4.3. Поддержание надежности оборудования при эксплуатации

Низкая надежность оборудования, как правило, приводит к увеличению эксплуатационных расходов и времени простоя. Кроме того, при недостаточной надежности внезапные отказы сборочных единиц и деталей из-за нарушений установленной технологии могут привести к тяжелым авариям, затраты на ликвидацию которых весьма велики. Однако повышение надежности связано с усложнением оборудования и повышением его стоимости, поэтому необходимо установить некоторую оптимальную надежность, исходя из критерия минимальной стоимости проектирования, изготовления и эксплуатации оборудования. Проектирование и изготовление высоконадежного оборудования требует дополнительных средств. Однако с увеличением надежности уменьшается число отказов, время вынужденного простоя, необходимое количество запасных частей, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Таким образом, с увеличением надежности оборудования растет стоимость проектирования и изготовления, но уменьшается стоимость эксплуатации. При этом существует некоторая (оптимальная) надежность, при которой суммарная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации минимальна. Такой оптимальный уровень надежности называется нормой надежности.

В табл. 4.9 приведены классы надежности для бурового оборудования и оптимальные значения уровня безотказности, разработанные на основании обобщения статистического материала об отказах оборудования буровых установок для бурения глубоких скважин на нефть и газ.

Требования повышения безотказной работы оборудования, связанные с обеспечением установленной оптимальной надежности, настолько высоки, что удовлетворить этим требованиям, не прибегая к специальным мерам по повышению его надежности, часто не представляется возможным.

Надежность оборудования закладывается при проектировании, реализуется при изготовлении, монтаже и наладке и расходуется при эксплуатации.

Все методы обеспечения надежности оборудования принципиально могут быть сведены к следующим основным:

резервированию;

уменьшению интенсивности отказов элементов системы;

сокращению времени непрерывной работы;

уменьшению времени восстановления;

выбору рациональной периодичности и объема контроля системы.

Реализация указанных методов осуществляется при проектировании, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования. От работы проектировщика в первую очередь зависит как будет работать оборудование в тех или иных условиях эксплуатации. Из этого вовсе не следует, что процесс эксплуатации не влияет на надежность объекта. При эксплуатации обслуживающий персонал может существенным образом изменить надежность систем.

В процессе проектирования используются схемные и конструкционные методы обеспечения надежности систем.

Схемные методы включают:

анализ прототипов;

создание схем с минимально необходимым числом элементов;

применение резервирования;

разработку схем, не допускающих опасных последствий отказов их элементов;

оптимизацию последовательности работы элементов схемы;

предварительный расчет надежности проектируемой схемы.

Классы надежности бурового оборудования

Класс надежности	Характеристика отказов	Наименование неисправного оборудования, сборочной единицы, детали	Последствия из-за отказа	Оптимальное значение вероятности безотказной работы
I	Внезапные отказы основных деталей и частей, недопустимые в процессе бурения	Несущие элементы талевой системы, тормозное устройство буровой лебедки, устройства для захвата и подвешивания труб	Возможные человеческие жертвы, значительный материальный ущерб	P{L = = 5000м)}> > 0,99
II	Внезапные отказы основных деталей и частей, обеспечивающих выполнение основных технологических операций при проводке скважин	Оборудование, обеспечивающее циркуляцию промывочной жидкости, привод и подъем инструмента	Возможность аварий и прихватов при бурении со значительным материальным ущербом	P{L > > 5000 м}> > 0,99
III	Отказы основных деталей и частей, приводящие к досрочной замене оборудования в период бурения	Основная опора вертлюга, основная и вспомогательная опоры ротора, детали приводной части бурового насоса и др.	Длительные простои и досрочная смена (до отработки установленного ресурса) оборудования в период бурения	P{L > > 5000 м}= = 0,88
IV	Отказы оборудования из-за выхода из строя быстроизнашивающихся деталей и частей	Детали гидравлической части буровых насосов, грязевый сальник вертлюга	Простои оборудования, связанные со сменой быстроизнашивающихся деталей в период бурения	P{t > > 200 ч} = = 0,80
V	Отказы вспомогательного оборудования и инструмента	Части гидроциклонных установок, мешалок, смесителей и др.	Непродолжительные простои оборудования с незначительным материальным ущербом	P{t > > 200 ч} ≈ ≈ 0,75

Уменьшение числа элементов при прочих равных условиях приводит к увеличению вероятности безотказной работы системы, а также благоприятно сказывается на ее массе, габаритах и стоимости.

Однако при этом необходимо помнить, что сокращение числа элементов не должно увеличивать коэффициент нагрузки у оставшихся элементов, в противном случае эффект может быть прямо противоположным.

