2.Модели отказов

Отказ – это нарушение работоспособности объекта, которое имеет различные причины возникновения и разнообразные формы проявления. Отказы приводят к ухудшению эксплуатационных свойств объекта и всегда связаны с материальными потерями. Формы проявления отказов зависят от вида объекта, от характера действия нагрузки на его элементы, от качества эксплуатации. Характерными проявлениями отказов могут быть отклонения выходных параметров от нормативных значений, механические повреждения, приводящие к появлению трещин, поломок или деформаций, рассогласования регулирующих и управляющих систем, приводящие к ухудшению экономичности, точности и т.п.

Анализ характеристик надёжности нельзя проводить в отрыве от целевого назначения объекта и его функциональных характеристик. Это относится и к понятию отказ, содержание которого нельзя рассматривать в отрыве от сущности выполняемой объектом главной функции. Для котлоагрегата это будет выработка пара с нормативным значением параметров, для турбоагрегата – развитие мощности, передаваемой электрогенератору, для теплообменника – передача определённого количества тепловой энергии.

При исследовании надёжности сложных технических объектов, например, ТЭЦ или ГРЭС, необходимо различать отказ объекта в целом, отказ функциональных систем и их агрегатов и элементов. При отказе объекта в целом ущерб вероятнее всего будет максимальным, а в случае отказа отдельных агрегатов может быть частично сохранена его работоспособность. В этом случае функционирование объекта будет происходить с меньшей эффективностью, но при этом следует учесть фактическую потребность в уровне выходного эффекта, которая также может быть понижена. Так, например, при наличии на газотурбинной ТЭЦ нескольких газотурбинных агрегатов одинаковой мощности и отказе одного из них общая мощность станции снижается. Но в случае, если нагрузка на станцию в момент отказа обеспечивается оставшимися в действии агрегатами, то потребитель может не ощутить возникновение на станции отказа и, следовательно, ущерб от него снижается по сравнению с ситуацией, когда от станции требуется полная мощность.

Таким образом, в зависимости от последствий отказов, а также от характера их развития и проявления различают следующие условные формы надёжности:

- функциональную, когда объект не способен выполнять заданные функции;

- параметрическую, когда выполняемые функции не удовлетворяют требованиям экономичности и эффективности;

- прочностную, когда происходят повреждения и поломки и не обеспечивается необходимая долговечность.

Для каждой из этих форм надёжности существует несколько вариантов развития (моделей) отказов.

Наиболее изученными являются следующие модели отказов.

1. Модель мгновенных повреждений (внезапные отказы). Например, при работе турбоагрегата с переменной нагрузкой на электрический генератор происходит случайное кратковременное увеличение нагрузки до номинального уровня. Система автоматического регулирования для обеспечения потребной мощности увеличит подачу пара, что вызовет рост напряжений в рабочих лопатках турбины. Предположим, что отказ (поломка лопатки) наступает в том случае, когда нагрузка превышает некоторый допустимый уровень. Вследствие случайного изменения нагрузки отказ также является случайным и не зависит от того, сколько времени турбоагрегат находится в эксплуатации, и от того, в каком состоянии находились лопатки перед отказом. Различают модели случайных отказов с постоянной, возрастающей и убывающей интенсивностью.

При внезапных отказах используют экспоненциальный закон надёжности, а количество отказов за определённый промежуток времени прогнозируют на основе формулы Пуассона. Подробнее об этом законе будет сказано в Лекции №5.

2. Модель накапливающихся изменений (постепенные отказы). Эта модель реализуется, когда в процессе функционирования объекта в его элементах накапливаются изменения (повреждения). Постепенное старение и (или) износ элементов приводят к тому, что их рабочие параметры выходят за допустимые пределы. Постепенно ухудшается качество функционирования всего объекта. Выход за нижний допустимый предел качества функционирования (например, экономичности или мощности) влечёт за собой отказ изделия в целом. Один из вариантов модели постепенных отказов, учитывающей изменение характеристик выходного параметра объекта в результате накопления повреждений из-за износа и старения материала и поле допуска на его изменение, рассмотрен ниже.

На рис. 1 представлены характеристики изменения выходного параметра X во времени при различных процессах накопления повреждений при воздействии на объект нагружающих факторов и внешних условий².

Рис. 1. Характеристика изменения выходного параметра во времени в процессе накопления повреждений

Отказ объекта происходит по достижении выходным параметром своего предельного значения X_max. В начальный момент времени (приt=0) этот параметр имеет математическое ожиданиеa₀с законом рассеивания значенийf(a). Это рассеивание связано с различными величинами вибраций, теплового расширения, деформации из-за механических нагрузок и влиянием других процессов, вызванных переменными режимами работы объекта.

В процессе функционирования объекта по мере выработки заложенной долговечности происходит накопление необратимых изменений, обусловленных износом и старением материалов, накоплением длительных и усталостных повреждений, а также коррозионными, эрозионными и другими воздействиями. Эти изменения характеризуются величинами , где_i– скорость накопления повреждений. Процесс изменения параметраXсо скоростью_xявляется случайным, зависящим от скорости повреждения отдельных элементов объекта.

В результате взаимодействия указанных событий происходит формирование закона распределения f(x,t), который определяет вероятность выхода параметра за границуX_max, т.е. вероятность отказа

.

Данная модель описывает формирование отказа, как при постепенном, так и при внезапном его проявлении. Если обозначить время начала проявления повреждений через Т_в, то в первом случае процесс изменения параметров начинается сразу приТ_в =0, а во втором случае функцияf(Т_в)после возникновения повреждения протекает с большой интенсивностьюX(t) .

На рис. 2 представлена модель формирования закона распределения постепенного отказа объекта с линейной зависимостью интенсивности изменения параметра Xво времениX = kt .

