Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблемы определения технического состояния оборудования морского судна 8
1.1 Анализ существующих методов технической диагностики судна и нормативных документов 9
1.2 Метод количественной инфракрасной термографии 15
1.3 Надежность, безопасность и страхование 21
ГЛАВА 2 Система термографического анализа оборудования морских судов на базе метода количественной термографии 24
2.1 Общие положения 24
2.2 Система технической диагностики оборудования морского судна на базе метода количественной термографии . 29
2.3 Особенности термографической диагностики отдельных видов судового оборудования 36
2.3.1 Корпус судна . 36
2.3.2.Электрическое оборудование 39
2.3.3 Кабельные сети . 46
2.3.4 Теплоэнергетическое и технологическое оборудование 48
2.4 Оценка степени нагрева судовых конструкций от тепло и электроэнергетического оборудования 49
2.4.1 Теоретические предпосылки 53
2.4.2 Тепловизионная съемка 58
2.4.3 Моделирование 61
ГЛАВА 3 Статистические методы определения эксплуатационных показателей надежности электрооборудования морских судов по данным тепловизионной диагностики 65
3.1 Теоретические сведения о методике статистического анализа данных термографической диагностики судового оборудования 65
3.2 Проверка достоверности полученных данных на основе статистических гипотез о равенстве двух вероятностей отказа 74
3.3 Анализ вопросов надежности судового оборудования компаний Севе-
ГЛАВА 4 Применение технического аудита морских судов на базе метода количественной термографии для целей страхования 96
4.1 Морское страхование как средство повышения безопасности мореплавания 96
4.2. Система технического аудита судов на основе метода количественной термографии для целей страхования 101
4.3 Экономический эффект 106
Библиографический список литературы . 114
- Метод количественной инфракрасной термографии
- Система технической диагностики оборудования морского судна на базе метода количественной термографии
- Оценка степени нагрева судовых конструкций от тепло и электроэнергетического оборудования
- Проверка достоверности полученных данных на основе статистических гипотез о равенстве двух вероятностей отказа
Метод количественной инфракрасной термографии
Техническая эксплуатация оборудования, морских судов и всего флота включает в себя следующие технологические процессы: техническое использование (обеспечение работы судна), техническое обслуживание (поддержание в эксплуатации судна) и ремонт (восстановление исправного технического состояния). Каждый из указанных технологических процессов включает в себя процедуру контроля и учта технического состояния.
Согласно ГОСТ 20911-89 техническая диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [138].
Для диагностирования судового оборудования применяются различные методы. Метод диагностирования – совокупность приемов и способов, позволяющих дать объективное заключение о состоянии объекта диагностирования (ОД) [64].
Оборудование, механизмы, машины морского судна, подвергаемые диагностированию можно разделить на следующие группы: - энергетическое (дизель, газотурбинная установка, атомная энергетическая установка, турбозубчатые агрегаты, котлы и др.); - электрооборудование (генераторы, распределительные щиты, выключатели, переключатели, электродвигатели, преобразователи, аккумуляторы, кабе ли, освещение, устройства защиты, электроприводы, гребная электрическая установка и др.); - навигационное (гирокомпас, эхолот, прокладчик, авторулевой, курсограф, измеритель ветра, лаг, эхоледомер и др.); - радиооборудование (радиолокационные станции, радиосредства связи, средства коммуникации и др.); - средства автоматизации; - палубные механизмы (грузовые устройства, элеваторы, лифты и др.); - рефрижераторное (холодильники, кондиционеры и т. п.); - технологическое (конвейер для сортировки рыбы и кровопускания, машина по удалению у рыбы головы и внутренностей и т.п.). Требования к техническому состоянию судового оборудования излагаются в следующих нормативных документах [96-98]: - инструкция завода-изготовителя; - РД 31.21.30-97 «Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций; - Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78); - правила Российского морского регистра судоходства классификационных освидетельствований судов в эксплуатации; - информационных письмах заводов-изготовителей и судовладельца; - предписания органов надзора в результате надзорных операций; - РД 31.28.30-88 «Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов» и др.
Рассмотрим основные методы, изложенные в «Правилах технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций РД» 31.21.30-97, которые применяются для оценки технического состояния судового оборудования.
