Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Контроль за состоянием оборудования – повреждения и предупреждение повреждений

Франц Бауэр (VGB Power Tech, Германия)

Основной вопрос, возникающий при рассмотрении проблемы диагностики оборудования, заключается в том, чего мы хотим достичь, и какие средства у нас имеются для достижения данной цели, или какой следует выбрать метод, исходя из имеющегося опыта.

В нашем распоряжении имеются следующие классические подходы:

-    дискретные методы проверки состояния металла, например метод реплик, ультразвуковой контроль, магнитный контроль и т.д.;

-    непрерывные методы диагностики, например мониторинг, счетчики ресурса, вибродиагностика, акустическая эмиссия и т.п.

Дискретные методы закреплены в нормативных документах (технических правилах) для котлов и сосудов, работающих под давлением, и используются при проведении внутренних и внешних инспекций, а также при гидравлических испытаниях. Непрерывные методы опираются на использование информационных технологий и результаты обработки производственных данных. Системы, использующие подобные данные, уже работают. Однако, следует отметить, что прогнозы непрерывных методов не являются абсолютно точными.

Для более точного прогноза состояния оборудования был выбран подход, включающий:

-    анализ результатов неразрушающего контроля (дискретных методов);

-    анализ опыта эксплуатации оборудования;

-    оценка эффективности современных способов управления производством.

Оценка опыта / анализ

Практика проверок

Под анализом опыта эксплуатации оборудования понимается системное обобщение полученных опытным путем данных, накопленных в ходе проведения внешних и внутренних ревизий. В Германии были обследованы 15 энергетических блоков, причем 80 % проверок не дали никакого результата.

В этой связи возникает вопрос о правильности выбора элементов или использованных для проверки инструментов, а также о правильности использования результатов и выводов проверок. При проведении анализа небольшого количества данных было установлено, что в большинстве случаев нецелесообразно проводить проверки этих элементов, или что имеющаяся информация является неполной и не может быть использована для оценки состояния.

Анализ ущерба

На базе проведенных проверок анализировались недостатки, вскрытые при проверках или во время работы установок; и в первую очередь – причина возникновения дефекта: связана ли она с конструктивными просчетами, плохим изготовлением, качеством монтажа или неудовлетворительной эксплуатацией, а также: как часто возникает подобный дефект на определенных элементах.

Результат анализа можно видеть на примере разрушения труб на впрыскивающих пароохладителях или дренажных трубопроводах и конденсатных трубопроводах. Специфика данного примера  заключается в том, что разрыв труб, возникающий во время работы, не влияет на работоспособность энергоустановки в целом, поскольку не ведет к непосредственному отключению элемента. Для ликвидации неисправности можно использовать периоды со слабой загруженностью (например ночное время). Однако в данном случае показательна определенная частота возникновения подобных явлений. Причинами являлись конструктивные недостатки или некачественный монтаж, что вело к увеличению температурных напряжений и, тем самым, к ускоренной усталости металла.

Эксплуатационные показатели

В нашем распоряжении имеются обобщенные данные с показателями давления, температуры, производительности, изменения нагрузки и т.д.

Кроме того, имеются модули оценки, например КЕДИ или Эрна, которые в зависимости от существующих измеряемых показателей формируют соответствующие производные величины, описывающие состояние элемента. Имеются также специальные показатели, например данные о состоянии опорно-подвесной системы трубопроводов (Липпендорф), тензометрические датчики, системы контроля течи и т.д. Оценка измеряемых эксплуатационных параметров показывает, что, не принимая во внимание экзотические методы измерения, имеющийся инструментарий и существующие возможности используются не полностью или в недостаточной степени.

