Надёжность сложных систем

С точки зрения надёжности технологический узел или схема от­носится к сложным системам. определение надёжности сложных тех­нологических систем несколько отличается от ранее принятого для простых систем.

Надёжность химико - технологической системы - это свойство системы выполнять заданные функции при определённой интенсивно­сти отказов её элементов, сохраняя свои эксплуатационные показате­ли в течении требуемого промежутка времени или требуемой наработ­ки. В этом случае модель функционирования рассматривается как сложная система с несколькими уровнями иерархии. Например, центробежный насос с герметическим приводом (система) состоит из трёх основных узлов (подсистемы) - электродвигателя нагнетатель­ного устройства и корпуса. В каждой подсистеме можно выделить подсистему низшего уровня - сборочные единицы (ротор в сборе, подшипники) и т.д.

Рассмотрим некоторые особенности выбора номенклатуры и на­значения норм показателей надёжности применительного к нефтезаводскому оборудованию. При этом имеется в виду, что в основу рассмотрения принята сложная система, включающая оборудование технологического узла или технологической установки.

При выборе номенклатуры нормируемых показателей надёжно­сти следует исходить из условий рабочего давления, рабочей темпе­ратуры и физико-химических свойств перекачиваемой среды. С учё­том этого все технологическое оборудование в зависимости от свойств среды делится на пять групп (А,Б,В,Г,Д), в зависимости от парамет­ров среды (давления и температуры) - на пять категорий (I, II, III, IV, V). Первая группа и первая категория - наиболее ответственное оборудование. Так, к группе А первой категории относится оборудо­вание с токсическими свойствами, при температуре переработки до + 700 ° С и любом давлении. К группе Д категории V относится обору­дование, предназначенное для негорючих газов, жидкостей и паров с температурой от 0 до + 120 °С и давлением 16 кг/см (1,6 МПа).

Исходя из такого давления оборудования номенклатура показа­телей надёжности устанавливается следующим образом:

А) для малоответственного оборудования (группы Г и Д, кате­гории IV и V) – по

"шифру" (см. табл. 7);

Б) для ответственного оборудования (группа А, Б, В и категории I- III) - по "шифру" и независимо от номенклатуры полученной по нему назначить нормируемые показатели Р(t), К_г и Т_ср.

Теперь рассмотрим вопрос о назначении норм показателей на­дёжности.

Разобьём всё оборудование на следующие четыре группы:

1) оборудование емкостного типа, подлежащего ведению Госгортехнадзора; 2) типовое или стандартное оборудование; 3) трубо­проводы; 4) оборудование, не подлежащее ведению Госгортехнадзора, вспомогательное и другое неответственное.

Для оборудования первой группы отказы должны носить недо­пустимый характер, поскольку отказ таких элементов может привести к серьёзным авариям с большим экономическим ущербом. В связи с этим такое оборудование должно проектироваться с вероятностью безотказной работы, равной единице P(t) = 1. Для достижения этих показателей используются:

А) узаконенные методы и нормы расчётов;

Б) обоснование нормы по долговечности работы оборудования (срок службы, назначенный ресурс и др.).

В узаконенных нормах расчётов используется так называемый принцип избыточности. Избыточность - это основной метод повыше­ния надёжности систем и элементов за счёт создания определённых запасов (прочности, жесткости, резервирования и др.) с целью уда­ления рабочих параметров от предельных. Принцип избыточности при расчёте и проектировании с системой мероприятий по надзору и обслуживанию оборудования позволяет обеспечивать необходимую вероятность безотказной работы. Этим вопросам будут посвящены следующие разделы.

При проектировании типового или стандартного оборудования, конструктор использует ту номенклатуру показателей надёжности и их норму, которая приводится в паспорте на оборудование, вы дан­ным заводом - изготовителем. Эти данные используются для опреде­ления показателей надёжности сложной системы. Однако здесь сле­дует обращать внимание на следующий факт. Поскольку стандартное оборудование принимается по каталогу, то не всегда имеются все не­обходимые сведения, которые необходимо отразить а показателях на­дёжности сложной, какой является технологический узел. Например, по всем технологическим параметрам подобрана трубчатая печь для подогрева сырья. Однако отказ может наступить не только в резуль­тате износа труб или ретурбендов, что учтено при проектировании, но и в результате прогара труб, вызванного локальным перегревом ввиду отложения на стенках труб твёрдых продуктов отложения (кокс, соли и др.)

В этом случае на основании тщательного анализа возможных причин отказов и их влиянии на дальнейший ход процесса, конструк­тор должен откорректировать номенклатуру и нормы показателей на­дёжности.

