книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

Определение характеристики надежности г)п требует предвари­ тельного знания I. В первом приближении значение / при изве­ стных показателях грунтов основания можно найти по зависи­ мости (237).

Полученные формулы дают возможность установить допускае­ мый фильтрационный градиент, который обеспечит работу осно­ вания без выпора, с заданной надежностью с вероятностью без­ отказной работы Р при сроке службы сооружения Т, числе вы­ бросов Vj.

Принимая достаточно высокое значение вероятности безот­ казной работы основания без выпора Р = 0,99; Р = 0,999, можно рассчитать допустимый градиент, при котором деформация осно­ вания вследствие выпора станет практически невозможным со­ бытием.

Степень риска, соответствующую принятому коэффициенту за­ паса, при изменчивости фильтрационного градиента, описываемой распределением Гаусса*, можно установить следующим образом. Допустим, отклонение фактического градиента фильтрации в пределах взятого объема грунта от его среднего значения равно А/. Тогда условие фильтрационной деформации выпора основа­ ния грунта запишется так:

где Iф — градиент в реальных условиях;

Z-f-Д/.— предельное значение градиента фильтрации с учетом из­ менчивости фильтрационных показателей. Когда / ф <

< /+ Д /, сооружение работает без отказа, без выпора, а когда / ф > / + Л / , происходит выпор — отказ основания.

Вероятность возникновения выпора (отказа) при наличии кри­ вой распределения изменчивого параметра градиента фильтрации можно установить размером площади, ограниченной участками кривой нормального распределения и ординатой соответствующих

Так как исследуемые нами случайные величины подчиняются нормальному закону распределения, вероятность того, что /ф— Д /

окажется больше ml, можно установить с помощью готовых зна­ чений интеграла вероятности (приложение 10).

* При описании фильтрационного градиента другой кривой распределения, например логарифмически-нормальной, Максвела и др., решение несколько усложнится, но ход останется аналогичным.

140

где

X

(253)

О/ — среднеквадратическое отклонение фактического градиента

фильтрации от средней расчетной величины.

Принимая, что характеризующий выпор градиент фильтрации является линейной функцией независимых переменных, его средне­

где агр — среднеквадратическое отклонение величины (/ф—А/), обусловленное физико-техническими свойствами грун­ тов;

Oi...a« — среднеквадратические отклонения (Уф—А/), обуслов­ ленные другими факторами.

Следовательно, при коэффициенте запаса т = 1,2 степень риска значитель­ на и составит 25,47%, примерно в каждом четвертом сооружении может на­ блюдаться недопустимый выпор, приводящий к аварии сооружения.

Таким образом, степень риска в основном зависит от приня­ того коэффициента запаса и степени дисперсии фильтрационных показателей. Чем больше неоднородность показателя фильтрации, тем больше степень риска принятых решений при прочих равных условиях. Полученные зависимости позволяют определять надеж­ ность основания на фильтрационный выпор в процессе проектиро­ вания, оценивать влияние вида основания на степень надежности и дают возможность наметить пути изменения неоднородности естественных оснований и придавать лучшие физические свойства искусственным основаниям.

Аналогично можно вычислить степень риска при расчете под­ порных сооружений, устойчивости на опрокидывание и т. д.

141

8.ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ОБЛИЦОВОК

Надежность облицовок, подвергающихся истирающему воздей­ ствию турбулентного руслового потока (часто несущего в боль­ шом количестве наносы),— один из важных, наименее изучен­ ных вопросов, определяющих долговечность различных гидро­

И. Я. Штаерман, В. Н. Юнг и др.) [27]. Основное внимание они уделяли бетонным облицовкам, влиянию прочности бетона на из­ носостойкость.

В. Я. Горенбейн [27] попытался при расчетах на износоустой­ чивость комплексно учесть влияние наряду с прочностью состав­ ляющих и методов укладки бетона конкретных условий работы сооружения. Однако все эти исследования не уделяли достаточ­ ного внимания прогнозам износа во времени, показателям долго­ вечности.

Ниже излагается попытка приближенного решения этого во­ проса с позиции теории надежности.

Интенсивность износа, происходящего вследствие (воздейст­ вия на облицовку турбулентного руслового потока, нередко с включениями наносов, зависит от износостойкости материала, по­

Эта формула аналогична закону Аррениуса для скорости хи­ мической реакции, полученной им на основе экспериментальных исследований и подтвержденной Эвингом теоретически [122].