Под оптимизацией последовательности работы элементов схемы понимается согласование тактов автоматической работы схем не только по времени, но и по достижении тем или иным параметром заданного значения.

При создании схем с ограниченным последействием отказов применяется включение в схемы специальных защитных и предохранительных устройств, которые предотвращают аварийные последствия отказов.

Резервирование - один из наиболее эффективных методов повышения надежности объектов. При резервировании в конструкции заранее предусматривается замена неисправного элемента исправным.

Резервирование, как средство повышения надежности, наиболее целесообразно применять для повышения надежности оборудования, предназначенного для непрерывной работы в течение короткого времени. Использование резервирования для повышения надежности оборудования, предназначенного для длительной работы, часто связано с высоким резервированием или с применением специальных способов резервирования. Повышение надежности оборудования путем его резервирования приводит к ухудшению таких характеристик как масса, габаритные размеры, стоимость, условия обслуживания (увеличение частоты проверок, числа запасных деталей и частей) и поэтому ограничивает использование этого метода при конструировании оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи.

В число конструкционных методов повышения надежности входят:

упрощение кинематической схемы; обеспечение равнопрочности основных деталей и сборочных единиц;

правильный выбор материалов;

использование элементов с малыми значениями интенсивности отказов при заданных условиях эксплуатации (выбор элементной базы);

обеспечение благоприятного режима работы элементов;

рациональный выбор совокупности контрольных параметров;

рациональный выбор допусков на изменение основных параметров элементов и системы в целом;

защита элементов от вибрации и ударов;

унификация элементов и системы в целом;

разработка эксплуатационной документации с учетом опыта применения системы, подобной конструируемой;

обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции (применение встроенных контрольных устройств, автоматизация контроля и индикация отказов, удобство подходов для обслуживания и ремонта).

На стадии конструирования необходимо выбрать такие размеры деталей и обеспечить такие условия их работы, при которых интенсивность разрушения будет минимальной. В этом случае необходимо определить соответствующие нагрузки и скорости относительного перемещения трущихся поверхностей, предусмотреть наиболее совершенные устройства для смазки, выбрать оптимальные посадки в сопряжениях и т.п.

Для повышения долговечности машины конструктор обязан предусмотреть высокую ремонтопригодность ее основных частей, т.е. обеспечить простоту обслуживания и ремонта машины.

Одна из эффективных мер в этом направлении - максимальная унификация сборочных единиц и деталей, которая дает возможность изготовить машины из типовых сборочных единиц и агрегатов, благодаря чему можно быстро и просто заменить в них вышедшие из строя элементы на местах эксплуатации и ремонтировать в централизованном порядке на хорошо оснащенных специализированных предприятиях. Перспективным направлением в повышении долговечности машин является создание саморегулирующихся и самовосстанавливающихся сборочных единиц и систем. Сущность подобных решений заключается в обеспечении постоянства основных конструктивных параметров сопряжения в процессе работы посредством их автоматической регулировки и подналадки.

Значительная доля отказов оборудования обусловлена производственно-технологическими причинами. Анализ статистических данных позволяет сделать вывод о том, что производственными причинами снижения надежности оборудования являются: несоответствующее качество полуфабрикатов, комплектующих элементов и агрегатов; нарушения технологии изготовления и сборки, отсутствие стабильности технологических процессов из-за отклонения параметров и недостаточной надежности оборудования; недостатки системы контроля качества на всех этапах производства оборудования, его монтажа и наладки.

Основные способы обеспечения надежности оборудования наэтапе его производства приведены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Структура мероприятий по обеспечению надежности

оборудования при его производстве

Выполнение заданных требований по надежности на этапах проектирования и производства проверяется не только расчетными и аналитическими методами, но и большим объемом экспериментальных исследований и испытаний. С точки зрения обеспечения надежности оборудования главной задачей испытаний является проверка достаточности заложенных при проектировании уровней надежности. При проведении экспериментов и испытаний проводится оценка правильности конструкционных решений и выявление слабых технологических решений, идентификация математических моделей с натурным объектом. Виды экспериментальных исследований и испытаний оборудования показаны на рис. 4.4.

Перечисленные методы обеспечения надежности должны применяться в совокупности с учетом влияния каждого из них на работоспособность объекта.

Рис. 4.4. Содержание работ по комплексной программе обеспечения надежности оборудования на этапе испытаний

Методы обеспечения надежности оборудования, применяемые в эксплуатации, могут быть разбиты на две группы. В первую группу входят все методы, которые используются на этапах проектирования и производства оборудования. На основе изучения опыта эксплуатации инженер-эксплуатационник имеет возможность разработать ряд рекомендаций для конструкторов, направленных на обеспечение требуемого качества оборудования (изменение схемы, замена элементов, изменение конструкции, материалов и т.п.). Эти рекомендации согласовываются с конструкторами и вводятся специальными указаниями (доработками). Однако нельзя считать, что при эксплуатации устраняются только конструкционные и производственные ошибки, хотя доля таких ошибок еще велика.

