Обеспечение надежности нефтяных объектов

Обеспечение надежности нефтяных объектов Лекция 1 Уровень надежности изделия нельзя связывать с изделиями, вырабатывающими весь свой заданный ресурс. Уровень надежности характеризуется затратами на освоение изделия, его отработку, изготовление и эксплуатацию. Поэтому надежность должна иметь интервальную оценку и назначаться такой, какая необходима в каждом конкретном случае. Так, например, ресурс ходовой части танка или двигателей самолетов имеет строго ограниченный заданный ресурс, отличный от транспортных машин. Вместе с тем большой ряд сложных машин, систем, комплексов не допускает даже единичных отказов, так как резко снижается экономический эффект от применения новой техники. Отказ одного из элементов ЭВМ способен привести к остановке всего вычислительного комплекса или производственного процесса. Первые исследования по надежности относятся к концу Второй мировой войны. Основанием послужили факты отказов электронных систем самолетов и устройств военно-морского флота США (до 70 % электронных устройств в начальный период их эксплуатации после 20 ч работы). Отечественный и зарубежный опыт повышения надежности технических и технологических объектов показывает, что наибольший эффект достигается, когда соблюдаются следующие требования: • надежность изделия закладывается при его проектировании; • заданные показатели надежности закладываются в техническом задании на изделие, они должны быть не ниже стандартных, на уровне лучших зарубежных аналогов, • новые модификации изделий должны подвергаться отработке на надежность; • отработка на надежность должна включать комплекс конструктивных и технологических мероприятий, выполнение расчетов и испытаний, установку правил пользования, состав и комплектность запасных частей по годам и на весь срок службы изделий; • допуск к серийному производству должен производиться после подтверждения нормируемых техническим заданием показателей надежности; • испытания на надежность должны быть комплексными, включать стендовые испытания, поузловые, эксплуатационные; • проведение расчетов по надежности должно выполняться в процессе проектирования, до испытаний, по современным методикам, заложенным стандартами по надежности. • Система стандартов «Надежность в технике» (ССНТ) предназначена для нормативного обеспечения методов, мероприятий и средств, направленных для достижения требуемого уровня надежности изделий. • ССНТ должна обеспечивать эффективность организационных, конструкторских, технологических и эксплуатационных мероприятий для достижения оптимального уровня надежности машин, объективных и сопоставимых результатов контроля и испытаний машин на надежность. • В систему стандартов входят стандарты, разделяющиеся на 5 групп и имеющих свой код: • к коду «0» относятся общие вопросы надежности; • «1» – нормирование надежности по номенклатуре, показателям, критериям отказов; • «2» – методы расчетов надежности, в том числе и норм запасных частей; • «3» – методы обеспечения надежности при конструировании, изготовлении и эксплуатации; • «4» – испытания и контроль надежности; • «5» – сбор и обработка информации по надежности. • Государственный стандарт ССНТ обозначения представлен следующей схемой: •   • Примеры обозначения стандартов ССНТ: • ГОСТ 27.001–81 Система  стандартов «надежность в технике». Основные положения • ГОСТ 27.002–89 Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. • ГОСТ 27.209–85 Надежность в технике. Технологические системы. Расчет надежности по параметрам производительности. • ГОСТ 27.410–87 Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и плана контрольных испытаний на надежность. • ГОСТ 27.    Х       ХХ    ХХ •   • Две последние цифры • года утверждения стандарта •   • Порядковый номер стандарта в группе •   • Код группы •   • ССНТ •   Актуальность повышения надежности технологических машин и комплексов Для современных нефтегазовых объектов и оборудования характерны повышенные нагрузки, скорости, температуры, давления, увеличение степени автоматизации и контроля. При этом наблюдается снижение габаритов и удельной массы машин, повышение КПД, точности выполнения заданных функций. Это приводит к увеличению сложности технических устройств и к необходимости повышения их качества и надежности. Проблема надежности машин и их узлов приобрела особую значительность вследствие ряда причин. 1. Увеличение сложности современных механических систем. Системы автоматического управления современными металлургическими и химическими производствами содержат от 70 до 250 тысяч электрических компонентов [1] 1. Усиление интенсивности режимов работы систем и их элементов. Интенсивность режимов работы характеризуется высокими температурами, давлениями, скоростями, нагрузками. Примером могут служить двигатели внутреннего сгорания. Удельный вес (кг/л.