Аналогия вполне объяснима, так как при процессе износа, истирания облицовок большую роль играет химическая реакция, интенсифицируемая воздействием турбулентного руслового пото­ ка, часто несущего наносы.

В. этой формуле постоянную износа а можно установить на основе экспериментальных исследований [27], данных наблюдений в зависимости от вида, качества и свойств облицовки (марка бе­ тона и т. и.).

Теоретически для описания процесса достаточно одного изме­ рения, но лучше его установить с помощью осреднения множества данных.

142

В относительных координатах износ может быть представлен

По этой зависимости можно рассчитать время, в течение ко­ торого толщина облицовки износится до расчетной величины. По этой закономерности можно установить продолжительность меж­ ремонтного периода, если известно, что ремонт требуется после износа слоя облицовки определенной толщины.

Среднее значение допустимой толщины облицовки устанавли­ вается расчетом на механическую прочность и фильтрационную устойчивость. Зная значение допустимой толщины, по зависимо­ сти (259) можно установить среднее время, необходимое для ис­ тирания до предельной толщины.

Если выход из строя облицовки обусловлен механическим раз­ рушением, то интенсивность отказа может быть определена по физическим свойствам материала.

Из рассмотренныхпричин аварий и неполадок видно, что основной причиной выхода из строя облицовок (каналов, тонне­ лей) являются износы, истирание. Экспериментально (Ю. Я- Штаерман, Г. Л. Зоделава, В. Я. Горенбейн [27]) установлен ли­ нейный закон зависимости изнашиваемости облицовок от ско­ рости движения наносов и потока. Следовательно, важно устано­ вить оптимальную скорость течения потока, допустимую В кана­ ле, тоннеле с точки зрения минимального износа и устранения отказов, обусловленных износом. Эту скорость можно установить исходя из следующих соображений. Число повреждений на еди­ нице длины пути в результате износа можно считать расположен­ ным случайно и подчиняющимся, как редкое явление, закону Пу­ ассона

Допустим, предварительными опытами установлено, что вре­ мя, необходимое для устранения повреждений в тоннеле, равно

143

fn. Согласно изложенному, среднее время передвижения фронта потока вдоль тоннеля можно выразить уравнением

Имея в виду линейную зависимость износа от скорости тече­ ния потока, вероятность повреждения можно выразить формулой

Принимая подчиненность числа повреждений закону Пуассо­ на, а .можно установить из того, что вероятность повреждения бу­ дет стремиться к 1 при достижении скоростью предельного раз­ рушающего значения.

Приближенно для обычно применяемых облицовок предельное

F25

Врассмотренном случае минимум функции расположен в ин­

тервале от 0 до 25 м/с. Тогда

вследствие износа t—1 месяц, вычислить значение оптимальной скорости те­

Пример 25. Наблюдением над истиранием облицовки каналов установлено, что за 20 лет эксплуатации толщина облицовки уменьшается с 11 до 10 см. Необходимо установить продолжительность межремонтного периода, зная, что ремонт требуется после уменьшения толщины на 8 мм.

144

Р е ш е н и е . Время, в течение которого толщина облицовки износится до расчетной величины, можно рассчитать по формуле (256):

Я=Я0е-а<.

\Q=r-Ue~a t .

Подставляя значение t = 20 лет, получаем а = 0,0048, отсюда

1 , Н0

^расч—

Я,расч

Зная эту закономерность, установим продолжительность межремонтного периода:

то есть /Расч~16 лет.

9.НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

ИУСТАНОВЛЕНИЕ ЧИСЛА РЕЗЕРВНЫХ АГРЕГАТОВ

Впоследнее время в нашей стране построено множество мощ­ ных насосных станций, аварийное отключение которых мо&ет принести значительный ущерб (а иногда и непоправимый) народ­ ному хозяйству. Поэтому вопрос выбора необходимого числа уста­ навливаемых насосов, обеспечивающих надежное снабжение по­ требителя водой, имеет первостепенное значение. Несмотря на это, применяемая в настоящее время методика расчета числа ус­ танавливаемых насосов не в достаточной степени учитывает кри­ терии и рекомендации теории надежности. Например, авторы учеб­ ника [98] указывают, что в практике проектирования ороси­ тельных насосных станций встречаются два способа выбора чис­ ла агрегатов, устанавливаемых на насосных станциях.

1.Число рабочих агрегатов выбирают из условия покрытия максимального потребного расхода насосной станции. Для обес­ печения подачи форсированного расхода и замены в случае аварии одного из насосов устанавливают еще один агрегат. Таким обра­ зом, общее количество установленных агрегатов равно числу ра­ ботающих плюс один резервный.