Метод основан на измерении амплитуды ударных высокочастотных механических импульсов, возникающих в работающем подшипнике вследствие механических ударов при точечном контакте шарика (ролика) с обоймами. Волна напряжений, проходящая через корпус подшипника, воспринимается специальным пьезоэлектрическим преобразователем на частоте порядка 30 кГц. В результате обработки сигнал волны напряжений преобразуется в аналогичный импульс, амплитуда которого является функцией скорости механического удара.
Измерения ударных импульсов должны производиться непосредственно на корпусе подшипника. Средством диагностирования является индикатор состояния подшипников ИСП-1 (модернизированные варианты ИДП-06, 77Д11) или измерители ударных импульсов SPM.
Данный метод используется для определения технического состояния подшипников качения электрических машин, насосов, вентиляторов, турбокомпрессоров для наддува дизелей и т.д. и качества их смазки. Оценка состояния топливных насосов высокого давления дизелей, клапанов поршневых компрессоров. Возможно использование для определения утечек воздуха или газа.
Средствами измерения шума и вибрации являются приборы ВШВ-003 с преобразователями ДН-3 и ДН 4, виброметр VTM33. Допускается использование других типов виброметров, позволяющих измерять виброскорость и виброускорение в октавных или 1/3 – октавных полосах.
У судовых технических средств вибрация измеряется в направлениях: горизонтальном – траверзном, т.е. перпендикулярном диаметральной плоскости (ДП) судна, продольном (параллельно ДП) и вертикальном.
У насосов, электрических машин, вентиляторов, турбокомпрессоров вибрация измеряется в районе подшипников в плоскости вращения: у верти кально расположенных механизмов – в горизонтальных направлениях, т.е. в траверзном и продольном; у горизонтально расположенных – в вертикальном и одном из горизонтальных направлений.
На основе данного метода можно определять состояние электрических машин, насосов, вентиляторов, поршневых компрессоров, турбокомпрессоров для наддува дизелей, рулевых устройств и пр. по общему уровню виброскорости или виброускорения и на фиксированных частотах в октавных или 1/3 – октавных полосах
Средствами диагностирования данного метода являются: комплект эндоскопа в составе: осветитель со светодиодным кабелем, 2 жесткие смотровые трубки длиной 550 и 1250 мм (на судах со среднеоборотными двигателями) или 1650 мм (на судах с малооборотными дизелями) и гибкая смотровая трубка длиной 1300 мм.
Порядок применения эндоскопа зависит от конструктивных особенностей различных судовых технических средств.
Например, осмотр цилиндра осуществляется с помощью жесткой или гибкой смотровой трубки через отверстие для форсунки в крышке цилиндра. Могут также использоваться другие отверстия, например, для пусковых клапанов.
При осмотре цилиндровой втулки поршень с помощью валоповоротного устройства устанавливают в нижней мертвой точке. Осматривают выхлопные и продувочные окна, перемычки между окнами, маслопроводящие отверстия (наиболее вероятные места появления трещин), оценивают состояние следов хонингования зеркала втулки для определения степени ее износа, обращают внимание на характер «языка» от маслопроводящих отверстий (каналов) для определения оптимальной подачи цилиндрового масла.
Система технической диагностики оборудования морского судна на базе метода количественной термографии
Описанные выше методы диагностики имеют своей главной целью снижение количества отказов оборудования. Это достигается за счт регулярного оценивания технического состояния оборудования.
Отказом в теории надежности называется событие, исходом которого является переход объекта в неработоспособное состояние [89]. Дадим ряд определений фундаментальный понятий, принятых основоположниками теории надежности в нашей стране [117, 118]. Надежность – это свойство системы выполнять заданное назначение в течение требуемого промежутка времени при повседневных условиях эксплуатации. Безаварийность – это свойство системы функционировать без аварий, наносящих ущерб.
Безопасность – это свойство системы функционировать, не переходя в опасные состояния, угрожающие здоровью и жизни людей или наносящие другой ущерб в больших масштабах.
Авария – происшествие с техникой (отказ), требующее внепланового ремонта, замены поврежденного оборудования или его основных деталей, т.е. наносящее определенный ущерб, но не превышающий предельного (большого масштаба).