Вторая группа мероприятий, обеспечивающих надежность при эксплуатации, относится к воздействию на оборудование обслуживающего персонала. К этим мероприятиям относятся:

повышение квалификации обслуживающего персонала;

применение инструментальных методов контроля технического состояния;

разработка и внедрение способа прогнозирования отказов;

своевременное и тщательное проведение ТО и Р в полном объеме;

соблюдение правил хранения и эксплуатационной обкатки;

соблюдение режимов работы;

соблюдение рекомендаций заводов-изготовителей по применению топлива, масла и смазочных материалов.

Физическая долговечность подвижного сопряжения, являющаяся одним из основных показателей его надежности, определяется зависимостью

(4.8)

где S_max и S_нач - зазор, соответственно максимально допустимый и начальный в сопряжении; tg α - скорость изменения зазора вследствие изнашивания.

Согласно этой зависимости заданная физическая долговечность может быть обеспечена системой мероприятий, позволяющих поддерживать в требуемых пределах значения числителя и знаменателя. Мероприятия, направленные на поддержание величины знаменателя, т.е. определенной, не выше нормальной, интенсивности изнашивания, относятся к техническому обслуживанию машины, а мероприятия, направленные на поддержание определенной, не ниже нормальной, величины числителя (т.е. предела расширения посадок), - к ремонту машины. Действительно, если за неизмененную величину принять числитель, то сохранение tg α = const есть единственный путь обеспечения заданного ресурса. Основными здесь являются мероприятия технического обслуживания: надлежащая смазка механизмов и употребление эксплуатационных материалов требуемого качества, правильная регулировка, соблюдение правил пуска и управления, обеспечение соответствующими условиями хранения и др.

Типичные мероприятия в области ремонта машин способствуют сохранению величины числителя - разности между предельно допустимым максимальным и начальным зазорами. К ним относятся: восстановление первоначальных размеров деталей и устранение искажений их геометрической формы, восстановление первоначальной посадки и др.

Таким образом, назначенная физическая долговечность сопряжения может быть обеспечена системой совместных мероприятий технического обслуживания и ремонта машин. Графически ее можно представить системой кривых, показанных на рис. 4.5.

Рис. 4.5. График физической долговечности сопряжения

Физическая долговечность обеспечивается, во-первых, надлежащей технической эксплуатацией сопряжения (техническим обслуживанием), позволяющей поддерживать интенсивность изнашивания на уровне, который не превышает заданных значений α₁, α₂, α₃, …, α_n и, во-вторых, надлежащим ремонтом, позволяющим после каждого межремонтного периода восстанавливать ослабленную посадку, т.е. снижать S_max до S_нач.

Проанализировав выражение (4.8), можно наметить пути повышения физической долговечности, так как при S_max - S_нач = const и tg α → 0 имеем

τ_ф → ∞.

Следовательно, чтобы увеличить физическую долговечность, необходимо снизить интенсивность изнашивания, а этого можно достичь указанными тремя группами мероприятий (конструкторскими, технологическими и эксплуатационными).

Сокращение времени непрерывной работы оборудования фактически не является методом повышения его надежности. Однако, уменьшая время работы оборудования, можно тем самым увеличить время его существования в исправном состоянии.

Время восстановления оказывает существенное влияние на коэффициент готовности. Уменьшая время восстановления, можно увеличить готовность оборудования к действию в любой момент времени, уменьшить простои и повысить эффективность его действия.

Выигрыш по коэффициенту готовности будет определяться выражением

где Т '_ср и Т "_ср - среднее время безотказной работы оборудования соответственно до повышения надежности и после;τ'_cp и τ''_cp - среднее время восстановления соответственно до повышения надежности и после.

Из этого выражения следует, что мероприятия по повышению надежности целесообразны при условии

Время, требуемое на ремонт оборудования, уменьшают с помощью рационального конструирования оборудования и использования передовых методов эксплуатации.

Оценить эффективность того или иного метода повышения надежности можно на основании сравнения количественных характеристик надежности.

Вероятность безотказной работы оборудования, интенсивность отказов которого уменьшена в k раз, при λ = const будет

где λ - интенсивность отказов оборудования до ее понижения.

Выигрыш надежности по вероятности отказов и среднему времени безотказной работы в этом случае определяется выражением

(4.9)

Из (4.9) видно, что при λt → 0 выигрыш надежности по вероятности отказов равен 1/k. С ростом λt он убывает и в области больших λt стремится к единице. Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы растет пропорционально коэффициенту k.

