Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы обеспечения функциональной надежности элементов систем на различных этапах «жизненного» цикла .15
1.1 Анализ проблем в области функциональной надежности и ее взаимосвязи с эффективностью использования топливно-энергетических ресурсов 15
1.2 Методы обеспечения функциональной надежности на стадии проектирования 42
1.3 Методы обеспечения функциональной надежности на стадии производства 45
1.4 Методы обеспечения функциональной надежности при технической эксплуатации 46
1.5.Постановка задач исследования 51
1.6 Выводы по главе 53
Глава 2 Методы, методики и математические модели построения функционирования элементов систем наддува и пускового воздуха и оценки их надежности 55
2.1 Методика построения модели функционирования элементов на основе использования информационного фильтра 55
2.2 Модель функционирования турбокомпрессора в стационарном режиме 61
2.3 Методика построения модели функционирования турбокомпрессора в режиме предотказного состояния 62
2.4 Вероятностные модели безотказной работы теплообменных аппаратов 64
2.5 Оценка функциональной надежности теплообменных аппаратов с использованием информации об аналогах—72
2.6 Методы оценки технического состояния воздухоохладителей 80
2.7 Методы оценки долговечности теплообменных аппаратов 85
2.8 Выводы по главе 89
Глава 3 Оценка функциональной надежности элементов систем наддува и пускового воздуха на основе статистических исследований и математического моделирования 91
3.1 Методика обработки статистической информации 91
3.2 Причины отказов поршневых компрессоров и оценка их функциональной надежности 96
3.3 Прогностические модели функциональной надежности поршневых компрессоров 105
3.4 Оценка технического состояния воздухоохладителей .114
3.5 Прогностические модели безотказной работы элементов систем с подвижными и неподвижными деталями 118
3.6 Выводы по главе 123
Глава 4 Обеспечение функциональной надежности элементов систем наддува и пускового воздуха при эксплуатации 125
4.1 Комплексная система обеспечения функциональной надежности 125
4.2 Контроль технического состояния и нормирование диагностических показателей . 133
4.3 Восстановление технического состояния 140
4.4 Выбор оптимального объема сменно-запасных частей на основе модели восстановления 145
4.5 Пути повышения функциональной надежности 149
4.6 Выводы по главе 152
Заключение 154
Список использованных источников 157
Список опубликованных работ
Автора по разделам диссертации 167
Приложение 169
- Методы обеспечения функциональной надежности на стадии проектирования
- Модель функционирования турбокомпрессора в стационарном режиме
- Причины отказов поршневых компрессоров и оценка их функциональной надежности
- Контроль технического состояния и нормирование диагностических показателей
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. Переход на новые формы хозяйствования, основанный на законах рыночной экономики, кардинальным образом изменил методологию организации транспортных перевозок и принципы управления водным транспортом [6], а также весь комплекс социальных проблем [13]. В условиях жесткой конкуренции для успешной работы флота требуется решать важные проблемы, связанные с созданием современных транспортных средств и их эффективным использованием, а также ресурсосбережением и защитой окружающей среды.
Основной расходной составляющей в общих расходах по судну является стоимость использованного в рейсе топлива и масла. Она составляет до 60% и более и может изменяться в широких пределах в зависимости от условий ТЭ, действий обслуживающего персонала по поддержанию технологических режимов, уровня функциональной надежности энергетических комплексов и входящего в его состав оборудования.
Экономия топлива и энергии на судах дает наибольший эффект при системном подходе к решению существующей проблемы. Одним из элементов системного подхода, наряду с другими, является учет технического состояния оборудования систем судовых дизельных энергетических установок и режимы их работы. С точки зрения режимов их работы наибольшая экономия топлива обеспечивается за счет утилизации тепловых потерь, применения валогенераторных систем, использования для работы главных и вспомогательных двигателей различных сортов топлива и специальных систем топливоподготовки.
В настоящее время, когда происходит возрождение отечественного флота, проблема повышения экономичности дизельных установок и обеспечение функциональной надежности приобретают особую актуальность. Ее решение наряду с реализацией научных, производственных и экономических мер должно быть направлено на эффективное использование энергосберегающих технологий путем создания и внедрения на судах энергоэффективных технических средств, топливо- и энергопотребляющего оборудования с высоким уровнем функциональной надежности.
Происшедшие в последние годы значительные изменения в информационной и технической сферах позволяют на качественно новом уровне решать проблему энергосбережения и обеспечения надежности на водном транспорте.