с) и интенсивность режимов за последние 70 лет увеличились в 180 раз. 1. Повышение требований к качеству и точности работы изделий. На ремонт и восстановление отказавшей техники затрачиваются  большие материальные и трудовые ресурсы. Например, в тракторостроении до   75 % производственных мощностей заняты ремонтом техники, на выпуске новой техники работает 25 %. В России на восстановление техники тратится 20 % выплавляемых черных металлов [2].       2. Усиление ответственности выполняемых функций. Отказы многих механических систем приводят к крупным экономическим потерям, превышающим стоимость отказавшего оборудования, а иногда и к катастрофам. Отказ одного элемента контроля на Чернобыльской АЭС привел к катастрофической аварии .      3.Полная или частичная автоматизация многих процессов. Автоматизация предполагает работу машин и оборудования без наблюдения и контроля со стороны человека, а это предъявляет дополнительные требования к их надежности. Теория надежности предусматривает выбор оптимальных технических решений при проектировании, конструировании, изготовлении, транспортировке, хранении, монтаже, эксплуатации, техобслуживании и ремонте изделий. Она устанавливает и изучает общие принципы и методы оценки надежности, количественные характеристики надежности, исследует связь между показателями экономичности, эффективности и надежности, методы обоснования норм запасных частей. Теория надежности развивается в двух направлениях: • вероятно-статистическом, основанном на теории вероятности и математической статистике; • детерминированном, связанном с исследованиями физики отказов механических систем, элементов конструкции, конструкционных материалов. По первому направлению разработаны математические методы оценки надежности, статистической обработки результатов испытаний, планирования испытаний, контроля и прогнозирования надежности. По второму направлению изучены механизмы износа, усталостной прочности, коррозии, старения и других физико–химических процессов, оказывающих основное влияние на надежность изделий. Разработаны методики расчета на прочность и износ. Одной из основ теории надежности являются результаты исследования износа, старения и изменения свойств материалов элементов изделий при взаимодействии с контактируемой с ними средой (изоляция, смазка, топливо и т. д.), т. е. физическая природа отказов. Надежность изделия является комплексным свойством. Она характеризуется его безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Требования к надежности изделий определяются в технических заданиях, стандартах, технических условиях на изделия. Первичные характеристики свойств и состояний изделий, такие как отказ, наработка до отказа, время восстановления работоспособности, имеют случайный характер появления, и получить достоверные количественные показатели свойств надежности изделия можно лишь при большом количестве статистических данных, наблюдая изделие в течение продолжительного времени его эксплуатации. В связи с этим для количественной оценки свойств надежности изделий применяют статистические и вероятностные аспекты, которые и используют для оценки состояния изделия или для прогнозирования его состояния и ресурса. Единичные показатели надежности Единичный показатель характеризует одно из свойств надежности. Стандартом (ГОСТ 27.002–89) предусмотрены следующие единичные показатели надежности: • показатели безотказности: вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, параметр потока отказов; • показатели долговечности: средний ресурс, гамма-процентный ресурс, назначенный ресурс, установленный ресурс, средний срок службы, гамма-процентный срок службы, назначенный срок службы, установленный срок службы; • показатели ремонтопригодности: среднее время восстановления работоспособности, вероятность восстановления, удельная суммарная трудоемкость восстановления работоспособного состояния; • показатели сохраняемости: средний срок сохраняемости, гамма- процентный срок сохраняемости, назначенный срок хранения, установленный срок хранения. Фактически необходимую номенклатуру показателей надежности выбирают исходя из класса изделия, режимов эксплуатации, характера и последствия отказов. Для каждого конкретного изделия выбирают минимально необходимое число показателей, в достаточной степени определяющих его надежность. При выборе показателей надежности необходимо также руководствоваться государственными стандартами и нормативно-техническими документами отрасли. Показатели