Содержание к диссертации
Введение
1. Эволюция систем контроля состояния судового энергетического оборудования 19
1.1 Анализ тенденций развития систем централизованного контроля 19
1.2 Анализ эволюции и современного уровня развития диагностического обеспечения судового энергетического оборудования 32
1.3 Выводы по главе 1 49
2. Анализ опыта эксплуатации судового энергетического оборудования и разработка методики выбора рациональной глубины диагностирования 51
2.1 Эксплуатационные повреждения судовых дизелей 51
2.2 Анализ опыта эксплуатации морских газотурбинных установок 63
2.3 Условия эксплуатации и характерные неисправности оборудования судовых ядерных энергетических установок 70
2.4 Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых электрических машин 72
2.5 Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых насосов. 78
2.6 Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых теплообменных аппаратов 82
2.7 Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых трубопроводов и трубопроводной арматуры 84
2.8 Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых электрических кабелей 86
2.9. Условия эксплуатации и характерные неисправности судовых редукторов 89
2.10 Сравнительный анализ и выбор стратегий обслуживания оборудования. 89
2.11 Системный анализ судового энергетического оборудования, как объекта технического диагностирования 91
2.12 Выводы по главе 2 110
3. Анализ и выбор технических решений для реализации энергетического уровня диагностики оборудования 112
3.1 Исходные предпосылки 112
3.2 Анализ эффективности применения аналогового мониторинга теплотехнических характеристик, как метода диагностирования 113
3.3 Анализ эффективности применения дискретного мониторинга теплотехнических характеристик, как метода диагностирования систем судовой ЯЭУ 132
3.4 Анализ эффективности применения дискретного мониторинга теплотехнических характеристик для диагностирования систем СДУ
3.5 Обеспечение эффективности применения бесконтактного
термометрирования для диагностики судового электрооборудования 151
3.6. Применение SMART-анализа для формализованной оценки диагностических возможностей методов контроля энергетических показателей технического состояния оборудования 164
3.7 Выводы по главе 3 168
4. Анализ и выбор технических решений для реализации механического уровня диагностики оборудования 170
4.1 Исходные предпосылки 170
4.2 Диагностические возможности контроля вибрационных характеристик 171
4.3 Визуальный осмотр внутренних полостей оборудования 178
4.4 Мониторинг остаточной толщины стенок сосудов и трубопроводов 186
4.5 Бесконтактное измерение зазоров в опорных узлах механизмов 190
4.6 Контроль износов уплотнений 195
4.7 Анализ продуктов износа в смазочном масле 204
4.8 Сравнительный анализ методов диагностирования механических дефектов узлов и деталей оборудования 215
4.9 Выводы по главе 4 221
5. Анализ и выбор технических решений для структурного уровня диагностического обеспечения 223
5.1. Актуальность задачи 223
5.2. Сравнительный анализ функциональных возможностей современных методов предремонтной дефектации газотурбинных лопаток 225
5.3. Анализ метрологических характеристик бесконтактного дискретно-фазового метода вибромониторинга рабочих лопаток компрессоров морских ГТД 252
5.4. Разработка критерия оценки эффективности диагностирования 263
5.5 Взаимосвязь чувствительности и эффективности методов диагностирования 268
5.6. Оценка диапазона и длительности устойчивого развития усталостной трещины 271
5.7 Основные принципы метода резонансных колебаний 275
5.8 Разработка и исследование алгоритмов выделения диагностической информации 275
5.9 Имитационное моделирование алгоритмов выделения диагностической информации 280
5.10 Экспериментальная апробация диагностических возможностей предложенного метода резонансных колебаний 285
5.11 Требования к оборудованию диагностируемого объекта 296
5.12 Выводы по главе 5 297
6. Анализ и выбор методов прогнозирования технического состояния и остаточного ресурса оборудования 299
6.1. Анализ особенностей вероятностно-статистического метода прогнозирования 299
6.2. Исследование и модернизация экстраполяционного метода прогнозирования 302
6.3. Разработка причинно-следственного метода прогнозирования 324
6.4 Разработка методики оценки эффективности прогнозирования технического состояния оборудования 369
6.5. Системная организация мониторинга технического состояния оборудования 373
6.6 Выводы по главе 6 375
Заключение 377
Использованные источники
- Анализ опыта эксплуатации морских газотурбинных установок
- Анализ эффективности применения дискретного мониторинга теплотехнических характеристик, как метода диагностирования систем судовой ЯЭУ
- Мониторинг остаточной толщины стенок сосудов и трубопроводов
- Оценка диапазона и длительности устойчивого развития усталостной трещины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Характерной особенностью развития техногенной
цивилизации является неуклонное стремление к повышению эффективности техни
ческих устройств и систем. Применительно к корабельной и судовой энергетике
реализация этой концепции предполагает, с одной стороны, повышение удельных
мощностей и коэффициентов полезного действия энергетического оборудования за
счт применения более сложных схем и конструкций энергомеханических
устройств и форсирования протекающих в них рабочих процессов, и с другой стороны, снижение затрат, связанных с устранением последствий отказов и аварий оборудования. Усложнение конструкций и интенсификация эксплуатационных воздействий на наиболее нагруженные узлы и детали оборудования отнюдь не способствуют повышению их безотказности и долговечности. Радикальное устранение этого противоречия требует повышения уровня информированности персонала, обеспечивающего управление и обслуживание оборудования, о процессах эксплуатационной деградации его технического состояния.