Выводы по анализу

Системная оценка опыта, полученного во время проведения проверок, недостатков и измеряемых эксплуатационных параметров дает возможность сконцентрировать внимание при проведении контроля состояния на определенных критических элементах оборудования. Это позволит существенно сократить число элементов, требующих постоянной "заботы". Далее анализ показывает, что возникновение  ущерба связано в основном с конструктивными недостатками или неправильной эксплуатацией, или и с тем и с другим. Производственные ошибки в основном отсутствуют, поскольку они проявляются практически в первые часы или недели эксплуатации. Анализ также показывает необходимость проведения системного рассмотрения различных параметров с прогнозированием возможной неточности их измерений или определением ширины полосы разброса значений их характеристик.

В частности таковыми являются:

-   свойства материала с обусловленной процессом производства естественной полосой разброса;

-   изготовление с составлением соответствующей документации об его особенностях (термическая обработка, параметры режима сварки и т.д.);

-   техническая документация изготовителя с указанием толщины стен, диаметра, овальности и т.д.;

-   результаты неразрушающего контроля (ультразвуковой контроль, исследование микроструктуры металла методом реплик, магнитопорошковый контроль и прочие) при входном контроле и во время эксплуатации;

-   измерение параметров эксплуатации и список мест измерений, имеющих "классические" недостатки, но с четким указанием этих мест на определенных элементах или позициях данных элементов;

-   расчетные обоснования (определение величин напряжения и нагрузок любого вида).

Исходя из общего анализа, и в частности, рассмотрения отдельных дефектов и погрешности их измерений, можно провести вероятностную оценку образования данных дефектов с целью минимизации их числа (привет от гаусса). Под вероятностной оценкой следует понимать выработку функциональных зависимостей и достижение желаемой высокой точности с помощью вычислений или калибровки данных измерений. Это достигается путем использования более надежных параметров, характеризующих состояние элементов, и, как следствие, получение более точной информации об их целостности на протяжении определенного заданного периода времени.

Под термином «функциональные зависимости» следует понимать, например, соотношение состояния микроструктуры стали, определенной техническими правилами для сосудов, работающих под давлением, с результатами прямого исследования микроструктуры методом реплик. Это касается и соотношения между расчетными значениями напряжений в элементе и показаниями прямого тензометрирования. Оно применимо также и для сопоставления  измеренной температуры на элементе с температурой, определяющей разрушение элемента за данный период времени. Доказательством подобных соотношений являются достоверные расчеты.

Анализ четко показывает имеющиеся меры и их недостатки, в результате чего с помощью комбинации данных мер можно добиться поставленной цели. Под мерами понимаются вышеуказанные величины, используемые для системного анализа недостатков, и, благодаря их использованию в системе контроля состояния, они становятся мерами в узком смысле. Таким образом, можно вернуться к дифференциации методов на дискретные и непрерывные, поскольку только благодаря оптимальному соотношению между дискретными и непрерывными методами можно добиться минимизации погрешности в прогнозах. В то же время это означает переход от существующей практики проведения проверок только с использованием дискретных методов к использованию непрерывных методов, обеспечивающих постоянный контроль за состоянием элемента за счет применения соответствующих систем измерений. Роль дискретных мер ограничивается аттестацией и калибровкой измерительных приборов.

Ниже будет более подробно рассмотрен процесс возникновения принципиальных функциональных связей между влияющими величинами или конкретными методами.

Производство

При производстве следует проанализировать и материал, и сам процесс производства или монтажа.

При производстве партий изделий следует по возможности постоянно производить отборы проб или проводить достаточный анализ используемого материала для контроля его качества и уточнения полосы разброса его характеристик. Кроме того, после определенного времени эксплуатации следует определить путем исследования структуры и соответствующих расчетов фактическую ширину полосы разброса этих характеристик.

Следующий аспект касается отклонений при монтаже, например допустимых отклонений размеров, отклонений в термической обработке, а также особенностей параметров режимов сварки, учет которых позволяет корректировать полосу разброса и тем самым повышает точность параметров материала.

Техническая документация изготовителя

Необходимо проведение нулевой приемки перед вводом в эксплуатацию (входной контроль), во время которого в качестве дополнения к параметрам, указанным при производстве, следует определить фактическую толщину стенок, реальный диаметр, овальность, чтобы в случае необходимости можно было провести соответствующие расчетные корректировки.