2. Число устанавливаемых агрегатов выбирается из условий покрытия форсированного расхода насосной станции.

Для определения необходимого числа насосов рекомендуется рассматривать несколько вариантов с различным количеством на­ сосов, задаваясь их различной производительностью, исходя из принятого условия покрытия максимального расхода с установ­ кой резервного агрегата для обеспечения форсированного расхода,

ипосле экономического и технического сравнения их выбирать наивыгоднейшее количество насосов.

Из этих рекомендаций ясно видно, что количество резервных насосов нередко предлагают принимать независимо от надежно­ сти установленных в насосной станции агрегатов, что неправиль­

но, так как количество резервных агрегатов зависит от надеж­ ности остальных агрегатов. Количество резервных насосов сле­ дует устанавливать на основе рекомендаций теории надежности и теории резервирования. Применение теории надежности позво­ лит не только установить количество резервных агрегатов, но и дать оценку качества эксплуатации *наеосных станций, прогнози­ ровать надежность работы агрегатов, количество запасных частей и др.; установить частоту ремонтных и профилактических работ.

Выход из строя насосов в основном обусловлен механическим износом, коррозией, поломкой деталей и т. д.

Наиболее часто насосы выходят из строя в результате износа и разрушения основных деталей, от которых зависит работоспо­ собность насоса. К таким деталям относятся: рабочее колесо, тор­ цевые уплотнения, уплотнение рабочего колеса и вала, подшип­ ники.

Насосы, применяемые для мелиоративных целей, часто выхо­ дят из строя (отказывают в работе) из-за абразивного, кавита­ ционного износа деталей. Абразивный износ происходит под воз­ действием взвешенных в воде наносов. Износ детали характери­ зуется площадью и глубиной повреждения. Разрушение при аб­ разивном износе является следствием непрерывных соударений транспортируемых потоком частиц наносов с поверхностью дета­ лей. Интенсивность этих разрушений зависит от энергии (массы и скорости), вида, твердости, размера и формы транспортируемых потоком частиц. Соударение частиц-, наносов с поверхностью де­ талей насоса вызывает разрушение и усталость отдельных поверхностей. Вследствие того, что усталостная прочность ряда ме­ таллов в воде значительно меньше, чем на воздухе, процесс аб­ разии насосов более интенсивный. Экспериментальными иссле­ дованиями и наблюдениями за эксплуатацией насосов установ­ лено, что наиболее значительному износу подвергаются участки поверхности и детали, расположенные в конце кавитационной зо­ ны. При наличии на поверхности неровностей кавитационное раз­ рушение увеличивается. В результате абразивного износа и ка­ витационной эрозии ухудшаются энергетические характеристики насосов, снижается напор и коэффициент полезного действия и, следовательно, увеличивается потребляемая энергия, повышаются затраты труда и материалов на ремонтные работы. Вызванное сни­ жением коэффициента полезного действия увеличение расхода электроэнергии в течение межремонтного периода эксплуатации насоса достигает 6—7%.

Нередко повреждения насосов являются следствием отказа отдельных элементов в результате износа.

Несмотря на частые отказы насосов вследствие износа, боль­ шое количество их, выходит из строя из-за внезапных повреж­

Г46

ных пар- и вкладышей подшипников в результате попадания крупных частиц механических примесей, 'трещины и сколы и т. п.

Ремонт сильно изношенных насосов сопряжен с большими за­ труднениями, и полное восстановление их почти невозможно. Устранение мелких небольших повреждений не представляет осо­ бого затруднения. Следовательно, определение оптимальной про­ должительности межремонтного периода эксплуатации насосов, работающих в условиях, вызывающих интенсивный кавитацион­ ный абразивный износ, может в значительной степени повысить надежность работы насосных станций. Так как оценка надежно­ сти насосов, как и других систем и механизмов, требует нали­ чия результатов наблюдений за их эксплуатацией, очевидно, на первом этапе исследования придется ограничиться данными, опуб­ ликованными в литературе по интенсивности отказов, техниче­ ским ресурсам и т. д.