безотказности Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникает. Она выражается в виде десятичной дроби или процентах. Если изделие работает от момента времени t = 0 до момента времени t=t, при котором происходит отказ, то интервал наработки от 0 до t называется наработкой до отказа. Наработка до отказа является непрерывной случайной величиной, распределяемой по закону вероятности возникновении  отказов Q(t). Функция Q(t) есть вероятность появления отказа изделия до  времени t. Так как изделие может находиться либо в работоспособном состоянии или в состоянии отказа, то эти состояния образуют полную несовместную группу событий, а сумма их вероятностей равна единице: P(t)+Q(t)=1. Характер кривой функции P(t) показан на рис. 1.1. Эта функция P(t)→0 при t→∞. Статистической оценкой вероятности безотказной работы P(t) является  отношение числа  работоспособных  изделий N, к моменту t, к общему числу N0 изделий, взятых под наблюдение при испытаниях.                                 (1.1)  При увеличении числа N0 функции Pt  и   будут приближаться друг к другу. Для определения показателей безотказности изделия группируют на ремонтируемые и неремонтируемые. Вероятность безотказной работы неремонтируемых изделий определяют по формуле (1.1). Вероятность безотказной работы ремонтируемых изделий определяют через вероятность отказов Qt:          (1.2)  где n1 – число наработок до отказов ремонтируемого изделия ко времени t1; no – число наработок до отказов за весь период наблюдения. График изменения вероятности безотказной работы изделия от наработки показан на рис. 1.2. Под средней наработкой до отказа неремонтируемого изделия понимается математическое ожидание наработки изделий в партии до первого отказа, то есть среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. В процессе работы N однотипных неремонтируемых изделий фиксируются случайные величины времени tj работы каждого изделия до отказа. Величина средней наработки до отказа T0 определяется по выражению:                        (1.3)  Наработка на отказ Т есть отношение наработки ремонтируемого изделия к математическому определению числа его отказов в течение этой наработки. Для вычисления наработки на отказ ремонтируемого изделия выбирают фиксированный интервал его наработки ti ÷ tj, на базе которого определяют для совокупности всех изделий математическое ожидание числа отказов M0(ni,j):                       (1.4)  Математическое ожидание числа отказов в заданном интервале наработок N изделий                    (1.5)  где ni,j – число отказов k-го изделия в интервале наработок ti ÷ tj. Выбор фиксированного интервала наработок зависит от цели исследования. Если берется период приработки в начале эксплуатации изделия, то целью является принятие необходимых мер для совершенствования конструкции и технологии изготовления изделия. Фиксированный интервал в период устойчивой работы изделия определяют с целью контроля нормируемой наработки на отказ изделия в его документации и оценки эффективности конструкции и качества изготовления изделия. На момент контроля изделия, как правило, имеют разные наработки. Поэтому наработка на отказ определяется отношением суммарной наработки tk за рассматриваемый календарный период всех подконтрольных изделий к суммарному числу их отказов nk за тот же период:                             (1.6)  где N – общее количество однотипных изделий взятых под наблюдение. Интенсивность отказов λt представляет собой вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени для рассматриваемого момента при условии, что отказ до этого момента не возник:                   (1.7)  где Nt – количество исправных изделий к моменту времени t; Nt+Δt  – количество исправных элементов к моменту времени t+Δt; Δt – некоторый малый промежуток времени наблюдения; Nt – Nt+Δt  – это количество отказавших изделий за промежуток времени Δt. Тогда интенсивность отказов можно определить по формуле                           (1.8) График изменения интенсивности отказов от наработки изделия показан на рис. 1.3. Параметр потока отказов ωt – это плотность вероятности возникновения отказа ремонтируемого изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени N;         (1.9)  где nk(t+Δt) – количество отказов k-го изделия к моменту времени t+Δt; nk(t) – количество отказов k-го изделия к моменту времени t; N – количество однотипных машин, взятых под наблюдение; Δt – малый промежуток времени наблюдения. Разность   представляет собой количество Δn изделий за промежуток времени Δt. Физический смысл параметра потока отказов для ремонтируемых изделий – это среднее число отказов в единицу времени для рассматриваемого периода. По своему содержанию понятия интенсивности отказов  и параметра потока отказов различны. Числители выражений (2.7) и (2.9) имеют одинаковую структуру и представляют собой количество отказавших элементов ΔN и количество отказов Δn, а в знаменателе в выражении (2.7) N(t) является функцией времени и уменьшается, а в выражении (2.9) N – величина постоянная. Показатели долговечности Средний ресурс Тр.