Коэффициент использования. Рассчитывается, когда к времени восстановления добавляется и время простоев, технического обслуживания и ремонтов. Неиспользованным резервом является доведение коэффициента до максимально возможных величин, за счет как снижения времени простоев, внеплановых остановов, так и времени на ремонт и техническое обслуживание. Резервы здесь значительные. Так, одни предприятия останавливаются на техническое обслуживание до 1-го раза в неделю на 8-12 часов, тогда как лидеры, использующие современные средства диагностики останавливаются 1-н раз в месяц на 4-12 часов. Коэффициент технического использования для клапанов может при этом колебаться от 0,8-0,93 до 0,995%. Это означает, что за счет повышения коэффициента технического использования можно увеличить степень полезного времени на эксплуатацию до 5-15%.

Срок службы с позиций надежности. Срок службы определяется календарной продолжительностью эксплуатации клапана до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации. Однако срок службы может рассматриваться и как срок службы до первого капитального ремонта, и как срок службы между капитальным и средним ремонтами, и как срок службы до списания, как средний срок службы и др.

Со знанием условий эксплуатации есть возможность расширять срок гарантий, в течение которого изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение установленных требований к клапану при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в т.ч. обслуживания и ремонта.

ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Все показатели надежности могут быть разделены на главные и вспомогательные, а также отдельно на показатели в составе простых механических устройств, например, простая регулирующая и отсечная арматура в составе простых регуляторов, и показатели надежности в составе измерительных комплексов. Следует отметить, что с учетом все большего применения цифровых устройств, различие в показателях надежности будет все больше отличаться.

Главные и вспомогательные показатели надежности арматуры в составе механических устройств:

Главные показатели – это:

1. Срок службы до списания.

2. Гарантийный срок службы и вероятность безотказной работы в течение гарантийного срока,

3. Наработка на отказ, средняя наработка на отказ до первого отказа и за календарное время, как один из наглядных показателей надежности восстанавливаемых клапанов. В случае если время безотказной работы не зависит от момента, в который произошло восстановление клапана, то наработка на отказ совпадет со средним временем безотказной работы и средним временем между отказами. Это реально, когда предприятие работает по системе обменного фонда и восстановление клапанов производится до момента останова, т.е. персонал тратит время только на замену. Обменный клапан должен восстанавливаться предварительно.

4. Вероятность безотказной работы.

5. Среднее время восстановления.

6. Коэффициент готовности.

К выводимым из этих показателей являются такие расчетные показатели как интенсивность отказов, коэффициент технического использования, параметр потока отказов, коэффициент использования, вероятность отказа, средняя частота отказов с учетом ремонта, ресурс и назначенный ресурс.

К числу показателей, которые могут быть использованы при коммерческих расчетах, являются срок гарантии и срок службы. К примеру, к ним привязываются программы сервисного обслуживания сервисным центром компании Метсо Автоматизация.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Цена отказа регулирующего клапана, работающего в составе высокоточного измерительного комплекса, очень высока и сопровождается значительно большими потерями, чем отказ обычного клапана. Для клапанов, работающих в измерительных комплексах, также характерны внезапные и постепенные отказы. Отдельно стоят постепенные метрологические отказы и сбои.

Как показано в некоторых работах, повышение метрологической надежности средств измерений стоит примерно в 3 раза дороже, чем повышение точности, в 9 раз дороже, чем повышение их чувствительности или конструктивной эффективности и в 250 раз дороже, чем повышение быстродействия. Такова цена обеспечения надежности измерительного комплекса. Ниже рассмотрим на примере, как повышение точности и надежности измерений сказывается на качестве регулирования.

Пример. Предприятие имеет следующие показатели работы КИП и А и арматуры:

– Коммуникации, основанные на HART протоколе.

– Основная система управления – Metso DNA

– Основное обеспечение – Metso Automation, (регулирующие и отсечные клапаны, датчики концентрации и анализаторы), АВВ – датчики температуры, давления и расхода, Е+Н – расходомеры, VEGA – регуляторы давления, ROSEMOUNT (управление температурой и давлением от HART DTM).

Устранение малых вариаций отмечалось при отклонении от заданного перемещения на клапане подачи химикатов. Отклонение до 0,8% обычно не так важно, но в этом случае оно имело очень большой эффект на рН воды. После регулирования, установки цифрового позиционера с возможностью самодиагностики и увеличения надежности измерений отклонение перемещения от заданного было уменьшено до 0,3% и вариации рН были соответственно уменьшены. Сейчас значение тревожного сигнала при отклонении перемещения от заданного для этого клапана установлено на величине не более 0,3%.»

