6.2. Прогнозирование остаточного ресурса

Прогнозирование остаточного ресурса проводится с целью определения наработки с момента технического диагностирования его состояния до достижения им предельного состояния с заданной вероятностью безотказной работы.

Прогнозирование поведения объекта проводят различными методами:

• экстраполяцией данных о техническом состоянии, полученных ранее по результатам диагностирования;

• моделированием, т.е. исследованием физической модели объекта,

деградационных процессов, математическим (машинным) экспериментом аналитической модели;

• опросом экспертов;

• анализом статистических данных об отказах и ресурсе множества аналогичных объектов при схожих режимах и условиях эксплуатации;

• методом аналогий поведения объекта с поведением других объектов в данных условиях эксплуатации.

По форме представления количественных результатов различают статистические и детерминированные методы.

Для прогнозирования надежности оборудования применяют, в основном, две группы методов: статистические (основанные на статистической обработке данных об отказах и ресурсе аналогов) и экстраполяционные (основанные на анализе тренда параметров технического состояния исследуемого оборудования).

Статистические методы применяют в тех случаях, когда по исследуемому объекту нет ретроспективных данных об изменении параметров, определяющих его техническое состояние. Сбор информации и статистическая обработка данных об отказах и ресур­се аналогов проводится нормализованными методами.

Если на исследуемом объекте периодически или непрерывно проводится контроль параметров технического состояния и эти данные накоплены за достаточный срок эксплуатации, то более эффективно использование метода прогнозирования тенденций изменения (тренда) параметров технического состояния. Графическая или аналитическая интерпретация тренда параметров в будущее время называется экстраполяцией.

В общем случае выбор метода прогнозирования остаточного ресурса должен обосновываться точностью и достоверностью полученных данных, а также требованиями точности и достоверности прогнозируемого ресурса объекта и риска его дальнейшей эксплуатации, наличия и надежности системы контроля его технического состояния.

Определение остаточного ресурса потенциально опасного объекта осуществляется на основе имеющейся информации прогнозированием его технического состояния по определяющим параметрам до достижения ими предельного значения.

Возможность прогнозирования величины остаточного ресурса методом экстраполяции обеспечивается при одновременном наличии следующих условий:

• на основании обследования известны параметры технического состояния объекта;

• известны определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов объекта;

• известны критерии предельного состояния объекта, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

По ряду деградационных процессов (сплошной коррозии, изнашивания, ползучести) эти условия выполняются. По другим видам повреждений (образование трещин, межкристаллической, щелевой, язвенной коррозии, некоторых видов изнашивания) выполняются не все условия, что требует специальных исследований.

Основой прогнозирования остаточного ресурса служит следующая информация:

• диагностические данные о состоянии объекта;

• данные о режиме и условиях эксплуатации;

• априорная информация о процессах, ограничивающих ресурс.

Номенклатура параметров технического состояния должна содержать:

• наименование параметра;

• принадлежность его к параметрам, описывающим групповые или индивидуальные особенности исследуемого объекта;

• способ измерения параметра;

• характеристику погрешности измерения параметра.

В число информативных параметров в каждом конкретном ^е включаются только те параметры, которые определяют работоспособность потенциально опасных участков рассматриваемого объекта и заметно изменяются в ходе эксплуатации. В качестве информативных параметров для определения предельного состояния потенциально опасного оборудования, подверженного коррозии, в первую очередь принимают толщины стенок силовых элементов, напряженно-деформационное состояние, дефектность и прочностные характеристики материалов в потенциально опасных участках.

Повреждения сосудов и аппаратов возникают вследствие воздействия различных эксплуатационных факторов, влияние каждого из которых имеет свои закономерности. Поэтому необходим всесторонний анализ их влияния на ресурс. Повреждения могут быть вызваны эрозионным истиранием стенок рабочей средой, коррозией металла, усталостью, температурной ползучестью, изменением физико-химических свойств металла и другими причинами. Наиболее часто встречающимися повреждениями поверхностей нагрева являются: отдушины, трещины, разрывы элементов (например, труб), которые могут быть вызваны загрязнением поверхностей теплообмена, неравномерностью температурного поля и др. Перегрев металла вызывает изменения его структуры, снижение механических характеристик, окалино-образование. Накопленный опыт типовых повреждений сводится в атласы повреждений химического оборудования.