Относительно третьей группы оборудования (трубопроводов), то здесь при решении вопросов по нормам показателей надёжности необходимо исходить из следующего:

А) первый класс надёжности (см. табл 7) - группа А и катего­рия I;

Б) второй класс надёжности - группа Б и II категория;

В) третий класс надёжности - группа В и III категория;

Г) четвёртый класс надёжности - группа Г и IV категория;

Д) пятый класс надёжности - группа Д и V категория.

Оборудование четвёртой группы, не подлежащее ведению Госгортехгадзора, вспомогательное и другое неответственное, можно не учитывать при определении надёжности сложной системы.

Рассмотрим как определяется надёжность в количественном вы­ражении для сложной системы. Для этого в качестве показателя на­дёжности используем наиболее употребительный показатель вероят­ности безотказной работы.

На первом этапе необходимо произвести декомпозицию системы на подсистемы и элементы. На втором этапе определяется показатель надёжности подсистемы наиболее низшего уровня, затем приняв под­систему низшего уровня за отдельный элемент, определяется показа­тель для более высокого уровня иерархии и т.д. (в принципе не будет ошибки, если всю систему представить одной цепочкой).

При первоначальном этапе расчленения оборудования на систе­мы, подсистемы и элементы необходимо стремиться разбить её на части таким образом, чтобы отказ одной из них не мог изменять на­дёжность других, т.е. предположить, что эти части будут отказывать независимо друг от друга. при таком расчленении принятом нами за основу при изложении дальнейших вопросов представляется возмож­ным использовать сравнительно несложный теоретический аппарат.

Для расчёта надёжности в этом случае широко используют так называемые структурные схемы. Особенность их заключается в том, что элементы соединены последовательно со своим значением показа теля надёжности (рисунок 4.2).

Этот случай наиболее характерен, когда отказ одного элемента выводит из строя всю сложную систему.

Вероятность безотказной работы системы в пределах заданной наработки определится как произведение вероятности безотказной ра боты элементов.

Схема формирования значений P_i показана на рисунке 4.2. Для каждого элемента характерна своя кривая распределения сроков службы f_i (t), которая может быть получена на основе анализа модели возникновения постепенного отказа. Поэтому при изменении t = Т_р (ресурса) в течении которого рассматривается работа системы, изме­няется и значение Р_i для каждого элемента. Так для изображённого на

рисунке 4.2 случая при изменении t с Т_р1 до Т_р2 вероятность отказа 1 элемента возрастает в 2-2,5 раза, второй элемент станет практически неработоспособным в виду низкой безотказности, а третий элемент по прежнему не будет лимитировать P(t), поскольку его область отказов находится в зоне t >> Т_р2.

Поэтому использование формулы:

P(t) = P₁* P₂ ... P_n = P_i

должно учитывать зависимость Р_i от времени согласно той или иной модели отказа.

Рисунок 4.2.

Вероятность безотказной работы системы в пределах заданной наработки определится как произведение вероятности безотказной р боты элементов.

P(t) = P₁* P₂ ... P_n = П P_i

При одинаковой надёжности элементов формула примет вид:

P(t) = P_iⁿ

При анализе и расчёте показателей надёжности отдельных единиц оборудования следует иметь в виду следующее. Большинство наименований типового оборудования относится к довольно сложным системам. Например, газоперерабатывающий компрессор (центро­бежный или поршневой) для большинства производительностей и высоких давлений включает довольно много элементов. Достаточно только перечислить основные узлы: компрессор, двигатель, система охлаждения, система смазки и т.д. Поэтому перед составлением рас­чётной структурной схемы целесообразно на первом этапе все эле­менты разделить на четыре группы.

1. Элементы, отказ которых практически не влияет на надёж­ность всей системы. Например, небольшое нарушение тепловой изо­ляции теплообменного аппарата промежуточного охлаждения газа.

2. Элементы, у которых вероятность безотказной работы близка к единице

(P(t) 1) и за рассматриваемый период работы не изменяется. Например, станина центробежного насоса.

3. Элементы с возможностью регулировки или устранения неис­правностей при работе всей сложной системы. Например, выход из строя маховика, вентиля на трубопроводе подводящего воду на охла­ждение масла.

4. Элементы с отказом, приводящим к отказу всей системы.

Таким образом, только элементы четвёртой группы должны включаться в рассмотрение для определения показателя надёжности.

Сложные системы в очень сильной степени зависят от количест­ва элементов (см. выражение 4.1.). Так например, если узел состоит из четыреста деталей и вероятность безотказной работы за выбранный промежуток времени довольно высока и составляет Р_i(t)= 0,99, то ве­роятность безотказной работы узла будет P(t) = (0,99)⁴⁰⁰ = 0,018, т.е. узел становится практически неработоспособным.

Дата добавления: 2014-01-07