Эти обстоятельства обусловили развртывание исследований, направленных на создание и внедрение приборов и систем технической диагностики, призванных обеспечить углублнный эксплуатационный контроль и прогнозирование фактического технического состояния энергомеханического оборудования. Информационно-технической базой этого научно-технического направления послужили результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных широким кругом учных и инженеров, как зарубежных, так и отечественных, в области теории наджности, теории вероятностей, математической статистики, распознавания образов, теории измерений, метрологии, планирования экспериментов, имитационного моделирования и обработки числовых данных.
Из классических зарубежных работ, посвящнных этим направлениям, можно отметить труды Р. Фишера, Р. Шеннона, Д. Химмельблау, Э. Фрстера, Б. Ренца, Э. Патрика, Дж. Тейлора, Дж. Ту, Р. Гонсалеса, Х. Харта, К. Фукунаги, Г. Хармана, Р. Хемминга, Д. Хейса, Р. Дуды, П. Харта, И. Пфанцагля, Д. Льюнга, Г. Дэвида, Дж. Клейнена и др. В инженерном плане, приближенном непосредственно к интересам разработчиков диагностических методов, следует выделить работы Б. Дил-лона, Ч. Сингха, Е. Моека, Х. Штриккерта, Р.А. Коллакота и др.
Большой вклад в создание научно-технический задела для формирования диагностического обеспечения судового и корабельного энергомеханического оборудования внесли исследования и технические разработки отечественных учных и инженеров: П.П. Пархоменко, Е.С. Согомоняна, В.В. Клюева, Е.С. Голуба, Г.Ш. Розенберга, Е.З. Мадорского, Ю.Н. Мясникова, А.А. Павлова, М.А. Кунаева, З.Я. Байдуника, А.А. Равина, Л.И. Большухиной, О.В. Хруцкого, А.З. Багермана, И.П. Леоновой, В.Н. Половинкина, И.А. Рябинина, С. Можаева, В.И. Поленина, В.В. Рыбалко, В.И. Швеева, В.Н. Бырина, А.В. Мозгалевского, Д.В. Гаскарова, В.П. Каля-вина, Ю.Н. Кандаурова, В.Е. Михайлова, О.Д. Сарбучева, М.К. Барскова, П.М. Гацака, Р.М. Васильева-Южина, А.И. Голованова, В.Н. Темнова, С.Е. Максимова, В.А. Николенко, Н.Н. Попова, К.П. Воронина, Ю.И. Плотникова, В.А. Колесника, А.В. Макшанова, Ю.В. Баглюка, В.Н. Юнга, В.Е. Вольского, Г.М. Файкина, З.К. Хосидова, И.Н., Ильинского, Н.А. Лазаревского, В.Л. Галки, И.В. Возницкого, В.Ф. Сыромятникова, А.М. Никитина, С.В. Камкина, М.К. Овсянникова, В.А. Петухова, В.А. Шишкина, В.В. Гаврилова, А.Т. Данилова, А.С. Бава, М.А. Сюбаева, К.О. Сергеева, А.С. Жукова, Л.А. Промыслова, М.М. Георгиевского, С.Я.Травина, Л.Г. Соболева, М.А. Максимовой, В.К. Румба, В.В. Медведева, С.Р. Семионичева, Е.А. Мотовой, Н.Е. Никитиной, Д.А. Скороходова, К.Н. Войнова, А.В. Блинова, А.В.
Баркова, Н.А. Барковой, А.Ю. Азовцева, С.Н. Рогова, Ю.В. Кромина, В.А. Василенко, С.П. Витина, А.И. Колесникова, А.А. Обозова, Б.П. Башурова и др.
Следует отметить, что расширенное внедрение диагностического обеспечения судового энергетического оборудования требует решения целого ряда проблем, связанных с недостаточной изученностью механизмов эксплуатационных повреждений наиболее нагруженных узлов и деталей, отсутствием достаточно представительных статистических данных о количественных и качественных характеристиках эксплуатационных отказов, сложностью получения достоверных моделей технического состояния оборудования, недостаточной изученностью характера влияния возможных неисправностей на параметры физических полей, сопровождающих использование оборудования по прямому назначению, сложностью адаптации традиционно применяемых методов неразрушающего контроля к условиям безразборной диагностики оборудования в судовых условиях, недостаточно развитой базой алгоритмического и программного обеспечения, нехваткой специальных датчиков и измерительных приборов, отсутствием специального стендового оборудования для отработки и испытания диагностических методов, отсутствием системы подготовки квалифицированных специалистов в области технической диагностики, недостаточным уровнем финансового и материального обеспечения.
Тем не менее, в результате выполненных (и выполняемых) работ в указанных выше направлениях, а также благодаря открывшемуся доступу к зарубежным поставкам диагностических компонентов, в настоящее время на рынке представлена достаточно широкая номенклатура диагностических компонентов, различающихся особенностями информационного, методического, алгоритмического, программного и аппаратурного обеспечения, имеющих различные принципы действия, функциональные возможности, метрологические характеристики, области применения, массогабаритные параметры, элементную базу, соотношение цены и качества и т.п.