В настоящее время накоплен богатый опыт по управлению судовыми дизельными установками и их элементами, разработаны методы и технические средства, позволяющие оптимизировать отдельные технологические процессы по различным критериям оптимальности. Созданы эффективные системы управления процессами горения. Рассмотрены процессы регулирования расхода воздуха, необходимого для горения топлива, и получены оптимальные условия горения при обеспечении режимов безаварийной работы. Однако, на судах морского и речного флота остаются еще не использованными большие резервы. Экономия топлива и энергии, а также проблемы, связанные с информационным и алгоритмическим обеспечением управления функциональной надежностью энергетических комплексов и их элементов.
Реализация энергосберегающих технологий во взаимодействии с технологическим процессом позволяет обеспечить организацию такого управления функциональной надежностью, которое отвечает не только требованиям максимальной экономичности, но и полной безопасности плавания судна. Одним из направлений в системе управления энергосбережением и топливоиспользованием является совершенствование технической эксплуатации энергетических комплексов и их оборудования на основе повышения функциональной надежности путем разработки информационного и алгоритмического обеспечения по ее управлению.
Структура системного подхода к решению проблемных вопросов технической эксплуатации энергетических комплексов, в частности дизельных установок, предполагает ряд иерархических уровней, один из которых объединяет большой класс эксплуатационных задач, связанных с эффективностью, качеством работы и обеспечением функциональной надежности.
Задачи управления функциональной надежностью на судах следует отнести к классу прикладных задач оптимизации технологических процессов. Управление функциональной надежностью оборудования энергетических комплексов, таких как дизельная установка, позволяет не только получить максимальную прибыль, приносимую судном, как транспортной единицей, но и уменьшить потребление не возобновляемых энергетических ресурсов, существенно снизить объем выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания СОх и NOx, повысить качество технической эксплуатации судовых энергетических комплексов. Таким образом, необходимость управления функциональной надежностью оборудованием таких комплексов обусловлена не только решением задач экономического характера с точки зрения эффективного использования топливно- энергетических ресурсов, но и экологического с точки зрения защиты воздушной среды и водного пространства. Следует отметить, что потеря ходового времени, например, из-за отказов главного двигателя дизельной установки обходится дороже экономических выгод, которые могут быть получены от форсирования мощности и скорости хода судна.
Основным элементом дизельной установки, в значительной степени определяющим энергетическую безопасность судна, экологическую безопасность окружающей воздушной среды и водного пространства, является главный двигатель и обслуживающие его системы, при этом существенное значение имеет их уровень функциональной надежности. Обобщение опыта технической эксплуатации показывает, что одной из основных причин является отказ в работе главного двигателя и оборудования обслуживающих его систем. Соотношение отказов в количественном соотношении примерно одинаковое.
Возрастающие требования к повышению экономичности перевозок на водном транспорте в период перехода к рыночным отношениям приводят к усложнению оборудования обслуживающих главный двигатель систем и выдвигают вопросы его функциональной надежности на первый план. В связи с этим возникает проблема ее обеспечения, которая является одной из центральных на всех стадиях «жизненного» цикла (проектирование, производство, эксплуатация).
Важность проблемы обеспечения функциональной надежности оборудования систем в сегодняшних условиях обусловлена тем, что оно нередко эксплуатируется на сверхнормативной стадии и в значительной степени морально и физически изношено. В этом случае особое значение приобретает техническое диагностирование, являющееся основным элементом экспертизы состояния функциональной надежности. Эффективность технического диагностирования зависит от уровня подготовки обслуживающего персонала, в обязанности которого входит не только умение определять зоны контроля с точки зрения потенциально опасных узлов и деталей, но и выбирать методы, средства и объем работ по техническому диагностированию.
В любом случае элементы дизельной установки, имеющие низкий уровень функциональной надежности, приносят существенный ущерб и, несмотря на это, в процессе их эксплуатации существует риск возникновения отказа. Причины могут быть различные, включая и субъективные (конструктора, технолога, эксплуатационника), имеющие определенное количественное соотношение по долям вносимого риска отказа. Таким образом, возникает проблема управления риском и его оценки на всех этапах «жизненного» цикла дизельной установки. Одним из путей решения задачи в такой постановке является получение достоверной информации, например, путем проведения статистических исследований в области функциональной надежности оборудования систем, обслуживающих главный двигатель судовой дизельной установки.