Этот пример ясно показывает, как эффект от повышения метрологической точности и надежности при эксплуатации влияет на стабильность качества, и, как современные системы повышения точности и надежности, включая диагностику и предсказание трендов, оказывают положительный эффект на качество процесса.

ВНЕЗАПНЫЕ ОТКАЗЫ

В измерительных и регулирующих комплексах внезапные отказы занимают небольшое место, и их доля оценивается от 10 до 15%. При этом исследование причин внезапных отказов аппаратуры, выпускаемой отечественными заводами, показывает, что примерно 40% общего количества отказов происходит из-за ошибок при проектировании и инжиниринге, около 20% приходится на ошибки при производстве, 30% из-за неправильной эксплуатации и около 5% на естественный износ и старение. В этих условиях наиболее опасными, и по вероятности появления, и по трудности обнаружения являются постепенные метрологические отказы. Внезапные отказы бывают, как правило, редкими и случайными, проявляются в явной потере работоспособности. Встроенные датчики надежности и программа диагностики в этом случае позволит обнаружить неисправность уже на этапе калибровки при пуске системы или по выходу одного из анализируемых параметров за пределы «Алмазной диаграммы» (программно-диагностический комплекс FIELD CARE компании Метсо Автоматизация).

ПОСТЕПЕННЫЕ ОТКАЗЫ

По данным Минприбора до 40-60% от общего количества рекламаций относятся к рекламациям по выходу основной погрешности за пределы зоны допускаемых значений. В составе измерительных комплексов надежная работа регулирующего клапана оценивается дополнительными показателями. К ним относятся показатели, связанные с метрологической надежностью, а именно способностью клапана выдерживать показатели в пределах минимальной заданной погрешности. Они относятся к классу постепенных отказов, которые, к слову сказать, весьма трудно вычленяются и плохо выявляются без специальных приборов. А роль их весьма высока. Именно они еще до наступления полного отказа негативно влияют на регулирующую способность клапана, снижая показатели его работы. Этот тип отказа плохо выявляется, приводя к существенным перерасходам материалов, еще до момента обнаружения.

По опыту работы с предприятиями можно сказать, что, в основном, внезапные отказы определяются сразу и отражаются в рекламациях, постепенные обычно связываются с запросами клапанов на замену. В постепенных отказах можно выделить метрологические отказы, когда клапан еще работоспособен, но значения регулирования выходят за пределы минимальных допусков.

Улучшить характеристики надежности по постепенным отказам можно:

– уменьшением нестабильности основной погрешности регулирования для принятого гарантийного срока в 1-н год;

– улучшением метрологической надежности за счет постоянной диагностики.

ПОСТЕПЕННЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОТКАЗЫ

Специальным видом постепенных отказов в измерительных комплексах можно считать постепенные метрологические отказы. Они являются одним из основных видов отказов измерительных контуров. По данным исследований и расчетов надежности на долю таких отказов приходится от 70 до 90% отказов. Главным показателем качества измерений служит достоверность и стабильность метрологических характеристик во времени. Метрологические отказы происходят по причине постепенного увеличения минимально допускаемой погрешности со временем и выходом их из зоны допускаемых значений. Временная нестабильность погрешности приводит к выходу метрологических характеристик за допустимые пределы. При этом отказ открыто не проявляется, а обнаруживается только при диагностике и проверке. Главной проблемой оказывается предсказание точного времени, где вероятен метрологический отказ, т.е. выход контура регулирования за пределы основной погрешности.

Стабильность значений и отсутствие колебательности в регулировании должна обеспечиваться в первую очередь. Для этих целей для регулирующих клапанов фактор нагрузки не должен превышать 40% от возможной, он должен находиться основное рабочее время в зоне наиболее высокой регулирующей способности – открытие в диапазоне 50-70%. Для повышения точности должны устраняться все источники люфтов, трения и вводиться математически программируемая коррекция положения.

Учитывая важность изначальной метрологической готовности устройства к измерению, необходимо уже на этапе пуска в эксплуатацию заранее осуществить все виды калибровок и поверок. Делается это опытными специалистами при помощи специального оборудования. Это позволит снизить количество отказов на этапе пуска и гарантировать контролируемое изменение метрологических характеристик и их временную стабильность.

