повреждений из-за износа и старения материала и поле допуска на его изменение, рассмотрен ниже.

На рис. 1 представлены характеристики изменения выходного параметра X во времени при различных процессах накопления повреждений при воздействии на объект нагружающих факторов и внешних условий22 Пронников А.С. Надёжность машин. М.: Машиностроение. 1978. .

Рис. 1. Характеристика изменения выходного параметра во времени в процессе накопления повреждений

Отказ объекта происходит по достижении выходным параметром своего предельного значения Xmax . В начальный момент времени (при t=0) этот параметр имеет математическое ожидание a0 с законом рассеивания значений f(a). Это рассеивание связано с различными величинами вибраций, теплового расширения, деформации из-за механических нагрузок и влиянием других процессов, вызванных переменными режимами работы объекта.

В процессе функционирования объекта по мере выработки заложенной долговечности происходит накопление необратимых изменений, обусловленных износом и старением материалов, накоплением длительных и усталостных повреждений, а также коррозионными, эрозионными и другими воздействиями. Эти изменения характеризуются величинами

,

где i - скорость накопления повреждений. Процесс изменения параметра X со скоростью x является случайным, зависящим от скорости повреждения отдельных элементов объекта.

В результате взаимодействия указанных событий происходит формирование закона распределения f(x,t) , который определяет вероятность выхода параметра за границу Xmax, т.е. вероятность отказа

.

Данная модель описывает формирование отказа, как при постепенном, так и при внезапном его проявлении. Если обозначить время начала проявления повреждений через Тв, то в первом случае процесс изменения параметров начинается сразу при Тв = 0 , а во втором случае функция f(Тв) после возникновения повреждения протекает с большой интенсивностью X(t) .

На рис. 2 представлена модель формирования закона распределения постепенного отказа объекта с линейной зависимостью интенсивности изменения параметра X во времени X = kt .

Рис.2. Модель постепенного отказа объекта при линейной зависимости скорости изменения параметра X во времени

В данном случае скорость k = и зависит от большого числа случайных факторов, что чаще всего характеризуется нормальным законом распределения

,

где f(t) - плотность вероятности;

ср - математическое ожидание скорости процесса повреждаемости;

- среднее квадратическое отклонение скорости процесса.

Для объектов промышленной энергетики характеристики процессов развития отказов могут быть значительно сложнее, чем рассмотренные выше. Износ или старение могут служить косвенными причинами отказа, когда их величину невозможно проконтролировать в эксплуатации, а вследствие увеличившегося, например, зазора в подшипниках происходит заклинивание ротора турбины. Отказ может быть вызван сразу несколькими причинами, влияние которых меняется в зависимости от условий эксплуатации. Причём эти причины могут быть независимыми или взаимосвязанными.

Характеристики изменения во времени показателей надёжности многих промышленных объектов имеют много общего. На рис 2.3 представлена типичная для объектов промышленной энергетики зависимость изменения во времени уровня надёжности в процессе длительной эксплуатации с плановыми ремонтами.

Рис.3. Зависимость вероятности безотказной работы P(t) ремонтируемого объекта от времени эксплуатации t; N(t) - количество заменённых узлов при ремонте

Уровень надёжности отдельного объекта, точнее вероятность его безотказной работы за время межремонтного цикла постоянно снижается, так как происходит износ материалов и накопление усталостной повреждаемости. Снижение происходит от начальной величины P0 до минимально допустимой Pmin. В момент времени t1, когда уровень надёжности достигает Pmin , эксплуатация объекта прекращается и выполняется плановый восстановительный ремонт. После замены или ремонта наиболее изношенных агрегатов объект начинает эксплуатироваться вновь, однако уровень его надёжности будет ниже начального значения, т.е. P1<P0. Объект используется по назначению до момента t2, когда вновь возникает необходимость очередного ремонта. При этом при выполнении очередных ремонтов растёт количество N заменяемых агрегатов (узлов или деталей).