В этой связи на смену проблемы преодоления дефицита диагностических методик и приборов пришла новая проблема – проблема выбора такой компоновки диагностического обеспечения, которая способна обеспечить нужный уровень контролепригодности конкретного типа оборудования. Решение этой проблемы требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на анализ конструктивных особенностей и специфических условий эксплуатации оборудования, анализ условий нагружения и характерных эксплуатационных повреждений наиболее ответственных узлов и деталей, выделение возможных диагностических признаков, определение диагностических методов и приборов, способных функционировать в судовых условиях в процессе взаимодействия с диагностируемым оборудованием, применения методик сравнительного многофакторного анализа и критериальной оценки диагностических возможностей различных вариантов компоновки диагностического обеспечения и синтеза новых методов и средств диагностики. Настоящая работа посвящена разработке и апробации методологии проведения этих исследований.
Объект исследований – элементы и системы судовых энергетических установок и методы оценки и прогнозирования их технического состояния.
Целью настоящего исследования является разработка методологии анализа и синтеза состава и структуры диагностического обеспечения судового энергетического оборудования.
Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач: 1. Анализ тенденций развития судовых систем контроля состояния судового энергетического оборудования и обоснование актуальности решения проблемы рационального выбора компонентов диагностического обеспечения.
-
Оценка специфических особенностей эксплуатационной деградации технического состояния судового энергомеханического оборудования и разработка методики формализованного определения рациональной глубины диагностирования.
-
Разработка и апробация методики сравнительного анализа диагностических возможностей и выбора рациональных областей применения методов оценки деградации функциональных характеристик и поиска причин нарушения работоспособности судового оборудования на энергетическом уровне иерархии диагностических задач.
-
Разработка и апробация методики многофакторного анализа диагностических возможностей и выбора методов идентификации механических повреждений узлов и деталей судовых машин и механизмов.
-
Формирование критерия оценки эффективности контроля структурной целостности деталей судового оборудования и его применение для разработки нового метода безразборной диагностики.
-
Сравнительный анализ и модернизация алгоритмов прогнозирования технического состояния и остаточного ресурса судового энергомеханического оборудования, разработка вариантов методического обеспечения причинно-следственного метода прогнозирования, разработка критерия для оценки эффективности прогнозов и формирование принципов системной организации мероприятий, направленных на повышение контролепригодности и эксплуатационной наджности судового энергетического оборудования.
Методы решения поставленных задач. В аналитических исследованиях использованы методы анализа опыта эксплуатации и предремонтной дефектации судового энергетического оборудования, методики SWOT и SMART анализов, метод структурной декомпозиции, анализ экономических составляющих разработки и применения диагностического обеспечения, принципы общего логико-вероятностного метода и оценки возможных рисков отказов, метод экспертных оценок, методика компьютерного имитационного моделирования, системный анализ, фрактографический анализ, математический аппарат теории теплопередачи и механики разрушений, гипотеза линейного суммирования повреждений.
Экспериментальные исследования выполнены с учтом рекомендаций теории планирования экспериментов и регрессионного анализа данных, как на компьютерных моделях, так и на специально разработанных стендовых установках, реализующих методики ускоренных испытаний, принципы относительности механических перемещений и методики эквивалентной наработки.
Научная новизна диссертации заключается в разработке и апробации комплекса критериев и способов теоретической и экспериментальной многофакторной оценки и выбора компонентов диагностического обеспечения и разработке новых методов и средств контроля и прогнозирования технического состояния судового энергетического оборудования. В том числе:
предложена и практически подтверждена целесообразность использования в качестве исходных предпосылок формирования состава и структуры диагностического обеспечения результатов системного анализа судового энергомеханического оборудования, как объекта технического диагностирования, и характерных тенденций эволюции методов и средств контроля его состояния;
выполнена типизация специфических условий эксплуатации наиболее нагруженных и ответственных узлов и деталей, лимитирующих безотказность и долговечность оборудования, характерных эксплуатационных нагружений, соответствующих разрушающих процессов и их последствий;
показана целесообразность применения методики SWOT-анализа для обоснования приоритетности стратегий обслуживания оборудования;
предложен алгоритм формализованного синтеза номенклатуры диагностических задач и обоснования рациональной глубины диагностирования;
обоснована целесообразность иерархического многоуровневого представления судового энергетического оборудования как средства дифференциации диагностических задач и методов их решения;
разработаны типовые алгоритмы оценки технического состояния оборудования, относящиеся к верхнему (энергетическому) уровню иерархии, и обоснованы области их эффективного применения с помощью методики SMART-анализа; предложены и апробированы методики сравнительного анализа функциональных возможностей и синтеза методов идентификации механических повреждений узлов и деталей оборудования;
сформулирован и применн критерий оценки эффективности перспективных методов обнаружения повреждений структурной целостности деталей, входящих в состав динамических узлов судового оборудования;
методом компьютерного имитационного моделирования выполнена оценка метрологических характеристик дискретно-фазового метода бесконтактного вибромониторинга рабочих лопаток компрессора морского ГТД;
разработан теоретически, исследован с помощью метода конечных элементов и имитационного моделирования и апробирован экспериментально принципиально новый способ обнаружения трещин в подвижных деталях энергетических машин на примере рабочих лопаток осевых компрессоров морских газотурбинных двигателей;
выполнен критический анализ функциональных возможностей экстраполяционного метода прогнозирования и предложены способы его модернизации с использованием преобразования Эйлера, линеаризации и нелинейных регрессионных моделей; предложен альтернативный метод прогнозирования деградации технического состояния и остаточного ресурса на основе регистрации истории эксплуатационных нагружений, и выполнен теоретический и экспериментальный анализ особенностей его применения для различных видов судового энергетического оборудования; предложен способ оценки эффективности методов прогнозирования технического состояния оборудования;
сформулированы принципы системной организации комплекса мероприятий, обеспечивающих повышение эксплуатационной наджности судового энергетического оборудования.
