1 Введение. Термины и определения
Нельзя внести ясность в рассуждения,
если она сначала не введена в определения.
В. Гершель.
1.1. Система - совокупностьвзаимодействующихчастей. Здесь ключевое слово - “взаимодействие”. В определении понятия системы нет указания, КАК разбивать целое (т.е. систему) на части. Это обстоятельство отдается на усмотрение исследователя и целиком зависит от задачи исследования.
Всякая химико-технологическая система (ХТС) - установка, производство, линия, технология - погружена в некую макросистему. Под последней будем понимать социально-экономическую систему производства промежуточных и конечных продуктов потребления в сочетании с системой распределения их и способом управления во имя каких-то целей. Именно макросистема определяет цели, задачи функционирования любой конкретной ХТС: обеспечить потребителей необходимым количеством продукта определенного качества. Именно макросистема обеспечивает ХТС материальными, энергетическими, информационными и людскими ресурсами. Макросистема через финансы и систему обмена создает ценообразующий базис, в поле действия которого возникают понятия себестоимости, рентабельности работы ХТС, срок окупаемости и другие категории экономической эффективности. В рамках макросистемы проводятся научно-исследовательские и конструкторские разработки, темп генерации их результатов определяет так называемое моральное старение рассматриваемой ХТС. Очень важной характеристикой всякой новой технологии с позиции макросистемы является стоимость ХТС или, как говорят экономисты, капитальные затраты. Они определяют размер кредита, который дает инвестор, на создание “в железе” самой ХТС. Именно инвестор решает быть или не быть в натуре разработанной на бумаге промышленной установке.
Наконец, макросистема требует экологической безопасности, нормирует экологическое давление ХТС на природу региона, где будет эксплуатироваться ХТС.
Итак, макросистема, т.е. социально-экономическая организация людей, рассматривает сегодня всякую ХТС через призму, по крайней мере, четырех граней:
1. Годовая производительность и качество продукта.
2. Годовая себестоимость произведенного продукта.
3. Стоимость ХТС, т.е. капитальные затраты.
4.Экологическая безопасность ХТС.
ЗамечаниеОбращаем внимание на традиционное рассмотрение этих четырех граней: здесь по умолчанию, неявно, как само собой разумеющееся, предполагается, что ХТС не будет внезапно останавливаться, не будет внеплановых простоев со всеми их убытками и затратами.
Обозначая первые две грани, подчеркнем значимость прилагательного “годовая”. Суть дела в том, что экономистов фирмы, предприятия, владеющего какой-то ХТС, совершенно не интересует секундная или часовая производительность установки. Экономические службы фирмы осуществляют взаимодействие фирмы и ее ХТС с макросистемой и работают в масштабах времени последней: квартал, полугодие или год. Квант времени, равный одному году работы ХТС, является важнейшим в жизни фирмы и предприятия. Именно в конце года подводятся итоги, определяется фактическая прибыль (убыток) от работы ХТС, начисляются дивиденды, если есть что начислять и т.д. Но вся беда в том, что часть календарного года ХТС нормально работает, а часть - простаивает, принося одни убытки.
Всякая химико-технологическая линия является одним из элементов макросистемы, ее частью. Внешне ХТС представляет собой упорядоченный набор оборудования (реакторов, аппаратов и т.д.) соединенных газоходами и трубопроводами. Технологический поток проходит эту систему в строго определенной последовательности, совершаются преобразования этого потока и технологические переделы, а на выходе получается целевой продукт какого-то качества (концентрация полезного компонента в смеси, влажность материала и т.д.). В химической установке, как правило, протекают процессы смешения и разделения, процессы переноса количества движения (гидродинамика), теплоты и массы, совершаются химические и фазовые превращения. Эти процессы осуществляются в геометрических объемах аппаратов и реакторов, на поверхности зерен катализатора или на поверхности раздела фаз (пленки, пузыри, капли, твердые частицы).