Одна из важнейших, но и трудных задач обеспечения управления функциональной надежностью оборудования систем заключается в прогнозировании изменения его технического состояния в процессе эксплуатации. Ее основу составляет информация о развивающихся отказах, количественных значениях диагностических показателей и их динамики, позволяющая произвести расчет тренда (зависимости диагностических показателей от времени эксплуатации). Его построение дает возможность выявить неисправность на ранней стадии ее развития, установить момент отказа, произвести оценку располагаемого потенциального ресурса, определить сроки профилактических мероприятий и, тем самым, существенно повысить экологическую безопасность.
Другим направлением дальнейшего развития эксплуатации дизельных установок является переход на систему технического обслуживания и ремонта элементов систем по фактическому состоянию, а методом его практической реализации - обслуживание и ремонт с контролем уровня функциональной надежности, заключающийся в накоплении и анализе информации о повреждениях и отказах. Решение задачи в такой постановке связано с разработкой и исследованием моделей эксплуатации, позволяющих производить прогнозирование безотказной работы в пределах межремонтного периода.
Комплекс главного двигателя судовой дизельной установки включает в свой состав шесть важнейших систем. Однако, наибольшая концентрация отказов сосредотачивается в трех основных системах: цилиндропоршневой группе; топливной системе; системе наддува. На долю этих систем приходится от 60 до 80% отказов. Анализ результатов работ отечественных и зарубежных исследователей свидетельствует о том, что в течение последних десятилетий экономичность судовых дизельных установок растет. Термическая нагрузка на главный двигатель и комплектующее оборудование также возрастает, а в то же время надежность турбокомпрессоров снижается. Одной из причин является то, что принципы их проектирования частично определяются методом проб и ошибок в эксплуатации. Возникающие в процессе эксплуатации отказы турбокомпрессоров приводят к незапланированным простоям в работе главного двигателя, а их устранение является составной частью оптимизации эксплуатационных расходов. Другими словами, существует вполне определенная взаимосвязь между элементами комплекса (главный двигатель -обслуживающие системы). В этом вопросе наиболее важным является установление связи между неисправностью элементов комплекса, ее симптомами и результатами измерений [58], позволяющее создать информационную базу, необходимую для создания механизма перевода их на систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию.
В связи с этим целью диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи, заключающейся в повышении эффективности технической эксплуатации главного судового дизеля путем разработки информационного и алгоритмического обеспечения управления функциональной надежностью элементов систем наддува и пускового воздуха.
Объект исследования - элементы систем наддува и пускового воздуха судовой дизельной установки.
Предмет исследования - информационно-статистический банк данных по управлению функциональной надежностью элементов систем наддува и пускового воздуха.
Цель исследования - повышение эффективности технической эксплуатации судовой дизельной установки путем разработки информационного обеспечения управления функциональной надежностью элементов систем наддува и пускового воздуха.
В соответствии с объектом, предметом, проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи:
1. Произвести анализ методов обеспечения функциональной надежности на различных этапах «жизненного» цикла элементов систем наддува и пускового воздуха судового главного дизеля.
2. Разработать методику и математические модели построения функционирования в стационарном и в режиме предотказного состояния элементов системы пускового воздуха.
3. Разработать математические модели отказов и вероятностные модели функциональной надежности теплообменных аппаратов систем наддува.
4. Разработать математические модели оценки технического состояния и прогнозирования безотказной работы элементов систем с подвижными и без подвижных деталей.
5. Провести статистические исследования функциональной надежности элементов системы пускового воздуха и на основе их результатов произвести ее оценку.
6. Разработать нормативную базу диагностических показателей для элементов систем наддува.
7. Сформировать информационно-статистический банк данных по управлению функциональной надежностью и на основе его разработать механизм по переводу оборудования систем пускового воздуха и наддува на техническое обслуживание по фактическому состоянию.
Методы исследования основываются на использовании: общего закона надежности технического изделия; принципов системного анализа; математического моделирования; потенциального ресурса; регрессионных функций.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
1. Информационном и алгоритмическом обеспечении по управлению функциональной надежностью элементов систем наддува и пускового воздуха главного судового дизеля при эксплуатации, базирующемся на разработке комплекса методов, методик, математических моделей функционирования, прогнозирования и оценки технического состояния.
2. Получении на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований и натурных испытаний функциональной надежности: количественной информации по показателям безотказности при работе в различных режимах, нахождению границ приработки и основного периода эксплуатации, выявлению узлов и деталей с минимальным уровнем работоспособности и определению причин их отказов; установлению функций распределения износовых и внезапных отказов.
3. Разработке прогностических моделей вероятности безотказной работы дифференцированно для элементов с подвижными и без подвижных деталей, позволяющие установить временные интервалы для зоны приработки и основного периода эксплуатации.
4. Методическом обеспечении оценки функциональной надежности с использованием информации об аналогах, базирующейся на различных планах наблюдений.