Достоверность и обоснованность научных результатов определяются использованием в математических моделях фундаментальных уравнений теплофизики, теории упругости, механики разрушений, применением современных программных инструментов, специальными исследованиями метрологических характеристик предлагаемых способов измерения, экспериментальным подтверждением достоверности выдвигаемых гипотез и работоспособности предлагаемых алгоритмов на специальных стендовых установках, снабжнных аттестованными компьютерными системами централизованного контроля параметров. Новизна, полезность и достоверность полученных результатов подтверждены девятью авторскими свидетельствами на изобретение устройств и способов, 25-ю научно-техническими отчтами по итогам выполнения госбюджетных и хозрасчтных НИР и ОКР, рассмотренными и согласованными Заказчиками.
Практическое значение работы заключается в том, что предложенный комплекс критериев, методик и способов теоретических, имитационных и экспериментальных исследований элементов судового энергомеханического оборудования и методов контроля и прогнозирования их технического состояния может быть использован разработчиками диагностического обеспечения в качестве инструмента-6
рия для обоснования рациональной глубины диагностирования и формирования облика диагностических систем, обеспечивающих повышение эксплуатационной наджности судового энергетического оборудования, а также в качестве информационного обеспечения учебного процесса, направленного на подготовку будущих специалистов в области создания и применения диагностических систем.
Результаты выполненных исследований внедрены в ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ООО «Технологический центр «Нептун-дизель», ЗАО «Технические системы и технологии», АО «Равенство», ООО «Теплоэнерго», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции по судостроению (ISC-94), СПб, 1994 г., Международной конференции по морским интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ-97., СПб, 1997 г., Международной конференции по судостроению (ISC-98), СПб, 1998 г., 10-й сессии международной научной школы, посвященной памяти В.П. Булатова ВПБ-11 «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов», СПб, 2011 г., Международных научных конференциях «Трибология и наджность», СПб, 20112013 г.г., Всероссийских межотраслевых НТК «Актуальные проблемы морской энергетики», СПб., 20122014 г.г., IX Всероссийской научной конференции им. Ю.И. Неймарка «Нелинейные колебания механических систем», Нижн. Новгород, 2012 г., XXXIII-й Всероссийской конференции по проблемам науки и техники. Миасс, 2013 г., 24-й Межвузовской научно-технической конференции Военно-морского политехнического института ВУНЦ ВМФ, 2013 г., 7-й Международной конференции «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях», СПб, 2013 г. 23-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация.», СПб., 2013 г., XIV-й Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика», СПб., 2014 г., на Секции энергетики Санкт-Петербургского Дома учных им. М. Горького, СПб, 2012, 2013 и 2014 г.г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в двух монографиях (одна без соавторов и одна с авторской долей 50%), в Международной энциклопедии «Трибология», в 54 научно-технических журналах и сборниках (36 без соавторов, в остальных доля участия от 25% до 50%), из них 22 - в рецензируемых журналах из списка, утвержднного ВАК (10 без соавторов, в остальных доля участия от 25% до 50%), а также в 9 изобретениях.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Диссертация изложена на 436 страницах текста (включая 33 страницы приложений), и содержит 94 таблицы, 326 рисунков, 124 формулы и список литературы из 425 источников.
Анализ опыта эксплуатации морских газотурбинных установок
Канал приема входной информации (КПВхИ) обеспечивает прием и передачу в базу данных параметрической информации от КСУ ТС: текущих значений контролируемых параметров (КП); сигналов срабатывания АЗ, АС, ПС, а также состояний оборудования и технических средств (ТС). Кроме того, КПВхИ обеспечивает отбор из общего набора параметрической информации необходимых данных и их передачу в блок первичной обработки входной информации.
База данных (БД) предназначена для хранения данных, необходимых для работы ОФМ. БД логически разделена на область статических (ОСД) и динамических данных (ОДД).
База знаний (БЗ) содержит алгоритмы функционирования основных функциональных модулей СИП: алгоритмы решения расчетных задач, экспертные данные для распознавания аномальных состояний объектов управления, автоматического мониторинга режимов функционирования (параметры S, G, H, T, RM, RD) и т. п.
Канал аварийной сигнализации КАвС обеспечивает передачу в СИП сигналов о возникновении общекорабельных аварийных ситуаций: возникновение пожара («Пожар»); поступление забортной воды («Вода»); разрыв трубопровода ВВД («ВВД») и т. п. от специализированных систем распознавания. Сигнал «АвС» инициирует автоматическую выборку из БД и БЗ соответствующих видеокадров, необходимых данных и пред ставление их оператору с помощью средств отображения информации подсистемы взаимодействия ПВ.
Подсистема контроля личного состава (ПКЛС) является дополнительной (опциональной) подсистемой системы информационной поддержки. ПКЛС предназначена для контроля за местонахождением каждого члена экипажа, основными параметрами его жизнедеятельности и пр.
Не менее значимым направлением развития судовых систем управления и контроля явилось неуклонное расширение количества и номенклатуры контролируемых параметров. В качестве примеров реализации этой тенденции применительно к корабельным ГТД можно указать переход от контроля средней температуры газа за ТВД к контролю равномерности температурного поля с помощью батареи термопар (для предотвращения пожогов лопаток турбины), переход от контроля температуры масла на выходе из ГТД к контролю температуры масла на сливе из каждого подшипникового узла.