Вариантов, способов разбиения химико-технологической установки на взаимодействующие частиочень много. Но вспомним название монографии и определение понятия “работоспособности” объекта (см. чуть ниже), становится очевидным, что надо заниматьсяпараметрами технологического потока и состояниемоборудованияв установке. Под параметрами состояния потока и оборудования будем традиционно понимать, говоря языком термодинамики, потенциалы и координаты состояния технологического потока в установке, а также другие характеристики (запыленность, влажность, фракционный состав, пористость частиц катализатора, его порозность в слое и т.д.). Все это заставляет представить ХТС как совокупность следующихвзаимодействующихчастей:
1. собственно химическая технология, т.е. последовательность переделов потока с химическими и фазовыми превращениями;
2. процессы переноса количества движения, массы и энергии в системе;
3. аппаратурное оформление, т.е. набор оборудования, в геометрическом объеме которого протекают и химические превращения, и процессы переноса.
И если в макросистеме бушуют социально-экономические законы природы, жизни и деятельности больших сообществ людей с их мировоззрением, культурой и целеполаганием, то в ХТС императивно действуют законы сохранения массы, энергии и количества движения. И эти законы сохранения объективно существуют в любойХТС, и именно это обстоятельство является основойметодаисследования работоспособности ХТС и его универсальности. Именно здесь находится фундамент математической формализации процесса исследования работоспособности ХТС: записывай законы сохранения и получишь математический аппарат, инструмент исследования.
Подойдем к какому-то аппарату ХТС или «заберемся внутрь него»: аппарат представляет собой некоторую оболочку правильной геометрической формы со стенками какой-то толщины, сделанными из какого-то материала. Присмотревшись, можно увидеть сварные швы, соединяющие элементы оболочки, видны штуцера для входного и выходного потоков. Штуцера имеют фланцево-болтовые соединения с газоходами и трубопроводами, идущими от других аппаратов ХТС. Части аппарата находятся под воздействием силовых нагрузок, погружены в агрессивную паро-газо-жидкую среду, испытывают циклические воздействия, подвержены абразивному износу, на поверхностях внутри аппарата видна корка отложений.
Эти наблюдения показывают, что рассматриваемый аппарат снова представляется нам системой, по отношению к которой ХТС является надсистемой. Технологический поток ХТС взаимодействует с частями, деталями аппарата, и это взаимодействие носит деградационный, деструктивный характер. Причем, процесс деградации материи имеет динамический характер: части аппарата, его детали и узлы меняют свои свойства в процессе эксплуатации, и наступает такой момент времени, начиная с пусковых работ, когда некоторое изделие, деталь, узел выйдет из строя, придет в состояние отказа.
Отметим разницу в масштабах времени происходящих процессов с технологическим потоком ХТС (это примерно 10+3сек.) и деградационных процессов материи в аппаратах, реакторах, насосах, газодувках той же ХТС (это примерно год или годы). Следовательно,масштабы временипроцессовхимических и фазовыхпревращений, процессов переноса теплоты, массы и количества движения в ХТС неизмеримо меньшемасштабов времени деградацииматерии деталей и узлов некоторого аппарата в ХТС.В этом принципиальное отличие смысла «работоспособности» и «надежности» ХТС и обычного объекта машиностроения.
Во всех отраслевых НИИ бывшего министерства химического и нефтяного машиностроения всегда придавалось огромное значение исследованиям деградационныхпроцессов, изменению свойств материи в процессе эксплуатации. Были специальные отделы в этих НИИ, которые только этим и занимались. Собственно, само понятие надежности ипоявилосьв машиностроении в результате изучения поведения деталей и узлов в условиях эксплуатации, в среде технологического потока промышленной установки. Эти исследования и их результаты сформировали свою теорию, методы исследования и, главное, приемы прогнозирования. Здесь образовался свой понятийно-терминологический аппарат, свои параметры и критерии, вышло большое количество монографий, книг, непрерывно идут публикации в периодической печати, организуются конференции, защищаются диссертации.
Для нашей работы отметим, что, когда говорят о надежности, особенно машиностроители, то, как правило, имеют в виду деградационныепроцессы в изделии в некоторых условиях эксплуатации.
Таким образом, можно, меняя линейный и временной масштабы изучения, рассматривать все более “мелкие” подсистемы ХТС, что иллюстрирует рис. 1.1.
Макросистема. Социально-экономическая
жизнь сообщества людей.
ХТС
Аппараты, реакторы и т.д. ХТС
Детали, узлы аппаратов
Кристаллы, полимеры
Молекулы, атомы,
…
Рис. 1.1. Иллюстрация иерархии систем.