Рис.2. Модель постепенного отказа объекта при линейной зависимости скорости изменения параметра Xво времени

В данном случае скорость k = и зависит от большого числа случайных факторов, что чаще всего характеризуется нормальным законом распределения

, где f(t)– плотность вероятности;_ср– математическое ожидание скорости процесса повреждаемости;- среднее квадратическое отклонение скорости процесса.

Для объектов промышленной энергетики характеристики процессов развития отказов могут быть значительно сложнее, чем рассмотренные выше. Износ или старение могут служить косвенными причинами отказа, когда их величину невозможно проконтролировать в эксплуатации, а вследствие увеличившегося, например, зазора в подшипниках происходит заклинивание ротора турбины. Отказ может быть вызван сразу несколькими причинами, влияние которых меняется в зависимости от условий эксплуатации. Причём эти причины могут быть независимыми или взаимосвязанными.

Характеристики изменения во времени показателей надёжности многих промышленных объектов имеют много общего. На рис 2.3 представлена типичная для объектов промышленной энергетики зависимость изменения во времени уровня надёжности в процессе длительной эксплуатации с плановыми ремонтами.

Рис.3. Зависимость вероятности безотказной работы P(t)ремонтируемого объекта от времени эксплуатацииt;N(t)– количество заменённых узлов при ремонте

Уровень надёжности отдельного объекта, точнее вероятность его безотказной работы за время межремонтного цикла постоянно снижается, так как происходит износ материалов и накопление усталостной повреждаемости. Снижение происходит от начальной величины P₀до минимально допустимойP_min. В момент времениt₁, когда уровень надёжности достигаетP_min, эксплуатация объекта прекращается и выполняется плановый восстановительный ремонт. После замены или ремонта наиболее изношенных агрегатов объект начинает эксплуатироваться вновь, однако уровень его надёжности будет ниже начального значения, т.е.P₁<P₀. Объект используется по назначению до моментаt₂, когда вновь возникает необходимость очередного ремонта. При этом при выполнении очередных ремонтов растёт количествоNзаменяемых агрегатов (узлов или деталей).

На рис.4 представлены характеристики изменения основных составляющих интенсивности отказов во времени t_, которые показывают, что в процессе эксплуатации ремонтируемых объектов происходит снижение отказов, связанных с конструктивными и производственными недостатками, и одновременное возрастание частоты отказов из-за износа, старения и усталостных повреждений (ресурсные отказы).

Рис.4. Модель интенсивности отказов для отдельных элементов ремонтируемого объекта

1-общий уровень; 2- «выгорающие» отказы; 3 - ресурсные отказы; 4 -случайные отказы

Как следует из рис.4, между уровнем надёжности и периодом использования ремонтируемого объекта по назначению существует неразрывная связь. Для каждого периода эксплуатации можно выделить определяющую модель отказов, которой соответствует при получении количественных оценок конкретный математический аппарат. Общим является подход к изучению отказов как к случайным событиям с определёнными законами распределения.

После возникновения отказа в процессе использования объекта по назначению для его устранения выполняют комплекс мероприятий, одним из которых является выявление источника (локализация) и причин отказа. Отказавший элемент, узел или механизм определяют двумя дополняющими друг друга методами анализа: методом структурных схем надёжности (метод «снизу вверх») и методом «дерева отказов» (метод «сверху вниз»).

Метод структурных схем надёжности заключается в последовательном преобразовании параллельных и последовательных участков структурной схемы надёжности эквивалентными блоками до сведения её к одному блоку. Основной принцип метода заключается в последовательной постановке вопроса, к какому событию в процессе работы объекта (его элементов) приводит отказ элемента следующего уровня структуры, т.е. в осуществлении анализа «снизу вверх».

Для большинства механических систем возможны три основных причины отказов:

- действие энергии окружающей среды, включая человека, выполняющего функции оператора или ремонтника;

- действие внутренних источников энергии, которые связаны как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

- действие потенциальной энергии, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

Различные виды энергии, действующие на машину, вызывают в ее узлах и деталях процессы, связанные со сложными физико-химическими явлениями, приводящими к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров объекта, что может привести к отказу. Процессы, приводящие к изменению начальных свойств объекта, протекают в материалах, из которых созданы элементы, включая не только детали машины, но и смазочные материалы, топливо, которые участвуют в рабочем процессе.

Приведем примеры этих взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в турбине, приводит к изнашиванию подшипников, к изменению осевых и радиальных зазоров в проточной части. Это вызывает искажение начального положения ротора относительно статора, может быть источником повышенных вибраций корпуса турбины, что может привести в конечном итоге к задеванию ротора о статор. В результате может произойти разрушение лопаточного аппарата.

Химическая энергия вызывает процессы коррозии в трубных системах и коллекторах котлоагрегатов, в теплообменных аппаратах и теплотрассах. Повреждение стенок труб различного теплотехнического оборудования может привести вначале к ухудшению выходных параметров объекта (утечка теплоносителя, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя.

Различают обратимые и необратимые процессы, происходящие в агрегате и влияющие на его технические характеристики. Обратимые процессывременно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример таких процессов — отложение шлака в топке котлоагрегата или загрязнение проточной части газотурбинных двигателей промышленными частицами (выхлопные газы, пары масла и т.п.). Регламентные работы по очистке рабочих поверхностей практически полностью восстанавливают характеристики агрегатов.

Необратимые процессыприводят к прогрессивному ухудшению техниче­ских характеристик машины с течением времени. Характерными необратимыми процессами в турбомашинах являются эрозия лопаток турбин, работающих на влажном паре, изнашивание подшипников, наружная и внутренняя коррозия трубных систем котлоагрегатов, накопление усталостных повреждений в лопатках компрессоров ГТД, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.