Аналогично, в СЦК СДУ был осуществлён переход от контроля средней температуры выхлопных газов к индивидуальному контролю на выходе из цилиндров, организован переход от оценки средних индикаторных давлений газа в цилиндрах к снятию и анализу индикаторных диаграмм, разработаны конструкции торсиометров для измерения момента на выходном валу дизеля (для непосредственной оценки эффективной мощности). Наблюдалось и общее увеличение точек контроля параметров. Например, системой «VICAM» фирмы «Vosper Thorneycroft Controls» предусматривался контроль за работой судовых механизмов и систем по 501000 каналам [133].
На океанском лайнере «Oriana» (главные двигатели – дизеля фирмы «MAN B&W») состояние пропульсивной установки, электростанции, системы распределения электроэнергии, топливной системы, систем кондиционирования, обработки воды и другого оборудования контролирует система «SIMOS IMAC 55» компании «Siemens», которая может вывести на экран монитора любой из нескольких тысяч параметров в удобном виде, в том числе и в графическом, с любого из 13 постов управления [134].
Подобная тенденция наращивания количества и разнообразия измерительных каналов была характерна и для судовых и корабельных ЯЭУ. Например, при модернизации атомного ледокола «Ленин» в состав комплексной системы управления техническими средствами была включена машина централизованного контроля «Полюс» на 1024 канала. [135]. Это комплекс элементов и устройств по сбору, обработке и представлению информации в цифровом виде от 750 контрольных точек на пульты атомной, паротурбинной и электроэнергетической установок, логически обрабатывающий и формирующий сигналы на срабатывание аварийной защиты реакторов, а также сигналы по аварийному, автоматическому управлению и блокировкам всей энергетической установки. Примерно такой же размерности достигли и корабельные системы контроля технологических параметров ядерных энергетических установок.
Однако к середине семидесятых годов возможности дальнейшего экстенсивного развития судовых СЦК были, в основном, уже и исчерпаны. Обусловлено это было тем, что, во-первых, все значимые для оценки работоспособности энергомеханического обо рудования параметры были уже обеспечены измерительными каналами, и во-вторых, накопленный опыт эксплуатации сложных многоканальных измерительно вычислительных комплексов (ИВК) выявил и ряд негативных аспектов: - конструктивное усложнение ИВК неизбежно порождает новую проблему, связанную с надежностью самих информационных систем: их ложные срабатывания могут запускать цепочку неправильных действий оперативного персонала, ведущих к аварии или катастрофе; - в тех случаях, когда внезапный отказ оборудования действительно происходит, оператор вынужден обрабатывать большой объём информации, поступающей от датчиков системы централизованного контроля, оценивать ситуацию и принимать решения по локализации отказа оборудования в условиях дефицита времени, и в этой связи действия оператора в таких нештатных ситуациях зачастую оказываются неправильными или несвоевременными.
Важную роль в формировании дальнейших перспективных направлений развития судовых информационных систем сыграло сложившееся понимание того, что кардинально решить проблему исключения внезапных отказов судового энергомеханического оборудования путём контроля только режимных и технологических параметров не удаётся потому, что эти параметры далеко не всегда изменяются синхронно с развитием эксплуатационных дефектов деталей оборудования.
В этой связи оборудование может находиться во время эксплуатации в одном из трёх состояний: «исправно и работоспособно», «неисправно, но работоспособно» и «неисправно и неработоспособно». Традиционные системы контроля теплотехнических параметров позволяли достаточно уверенно отличить третье из указанных состояний от первого, а вот с обнаружением скрытно развивающихся эксплуатационных дефектов дело обстояло гораздо хуже.
Работы по созданию автоматизированных средств технического диагностирования начались давно. Ещё в 30-е годы фирмой «Зульцер» (Швейцария) была исследована возможность измерения давления в межкольцевом пространстве дизеля с целью контроля состояния поршневых колец. Однако формирование технической диагностики судового оборудования, как научно-технического направления, относится к концу 60-х – началу 70-х годов ХХ века [136].
Норвежский институт исследования судов совместно с другими норвежскими фирмами и организациями создал в конце 60-х годов экспериментальные образцы СТД «Предикат-1» и «Предикат-2». В этих системах в основу диагностирования положен параметрический метод: текущие значения теплотехнического параметра сравнивалось с эталонными, которые вычислялись для данного режима с помощью теоретической модели. По расхождению измеренного и эталонного значений судили о техническом состоянии дизеля. По результатам успешных испытаний этих экспериментальных систем Норвежским институтом исследования судов совместно с фирмой «Норконтрол» был создан промышленный вариант СТД, получивший название «Дата Тренд», которая по результатам измерения теплотехнических параметров вычисляла с помощью ЭЦВМ «Норд-10» обобщённые показатели технического состояния основных узлов дизеля. Надо сказать, что, несмотря на провозглашённые намерения обеспечить решение именно диагностических задач, аппаратурное обеспечение таких систем мало отличалось от традиционных СЦК. В 1971 г. на танкере «Хёг Мультина» с дизелями типа RND («Зульцер») была установлена экспериментальная СТД Норвежского Веритаса, принципиальным отличием которой было применение встроенных во втулки индуктивных датчиков контроля технического состояния поршневых колец (рис. 1.9
Анализ эффективности применения дискретного мониторинга теплотехнических характеристик, как метода диагностирования систем судовой ЯЭУ
Информационной базой методов, ориентированных на мониторинг теплотехнических характеристик оборудования, является комплексный контроль параметров, характеризующих процессы преобразования и передачи рабочих сред и энергий в элементах энергетического оборудования (температур, давлений, перепадов давлений, уровней и расходов жидкостей, частот вращения роторов, параметров электрического тока, состояния трубопроводной арматуры и т.п.) [355, 356]. Этим определяется основное достоинство подобных методов - отсутствие необходимости создания специального аппаратного комплекса, поскольку соответствующая информация может быть, получена, в основном, с помощью измерительных каналов уже существующих систем управления и централизованного контроля с небольшим добавлением датчиков, необходимых для углубления диагностики и повышения достоверности диагнозов [220223].