Методикой обеспечения работоспособности регулирующего клапана под требования метрологической надежности во избежание метрологических отказов является точный выбор клапана при помощи расчетных программ и специальная калибровка клапана по отклонению в стабильном состоянии и по динамическому отклонению. При этом точный расчет обеспечит правильный выбор клапана уже на этапе инжиниринга, а поддержание минимальных отклонений даст метрологическую надежность на этапе эксплуатации. Как уже понятно, эти отклонения должны быть меньше, чем отклонения, приводящие к выходу клапана из строя по постепенным отказам. Дополняя эти данные диагностическими данными по заеданию, положению золотника, рабочей нагрузке и нагрузке в стабильном состоянии, можно давать уверенные прогнозы по поддержанию временной стабильности регулирования и измерений и метрологической надежности контура измерения в целом.

С точки зрения борьбы с постепенными метрологическими отказами первоочередной задачей является ведение паспорта и первичной документации для обработки данных. Например, сервисный центр ЗАО Метсо Автоматизация, СПб имеет отработанные формы ведения такой документации и может проводить удаленную диагностику постепенных отказов с автоматической регистрацией в паспорте.

Учитывая сложности с кадрами на сегодняшний момент, необходимо все чаще предусматривать специальные действия по предотвращению ошибок персонала. Так, например, одна из наиболее распространенных ошибок заключается в следующем. При появлении ненормальности в работе измерительного контура, оператор совершает ряд неоправданных действий, вызванных стремлением быстро обнаружить ненормальность. Он пытается вращать любые регулируемые элементы, надеясь на случайность и выход устройства на нормальный режим, или самостоятельно разбирает устройство. Такие действия еще более расстраивают систему. После этого сложнее отыскать причину неисправности, требуется дополнительная регулировка, действия оператора же еще больше маскируют причину.

СБОИ

Сбои – это специфический вид отказов на регулирующих клапанах, работающих в составе цифровых измерительных устройств или позиционеров. С ростом применения цифровых устройств и общей интеллектуализации переход на цифровую технику будет необратим как в клапанах, так и в контурах регулирования. К достоинствам цифровой техники по сравнению с аналоговой относятся значительно большая помехоустойчивость, возможности интеллектуализации и встроенных вычислений. Уже намечены и следующие этапы развития интеллектуальных систем, включая самообучающиеся системы.

Теоретически, сбой – это событие, когда кратковременное превышение погрешностью измерительного устройства поля заданного допуска приводит к искажению результата измерения. Оно приводит, например, к искажению результатов и автоколебаниям в цифровых интеллектуальных позиционерах. Дополнительной проблемой является неправильно выбранный клапан заниженного размера, работающий с цифровым позиционером, когда контрольная точка не может быть достигнута даже при достижении клапаном предельного открытия. В этом случае клапан не в состоянии обеспечить слишком большое управляющее воздействие. Накапливаемая ошибка приводит к тому, что системы самодиагностики отключают клапан, вызывая непредвиденные остановы. Или позиционер сам себя переводит в контрольную точку, которую он знает точно. Или оператор сам отключает позиционер, избегая, таким образом, останова линии. При этом сбой самоустраняется, благодаря сбросу накопленной ошибки.

Вызываются сбои случайными причинами, непониманием особенностей эксплуатации. Зачастую, именно отсутствие квалифицированного обслуживания приводит к «регрессу» и переходу с цифровых позиционеров на аналоговые, что не раз наблюдалось на предприятиях отрасли.

Для повышения надежности интеллектуальных устройств особенно важно избегать субъективных ошибок и выполнять работы при помощи специалистов высокой квалификации. Так, большая часть вопросов, поступающих от предприятий отрасли, связана с работой позиционеров, наладки и обслуживания. К числу наиболее частых ошибок можно отнести нарушение правил включения и выключения, нарушение порядка проведения профилактических работ, вскрытие герметичного корпуса, неправильная настройка и регулировка.