ср – это математическое ожидание ресурса. Средний ресурс по статистической информации определяется следующим образом:                                     (1.10)  где Tpk – ресурс k-го изделия полной выборки, состояний из N изделий. Гамма - процентный ресурс Tpγ – наработка, в течение которой изделие достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. Значения γ-процентного ресурса можно определить с помощью кривых распределения ресурсов (рис. 1.4), взаимосвязь которых определяется выражением                                (1.11)  где Рpγ – вероятность обеспечения ресурса Tpγ  при γ =100 % ; Tр – наработка до предельного состояния (ресурса); – вероятность ресурса. Средний срок службы – математическое ожидание срока службы; Гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия, в течение которой изделие достигнет предельного состояния с вероятностью γ, выраженной в процентах. Значения гамма-процентного срока службы Тсл γ и среднего срока службы Тсл.ср определяют по выражениям, аналогичным (1.11) и (1.10), зависящим от переменной Тсл. Показатели ремонтопригодности Среднее время восстановления – время вынужденного, нерегламентированного простоя, вызванного отысканием и устранением отказа:                                      (1.12)  где Тв – среднее время восстановления; Тk – время восстановления k - го отказа изделия; n – количество отказов, произошедших за время восстановления. В общем случае, Тk  представляет собой сумму случайных величин, состоящих из четырех слагаемых:                     (1.13)  где Тk1 – время обнаружения отказа; Тk2 – время ремонта; Тk3 – время опробования изделия после устранения отказа; Тk4 – время ожидания ремонта. Показатель Тв, определяемый по времени простоя на восстановление, характеризует приспособленность конструкции к обнаружению отказа, ликвидации и опробованию после ремонта, уровень организации ремонтной службы и обеспеченность запасными частями и материалами. Интенсивность восстановления отказов μ(t) – условная плотность вероятности восстановления изделия для рассматриваемого момента времени t при условии, что восстановление к этому моменту не закончено. Интенсивность восстановлений в единицу времени                     (1.14)  где Δnτ –количество изделий, время окончания ремонта которых происходит  за время Δτi; nτi – общее количество изделий, отремонтированных за время 0÷τi ; N–общее число изделий, находящихся под наблюдением. Вероятность восстановления γ(τ) – это вероятность события, заключающегося в том, что изделие будет восстановлено после отказа за время τ3  в определенных условиях ремонта:                                     (1.15)  где τ – фактическое время восстановления. Удельная суммарная оперативная трудоемкость восстановления (продолжительность, стоимость) технических обслуживаний (ремонтов)  есть отношение суммы математических ожиданий трудоемкости всех видов технических обслуживаний и ремонтов к заданной наработке изделия. Заданной наработкой при определении удельных оперативных затрат является средний ресурс до первого капитального ремонта изделия (Тр.ср 1к). Тогда значения удельной суммарной оперативной трудоемкости (продолжительности, стоимости) технических обслуживаний и ремонтов будут соответственно:             (1.16)              (1.17)               (1.18)  где nТО(p)i –  число технических обслуживаний (ремонтов) изделий i-го вида за установленный период эксплуатации;  – число видов технических обслуживаний в ремонтном цикле; – средняя оперативная продолжительность ТО;  – средняя оперативная стоимость ТО; SТО(p)i – средняя оперативная трудоемкость технического обслуживания (ремонта) i- го вида:         (1.19)  где аТО(p)i – число исполнителей технического обслуживания (ремонта) изделий i-го вида; k – число операций при выполнении технического обслуживания (ремонта) i- го вида;  – оперативное время работы f -го исполнителя на l -ной операции в j-м по порядку выполнения техническом обслуживании (ремонте) i- го вида.  