Можно предложить два подхода к разработке алгоритмического обеспечения этих методов [224]: - комплексное аналоговое моделирование статических и динамических свойств объекта и в том числе, процессов развития дефектов и соответствующих аномальных ситуаций; - упрощенное представление сложных энергетических систем в виде комплекса псевдорелейных функционально-самостоятельных элементов (ФСЭ), состояние которых может быть описано дискретными логическими функциями.
Первый подход позволяет обеспечить достаточно точную и оперативную идентификацию состояния объекта, поскольку его чувствительность ограничивается только чувствительностью измеряемых параметров и соответствующих измерительных каналов к тем или иным неисправностям оборудования. Его основной недостаток - высокая трудоёмкость создания адекватных диагностических моделей достаточно сложных объектов и систем [225].
Преимуществом второго подхода является ориентация на традиционно применяемый в системах предупредительной сигнализации принцип допускового контроля параметров (дискретизацию сигналов путём сравнения их с заданными предельными значениями - уставками), благодаря чему удаётся с помощью сравнительно простых и формализованных приемов синтезировать алгоритмы поиска причин нарушения работоспособности (ППНР) достаточно сложных энергетических систем. Правда, дискретизция результатов измерения несколько снижает чувствительность диагностических алгоритмов к малым отклонениям параметров на ранних стадиях развития нештатных ситуаций и затрудняет распознавание состояния оборудования на переходных режимах. В связи с этим данный методический подход рационально использовать при существенном ухудшении работоспособности (отказе) одного из ФСЭ сложной энергетической системы для быстрой и автоматизированной локализации отказавшего оборудования.
Ниже приведены примеры использования результатов измерения теплотехнических параметров: для наблюдения за постепенным снижением работоспособности теплообменника (аналоговый метод) и для автоматизированной локализации отказавшего элемента систем судовых энергетических установок (ядерных и дизельных).
Для применения параметрического метода оценки технического состояния и контроля функционирования объектов энергетической установки, в настоящее время на судах используют штатные средства контроля теплотехнических параметров, и в частности, температуры различных рабочих сред и теплоносителей. В этой связи организация теплотехнического контроля теплообменных аппаратов не предъявляет каких-либо особых требований к судовым измерительным комплексам. Диапазоны температур рассматриваемых теплоносителей (1040 С по воде и 3080 С по маслу) позволяют использовать для этой цели обычные термометры сопротивления.
Следует иметь в виду, что при организации любой измерительной системы всегда следует стремиться к минимизации точек измерения, поскольку каждый дополнительный датчик повышает стоимость и снижает надёжность системы.
Оптимизацию структуры измерительного комплекта будем выполнять с учетом математических зависимостей, описывающих процессы передачи тепла в теплообменном аппарате [226231, 352].
Теплотехническое состояние теплообменника характеризуется множеством параметров: М = {G1; G2; P1; P2; t1вх; t1вых; t2вх; t2вых}, (3.1) где G – расходы теплоносителей; Р – давления; t – температуры теплоносителей в теплообменнике на входе и выходе из него. 113 Множество М отражает два рабочих процесса: движение теплоносителей и теплопередачу, которые характеризуются двумя уравнениями: уравнение теплового баланса теплоносителей (при отсутствии теплопотерь в окружающую среду) имеет вид: 01-2 = G1Cp1(t1вх - 1вых) = 02ср2(12вых - t2вх ), (3.2) где ср1 и ср2 - удельные теплоемкости теплоносителей (осреднённые). уравнение теплопередачи (Ньютона-Рихмана) устанавливает связь между параметрами рабочих процессов множества М и коэффициентом теплопередачи: Q1-2 = К t1срF, (3.3) где К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.С); /1ср - средний логарифмический температурный напор, С; F - площадь теплопередающей поверхности, м2. Для того чтобы выявить связи измеряемых температур с теплопередающими свойствами ТОА преобразуем выражения (3.2) и (3.3) к более удобному виду. В уравнение теплового баланса (3.2) введём водяной эквивалент: W = cpG, (3.4) где G - массовый расход жидкости, кг/с; ср - средняя изобарная теплоёмкость, кДж/(кг.С). Получим: W1(t1вх - 1вых) = Ж2(і2вых - t2вх). (3.5) Совместное решение уравнений (3.3) и (3.5) позволяет установить, что при контроле функционирования в прямоточных и противоточных ТОА без изменения агрегатного состояния теплоносителей на стационарном режиме теплопередача характеризуется двумя линейными уравнениями:
Мониторинг остаточной толщины стенок сосудов и трубопроводов
Устройство для виброиспытаний лопаток Конструктивно датчики выполнены в виде стержней диаметром дюйма, имеющих наружную резьбу, благодаря чему их вертикальное положение в кронштейне 8 можно плавно регулировать. Внутри каждого датчика находятся две катушки, намотанные тонким изолированным проводом. Через одну из них (активную) пропускается высокочастотный (10 кГц) ток, который создаёт переменное магнитное поле. Это поле вызывает в металлической детали, находящейся под датчиком (лопатке или зажимном приспособлении) вихревые токи (токи Фуко). Вихревые токи создают своё переменное магнитное поле, воздействующее на вторую катушку датчика (приёмную). В результате в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), обратно пропорциональная расстоянию между торцем датчика и расположенной под ним деталью. Регистрирующая аппаратура преобразует сигнал датчика в число, соответствующее измеряемому расстоянию до детали.