Ежегодно в России терпят аварию около 80 судов, 2 из которых погибает. По оценке специалистов [121], примерно 10 % аварий могут быть отнесены к форс-мажорным обстоятельствам, то есть непреодолимому действию стихии. Ещ около 15 % аварий является следствием недостатков конструкции судов или внезапного отказа судового оборудования. В остальных 75 % случаев их непосредственной причиной были субъективные факторы, такие как недоста 22 точная профессиональная подготовка; нарушение мер безопасности; недостатки в организации судовой и береговой служб и т.д.
Данная статистика показывает необходимость в разработке новых методов диагностики, которые позволят повысить надежность оборудования.
Другая проблема состоит в том, чтобы стимулировать судовладельца для применения новых методов диагностики в процессе эксплуатации своих судов. Авария приносит убытки не только судовладельцу, но и страховой компании, поэтому мы считаем, что сделанная вовремя диагностика находится в интересах и страхования, и обеспечения безопасности мореплавания.
Базовой задачей страхования является защита интересов частных компаний, государства, населения и окружающей природной среды.
Морское страхование, являясь самым старейшим видом страховой услуги, находится в постоянном развитии. Связано это с тем, что морские суда постоянно совершенствуются: грузоподъемность современных контейнеровозов достигает 123 тыс. тонн, максимальная мощность двигателей превышает 110 тыс. л.с. Вс это требует развития новых подходов к оценке рисков страхования и анализу технического состояния судна.
Большинство российских страховых организаций не могут самостоятельно обеспечивать риски морского страхования в связи с трудностями при определении страховых рисков и большой стоимостью судов, подлежащих страхованию, поэтому они либо пользуются системой перестрахования, то есть передают часть своей ответственности другому страховщику, либо отказываются от страхования.
Законодатель, определил страховой риск, как предполагаемое событие, на случай наступления которого производится страхование [3].
Размеры тарифных ставок в первую очередь зависят от степени вероятности наступления страхового случая [54]. Судно является сложным инженерным сооружением, и определить его техническое состояние более трудная проблема, в связи с этим усложняется определение вероятности возникновения аварии.
Технический аудит морского судна необходим для определения дефектов судового оборудования и выдачи необходимых рекомендаций для их устранения. При этом для выполнения данного аудита могут применяться различные методы и средства. Предполагается, что для диагностики судового электрооборудования, теплоэнергетического и технологического оборудования целесообразно применять метод на основе количественной термографии.
Таким образом, можно сделать общий вывод, что такие дисциплины как: теория надежности и безопасность мореплавания тесно связаны с современным морским страхованием, поскольку их объединяет единая цель понижение аварийности морского флота, в том числе и за счт реального оценивания технического состояния судна.
Метод инфракрасной диагностики, применяемый одновременно с существующими методами, должен быть включен в общую систему взаимодействия между судовладельцем и страховой компанией.
Любая система диагностирования объединяет в себе 3 элемента: объект диагностирования, средства технического диагностирования и человека оператора [64].
В зависимости от характера описания процессов, протекающих во времени, объекты диагностирования подразделяются на непрерывные, дискретные и гибридные.
Непрерывные – это объекты диагностирования, изменение состояния которых может быть описано непрерывно во времени. На судах к таким объектам относятся: энергетические установки, электроэнергетические системы, электроприводы различного назначения, генераторы и др. Дискретные – это объекты диагностирования, изменение состояния которых описывается дискретно во времени с использованием аппарата булевой алгебры. К дискретным объектам на судах относятся: системы управления судовыми системами, бортовые специализированные цифровые вычислительные машины и др. Гибридные – это объекты диагностирования, представляющие собой комбинацию непрерывных и дискретных устройств, например судовые радиотехнические системы, навигационные комплексы и др.
Объект диагностирования может использоваться непрерывно или периодически. Кроме того, периодическое использование может иметь постоянный период (регулярно-периодическое использование) или случайное значение периода (случайно – периодическое использование).
Оценка степени нагрева судовых конструкций от тепло и электроэнергетического оборудования
Рассчитаем вероятности безотказной работы R () = 0,995349 при точечной вероятности повреждения Q () = 0,004651. Для крайних пределов вероятности повреждения получаем: Qв = 0,014; Rн = 0,986; Qн = 0,001; Rв = 0,999. В итоге имеем: P{0,986 R (2012;1) 0,999} 0,95.