5. Разработке математических моделей функционирования элементов с использованием информационного фильтра, включающих модели идентификации и диагностики.
6. В рамках разработанной комплексной системы обеспечения функциональной надежности при эксплуатации предложены: мероприятия по контролю и учету технического состояния и нормативная база диагностических показателей; концепция восстановления технического состояния и выбора оптимального объема сменно-запасных частей; пути дальнейшего повышения работоспособности.
Теоретическое значение результатов заключается в разработке информационного и алгоритмического обеспечения по управлению функциональной надежности в виде методик и математических моделей построения функционирования, оценки технического состояния и прогнозирования вероятности безотказной работы при эксплуатации элементов систем наддува и пускового воздуха главного судового дизеля .
Практическая значимость работы заключается в создании информационно-статистического банка данных по управлению функциональной надежности комплекса (главный двигатель - системы наддува и пускового воздуха), практическая реализация которого при переходе на техническое обслуживание и ремонт по фактическому состоянию позволяет повысить эффективность эксплуатации судовой дизельной установки.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов исследования (математического моделирования, системного и корреляционного анализа, статистического распознавания, проведением натурных испытаний, обработки данных и оценке погрешностей), апробацией полученной информации, репрезентативностью опытных данных, сходимостью данных, полученных при реализации моделей, с результатами экспериментальных данных в допустимых для практики пределах (10-н12%).
Основные положения, выносимые на защиту:
- информационное и алгоритмическое обеспечение по управлению функциональной надежностью элементов систем наддува и пускового воздуха главного судового дизеля, позволяющие повысить эффективность эксплуатации судовой дизельной установки;
- информационно-статистический банк данных в виде методик, математических моделей функционирования, прогнозирования и оценки технического состояния, позволяющий перейти от существующей системы централизованного планирования проведения профилактических ремонтно- восстановительных работ на техническое обслуживание и ремонт по фактическому состоянию;
- комплекс, включающий мероприятия по контролю и учету технического состояния, нормативную базу диагностических показателей, концепцию восстановления технического состояния и выбора оптимального объема сменно-запасных частей и пути дальнейшего повышения работоспособности.
Апробация и внедрение результатов исследования: содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций и Новороссийской государственной морской академии. Основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов в материалах Международных научно-технических конференций, проводимых в Северо-Западном государственном заочном техническом университете (Санкт-Петербург, 2004 год), Государственном аграрном университете (г.Орел, 2004 год), Ульяновском государственном университете (г.Ульяновск, 2004 год), в Сборнике научных трудов НГМА, вып. 8. (г.Новороссийск 2003 г.). Основная часть материалов опубликована в виде статей в рецензируемых и рекомендованных ВАК РФ научных изданиях (Изв. ВУЗов Сев.-Кавк. регион, техн. науки «Проблемы водного транспорта»).
Структура диссертации. Диссертационная работа включает: оглавление, перечень сокращений, введение, четыре главы, заключение, список использованных источников и опубликованных научных трудов автора, акты внедрения результатов в эксплуатационную практику судоходных компаний и учебный процесс морских ВУЗов.
Методы обеспечения функциональной надежности на стадии проектирования
Основная цель этого этапа заключается в назначении исходного уровня конструкционной надежности (Нкн) ОС (запаса надежности), исходя из определяющих факторов (степень изученности условий и особенностей ТЭ; уровень развития технологии изготовления и полнота учета при разработке новых проектов; степень совершенства расчетов и использования стандартизованных и унифицированных узлов и деталей; уровень квалификации конструкторов; качество надзора со стороны Российского Морского Регистра Судоходства). Из указанных факторов наиболее значимыми являются изученность условий и особенностей ТЭ, а также уровень развития технологии. Не принятие во внимание этих факторов может привести к значительному снижению ФН вновь создаваемого ОС и несоответствию спроектированного узла степени совершенства технологического процесса, оснастки и организации производства.
