Введение
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека. По мере развития цивилизации рукотворная часть будет постоянно увеличиваться, в том числе и за счет появления разнообразнейших по конструкции и назначению машин и механизмов. Это сопровождается повышением рабочих параметров-нагрузок, скоростей, температур, давлений, уменьшением габаритов и массы, повышением требований к точности функционирования и эффективности работы (производительности, мощности, КПД). Происходящее является естественным результатом научно – технического прогресса, помогающим человеку в дальнейшем освоении и изучении окружающей его среды, облегчающим и делающим более комфортным его жизнь.
Однако при этом есть и "обратная сторона медали" - эксплуатация машин требует от человечества все возрастающих расходов, значительная часть которых приходится на ремонты, ликвидации последствий непредвиденных остановок, аварий и катастроф.
Промышленность несет огромные потери из-за недостаточной работоспособности выпускаемых машин. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают стоимость новой машины, например, для автомобилей — до 6 раз, для самолетов — до 5 раз, для станков — до 8 раз, для радиотехнической аппаратуры — до 12 раз. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.
Существенное недоиспользование потенциальных возможностей имеет место для машин, к которым предъявляются высокие требования безотказности (сохранению работоспособности). Они, как правило, снимаются с эксплуатации намного раньше того срока службы, который могло бы отработать большинство данных изделий.
1. Общие вопросы технической диагностики (основные определения, задачи, средства и способы)
Техническая диагностика - отрасль научно-технических знаний (научно-техническое направление), которая занимается разработкой теории, методов и средств определения технического состояния объекта (обнаружения дефектов объектов технической природы).
Диагностика – слово греческое. «Diagnostikos» - способность распознавать.
Техническое состояние есть свойство объекта, характеризуемое в определенный момент времени при определенных условиях и режимах эксплуатации значениями параметров, установленных технической документацией на объект.
В качестве объекта изучения могут выступать различные виды оборудования: машины, аппараты, емкости, трубопроводы, арматура, контрольно-измерительная аппаратура или отдельные их части и узлы, а также технологические процессы, процессы обработки, хранения материалов, энергии, информации.
Совокупность действий по определению технического состояния называют техническим диагностированием.
Основными задачами технического диагностирования являются:
контроль технического состояния объекта с целью установления соответствия объекта требованиям технической документации и определения работоспособен он или нет на текущий момент;
поиск мест дефектов и повреждений, определение причин неисправности и отказов с рекомендацией методов и средств восстановления работоспособности объекта;
прогнозирование технического состояния объекта на предстоящий период эксплуатации с заданной вероятностью безотказной работы или определение с заданной вероятностью интервала времени, в течение которого сохраняется работоспособное состояние объекта.
В ответах на эти вопросы не должно быть двойственной трактовки технического состояния объекта и прогнозирования его остаточного ресурса. Для этого необходима строго определенная методология проведения работ по техническому диагностированию. Параметры состояния, их мера, приборы и методы их определения должны быть строго регламентированы нормативными документами.
Конструкторская
доработка и доводка
Производство
Эксплуатация
Технологический
процесс производства
Локализация
источников
Диагностичес
кий контроль
производства
Эксплуатационная
диагностика
Диагностика
технологических процессов
Идентификация
источников повышенной виброактив
ности
Оценка качества
изготовления и монтажа
Оценка технического
состояния, прогнозирование остаточного
ресурса
Автоматизация
управления технологическим процессом
Области применения диагностики на этапе жизненного цикла машинного оборудования
Диагностика необходима на всей этапах жизненного цикла технического объекта: при проектировании и доводке опытного образца, при производстве серийной продукции, в периоды эксплуатации и ремонта. Методы и средства диагностирования, применяемые на каждом из этапов, могут отличаться друг от друга и порой существенным образом (рисунок 1.). Это объясняется различием вида дефектов, их природой и требуемой глубиной диагностирования.
Наибольший экономический эффект от использования методов диагностики достигается на этапе эксплуатации за счет:
- устранения ненужных переборок, выполняемых согласно графикам ППР, и связанных с этим необоснованных простоев;
- исключения внезапных аварийных остановок оборудования;
- сокращения, стоимости и объема ремонтов, экономии запчастей;
- повышение качества функционирования машины и всего связанного с ней производства за счет отсутствия нарушения ритмичности его работы.
Необоснованные переборки нарушают приработку узлов и деталей и тем самым ускоряют их износ, вносят новые непредвиденные дефекты в виде перекосов осей, повышенных или пониженных зазоров, загрязнений и прочих технологических дефектов, сокращающих срок службы машины и требующих новых ремонтных работ, образуя, таким образом, порочный замкнутый круг. Разорвать этот круг, как раз и призвана диагностика.
Разработка эффективных методов диагностики является трудной задачей, так как при изучении поведения машины в период ее эксплуатации приходится сталкиваться с достаточно сложными и разнообразными по своей физической природе процессами, являющимися результатом взаимодействия элементов машины, как между собой, так и с окружающей их средой.