Допустимое количество повреждений на поверхности аппаратов и их размеры регламентируются в зависимости от характера нагружения и свойств материалов нормативными документами. Предельно допустимые значения повреждений, установленные в нормативно-технической документации, называются критериями предельного состояния.

Безусловными критериями предельного состояния сосудов, аппаратов, трубопроводов, подвергающихся коррозии, являются:

• потеря прочности при уменьшении толщины стенки,

• наличие растрескивания металла, коррозионных язв, питтинга в зоне сварных швов,

• распространение дефектов (трещин, коррозионных язв и др.)

на регламентированную нормативной документацией площадь и глубину.

При возможности непрерывного контроля параметров технического состояния могут использоваться упрощенные методы, при которых прогнозирование осуществляется по одному параметру технического состояния:

• для объектов, работающих в условиях статического нагружения и общей равномерной коррозии, расчет проводится по снижению несущей способности вследствие уменьшения толщины стенки;

• для объектов, работающих в условия циклического нагружения при отсутствии коррозионной среды, расчет проводится по снижению несущей способности вследствие малоцикловой усталости;

• для объектов, для которых накоплен объем информации по функциональным параметрам, достаточный для экстраполяции их значений на последующий период эксплуатации, расчет проводится по изменению этих параметров до предельных значений.

В основе выбора типовых моделей экстраполяции лежат априорные знания физических закономерностей развития повреждений и результаты предшествующих исследований закономерностей деградации на объектах-аналогах со сходными режимами и условиями эксплуатации.

Аналитическим прогнозированием называют прогнозирование, задачей которого является получение аналитических выражений для оценки значений прогнозируемых параметров. При этом искомой величиной является, параметр технического состояниях в будущий момент времени t или момент времени, когда параметр технического состояния достигает предельного значения. Если техническое состояние описывается несколькими параметрами, то используют понятие обобщенного многомерного вектора состояния х = {х₁, х₂ ,..}.

Индивидуальный прогноз объекта исследования основан на знании математического ожидания М_х и условной дисперсии величины х в моменты времени, предшествующие моменту обследования x(t_i), i = 1, N, и принимаемой модели развития этого процесса.

В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяется гамма-процентный ресурс, задаваемый двумя численными параметрами: наработкой и выраженной в процент ах вероятностью того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто. В отсутствии второго показателя величина наработки считается назначенной.

Выбор вероятности осуществляется в зависимости от назначения, степени ответственности и режима использования объекта. Для уникальных и ответственных объектов, отказ которых может привести к человеческим жертвам и существенным экономическим потерям, значение вероятности приближается к единице.

В статистических методах оценки ресурса по результатам исследования партии изделий гамма-процентный ресурс определяется по кривой распределения ресурсного показателя. В отсутствии закона распределения используют непараметрические методы оценки надежности.

Общая типовая методика прогнозирования технического состояния оборудования содержит следующие этапы исследования:

1) Определение стратегии прогноза (определение цели, задач, интервала упреждения, рабочих гипотез, методов и организации исследования);

2) Прогностический фон (сбор информации о методах прогнозирования по схожим с объектом исследования систем);

3) Разработка системы показателей, параметров, отображающей характер и структуру объекта;

4) Разработка поисковой модели (проекции в будущее системы показателей модели на дату упреждения по наблюдаемой тенденции с учетом факторов прогностического фона);

5) Разработка нормативной модели (проекции в будущее системы показателей модели в соответствии с заданными целями и нормами по заданным критериям);

6) Оценка степени достоверности (варификации) и уточнение предварительных моделей с помощью параллельных контрольных методов (опросом экспертов, математическим экспериментом);

7) Выработка рекомендаций для оптимизации принятия решения в планировании и управлении эксплуатацией оборудования на основе прогностических моделей.

Право разработки методик расчета остаточного ресурса предоставляется специализированным организациям, имеющим лицензию Госгортехнадзора на этот вид деятельности. Методики согласовываются с Госгортехнадзором в установленном порядке.