Четкое понимание этой иерархии систем, вложенных друг в друга, как русские матрешки, позволяет определить в дальнейшем цель нашего исследования – надежность (работоспособность) ХТС на базе идущих в нейпревращений.
1.2 В России действует ГОСТ 27. 002-93 с названием “Надежность в технике. Термины и определения”. На первой странице этого нормативного документа находится определение понятиякачествапродукции химического машиностроения. Надо признать, что это определение имеет скорее литературный характер - разработчикам ГОСТа в этом определении хотелось, как можно больше все учесть и все упомянуть. Мы же здесь делаем основной акцент на такомсвойстве качества, как надежность: без надежности от изделия уже ничего нельзя требовать.
1.3Надежностьюназывается работоспособность во времени, согласно тому же ГОСТу.
1.4 Работоспособность- состояние объекта, при котором значения всехпараметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической (НТД) и/или конструкторской документации (КД).
Сделаем комментарий к последнему определению. Под заданными функциями ХТС обычно понимается годоваяпроизводительность по целевому продукту и его качество. И это понимание основано на том обстоятельстве, что ХТС является частью макросистемы.
В определении работоспособности фигурирует понятие “параметр”, который должен соответствовать нормативной документации. Под словом “соответствовать” будем понимать следующее. Пусть хi- тот самый параметр, пусть хi0- номинальное, проектное значение этого параметра в нормативной документации, пустьDхi- разрешенный диапазон отклонения хiот номинала хi0. Тогда под соответствием этого параметра нормативной документации будем понимать действие неравенства:
Те параметры работы ХТС, на которые в нормативно-технической и/или конструкторской документации указаны ограничения на амплитуду отклонения от номинального значения, далее будем называть заданными параметрами.
Можно перефразировать гостовское определение работоспособности следующим способом: ХТС называется работоспособной, если она выполняет свои целевые функции, и все ее заданные параметры находятся в своих разрешенных диапазонах около номинального значения.
Соответственно, отказомХТС называется отклонениехотя быодного заданного параметра за разрешенный диапазон.
Заметим в скобках, что разрешенное отклонение от номинала справа и слева совсем не обязательно одинаково, симметрично относительно номинала. Были случаи ограничений только с одной стороны.
Маленькая историческая справка
В начале 1980 года автор этого труда пришел работать в отраслевой институт ВНИИКомплект, принадлежащий Министерству химического и нефтяного машиностроения СССР. Этот институт (»320 человек) по уставу предназначен дляорганизации создания ХТСи комплектной поставки оборудования на монтажную площадку для новых, вновь создающихся промышленных химических производств. К концу работы этого института оказалось, что около 1/3 всех новых ХТС были созданы под кураторством и организующей волей ВНИИКомплекта.
В те времена за качество ХТС почему-то отвечали только машиностроители и потому они лучше всех знали, КАК пускаются и далее эксплуатируются ХТС (в министерстве была создана специальная служба слежения). Зато химики-технологи из НИИ Министерства химической промышленности СССР по вопросу надежности ХТС заняли позицию священных индийских коров. Такая ситуация заставляла именно машиностроителей плотно заниматься проблемой надежности.
В те годы просто в воздухе витала необходимость разработки инструмента различения “хороших” ХТС от “плохих”. Наличие такого инструмента позволило бы машиностроителям обоснованно отказываться от создания в “железе” “плохих” ХТС. Одним из тех, кто уловил эту потребность в инструменте анализа надежности ХТС, был Виктор Васильевич Михайлов, работавший в том же ВНИИКомплекте и бывший нашим научным лидером. Нам в руки попал упомянутый выше ГОСТ, и после прочтения определения понятия работоспособности наступил благословенный момент истины: надо заниматься заданными параметрами и выяснить, что их заставляет выходить за разрешенный диапазон отклонения. Так “родилось” ЧТО делать, ну, а уж КАК делать, это технические трудности и вопрос профессионализма и эрудиции.
Всю цепочку ГОСТовских определений можно представить в виде схемы:
Качество
Надежность
Работоспособность
Заданные параметры
Рис. 1.2. Схема последовательности и взаимосвязей определений понятий.
Подчеркнем очень важное обстоятельство: автор не вводит новых понятий. Все определения понятий, приведенные выше, легитимны, т.е. освящены ГОСТом, никакой отсебятины и произвола здесь нет.