Параметры вертикальной вибрации вибростола 1 (амплитуду и частоту) можно устанавливать с помощью системы управления стенда, рассмотренной выше. Во время испытаний задают амплитуду вертикальной синусоидальной вибрации вибростола, а ча-245 стоту вибрации плавно изменяют в окрестности собственной частоты неповреждённой лопатки. Вибрация хвостовика лопатки вызывает колебания её вершины, амплитуда которых возрастает по мере приближения частоты вибрации вибростола к собственной частоте лопатки и достигает максимума при их совпадении (рис. 5.28).
Для измерения амплитуды колебаний лопатки применялся дифференциальный способ измерения: одним датчиком (на рис. 5.27 он слева) измеряли амплитуду перемещений вибростола, а другим датчиком (на рис. 5.28 он справа) измеряли амплитуду перемещений вершины лопатки, которые представляют собой сумму перемещений вибростола и амплитуды колебаний лопатки. Разность сигналов правого и левого датчиков использовалась для оценки амплитуды колебаний вершины лопатки. Регистрируя резонансную частоту вибростенда, при которой амплитуда колебаний лопатки достигала максимума, определяли собственную частоту колебаний лопатки. Испытания проводились как с целыми лопатками, так и с лопатками, имеющими тонкие поперечные надрезы, имитирующие усталостные макротрещины. Во время испытаний варьировались координаты «трещин» (расстояние от хвостовика) и их глубина.
Полученные результаты подтвердили удобство применения и работоспособность предложенного аппаратурного обеспечения в качестве средства реализации метода виброконтроля собственных частот колебаний лопаток.
В целом можно констатировать, что этот метод достаточно чувствителен к докри-тическим размерам макротрещин в наиболее напряжённых зонах лопаток. Правда такие трещины характерны уже для предаварийного состояния лопаток, что делает актуальным применение методик, способных обнаруживать более ранние стадии усталостных повреждений металла.
Важнейшими информативными характеристиками ультразвукового метода дефектоскопии являются затухание и скорость распространения акустических волн в конструкционных материалах. Для их измерения наиболее часто применяется импульсный эхо-метод [371].
Исследования функциональных возможностей этого метода применительно к диагностике лопаток из нержавеющей стали марки 12Х13 осевого компрессора газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата ГТК-25И (рис. 5.29) проводились на экспериментальной установке (рис. 5.30).
Экспериментальная установка работает следующим образом. Генератор электрических импульсов вырабатывает опорный импульс, который поступает на блок формирования и усиления импульсов. Электрический импульс в блоке формирования и усиле 247 ния усиливается, преобразуется и поступает на пьезопластину преобразователя. В пьез-опластине возникают переменные деформации на собственной частоте, которые вызывают колебания контактирующей с ней поверхности материала. От поверхности начинается распространение упругих колебаний вглубь материала в виде упругих волн, которые затем многократно отражаются от противоположной поверхности образца материала. Всякий раз при встрече упругого импульса с поверхностью пьезопластинки происходит его преобразование в электрический сигнал. Электроакустический преобразователь (датчик), состоящий из пьезопластины с демпфером, возбуждает колебания в материале и принимает отражённые эхо-сигналы (приёмно-передающий, или совмещённый пьезопреобразователь).
Электрические сигналы, соответствующие упругим эхо-импульсам, поступают на вход осциллографа. Туда же поступает и мощный импульс возбуждения пьезопластины, для уменьшения амплитуды которого на экране осциллографа применяется амплитудный ограничитель. Для того чтобы увидеть слабые эхо-импульсы на экране осциллографа, используется усилитель электрических сигналов. Таким образом, на экране видеоконтрольного устройства появляются излучённые и отражённые импульсы.
Также опорный импульс с генератора электрических импульсов подаётся на линию задержки. Калиброванная линия задержки – это устройство, позволяющее задержать поступающий на её вход сигнал на определённое время, точно соответствующее показаниям её шкалы. С выхода линии задержки опорный импульс поступает на вход синхронизации осциллографа для того, чтобы его развёртка запускалась всякий раз, когда появляется задержанный опорный импульс. Таким образом можно наблюдать всю совокупность импульсов и отдельные эхо-импульсы, задержавшиеся в материале точно на то же время, что и опорный импульс в линии задержки. По показаниям её шкалы можно с высокой точностью измерять как временные интервалы между синфазными точками эхо-импульсов, так и фазовые искажения внутри распространяющегося импульса. В состав стенда входит также серийный прибор-измеритель временных интервалов И2-26.
