Мониторинг технического состояния корабельного энергетического оборудования

О. В. Хруцкий Мониторинг технического состояния корабельного энергетического оборудования Курс лекций Лекция 1 Введение Рассмотрим значение слова «мониторинг». Кратко, мониторинг  - это условно непрерывный процесс  регистрации параметров наблюдаемого объекта, в сравнении с заданными допустимыми значениями. Более развёрнуто, мониторинг — это система сбора/регистрации, хранения и анализа некоторого количества основных (явных или косвенных) признаков/параметров объекта, позволяющих вынести суждение о его поведении/состоянии в целом на текущий момент времени и на некоторый перспективный интервал времени. Как следует из названия дисциплины основными объектами мониторинга является корабельное энергетическое оборудование (КЭО), входящее в состав корабельной энергетической установки (КЭУ). КЭУ, функционируя в составе системы более высокого порядка – корабля, является техническим средством первой категории, от работы которой зависит выполнение кораблём поставленных задач. В свою очередь, КЭУ относится к классу сложных системотехнических комплексов со стабильной структурой, связи и свойства которой практически не изменяются в течение всего периода существования. Однако, как правило, качество функционирования таких систем по мере деградации характеристик элементов её составных частей только ухудшается, а восстановительные мероприятия лишь частично снижают темп деградации, но не устраняют его полностью. Составными частями КЭУ являются: генераторы рабочих тел, первичные и вторичные двигатели, передачи и валопроводы к движителям, механизмы, аппараты, устройства, ёмкости и трубопроводы рабочих сред, средства регулирования, контроля и управления установкой. Основное целевое назначение КЭУ – обеспечение движения корабля с заданными скоростями хода. Потому часть КЭУ, предназначенная в основном для выработки механической энергии и передачи ее движителям называется главной или пропульсивной установкой, а ее элементы – главными (главный двигатель, главный конденсатор и т.п.). Остальная часть КЭУ, обеспечивающая многочисленные другие потребители энергии, называется вспомогательной энергетической установкой, а ее элементы – вспомогательными (вспомогательный двигатель, вспомогательный парогенератор и т.п.). КЭУ (главная или вспомогательная), как отмечалось, относится к классу сложных системотехнических комплексов, структура и свойства которых определяются составом конкретных комплектующих КЭО. Эффективную эксплуатацию КЭУ определяет не только конструктивное исполнение и надёжность КЭО, но и принятая стратегия технического обслуживания (ТО) и ремонта. В настоящее время среди установившихся в практике эксплуатации стратегий технического обслуживания и ремонта КЭО превалирует обслуживание по графику и реже по фактическому состоянию. В соответствии с первой стратегией руководством для корабельных специалистов служит график работ по техническому обслуживанию, составленный для определенного эксплуатационно-ремонтного цикла. Рекомендованная в графике периодичность работ определяется на основании инструкций заводов-изготовителей по эксплуатации КЭО, обобщения опыта его эксплуатации на однотипных кораблях и аналогичного оборудования кораблей других серий, экспертных оценок специалистов службы технической эксплуатации. Однако опыт эксплуатации и ремонта КЭО свидетельствует о том, что даже однотипные механизмы при одинаковой наработке различаются по текущему техническому состоянию. Это объясняется целым рядом причин, главные из которых: – неодинаковое качество изготовления одних и тех же деталей; – различное качество сборки; – неодинаковые климатические условия эксплуатации; – различные условия эксплуатации в отношении спектра режимов по нагрузке; – различия в организации и культуре эксплуатации, квалификации и опыте обслуживающего персонала и др. Таким образом, практика технического обслуживания по графику не учитывает состояние конкретного оборудования, что в конечном результате приводит к существенным перерасходам средств: почти половина плановых вскрытий оборудования производится преждевременно, когда оно находится еще в работоспособном состоянии. При осмотре преждевременно вскрытого оборудования часто обнаруживаются дефектные, но еще работоспособные детали, которые заменяют новыми, чтобы упредить отказ, что, в свою очередь, приводит к значительным эксплуатационным расходам. Переход от эксплуатации по графику к эксплуатации по фактическому состоянию обеспечивает более полное использование индивидуальных технических возможностей КЭО корабля. Увеличение среднего времени наработки до замены или ремонта уменьшает среднее число послеремонтных отказов и значительно снижает затраты на эксплуатацию. Кроме того, за счёт уменьшения «внезапных» отказов повышаются характеристики боеготовности и безопасности мореплавания. Анализ типовых причин отказов КЭО свидетельствует о том, что более 70% их имеют постепенный характер и могут быть выявлены методами и средствами технического диагностирования на ранней стадии развития. Кроме того, техническая диагностика позволяет вести контроль развития дефекта, предопределяющего отказ и прогнозировать с некоторой достоверностью степень развития дефекта в любой заранее заданный перспективный момент времени. Своевременная информация об уровне технического состояния оборудования, полученная посредством диагностирования, может быть использована специалистами службы технической эксплуатации корабля для