В результате выполненных расчетов и анализа данных можно сделать некоторые выводы. Во-первых, экспериментальные данные имеют некоторый разброс значений, обусловленный многочисленными факторами. Во-вторых, данные тепловизионной диагностики требуют тщательной обработки для сравнения данных по надежности, полученных в разное время или с разных объектов. При исследовании наджности элементов электрических систем кораблей вызывает затруднение совместная обработка всех накопленных статистических данных об их эксплуатации, т. к. определить идентичность условий и режимов работы распределительных устройств путем поверхностного анализа не всегда возможно. Ввиду этого, прежде чем приступить к совместной обработке информации, необходимо определить случайным или неслучайным является расхождение между статистическими данными. Неслучайность расхождения статистики свидетельствует о наличии существенных различий в условиях или режимах эксплуатации морского оборудования, и, следовательно, последние обладают различными характеристиками надежности.
При анализе данных количественной инфракрасной термографии должна производиться их статистическая обработка, направленная на проверку тех или иных статистических гипотез о виде или параметрах неизвестного закона распределения [28, 32].
Рассматриваемый метод используется для сравнения надежности однотипного оборудования на разных кораблях или одного и того же оборудования в разные промежутки времени. В первом случае нас интересует, насколько существенны внешние факторы, а во втором, например, можно ли считать, что наступило старение.
В общем виде задача проверки статистической гипотезы формулируется следующим образом [117]. Имеем статистические данные в виде одной или нескольких выборок. Высказывается предположение о параметрах или о законе распределения выборок. Это основное предположение называют нулевой гипотезой Ho. Альтернативой гипотезе Ho может быть одна или две гипотезы, называемые альтернативными или конкурирующими гипотезами H1 и H2. Таким образом, задача проверки гипотезы Ho для выборки, состоящей из n наблюдений x1,x2, … , xn случайной величины X, заключается в выработке определенных правил, по которым мы решаем, принять гипотезу Ho или гипотезу H1. Все воз 75 можное множеств выборок объема n можно разделить на два непересекающихся подмножества S n1 и S n2, т.е. S n1 S n2 = . Если наша выборка (или ее характеристики, параметры) попадает в область S n1, то принимается исходная проверяемая гипотеза Ho, если же в область S n2, то нулевая гипотеза Ho отвергается и принимается альтернативная гипотеза H1.
Подмножество S n1 называют областью допустимых значений, а S n2 – критической областью. Выбор одной из областей однозначно определяет и другую область, т. е. задача сводится к определению одной области, а вторая получается автоматически единственным образом. Возникает необходимость формирования критериев, принципов или правил для построения критической области S n2 или области допустимых значений S n1. При выборе критической области и принятии или отклонении гипотезы Ho по случайной выборке принятое решение соответствует истине с некоторой доверительной вероятностью. Схема возможных исходов представлена в таблице 3.4.
Имеем независимые случайные величины G\ и G2, которые могут принимать значения Gi= 0,1,2, … , щ, …, М и G2 = 0,1,2, … , и2, …, N2. Вероятность появления ровно щ событий при N\ испытаниях в теории вероятности определяется по биноминальному закону:
Для проверки гипотезы Яо = {Qx = Q2} при двусторонней альтернативе Нх = {Q\ Qi} или Н2 = {Qx Q2} вероятности (3.32) и (3.33) сравниваются с величиной /2. Если обе вероятности PX{GX щ п} и P2{GX щп} окажутся больше уровня значимости /2, то гипотеза Но принимается. При односторонней альтернативе сравнение производится с величиной . Если одна из этих вероятностей будет меньше /2, то гипотеза Но отклоняется в пользу Н\ и Н2 соответственно. полученные вероятности сравниваются с уровнем значимости /2 при двусторонней альтернативе или с величиной при односторонней альтернативе: при PJIGI ni n} /2 и P2{Gi Пі n} /2 () принимается гипотеза Но если Pi{Gi ni n} /2 (), то принимается гипотеза если же то принимается вторая конкурирующая гипотеза Н2 Перейдем к выполнению практической задачи. В результате тепловизи-онной диагностике в 2012 году было зарегистрировано 3 отказа из 402 контактных соединений на объекте I (транспортно-буксирное судно «Десна») и 7 отказа из 400 контактных соединений на объекте II (самоходно-плавучий кран «СПК-395»). Нам необходимо сравнить надежность электрооборудования на разных типах судов. Можем ли мы считать различие несущественное, а, следовательно, статистические данные, полученные с разных морских судов однородными?