В определенной степени проблемным является вопрос достоверности выполняемых расчетов надежности ОС, обусловленных двумя основными типами задач (правильность учета реального протекания физических процессов в элементах ОС с использованием существующих методов; точность полученных при их реализации запасов надежности реальным значениям). Комплексное решение этих задач позволяет существенно повысить ФН ОС. Основным способом совершенствования существующих методов расчета является получение достоверного информационно-статистического материала поФН. Существенная роль в обеспечении надежности ОС отводится анализу его безотказности, заключающемуся в выполнении описания функционирования моделями случайных процессов. Показатели безотказности таких моделей могут быть определены на основе решения линейных уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных). Наиболее простой математический аппарат разработан для марковских моделей (однородных цепей Маркова). Однако марковость функционирования не соблюдается при ТЭ, поэтому приходится создавать модели случайных процессов более общего типа, например регенерирующие, агрегированные или с дискретным вмешательством случая. Следует отметить, что в этом случае математический аппарат становится громоздким и неудобным для практического использования. Поэтому более проще использовать метод статистических испытаний. Основным его недостатком является низкая скорость сходимости. Для повышения эффективности этого метода рекомендуется в его статистическую модель вводить аналитические зависимости. При анализе ФН одним из этапов в процессе проектирования ОС является определение ее исходных показателей, в частности вероятности безотказной работы и наработки на отказ. Их количественные значения могут быть использованы в качестве основного критерия выбора ОС из числа рассматриваемых. С их помощью представляется возможность решать и задачи эксплуатационного характера, например, связанные с определением объема ЗИЛа и числа каналов восстановления.
Основными путями обеспечения заданного уровня безотказности ОС на стадии проектирования являются: использование высоконадежных комплектующих узлов; рациональное конструирование с одновременной разработкой стратегий по ТО, исходя из восстановления узлов после отказа.
Таким образом, к наиболее актуальным направлениям обеспечения ФН ОС на стадии проектирования могут быть отнесены: разработка методов аналитического прогнозирования и экспериментального подтверждения; разработка методологии изучения безотказности узлов и деталей; совершенствование способов оптимизации показателей надежности с учетом достигнутой и прогнозируемой эффективности методов ТО и ремонта; разработка и внедрение средств ТД, позволяющих реализовать перспективную систему ТО по фактическому ТС; повышение достоверности эксплуатационной информации.
Основная цель этого этапа заключается в решении двух типов задач (сохранение уровня конструкционной надежности; повышение его на основе совершенствования технологии производства). Однако в силу ряда обстоятельств (наличие скрытых дефектов в поставленных материалах; возможные ошибки персонала и т.п.) не удается обеспечить конструкционной и технологической надежности (Нкн Нтн), т.е. А Нн = f (xi, Х2, , хп). В этом случае возникает задача, решение которой должно быть направлено на устранение этого несоответствия. Это может быть достигнуто различными путями, в частности: совершенствованием технологии производства и повышением его автоматизации; обеспечением строгого контроля качества используемых материалов; совершенствованием технической и нормативной документации; повышением квалификации инженерно-технического персонала; увеличением качества надзора со стороны контролирующих органов.
Наибольший эффект достигается при реализации первого пути, так как любое отклонение технологического процесса от установленных норм неизбежно приводит к отклонению определяющих технологическую надежность элемента, узла и ОС в целом, при этом будет происходить и изменение их свойств.
Модель функционирования турбокомпрессора в стационарном режиме
Обработка значений амплитуды тока и значений частоты состоит в следующем. Устанавливаются варианты амплитуд и времени, определяются суммы частот по этим вариантам и вычисляются относительные значения частоты. Далее на основании обработки осциллограмм, получают математические ожидания амплитуды М[А] и M[CJ] в относительных единицах. После этого с использованием численных значений М[А] и М[о ] при условии равенства нулю начальной фазы (ф=0) и подстановки значений амплитуды и частоты в (2.9) получаем модель функционирования ТК в нормальном режиме в детерминированном виде. Такая модель служит для определения эталонного значения сигнала, в сравнении с которым принимается решение для включения противопомпажной защиты. Она может быть использована для ТК различных конструктивных модификаций и условий их функционирования. Отличие моделей в каждом конкретном случае обуславливается только соответствующими значениями амплитуды и частоты сигналов.
В процессе технической эксплуатации такому состоянию соответствует работа ТК в предпомпажном режиме, отличающемся от стационарного. В этом случае амплитуда сигнала возрастает, а следовательно, уравнение свободных колебаний в форме (2.6) будет иметь положительный показатель в экспоненциальной части: J(t) = eM(C1cospt + C2sinpt), (2.10) где Х- интенсивность возрастания амплитуды сигнала. Величина X определяется по выражению: = МГА1 где [А] математическое ожидание изменения сигнала. Значения М[А] и М[со] находятся аналогичным образом с использованием результатов обработки осциллограмм, соответствующих работе ТК в предпомпажном режиме.
Выражение (2.12) может использоваться в качестве модели идентификации ТК. Однако для функционирования информационного фильтра в соответствии с блок-схемой (рис. 2.1) необходима модель диагностики.