Cредняя оперативная продолжительность технического обслуживания (ремонта) i- го вида                           (1.20)  Средняя оперативная стоимость технического обслуживания (ремонта) i-го вида          (1.21)  где  – стоимость работы за оперативное время f -го исполнителя на l -ной операции в j -м по порядку выполнения техническом обслуживании (ремонте) i-го вида. Объединенная удельная оперативная трудоемкость (продолжительность, стоимость) технических обслуживаний и ремонтов равна сумме удельных оперативных трудоемкостей (продолжительность, стоимость) технических обслуживаний и ремонтов всех видов за определенную наработку. Все показатели ремонтопригодности оцениваются затратами труда, времени и средств, необходимыми для выполнения слесарных операций при ремонте, монтаже, разборке, сборке сборочных единиц изделия, а также для выполнения сопутствующих подготовительных и заключительных операций. Эти затраты определяются с учетом заданного набора инструмента и приспособлений, условий выполнения работ и квалификации операторов исполнителей. Показатели сохраняемости Показатели сохраняемости оценивают способность изделия быть работоспособным в условиях хранения, транспортирования, оставляя без изменения при этом свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности. Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости, вычисляется по формуле, аналогичной (1.10). Гамма-процентный срок сохраняемости – календарная продолжительность срока хранения или транспортирования изделия, в течение и после которой показатели свойств долговечности, безотказности и ремонтопригодности не выйдут за установленные пределы с вероятностью γ, выраженной в процентах. Гамма-процентный срок сохраняемости определяется выражением               (1.22) где  – наработка, в течение которой изделие сохранится с вероятностью γ. Назначенный срок хранения – календарная продолжительность хранения в заданных условиях, по истечении которого применение изделия по назначению не допускается  независимо от его технического состояния. Комплексные показатели надежности Комплексные показатели надежности – это количественная оценка, характеризующая несколько свойств надежности. Коэффициент готовности – вероятность того, что изделие окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение изделия по назначению не предусматривается. Коэффициент готовности оценивает надежность изделия в определенном интервале работы изделия и является средней величиной в этом интервале. Статистический коэффициент готовности kг определяется по формуле        (1.23)  где tn – наработка n-го изделия в заданном интервале эксплуатации; τn –оперативная продолжительность восстановления n -го отказа; N – число изделий, взятых под наблюдение. Если в определенном интервале определены значения наработки на отказ и средняя оперативная продолжительность восстановления, то коэффициент готовности                                      (1.24)  Для изделий, подлежащих капитальному ремонту, коэффициент готовности определяют в период эксплуатации до капитального ремонта:                                  (1.25)  где – средняя суммарная оперативная продолжительность восстановления работоспособности изделия после отказов за период до первого капитального ремонта, определяемая по формуле (1.17). Коэффициент технического использования – отношение математического ожидания наработки изделия за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий наработки, продолжительности технического обслуживания и всех видов ремонта за тот же период эксплуатации. Обычно коэффициент технического использования определяют за последний год эксплуатации или за период до первого капитального ремонта:           (1.26)  где  – суммарное время безотказной работы; –суммарное время технических обслуживаний; – суммарное время плановых ремонтов; –суммарное время аварийных ремонтов. Представляя выражения (1.25) и (1.26) через удельные суммарные продолжительности технических обслуживаний и ремонтов, и поделив указанные выражения на величину среднего ресурса изделия, получаем                         (1.27)                     (1.28)  А удельная суммарная продолжительность восстановления отказов изделия                                     (1.29)  Удельная объединенная оперативная продолжительность технических  обслуживаний и ремонтов должна быть не более:                                  (1.30)  Коэффициент оперативной готовности – вероятность того, что изделие окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых эксплуатация изделия по назначению не предусматривается, и начиная с этого момента изделие будет работать безотказно в течение заданного интервала времени. Численное его значение определяется выражением                      (1.31)  где t0– момент времени, с которого возникает необходимость применения изделия по назначению; t1– момент времени, когда применение  изделия по назначению прекращается;  – вероятность безотказности работы изделия в интервале времени (t0;t1).