Следует учесть, что клапаны в составе измерительных комплексов, как правило, не резервируются, что накладывает дополнительные требования по надежности. Для таких регулирующих клапанов следует учесть особенности отказов в момент пуска, приработки, нормальной эксплуатации, аварийных режимов и этапа старения. На первом этапе важно предусматривать калибровку, тренировку системы, тестирование, а пуск и наладку лучше проводить силами сервисной организации завода – изготовителя. На этапе нормальной эксплуатации важны элементы диагностики специальными средствами, позволяющими выявить метрологические отказы. На этапе старения необходимо уметь прогнозировать остаточный ресурс, а с целью замены выходящих из строя элементов – предусматривать в своих технических заданиях модульность исполнения.

РАСЧЕТ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ

Учитывая сложности статистического учета на действующем производстве и по технологическим линиям, можно предложить подход, используемый компанией Метсо. Компания применяет подход с применением своей программной оболочки Bernie, где ведется статистика запросов предприятий отрасли по каждому комбинату. В этом случае она достаточно точно отразит состояние клапанов по комплексному эксплуатационному показателю, характеризующему в среднем влияние комплекса используемых режимов работы и внешних условий на данном комбинате. Эти данные в первом приближении и с поправкой на применение клапанов в измерительных устройствах можно принять по табл.2.11.

Табл. 2.11. Значение комплексного эксплуатационного коэффициента, характеризующего различные теплопотребляющие производства ЦБП

Для расчета характеристик метрологической надежности клапана компания METSO AUTOMATION предлагает шире пользоваться возможностями специального диагностического оборудования на основе программы FIELD CARE. Заметим, что метрологические отказы обнаруживаются только при наличии встроенных датчиков и сенсоров, реагирующих на входные тестовые воздействия программы. При использовании FIELD CARE появляется возможность рассчитать тренды, определить скорость изменения выходных статистических характеристик, дать прогноз состояния, определить остаточный ресурс, назначить удлиненные межпроверочные и межремонтные сроки, проанализировать причины выхода из строя и вероятность появления аналогичной неисправности, в целом выявить слабые узлы с точки зрения потери метрологической надежности (постепенные отказы, перемежающиеся отказы и сбои). Особенно стоит отметить возможности выявления мест нестабильности поведения метрологических характеристик. После этого можно предусмотреть обоснованные сроки профилактики, снизить объем профилактических работ, подготовить необходимое проверочное оборудование, сгруппировать ремонты и поверки, и даже защитить свои документы по поверке перед инспектирующими организациями, например, Ростехнадзор.

Повышение расчетных характеристик норм надежности – одна из наиболее важных задач на современном этапе. Рост нормы надежности самого клапана позволяет не затрачивать дополнительные средства на повышение норм надежности, не снижать требования к тяжести режима и не облегчать режимы работы элементов и тем более не проводить резервирование. При этом можно руководствоваться данными табл., показывающей, какова норма надежности оборудования в конкретных условиях.

Табл. 2.12. Требования по мерам повышения надежности при различных потоках отказов измерительных комплексов ЦБП

Хотим напомнить, что количественные характеристики надежности, приводимые в справочниках, определяются при нормальных условиях эксплуатации при обычной температуре окружающей среды, давлении воздуха, минимальном коэффициенте нагрузки. В реальных условиях эти показатели резко отличаются. Так, если при нормальных условиях запорный клапан имеет интенсивность отказов примерно 3,4, то в реальных условиях, интенсивность отказов увеличивается до 6 раз и составляет уже 20,7.

СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ С ПАРАМЕТРАМИ РАБОТЫ КЛАПАНА

Надежность работы клапана связана как с технологией и самим процессом, так и с особенностями конструкции клапана. Для определения связи работы клапана с его надежностью ниже приводим таблицу классификации отказов, характерных для клапанов, табл. 2.13.

Табл. 2.13. Классификация отказов клапанов

Наиболее часто в клапанах происходит механическое повреждение поверхности. Поверхностное разрушение по сравнению с объемным является наиболее частой причиной отказов – до 80-85%. В целом, действие разрушающих факторов можно связать с работой клапана по следующим этапам:

1. Начальный этап – приоткрытие затвора – значительный перепад давлений и соответствующие ему высокие изгибающие нагрузки. Щелевое течение потока с высокой скоростью с сопутствующим высоким эрозионным и кавитационным эффектом. Наличие вскипания и микроповреждений поверхности. Уплотнения и края затвора, покрытия работают в анормальных условиях.

2. Постепенное открытие клапана на величину регулирования. Нормальный режим и истечение потока. Естественный износ. Длительное воздействие. Небольшие силовые и циклические нагрузки.