В процессе технической эксплуатации ТК в целях предотвращения его помпажа важное значение имеет выявление момента включения исполнительного органа противопомпажной защиты. Его установление осуществляется на основе практической реализации моделей диагностики и идентификации (2.9), (2.12). Разность полученных результатов по этим моделям и является моментом включения исполнительного органа противопомпажной защиты. При выборе в качестве диагностического признака частотных характеристик тока используются выражения А.А. Харкевича.
Причины отказов судовых теплообменных аппаратов (в частности, воздухоохладителей), возникающих в процессе технической эксплуатации в силу целого ряда обстоятельств можно разделить на две группы (преобладающие, оказывающие незначительное влияние на ФН). Поэтому при исследовании их ФН предпочтение должно отдаваться первой группе причин [17]. Отказы судовых ТА в соответствии с этими признаками являются результатом трех основных причин [72]: протечки через неплотности в соединениях в результате проявления скрытых дефектов производства (I); нарушения плотности трубы по месту заделки в трубной решетке из-за образования трещины под действием циклических нагрузок вибрационного, ударного, переменно-статического и термического характера (II); нарушения герметичности труб от трения диафрагмы (III). Применительно к ТА (водо-, масло-, воздухоохладители) судовой ДЭУ, в частности ее ГД, использующие схему сред (охлаждаемая - охлаждающая) имеют место различные сочетания преобладающих причин. Например, для маслоохладителей (масло - морская вода) - это первая и третья причины, водоохладителей (дистиллят - морская вода) - первая, вторая и третья, воздухоохладителей (воздух - морская вода) -вторая и третья.
Каждой причине отказа соответствует определенная физическая модель, имеющая свое математическое выражение (закон распределения случайной величины): наработки до отказа или предельного состояния и числа дефектных соединений (по)[17]. В частности, первой причине соответствует физическая модель образования отказов по схеме мгновенных повреждений из-за скрытых технологических дефектов производства (сборки соединений) и неожиданных концентраций напряжений в судовых условиях в местах поясов закреплений.
Для судовых ТА основным видом является струевая коррозия во входящей части. Ее характерный признак образования дефекта- это появление язвин и выщербин на поверхности, имеющей контакт с набегающим потоком морской охлаждающей воды. Согласно пленочной концепции причина струевой коррозии заключается в местной эрозии пленки нерастворимых окислов и продуктов саморастворения металла под действием потока морской воды с высокими местными скоростями и турбулентностью, что обычно имеет место при отрывном потоке. Местный смыв пленки приводит к ускорению местного растворения металла и, как вторичное явление, возникновению макрогальванической электрохимической пары. Исследования, проведенные Кириллиным Е.Ф., показывает, что при одинаковых скоростях движения потоков двух сред (пресная, морская вода) первая, в отличие от второй, не вызывает язвин и выщербин на поверхности труб. Явление струевой коррозии вызывается, прежде всего, образованием макрогальванической пары в результате наличия непостоянной по длине трубы составляющей тока саморастворения А нд = f От)= var из-за повышения турбулентности потока морской воды во входном участке. При этом различный ток саморастворения приводит к появлению различного потенциала отдельных участков трубы, находящихся в разных гидродинамических условиях (в месте, где струя попадает на поверхность металла, образуется анод, а соседние участки являются катодом).
Важным моментом при проектировании ТА является обеспечение отстройки длинных теплопередающих труб от резонансных автоколебаний и вибраций. При этом следует исходить из того, что осциллирующая сила давления на трубу не будет вызывать опасных вибраций в том случае, когда возмущающая частота далека от собственной частоты трубы для одной из ее поз колебаний [72] (рис.2.2).
Причины отказов поршневых компрессоров и оценка их функциональной надежности
Основным элементом СПВ являются компрессоры. С конструктивной точки зрения главные компрессоры, как правило, выполняются в двухступенчатом исполнении, электроприводные, вертикального типа, с числом цилиндров от одного до четырех [64].
Работоспособность СПВ, а вместе с тем и эксплуатационные качества ГД в значительной степени зависят от уровня ФН воздушных поршневых компрессоров (ВПК). Поэтому с целью получения такой информации проведены статистические исследования применительно к ДЭУ нефтеналивных судов.
На основе полученной информации элементы ВПК по степени значимости можно разделить на три группы. Отказы первой группы (клапаны, поршневые кольца, воздухоохладители) в совокупности составляют более 80%. Из них примерно половина отказов приходится на клапаны. Доля элементов второй группы (втулки цилиндров, подшипники) отказы составляет 10% отказов. Из этого следует, что работоспособность ВПК в основном зависит от уровня безотказной работы элементов первой группы. Наиболее существенное влияние оказывают клапаны.