Эксплуатация

В процессе эксплуатации необходимо знать фактически используемые параметры температуры, давления, производительности и т.д., присущие каждому элементу в отдельности. Нужно также выяснить, какова фактическая температура металла в интересующей нас зоне, и какие ошибки возникают при определении данных. Ошибка может относиться как к статистическим, так и к системным недостаткам (измерение в неверном месте).

Конструктивные параметры

Любая конструкция имеет сильные и слабые стороны. В данном случае с помощью анализа конструктивных расчетов или дополнительных расчетов, например, с помощью расчета по методу конечных элементов или иным методам, необходимо определить заданные величины напряжений, а если нужно, и их градиенты, влияющие на накопление поврежденности или остаточный срок службы.

Эксплуатационная нагрузка

Эксплуатационные нагрузки – это фактические нагрузки, возникающие на этапе эксплуатации:

-    технологические нагрузки, например впрыскивание воды для регулировки давления;

-    операции по изменению нагрузки;

-    прочие.

В сочетании с показателями проектирования и производства эксплуатационные нагрузки относятся к параметрам, подлежащим учету при контроле состояния.

Это значит, что на основе определения дефектов и их влияния на функциональную связь, а также из показателей эксплуатационных нагрузок необходимо вывести задающие величины, которые, учитывая эксплуатационные нагрузки при нормальном режиме эксплуатации, характерны для нагрузок при смене режима или технологической специфики. Поскольку только учет вышеуказанных факторов корректировки и установление функциональных зависимостей, связанных с ними, существенно упростит определение задающих величин. Всем понятна необходимость использования тезиса "выбор критических элементов" в качестве определяющей величины. Ясно и то, что данный подход должен проводиться применительно к конкретной установке, учитывая наличие определенных компонентов и элементов.

Учитывая существенные затраты на диагностирование, в данном случае можно использовать различные критерии выбора, позволяющие сконцентрироваться на критических элементах. Следует заметить, что в понятие "Определяющая величина" могут входить несколько параметров измерений, например температуры, разницы температур и количества циклов изменения нагрузок, которые и составляют определяющую величину.

Срок службы / накопление поврежденности

Зависимость срока службы/накопления поврежденности как временная функция или контрольный цикл можно наглядно изобразить в двойных логарифмических координатах (напряжение – время до разрушения). При этом будем использовать то определение накопления поврежденности, которое приведено в технических правилах для сосудов, работающих под давлением. С помощью данного изображения можно наглядно представить принципиальную процедуру определения фактической полосы разброса или имеющейся точности, а также наглядно описать процесс достоверности расчетов или калибровки параметров измерения.

Другими словами, учитывая выбранную конструкцию, на примере плоского пола следует предполагать круто нисходящую кривую истощения. Соответствующая аттестация (калибровка) в момент проведения дискретных проверок означает новое определение вида кривой истощения или полосы разброса. Применительно к впрыскивающим пароохладителям кривая в зависимости от режима работы может быть положе или круче, учитывая предусмотренную для охладителя нагрузку при изменении режима работы или фактическую эксплуатационную нагрузку.

Эксплуатационные параметры оказывают большое влияние на состояние оборудования. При щадящем режиме эксплуатации кривая износа будет полóгая, т.е. срок службы увеличивается.

Выводы

Описанный системный подход, продемонстрированный небольшим количеством примеров, показывает, что данный путь достаточно трудный, но в то же время и многообещающий. Зависимость расходов от использования представляет собой системную функцию, а точность проведения анализа зависит от структуры элементов. Все это представляет собой лишь помощь при определении путей, а не готовый рецепт.

Дальнейшими шагами могут быть:

-    расширение банка данных применительно к практике проведения проверок и анализа ущерба;

-    проведение ряда вычислительных доказательств для проверки методики и калибровки данных измерений;

-    использование существующих систем контроля работы сосудов давления.