выбора эксплуатационных режимов, настройки средств автоматизации и организации технического обслуживания КЭО по фактическому состоянию. При этом следует иметь в виду, что реализация этой стратегии требует наличия соответствующей степени контролепригодности оборудования, обеспечивающей решение диагностических задач (как составляющих комплексной процедуры мониторинга) на трёх уровнях: энергетическом, механическом и молекулярном. Уровни диагностирования КЭО в задаче мониторинга. Факторы, влияющие на работоспособность КЭО. Понятие уровней диагностирования энергооборудования было предложено в конце 70-х годов ХХ века коллективом сотрудников 45 лаборатории ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, среди которых работал и автор данного курса лекций. Рассмотрим эти уровни более подробно. Энергетический уровень предусматривает контроль штатных теплотехнических параметров, характеризующих процессы преобразования энергии корабельными техническими средствами. Основные диагностические задачи, решаемые на этом уровне  оценка степени работоспособности энергетической установки в целом или отдельного агрегата (например, главного двигателя, генератора и т.п.) и поиск причин нарушения работоспособности энергетической системы с точностью до отдельного функционально-самостоятельного элемента (КЭО), например, насоса, теплообменника, электропривода и т.п. Информационные возможности этого уровня могут быть использованы и для регистрации истории эксплуатационных нагружений оборудования, применяемой для оценки фактической наработки и остаточного ресурса оборудования. Механический уровень предусматривает более детальную идентификацию неисправностей оборудования с точностью до отдельных функционально значимых узлов (например, рабочих колес, опорных подшипников, топливных форсунок и т.д.). Источником информации для решения диагностических задач на этом уровне является регистрация параметров сопутствующих физических полей (тепловых, электромагнитных, вибрационных и др.), сопровождающих работу машин и механизмов в процессе эксплуатации или возникающих при специальных тестовых режимах. Молекулярный уровень диагностики обеспечивает контроль структуры конструкционных материалов. В зависимости от чувствительности применяемых методов и условий их применения на этом уровне можно оценивать накопление усталостных микродефектов материала или макродефекты (пустоты, раковины, макротрещины). Этот уровень также связан с регистрацией особых физических эффектов и применением специальных приборов, которые могут регистрировать либо процесс развития дефекта структуры материала (например, метод акустической эмиссии), либо размер дефекта (дефектоскопы), либо его следствие, связанное с утратой герметичности (течеискатели или течеобнаружители). Ниже в таблице приведён перечень некоторого КЭО и разрушающих процессов, сопутствующих работе оборудования в процессе эксплуатации. Таблица № п/п Наименование оборудования Элементы, лимитирующие работоспособность Разрушающие Факторы (внутренние и внешние) Характеристика процессов деградации 1 Парогенераторы Трубная система Термические напря- жения, радиационное облучение Термоцикловая усталость (трещины, свищи) 2 Паровые турбины Рабочие лопатки Подшипники Уплотнения Эрозионное воздейст- вие влажно-паровой среды Режим работы (нагрузка) Трение при касании элементов уплотнения с валом ротора Износ (изменение геометрии) Износ (зазор), трещины, выкрашивание Износ (зазор - течь) 3 Центробежные насосы Рабочие колёса Подшипники Уплотнения Агрессивные среды, абразивные частицы Режим работы (нагрузка) Трение при касании элементов уплотнения с валом ротора Эроия, коррозия (изменен. геометрии) Износ (зазор), трещины, выкрашивание Износ (зазор - течь) 4 Компрессоры Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) Клапаны Теплообменники ступеней Режим работы (нагрузка) Ударные нагрузки Термоциклические нагрузки Износ (зазоры) Усталость Разуплотнения (утечки) 5 Арматура Уплотняющие элементы Коррозионно- эрозионное действие рабочей среды Изменение геометриии (протечки) 6 Дизели ЦПГ Топливная аппаратура (насосы, форсунки) Турбокомпрессор (лопатки, подшипники) Режим работы, топливная компонента Ударные нагрузки Режим работы, вибрационнные нагрузки Износ (зазоры) Износ плунжерных пар и пр. Усталость (трещи- ны в концевых се- чениях), износ подшипников 7 Газовые турбины Лопатки компрессора, турбины Камеры сгорания Топливорегулирую- щая аппаратура Вибрационнные нагр- узки, режим работы (прожоги лопаток) Неравномерное сгорание топлива Загрязнение и обвод- нение топлива Усталость, термовоз- действие (изменение геометрии проточн. части) Перегрев и короб- ление жаровых труб (прогар) Коррозия, засоре- ние каналов регу- ляторов и форсунок Износ трущихся деталей 8 Электрические машины Обмотки Подшипники Нагрузки (магнитная, электрическая, тепловая) Радиальные, осевые усилия. Старение смазки. Старение материала изоляции, межвитко- вое замыкание и пр. Усталость, износовые явления 9 Статические преобразователи Полупроводниковые элементы Термоэлетрические нагрузки Ухудшение характери стик преобразования 10 Кабельные трассы Изоляция токоведущих жил Деформация, физиче- ское старение под действием окружаю- щей среды Ухудшение параме- тров изоляции 11 Электрические коммутирующие устройства Контактные элементы Электродиффузионные и – коррозионные процессы Нарушение норма- льной работы конта- ктов Из приведённой таблицы следует, что организация мониторинга требует применения различных аппаратных средств.