Видно, что преобладающими являются отказы износового происхождения (до 40%). На втором месте по значимости идут отказы, связанные с механическими повреждениями (до 30%). Отказы коррозионного происхождения составляют до 20%. Меньшее количество отказов элементов ВПК является следствием трещин и задиров. Полученная в процессе статистического исследования информация может быть использована в качестве априорной для предварительной оценки качества функционирования проектируемых ВПК на первом этапе «жизненного» цикла, выбора наиболее информативных диагностических параметров при переходе от существующей затратной планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта на обслуживание по фактическому техническому состоянию и разработке мероприятий по дальнейшему повышению их функциональной надежности на заключительной стадии - технической эксплуатации.
Далее в порядке ранжирования идут поршни, подшипники, блок цилиндров, втулки цилиндров и лубрикаторы. Из-за частых поломок и износов деталей движения ВПК типа 2TFS фирмы «Хамверти» были заменены на отечественные типа ЭКП 210/25. Таким образом, по уровню значимости элементы ВПК можно разделить на две группы.
Анализ полученной информации показывает, что основными причинами отказов элементов ВПК являются износ и механические повреждения. Вследствие износа в среднем для рассмотренных марок отказы составляют 40%, а механические повреждения до 30%. Хотя для отдельных марок ВПК по этим причинам выходы из строя составляют порядка половины всех отказов. Отказы элементов ВПК вследствие коррозионных процессов, задиров и трещин находятся примерно на одном уровне (10%).
Качество монтажных работ оказывает значительное влияние на техническое состояние (ТС) ВПК например, большая часть отказов клапанов является следствием неправильной сборки. Другим фактором, влияющим на их отказы, является значительный перепад температур в районе расположения ВПК. Это приводит к образованию большого количества влаги в воздушной системе. Одной из причин низкой наработки на отказ является образование наклепа и чрезмерный износ. Примерно 10% отказов приходится на поршневую группу, в основном из-за повышенного износа поршневых колец. В процессе ТЭ были случаи пригорання и поломок клапанов, особенно при переводе ВПК на масло К19. Отмечались частые случаи поломок и пригорання поршневых колец и их износ, а также задиры и износ поршней. Наблюдались случаи задиров на рабочих поверхностях втулок, гидравлические удары из-за пропусков охлаждающей воды в блоках [64].
Анализ полученных данных показывает, что для поддержания клапанов в хорошем техническом состоянии необходим постоянный контроль за их работой в процессе ТЭ ВПК. Аналогичный контроль следует вести и за ТС масляных лубрикаторов. В противном случае неизбежны их засорение и нарушение режима подачи смазки в цилиндры.
Коррозионные процессы в основном характерны для элементов воздухоохладителей. В процессе их ТЭ наблюдались случаи ографичивания крышек, происходила значительная интенсификация коррозионных процессов в области посадочных буртов крышек и полостей охлаждения цилиндров. В меньшей степени отказы ВПК связаны с трещинами в блоках и крышках цилиндров, разъеданием протекторной защиты, нарушением плотности арматуры, а также износом пружин клапанов и пальцев. Задиры поршней являются следствием недостаточного охлаждения ВПК от навешенных на них насосов. Исходя из этого, для исключения задиров поршней рекомендуется прокачку ВПК осуществлять от насоса охлаждения забортной воды главного двигателя (ГД) [64].
На судах типа «Художник Моор» с их постройки были установлены ВПК польского производства SC2-115. Опыт их ТЭ свидетельствует о низкой ФН, при этом требуются значительные трудозатраты на техническое обслуживание (ТО) из-за конструктивных недостатков. В процессе ТЭ часто выходили из строя детали клапанов (поломки пружин, выкрашивание и трещины на седлах и ограничителях клапанов), происходили задиры поршня. С учетом полного отсутствия сменно-запасных частей компрессоры SC2-115 были заменены на отечественные типа ЭКП 28/25. Они удобны в ТЭ, конструктивны и технологичны, особенно с точки зрения ремонта. Замена колец 1-й и 2-й ступени осуществляется без разбора арматуры. Самодействующие клапаны высокого и низкого давления редко выходят из строя. Замена их не составляет больших трудозатрат. Они удобно расположены на крышке цилиндра и блока ВПК. Ревизия осуществляется с меньшими затратами времени. Основной недостаток таких ВПК заключается в неудобстве очистки масляного охладителя (змеевикового типа). В качестве примера можно привести результаты ТЭ ВПК на т/х «Коккинаки»: за два года их работы не было отказов и замены деталей.