Существует мнение, что надежность объекта в процессе эксплуатации можно лишь поддерживать на определенном уровне, который заложен при проектировании и изготовлении. Превзойти же этот уровень невозможно.

Действительно, объекты, находящиеся в эксплуатации, обладают так называемой «встроенной» надежностью с параметром Т_ср. Под «встроенной» надежностью понимается рассчитанное конструктором значение средней наработки до отказа Т_ср. Это значение определяется исходя из интенсивности отказов комплектующих элементов λ_i, которые получены для условий работы, оговоренных нормами или заказчиком в техническом задании (ТЗ), и необходимости выполнения предписанных инструкций по эксплуатации.

Параметр встроенной надежности можно определить из выражения

где п - общее число отказов за период работы t, n_пост - ожидаемое расчетное число постепенных отказов; n_вн - среднее число внезапных отказов.

В процессе эксплуатации систем имеется возможность активно воздействовать на параметр Т_ср, который может изменяться в зависимости от эффективности обслуживания объектов.

Можно показать, что вероятность выявления дефектного элемента в процессе обслуживания и предотвращения постепенного отказа в интервале времени t равна

где - среднее время, затрачиваемое на обнаружение дефектного элемента. Оно зависит от числа обслуживаемых элементов и производительности аппарата прогнозирования, а также от квалификации и опыта обслуживающего персонала.

Следовательно, величина P(t) определяется процессом эксплуатации объекта. Так что число постепенных отказов может быть уменьшено до значения

В случае, когда реальные условия эксплуатации мало отличаются от расчетных (или оговоренных разработчиком) условий, усилиями обслуживающего персонала воздействие факторов внешней среды может быть ослаблено и, следовательно, интенсивность отказов элементов λ_э в условиях эксплуатации будет меньше расчетной λ_i. Тогда число внезапных отказов уменьшится:

Таким образом, в процессе эксплуатации общее число отказов может быть уменьшено и

В этом заключается сущность активного воздействия эксплуатационных мероприятий при обеспечении заданной надежности. Работы, выполняемые в соответствии с комплексной программой обеспечения надежности оборудования на этапе эксплуатации, направлены на поддержание заданного уровня надежности. Основные принципы поддержания уровня надежности, которые заложены при проектировании, производстве, монтаже и наладке оборудования, реализуются в программе ТО и Р.

Таким образом, высокий уровень надежности, предусматриваемой программой ТО и Р при эксплуатации оборудования, обеспечивается неукоснительным соблюдением требований НТД путем сохранения всех параметров систем на протяжении установленных ресурсов и сроков службы. С этой целью в процессе эксплуатации реализуется комплекс задач по оценке и анализу уровня надежности оборудования, включающий:

статистический и инженерный анализ надежности оборудования, находящегося в эксплуатации;

оценку соответствия надежности оборудования техническим условиям (ТУ);

изучение влияния условий и особенностей эксплуатации оборудования на показатели его надежности;

разработку и осуществление мероприятий по уменьшению отрицательного воздействия условий и режимов эксплуатации на надежность оборудования;

предъявление заводам рекламаций на низкое качество продукции;

подготовку обоснований для увеличения ресурсов оборудования и совершенствования эксплуатационной и нормативно-технической документации.

Управление надежностью - это целенаправленная деятельность по обоснованию, планированию, обеспечению, поддержанию и повышению характеристик безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости объектов.

Целью управления надежностью является обеспечение заданного уровня безопасности и экономической эффективности оборудования.

Основными задачами управления надежностью являются:

сбор, анализ и обобщение статистических данных о надежности оборудования;

осуществление обмена информацией о надежности согласно установленному в нефтегазодобывающем обществе порядку;

проведение расчетов оценки уровня надежности объектов (определение количественных значений показателей надежности оборудования);

оценка эффективности проведенных мероприятий по повышению надежности оборудования и квалификации персонала;

организация и разработка перспективных планов мероприятий по повышению надежности оборудования и квалификации персонала.

Решение перечисленных выше и других задач управления надежностью осуществляется в результате работы системы управления, где объект управления - надежность оборудования, управляющий орган - службы главного инженера ТПП нефтегазодобывающего общества, цеха, отделы, лаборатории, смены.

Центральным звеном системы управления надежностью оборудования является служба (подразделение) надежности (отдел, лаборатория, группа).

На подразделение надежности возлагается:

1) изучение и применение соответствующего информационного, математического, программного и технического обеспечения всех необходимых расчетов надежности для оценки текущего уровня безопасности оборудования, определения фактических значений показателей надежности оборудования, оценки ресурса оборудования, планирования замены оборудования;

Рис. 4.6. Основные мероприятия по программе управления надежностью