Проверка достоверности полученных данных на основе статистических гипотез о равенстве двух вероятностей отказа
Категория риска 1 является минимальной и обозначает, что вероятность возникновения аварийного происшествия ничтожно мала (в связи с этим величина потенциального ущерба практически не имеет значения). Такой уровень риска можно считать допустимым. Категория уровня риска 4 является максимальной и обозначает событие (аварийное происшествие), имеющее высокую вероятность возникновения и способную привести к очень серьезным последствиям, при этом величина потенциального ущерба недопустимо высока.
Данная методика оценки уровня риска морского страхования объединяет понятия риска возникновения аварийных случаев и ущерба. При этом нами уч 108 тено непосредственное влияние технического состояния морского судна на величину страхового тарифа.
Предлагаемая нами методика является универсальной, то есть может быть адаптирована под деятельность конкретной страховой организации.
Для примера, при стоимости траулера 10 млн. долларов США, страховка без проведения термографической диагностики бы стоила 3 % от стоимости, то есть 300000 долларов США, после проведения термографической диагностики с результатом категория 1 стоимость страховки составила бы 150000 долларов США. Таким образом, экономия судовладельца с одного судна в год составила бы 150000 долларов США.
Для рыболовной компании с тремя судами, экономия судовладельца составила бы 450000 долларов США. Расчт годового экономического эффекта системы тепловизионной диагностики
Одним из результатов разработанной нами системы термографической диагностики является повышение надежности судового оборудования, и как следствие, уменьшение вероятности возникновения пожара на судне, вызванного неисправностями оборудования.
Если вероятность пожара по данным Центрального союза морских страховщиков по статистике составляет 2 % [163-165], то применение системы термографической диагностики на судне позволяет уменьшить эту вероятность, по крайней мере, в два раза.
В качестве примера, для определения экономического эффекта от применения термографической диагностики, мы воспользовались методикой определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений [85]. Нормативные эксплуатационные расходы по судам определялись из РД 31.03.01-90 «Технико-экономические характеристики судов морского флота» (утв. Мин-морфлотом СССР) [137].
Расчт производится на основе сопоставления приведенного ущерба до внедрения системы термографической диагностики и после е внедрения по следующему соотношению: вероятность ущерба до применения системы на судне; P2(F) – вероятность ущерба после внедрения системы на судне; IRdiag – стоимость тепловизионного обследования (руб.).
Вероятность возникновения страхового случая (ущерба) определяется из ежегодного статистического отчта Центрального союза морских страховщиков CEFOR [163-165].
Полный ущерб D (руб.) складывается из следующих составляющих: стоимость восстановления выгоревших помещений и оборудования, стоимость простоя судна и упущенная выгода: время, затраченное на ремонт и восстановление судна, суток. Ущерб, который был причинен судну в результате пожара, зависит от стоимости самого судна, площади пожара и типа пострадавших помещений судна.
В зависимости от назначения и значимости помещения на судне, выбирается значение коэффициента m (максимальное значение коэффициента m для по машинного отделения и рыбообрабатывающей фабрики, минимальное для пустого трюма) (табл. 4.3). Таблица 4. Тип помещения Значение коэффициента m (для судов длиной не более 100 м)
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
Разработана система технической диагностики оборудования морского судна на базе метода количественной термографии. Указанная система позво ляет уменьшить для судовых компаний количество эксплуатационных затрат, капиталовложений и убытков.
Представлен метод оценки воздействия оборудования, нагретого вслед ствие развития пожара или при протекании аварийных токов, на близлежащие судовые конструкции и устройства в целях электробезопасности и предупреж дения пожаров.
Разработан статистический метод расчета данных тепловизионной диагностики, направленный на оценку технического состояния судового оборудования и повышения безопасности мореплавания. Рассчитанная вероятность повреждения контактных соединений на ГРЩ составляет P{0,986 R 0,999} 0,95.
Разработана методика технического аудита судна на базе метода количественной термографии для целей страхования, которая наряду с существующими методами может применяться для оценки рисков страхования.
Годовой экономический эффект от применения системы термографической диагностики для судна составляет 1,6 млн. рублей.
Результаты исследования направлены на создание региональных научно-технических лабораторий термографического контроля состояния и анализа надежности оборудования морских судов.