Контроль технического состояния и нормирование диагностических показателей
В период проведения натурных испытаний элементов систем пускового воздуха и наддува ГД подготовка переносных диагностических средств к работе, правильность их установки и порядок проведения измерений производились в соответствии с указаниями [42]. При разбросе результатов измерений менее чем в 1,5 раза в качестве конечного результирующего принималось максимальное значение измерения. При большом разбросе результатов количество измерений удваивалось. В некоторых случаях принимались меры к его снижению путем изменения режима работы механизма. Для конкретных элементов систем пускового воздуха и наддува использовались соответствующие средства диагностирования, имеющие индивидуальное назначение.
В качестве конечного результата измерений принималось [23]: _ а І ,-- )2 х = х+1.05 S, где х = х. 16; S = у —— , xj - результат измерений. При установлении периодичности измерений используется скорость развития повреждения (неисправности), т.е. отсутствие между измерениями параметров предельного состояния. При условии, что они должны быть несколько меньше (на 10%) ресурса: =( - )/$ где Л«ж - оставшийся ресурс до ТО (ремонта); rjnp и rj - соответственно предельное и измеренное значение ДП; S - скорость изменения параметра, характеризующего развитие неисправности. В этом случае она принимается максимально возможной.
Одним из этапов обработки результатов измерений ДП является оценка их истинных значений. Для этого, кроме учета воздействия изменения режима и внешних условий, необходимо провести сглаживание случайных погрешностей измерений. Практическое применение получили два метода сглаживания: простое усреднение (разновидности интегрального метода) и экспоненциальное сглаживание [97].
Контроль ТС в процессе испытаний и ТЭ элементов систем пускового воздуха и наддува производился с назначенной периодичностью с использованием штатных КИП и переносных средств ТД. Результаты контроля заносились в специальные карты контроля и учета ТС.
Для проведения диагностического контроля и учета ТС турбокомпрессора наддува ГД производились измерения давления и температуры воздуха, газа, охлаждающей воды, смазочного масла подшипников, частоты вращения, вибрации корпуса и ротора, масляных зазоров в опорных подшипниках и осевого разбега ротора в упорном подшипнике, осмотр проточной части компрессора и турбины, стенок корпуса турбины и измерение их толщины.
Необходимыми условиями измерений при определении вибрации ротора и корпуса, давления и температуры воздуха, охлаждающей воды корпусов, смазочного масла подшипников явились: отрегулированность топливных насосов и форсунок; установление эксплуатационной мощности и частоты вращения более 70% их номинальных значений и проработка ГД на этом режиме более двух часов.
Масляные зазоры в опорных подшипниках и осевой разбег ротора в упорном подшипнике измерялись на неработающем турбокомпрессоре при температуре корпуса не более 60С и отключенном насосе смазочного масла.
Состояние колеса компрессора и лопаток диффузора, рабочих и сопловых лопаток, демпферной проволоки турбины, стенок корпуса турбины определялись на неработающем компрессоре при температуре корпуса не более 30С.
Для определения ДП компрессоров воздуха производились измерения давления воздуха, масла, величины тока, напряжения, температуры, виброскорости, уровня ударных импульсов, времени наполнения воздухоохладителя, сопротивления обмоток изоляции и ее увлажненность на установившемся режиме.
В качестве ДП охладителей масла турбокомпрессоров системы наддува ГД использовались: температура масла после турбокомпрессора; перепады температур масла на охладителе (At ) и турбокомпрессоре (AtrK); величина открытия байпасного клапана.
При учете ТС воздухоохладителей ГД в качестве ДП приняты: температуры, перепады температур и давления воздуха на охладителе; давление наддувочного воздуха в ресивере; величина открытия клапанов, регулирующих количество перекачиваемой через охладитель забортной воды, наличие солености воды, сливающейся через отдельный трубопровод из нижней части ресивера продувочного воздуха; температура и перепад температур по забортной воде на охладителе.
При измерении температур и давлений воздуха на охладителе, а также давления наддувочного воздуха в ресивере ГД работал на нагрузках не менее 70% от номинальной. Температура воздуха после охладителя поддерживалась в пределах 40-45С.
На основании проведенных измерений ДП в процессе ТЭ элементов систем пускового воздуха и наддува и обработки их результатов разработаны нормы ДП. Их граничные условия определялись в соответствии с критериями состояния, приведенными в методических указаниях [95]. Информация по их нормированию рассматривается ниже (табл. 4.1, 4.2, 4.3)