При этом различают три основных источника воздействий:
- действие энергии окружающей среды, включая и человека – оператора или ремонтника;
- внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных элементов машины;
- потенциальная энергия, накопленная в материале и деталях машины в процессе ее изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения и т.п.).
При работе машины возникают и взаимодействуют сложным образом различные виды энергии, влияющие на ее работоспособность: механическая, тепловая, химическая, ядерная, электромагнитная и.т.п. Энергия, действуя на машину, вызывает в ее узлах и деталях процессы, имеющие сложную физико-химическую природу и приводящие к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Это в свою очередь ведет к изменению выходных характеристик машины и, как следствие, к отказу, то есть к невозможности выполнения машиной заданных ей функций.
Измерение физических параметров (общее число известных физических величин около 200) положено в основу различных методов и средств технического диагностирования. При этом наиболее часто используют электрометрию, виброаккустику, дефектоскопию, интроскопию. Также измерение механических свойств, состава вещества, размера, сил, деформации, давления, температуры, времени, массы, влажности, расхода и уровня. Для этого используют широкую номенклатуру испытательной техники, приборов и аппаратуры.
Основное место в технической диагностике занимают методы и средства безразборной диагностики. При этом можно указать множество физических параметров, характеризующих техническое состояние машины, что в свою очередь требует разнообразного набора методов и средств диагностирования. Данное обстоятельство потребовало поиска унифицированных параметров и соответствующих им методов и средств диагностирования.
В диагностике целесообразно различать следующие группы параметров состояния:
параметры эффективности оборудования: производительность, теплообмен и массообмен, удельные энергетические затраты и т.п.;
параметры надежности объекта;
• параметры диагностического сигнала.
Параметры диагностического сигнала включают в себя числовые характеристики различных процессов, сопутствующих работе объекта, доступных для непосредственного измерения и служащих информацией о состоянии объекта. Выходные процессы объекта и изменение их параметров являются единственными видимыми извне проявлениями его состояния.
Диагностическим сигналом называют полную совокупность функции состояния, каждая из которых может быть непосредственно измерена на работающем объекте. Диагностический сигнал регистрируется с помощью измерительной аппаратуры. При оценке текущего состояния объекта основной измерительной аппаратурой являются многочисленные средства неразрушающего контроля (СНК), основанные на различных физических принципах. Учитывая объемы регистрируемой информации, СНК максимально автоматизируются, а регистрируемая информация представляется в форме, удобной для ее анализа и хранения. Современный этап развития СНК и технической диагностики характеризуется интенсивной компьютеризацией, что позволяет перейти к автоматизированным экспертным системам.
Косвенный процесс определения неизвестных параметров состояния объекта по совокупности параметров диагностического сигнала и называют диагностикой.
Совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования по правилам, установленным в технической документации, составляет систему технического диагностирования.
Системы диагностики различаются уровнем получаемой информации об объекте. В зависимости от решаемой задачи выделяют следующие виды диагностических систем:
системы для разбраковки объектов на исправные и неисправные;
системы для аттестации объектов по классам;
системы для измерения скрытых параметров объекта без разборки;
• системы прогнозирования состояния объекта.
Приспособленность объекта к техническому диагностированию характеризуется его пригодностью к проведению диагностирования заданными средствами, доступностью к контрольным точкам, наличием люков, лазов, возможностью установления датчиков, контрольно-измерительных приборов.
В зависимости от вида воздействия на объект диагностирование подразделяют на функциональное (рабочее), при котором на объект подается рабочее воздействие, и тестовое, при котором объект подвергается тестовым воздействиям (например, испытание при повышенном давлении). Функциональное диагностирование применяют при использовании объекта по назначению, когда необходима проверка правильности функционирования и поиска дефектов. Тестовое диагностирование применяют при изготовлении объекта, во время его ремонта, профилактики и при хранении, а также перед применением, когда необходима проверка исправности объекта и его работоспособности.
Комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов, средств, необходимых для осуществления диагностирования, представляет собой диагностическое обеспечение.
Средства диагностики включают в себя приборы, пульты, стенды, датчики, специальную вычислительную технику, рабочие программы. По отношению к исследуемому объекту средства диагностирования могут быть встроенными в объект, внешними, специализированными, универсальными.
Взаимодействуя между собой, объект и средства реализуют некоторый алгоритм диагностирования, представляющий совокупность предписаний последующих действий проведения диагностирования и анализа результатов. Если порядок таких действий заранее установлен и не меняется, то он называется безусловным алгоритмом диагностирования в отличие от порядка, определяемого и изменяемого в зависимости от результатов предыдущей проверки, называемым условным алгоритмом диагностирования. Различают алгоритмы проверки (направлены на обнаружение дефектов) и поиска (направлены на определение вида дефекта и места его расположения).
