Наибольшее число отказов вызвано поверхностными процессами – изнашиванием, коррозией, эрозией, кавитацией и их совместным действием. Например, анализ отказов различных видов арматуры (более 150.000 случаев, данные ЦКБА) показал, что их основной причиной явились различные виды изнашивания – 65%, коррозии – 25%, эрозии и кавитации – 5%.
Особенно потенциально опасны агрессивные и коррозионно-активные среды. Кроме коррозионного поражения эти среды в условиях действия полей напряжений приводят к усилению механохимических реакций – резкому возрастанию скорости растворения деформированных участков поверхности, коррозионному растрескиванию, значительной интенсификации изнашивания, эрозии и кавитации.
Термическое воздействие среды приводит к заклиниванию деталей в сопряжениях вследствие различного коэффициента термического расширения, возрастанию коррозионной активности рабочей среды, возникновению в деталях дополнительных полей термонапряжений, изменению механических свойств материала и др.
СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНОВ С НАДЕЖНОСТЬЮ УЗЛОВ ОБОРУДОВАНИЯ
Важность учета специфики надежности клапанов, как с непрерывностью процесса, необходимостью точного регулирования, так и с огромным количеством установленных клапанов, очевидна. Их количество на одном крупном энергоблоке может доходить до 40.000 ед. При этом на долю отказов установки в целом по причине выхода из строя клапанов может приходиться до 60-70%.
Среди общих простоев до 15% приходится на долю клапанов и арматуры. В структуре ремонтного цикла на долю арматуры приходится также значительная часть. Каждое ТО связано так же, как минимум, с осмотром арматуры и ведением ее паспорта. Сам отказ клапанов может приводить как к полному отказу установки, так и к постепенной потере эффективности. По классификации отказов клапаны попадают во все категории, см. табл. 2.7.
Табл. 2.7. Категории отказов клапанов
Уже достаточно давно установлено, что максимальные простои приходятся на первые годы эксплуатации. И далее, приближаясь к 8 годам эксплуатации, когда большая часть узлов исчерпывает свой ресурс, эксплуатационные затраты растут, а эксплуатационная эффективность падает. Заметное снижение уровня надежности в целом начинается через 4-5 лет после выхода на нормальный режим эксплуатации. Эти данные могут использоваться для повышения и расчета надежности клапанов, в частности, для того чтобы кратность их замены приходилась на этапы замены и других изношенных узлов. При этом уровень капитального ремонта всей установки может быть повышен. Таким образом, формируя ремонтный цикл арматуры до уровня 4-5 лет после выхода на нормальный режим установки в целом, можно добиться повышения надежности и эффективности, как капитального ремонта, так и эксплуатационной эффективности установки в целом.
Из процессов, действующих на клапаны и арматуру в составе энергоустановки, можно выделить 3 основных:
– обратимые – временно изменяющие параметры и поддающиеся регулированию, например, процессы регулирования,
– необратимые – износ штока, седла клапана, "разлохмачивание" сальникового уплотнения и др.,
– медленно развивающиеся процессы – зарастание масляной шубой пневмопровода, карамелизация клапана, прикипание, забивание слизью, уплотнение сгустков и др.,
– монотонные процессы средней скорости – линейное расширение клапанов пароконденсатной группы при температурах эксплуатации.
– быстроизменяющиеся процессы – работа клапана в условиях высокой вибрации трубопровода, наличие кавитации.
Учитывая, что в большей степени в настоящее время применяют поузловое обслуживание и ремонт, то обслуживание клапанов также должно сочетаться с кратностью обслуживания этих узлов. Надежность клапанов и арматуры должна быть больше нормируемых показателей надежности для этих узлов.
Общая эксплуатационная надежность одного и того же клапана или его элемента может отличаться в десятки раз. Так, по данным, приведенным в исследованиях по надежности в ряде отраслей, показаны следующие цифры, см. табл. 2.8. Из этих же данных можно увидеть и место вероятности отказа клапана среди других элементов контуров регулирования и сопряженных узлов.
Табл. 2.8. Вероятность отказа клапанов и элементов контуров регулирования
Внезапные и постепенные отказы
В зависимости от характера изменения параметров отказы делятся на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров вследствие старения, например, прокладки, мембраны или износа, например, затвора или штока и т.п. В интеллектуальных клапанах, в которых применяются цифровые регуляторы, встречаются т.н. сбои.
Для иллюстрации постепенных и внезапных отказов рассмотрим схему, как контура регулирования, так и внутренней передаточной функции самого клапана.
Контур регулирования выглядит следующим образом: «датчик – коммуникатор – преобразователь – логическое устройство – коммуникатор – преобразователь – клапан». Из проблем, связанных с этими элементами, к внезапным отказам, означающим полную потерю работоспособности клапана или потерю работоспособности за короткое время, можно отнести заклинивание клапана и катастрофические утечки. К постепенным – износ, заедание клапана, постепенное накопление люфтов в механических соединениях, карамелизация и др.
Внутренняя передаточная функция и внутренняя схема передачи сигнала клапана строится следующим образом: задание значения управления «позиционер-привод-клапан» и обратная связь с отслеживанием положения клапана. В этой схеме к внезапным отказам можно отнести заклинивание клапана, разработку отверстий, разбалтывание болтов между штоком и клапаном с последующим заклиниванием, забивание инородными предметами, грязью и т.п. К постепенным отказам – постепенный износ затвора с постепенным увеличением протечек, постепенное «разлохмачивание» уплотнений и сальников, постепенное увеличение мертвого хода в связи с разбалтыванием механических соединений, постепенное увеличение пропуска воздуха в приводах и энергопотребления в связи с износом поршня и др.
Кроме наиболее прогнозируемых постепенных отказов необходимо предусматривать и возможность защиты от катастрофических и случайных отказов. Катастрофическая авария – отказ с разрушением клапана и существенным ущербом. Например, это вынос штока из клапана, находящегося под давлением с катастрофической потерей рабочей среды. Случайная авария – событие, связанное с разрушением клапана или его частей в результате небрежности обращения. Примером является, например, повреждение соединения штока с затвором при использовании для усиления крутящего момента – т.н. «крючка». Другой пример – это непонимание связи работы внутренних частей клапана и приваривание хомута к клапану; удары по корпусу клапана для сбива свода при карамелизации, чтобы не было заеданий, при котором вероятно появление трещин; использование нерегламентированных агрессивных промывных жидкостей для снятия меркаптана с поверхности топливных клапанов, например, керосина, которые могут привести к разбуханию сальников и тефлоновых подшипников; заливка неочищенных смазок в клапан, замена подшипников в клапане с нарушением правил и технологии сборки; нарушение инструкций по эксплуатации; несоблюдение температурных режимов.
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 программно-диагностических комплексов, например, 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.
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 сервисного центра, применение в начальный период эксплуатации диагностических средств позволяет повысить временную стабильность работы клапанов, 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. к 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. Функции большинства типов арматуры состоят 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.
Главные входы и выходы запорной арматуры:
– 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.2.9.
Табл. 2.9. 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. Он зависит 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, от которых напрямую зависит качество поддержания режимных параметров и безопасность процесса. С ростом требований к системе, повышению ее сложности или опасности арматура может переходить из класса «бюджетной» надежности в высоконадежную. В одних случаях отказы арматуры приводят к возникновению катастрофической ситуации. Примером может быть утечка токсичных сред, взрывов, выход из строя дорогостоящего объекта. В других случаях – к ограниченному экономическому ущербу – нарушению технологического процесса, колебательности процесса или выходных параметров технологического режима.