На рис.4 представлены характеристики изменения основных составляющих интенсивности отказов во времени t , которые показывают, что в процессе эксплуатации ремонтируемых объектов происходит снижение отказов, связанных с конструктивными и производственными недостатками, и одновременное возрастание частоты отказов из-за износа, старения и усталостных повреждений (ресурсные отказы).

Рис.4. Модель интенсивности отказов для отдельных элементов ремонтируемого объекта

1-общий уровень; 2- «выгорающие» отказы; 3 - ресурсные отказы; 4 -случайные отказы

энергетика промышленный отказ повреждение

Как следует из рис.4, между уровнем надёжности и периодом использования ремонтируемого объекта по назначению существует неразрывная связь. Для каждого периода эксплуатации можно выделить определяющую модель отказов, которой соответствует при получении количественных оценок конкретный математический аппарат. Общим является подход к изучению отказов как к случайным событиям с определёнными законами распределения.

После возникновения отказа в процессе использования объекта по назначению для его устранения выполняют комплекс мероприятий, одним из которых является выявление источника (локализация) и причин отказа. Отказавший элемент, узел или механизм определяют двумя дополняющими друг друга методами анализа: методом структурных схем надёжности (метод «снизу вверх») и методом «дерева отказов» (метод «сверху вниз»).

Метод структурных схем надёжности заключается в последовательном преобразовании параллельных и последовательных участков структурной схемы надёжности эквивалентными блоками до сведения её к одному блоку. Основной принцип метода заключается в последовательной постановке вопроса, к какому событию в процессе работы объекта (его элементов) приводит отказ элемента следующего уровня структуры, т.е. в осуществлении анализа «снизу вверх».

Для большинства механических систем возможны три основных причины отказов:

- действие энергии окружающей среды, включая человека, выполняющего функции оператора или ремонтника;

- действие внутренних источников энергии, которые связаны как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

- действие потенциальной энергии, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

Различные виды энергии, действующие на машину, вызывают в ее узлах и деталях процессы, связанные со сложными физико-химическими явлениями, приводящими к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров объекта, что может привести к отказу. Процессы, приводящие к изменению начальных свойств объекта, протекают в материалах, из которых созданы элементы, включая не только детали машины, но и смазочные материалы, топливо, которые участвуют в рабочем процессе.

Приведем примеры этих взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в турбине, приводит к изнашиванию подшипников, к изменению осевых и радиальных зазоров в проточной части. Это вызывает искажение начального положения ротора относительно статора, может быть источником повышенных вибраций корпуса турбины, что может привести в конечном итоге к задеванию ротора о статор. В результате может произойти разрушение лопаточного аппарата.

Химическая энергия вызывает процессы коррозии в трубных системах и коллекторах котлоагрегатов, в теплообменных аппаратах и теплотрассах. Повреждение стенок труб различного теплотехнического оборудования может привести вначале к ухудшению выходных параметров объекта (утечка теплоносителя, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя.

Различают обратимые и необратимые процессы, происходящие в агрегате и влияющие на его технические характеристики. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример таких процессов - отложение шлака в топке котлоагрегата или загрязнение проточной части газотурбинных двигателей промышленными частицами (выхлопные газы, пары масла и т.п.). Регламентные работы по очистке рабочих поверхностей практически полностью восстанавливают характеристики агрегатов.

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик машины с течением времени. Характерными необратимыми процессами в турбомашинах являются эрозия лопаток турбин, работающих на влажном паре, изнашивание подшипников, наружная и внутренняя коррозия трубных систем котлоагрегатов, накопление усталостных повреждений в лопатках компрессоров ГТД, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.

Заключение

Рассмотренная классификация отказов технических объектов находит широкое применение при решении рекламационных и претензионных вопросов, когда требуется составить обоснованный документ, устанавливающий вину либо поставщика, либо потребителя. Не менее важным является правильная классификация отказов для разработки программ обеспечения надёжности и разработки конкретных мероприятий по предупреждению отказов.

Моделирование процессов накопления повреждений на основе изложенных в лекции гипотез может быть полезным при обосновании требований к показателям надёжности вновь создаваемых объектов, а также при ретроспективном анализе причин возникновения тех или иных отказов.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.