В изучении объектов большое значение имеет их классификация по различным признакам отказов, составление атласов дефектов различного оборудования. Признаками отказа называют непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдаемых явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта или процессов, с ним связанных. Изучение дефектов проводится с целью определения их природы, причин и вероятности возникновения, физических условий их проявления, условий обнаружения и т.п.
Диагностические параметры, по которым судят о техническом состоянии объекта, принято делить на прямые и косвенные. Прямые параметры непосредственно характеризуют техническое состояние объекта. По косвенным параметрам судят о состоянии объекта на основании корреляционных связей этих показателей с показателями технического состояния.
Показатели технического диагностирования характеризуются такими свойствами, как достоверность, полнота, глубина поиска, продолжительность диагностирования, условная вероятность не обнаружения отказа, условная вероятность ложного отказа, соблюдение принципа необходимости и достаточности.
С целью сокращения объема работ по диагностированию объекта, установления взаимосвязи между параметрами, вскрытия физической сущности происходящих процессов, идентификации измеряемых величин и параметров технического состояния, применяют методы физического и математического моделирования. При физическом моделировании модель и исследуемый объект, а также происходящие в нем процессы имеют одну и ту же физическую природу. Примером такого моделирования является исследование процессов коррозии и изнашивания на образцах-свидетелях. Математическое моделирование осуществляют с помощь математических моделей формализованного представления об объекте и происходящих с ним процессов. При разработке таких моделей широко применяют системный анализ процессов функционирования, и изменения объекта во времени.
Для сложных эволюционных систем применяют метод математического эксперимента (имитация) над абстрактной математической моделью объекта, процесса, явления. Такой эксперимент проводится с применением ЭВМ. Он позволяет проследить изменение состояния объекта от начального до текущего времени, прогнозировать изменения параметров технического состояния при дальнейшей эксплуатации объекта, а также решать задачи статистического распределения выходных параметров.
Любая математическая модель лишь приближенно отражает протекание процессов в реальном объекте. Для оценки меры близости поведения реального объекта и модели необходимо ее идентифицировать, т.е. установить соответствие поведения модели и реального объекта.
Работа по созданию системы диагностирования включает в себя: априорное изучение объекта, его возможных дефектов и их признаков, статистический анализ причин потери объектом работоспособности, выбор методов и приборов диагностического обследования, отладку и апробирование системы, составление математических моделей объекта в работоспособном и неработоспособном состоянии и функционирования объекта во времени. Только комплексный подход к исследованию объекта позволяет получить достоверную информацию о его техническом состоянии и гарантировать его безупречную работу на прогнозируемый период.
Для проведения работ по технической диагностике нефти–газа - химических производств используется большой арсенал методов и средств измерения, включающий:
измерение массы и геометрии объекта,
определение физико-механических, износостойких и фрикционных свойств материалов,
анализ структуры и состава конструкционных материалов,
оценку коррозионностойких свойств материалов в различных агрессивных средах, а также при механических воздействиях,
неразрушающий контроль структуры, наличия и развития дефектов в конструкционных материалах,
исследование и контроль напряженно-деформационного состояния объекта,
исследование и контроль температурного состояния объекта,
контроль тепло -, электро -, радиоизоляции,
измерение давления, температуры и состава рабочей (технологической) среды,
контроль состава и загрязненности смазочных материалов,
гидро- и пневмоиспытания,
исследование и контроль шума, вибрации, акустических полей,
течеискание,
радиационный контроль и другие,
средства кодирования, преобразования, хранения, анализа информации о техническом состоянии объекта и протекающих технологических процессах.
Для диагностирования используются системы контроля, передвижные диагностические лаборатории, роботодиагностические установки.
В большой мере этим требованиям удовлетворяют передвижные диагностические лаборатории, укомплектованные различными приборами неразрушающего контроля. Комплектация лабораторий производится в зависимости от вида диагностируемого оборудования и производимых диагностических работ.
Для диагностики трубопроводов применяют диагностические комплексы, одновременно производящие измерение толщины трубопровода, его геометрии, дефектоскопию металла, течеискание, повреждение изоляции. Такие комплексы передвигаются либо по наружной поверхности трубопровода, либо внутри (диагностический снаряд).
Перспективным является создание робототехнических диагностических систем, управляемых оператором, или автономных, передвигающихся по заданной программе по вертикальным и наклонным трубопроводам и аппаратам.
На нефтегазоперерабатываюших предприятиях для диагностирования крупногабаритных и энергоемких машин, аппаратов, резервуаров применяют встроенные стационарные средства диагностики и контроля с выводом показателей на пульт оператора (акустикоэмиссионный контроль емкостей-хранилищ, геометрический, температурный и вибрационный контроль газотурбинных установок). Автоматические регистрация и анализ параметров, отслеживание их изменения в эксплуатации представляют собой диагностический мониторинг объекта.