В дальнейшем по мере накопления статистических материа­ лов о работе и отказах насосов и насосных станций (к сбору и систематизации которых желательно приступить повсеместно) эти расчеты будут уточнены. Собранные данные наряду с надеж­ ным прогнозированием эксплуатации насосных станций позволят при проектировании и изготовлении насосов учитывать недостат­ ки и улучшать качество выпускаемых насосов. Критерии надеж­ ности позволят давать оценку качества эксплуатации насосных станций и прогнозировать различные параметры надежности (час­ тоту капитальных и профилактических ремонтов, количество за­ пасных деталей и др.). Кроме того, окажется возможным срав­ нить между собой отдельные насосы одной станции и насосы разных станций. Это позволит наметить мероприятия по улуч­ шению состояния и эксплуатации других насосных станций. Ус­ ловия работы насосов на разных станциях различные. Поэтому одинаковые насосы в разных условиях работают неодинаково. Таблица 11, составленная на основе статистической обработки материалов эскплуатации насосов, работающих в разных усло­ виях по составу ложа водотока и климата [16], представляет оп­ ределенный интерес для специалистов при проектировании насос­ ных станций.

Надежность работы насосных станций можно увеличить повы­ шением надежности деталей и узлов, их кавитационной и эро­ зионной стойкости, контроля их качества; выбором оптимальных режимов; повышением конструктивной надежности на основе ис­ следований конструктивных решений; применением материалов, соответствующих условиям работы с повышенной эксплуатацион­ ной надежностью; учетом при монтаже насосных станций удоб­ ства ремонтных работ; проведением предварительных испытаний, регулировки и т. д. Когда перечисленные или другие меры не могут обеспечить надежность заданного уровня за определенный промежуток времени, применяют резервирование, монтируют ре­ зервные, избыточные для заданного объема работы насосы — создают группу насосов, общая надежность которых выше надеж­ ности отдельных агрегатов.

На насосных станциях применяют основное, резервное и сме­ шанное соединения насосов. Основным соединением (последова­ тельным соединением) называется такое, при котором отказ хотя бы одного насоса ведет к отказу всего соединения.

На насосных станциях может быть использовано резервиро­ вание с целой и дробной кратностью. Резервирование с целой кратностью будет в том случае, когда основной насос имеет один или несколько резервных. Резервированием дробной кратности называется такое, при котором основные насосы не имеют от­ дельных резервов, резервные насосы предназначены для несколь­ ких основных. В насосных станциях может быть использовано резервирование со скользящим (плавающим) резервом, являю­ щимся разновидностью резервирования с дробной кратностью. При этом типе резервирования любой из резервных насосов мо­ жет замещать любой основной насос.

На насосных станциях резервные насосы могут быть вклю­ чены на все время эксплуатации или при отказе основных, то есть может осуществляться постоянное резервирование и резер­ вирование с замещением.

На насосных станциях можно иметь горячий (нагруженный), теплый (облегченный) и холодный (ненагруженный) резервы.

Нагруженный резерв применяется на тех насосных станциях, где недопустимы даже кратковременные остановки для пере­ ключения с основного насоса на резервный.

Преимущество постоянно включенного резерва состоит в том, что нет необходимости тратить время и средства на переклю­ чение с кратковременной остановкой. Недостаток его заключа­ ется в том, что резервный насос расходует свои ресурсы надеж­ ности как основной насос.

Когда условия работы резерва аналогичны условиям работы основного насоса, этот вид резервирования называется горячим или нагруженным резервом. Если резервный насос расходует свои ресурсы только с момента включения, резервирование называ­ ется теплым, облегченным резервом, если же он расходует свои

148

ресурсы только с момента включения его взамен отказавшего, резерв называется холодным.

Расчет основных показателей надежности резервирования на­ сосных станций, количества резервных агрегатов для достижения необходимого уровня надежности производят по зависимостям, приведенным в предыдущей главе. Применение их проиллюстри­ руем на конкретных примерах.

Пример 26. Вероятность безотказной работы насосного блока водоснабже­ ния в течение 1200 ч равна 0,9. Для повышения надежности решено устано­ вить второй йдентичный насосный блок. Определить вероятность безотказной

Внося значение Р(1200)=0,9 и в выражение для Рс (0. будем иметь

Pc(i)=e~Kt (1 + М )-0,9(1 +0,1) =*0,99 .

Средняя наработка до первого отказа определяется по формуле (129)

7'с р . о = 7’с р .о ( 'я + 1 ) = 2 7 'ср.о

за время ^ = 1200 ч, Г0^ = 0 ,10, тогда

блока интенсивность отказов оставшегося насоса вследствие более тяжелых ус­

как при выходе из строя одного насосного блока изменяется интенсивность от­

149