Оценка диапазона и длительности устойчивого развития усталостной трещины
Наиболее простыми с точки зрения методического обеспечения являются объекты с несущественным изменением уровня нагружения во времени. Для них не требуется каких-либо приборных средств измерения и регистрации эксплуатационных нагрузок. Прогнозирование остаточного ресурса таких объектов производится путем сопоставления их фактической наработки, зарегистрированной в формуляре, с назначенным ресурсом.
Достаточно распространены объекты, которые во время эксплуатации могут находиться в одном из двух дискретных состояний: «включен – выключен», «работает – не работает», «нагружен – не нагружен». Регистрация фактической истории нагружения таких объектов сводится к подсчету «чистого» времени нахождения их в рабочем состоянии (так называемых моточасов). Простота данного метода обеспечивает достаточно широкое его применение в различных отраслях техники.
В принципе, так же решается задача и для более сложных объектов, которые во время эксплуатации могут находиться в нескольких дискретно переключаемых режимах, каждому из которых соответствует свой темп расходования ресурса. В этом случае достаточно установить несколько счётчиков моточасов и отдельно подсчитывать время наработки объекта на каждом из режимов. Иногда необходимо учитывать количество переключений (запусков, реверсов, и т.п.). Эта особенность не вносит существенных изменений в методику регистрации истории нагружения, поскольку может быть учтена добавлением соответствующих счётчиков.
Регистрация истории нагружения всережимных объектов, темп расходования ресурса которых определяется некоторым аналоговым показателем (мощностью, частотой вращения, силой тока и т.п.), может быть выполнена в соответствии с ранее изложенным способом, если весь диапазон изменения характерного показателя режима разбить на ряд поддиапазонов, и отдельно подсчитывать время работы в каждом из них.
В случае, когда целью контроля является прогнозирование остаточного ресурса, может быть рекомендован и иной алгоритм, связанный с концепцией эквивалентного ресурса. Подсчёт эквивалентного ресурса связан с нелинейным преобразованием сигнала датчика, либо с использованием цифровой обработки информации.
Более сложными для решения рассматриваемой задачи являются объекты, расходование ресурса которых обусловлено циклическими эксплуатационными нагрузками, особенно в том случае, когда изменение параметров нагружения (частоты, амплитуды, асимметрии циклов) во времени носит стохастический характер. К таким объектам относятся и судовые сильфонные компенсаторы. Существует два принципиальных подхода к реализации контроля истории нагружения подобных объектов.
Первый основан на допущении стационарного характера нагружения в достаточно больших промежутках времени, что позволяет использовать методы анализа случайных процессов, в частности, спектральный анализ, либо оценку среднеквадратичного отклонения показателя нагружения. Реализация такого алгоритма связана с использованием довольно сложной и дорогостоящей аппаратуры, применение которой оправдано в составе испытательных стендов для достаточно сложных объектов и систем, однако не может быть рекомендовано для эксплуатационного контроля истории нагружения отдельных элементов и узлов энергетического оборудования в судовых условиях.
Второй подход предполагает измерение амплитуды каждого из циклов и накопление информации об истории нагружения путём суммирования числа циклов в заданных амплитудных поддиапазонах, либо приведения каждого из циклов к эквивалентному режиму. Этот подход представляется более перспективным, поскольку, избавляя от необходимости фиксации и обработки данных достаточно длительного процесса случайного нагружения, позволяет использовать более простые аппаратурные средства.
Для сильфонного компенсатора циркуляционной трассы (СКЦ) главными эксплуатационными факторами, определяющими долговечность, следует считать количество и амплитуду циклов сдвиговой деформации под действием поперечной качки судна, поскольку эта компонента характеризуется максимальным количеством и размахом циклов и неблагоприятным характером распределения напряжений. Исходные допущения, принимаемые для разработки алгоритмов регистрации наработки: - симметричность циклических смещений при качке судна, поскольку наличие постоянных составляющих крена не свойственно нормальной эксплуатации судна, монтажные перекосы исключены; - использование в качестве показателя деформации сильфона сдвигового смещения подвижного фланца компенсатора; - изменение амплитуды смещений во времени считается близким по периодичности среднему периоду качки судна и монотонным, то есть не содержащим высокочастотных составляющих, способных оказать влияние на усталостную долговечность СКЦ, поскольку подвижная опорная поверхность СКЦ соединена с агрегатом, обладающим существенной массой.
Преимуществом диапазонного учета наработки является сравнительная простота его реализации. Однако, принцип суммирования наработки по диапазонам имеет и ряд недостатков: отсутствует автоматизированное приведение результатов суммирования к единому показателю, определяющему степень расходования ресурса, например, в процентах или долях от назначенного ресурса; существенна величина методической погрешности, обусловленной искусственно вводимой нивелировкой всех режимов внутри каждого из диапазонов.
Погрешность может быть снижена путем увеличения количества диапазонов. Однако это усложняет схему регистратора, поскольку для каждого диапазона требуется отдельный счётчик. В связи с этим представляет интерес исследование возможности реализации принципа эквивалентной оценки ресурса.
Алгоритм регистрации эквивалентной наработки отличается от вышеприведенного тем, что вместо процедур сортировки и адресации выполняется нелинейное преобразование амплитуды в соответствии с заданной кривой разрушения (см. рис. 6.20.) В основу этого алгоритма положена гипотеза линейного суммирования повреждений, выражаемая формулой: