1.4. Виды состояния оборудования, системы технической диагностики

ГОСТ 20911—89 предусматривает использование двух терминов: «техническое диагностирование» и «контроль технического состоя­ния». Термин «техническое диагностирование» применяют, когда ре­шаемые задачи технического диагностирования, перечисленные в 1.1, равнозначны или основной задачей являются поиск места и оп­ределение причин отказа. Термин «контроль технического состоя­ния» применяют, когда основной задачей технического диагностиро­вания является определение вида технического состояния.

Различают следующие виды технического состояния, характери­зуемые значением параметров объекта в заданный момент времени:

• исправное — объект соответствует всем требованиям норма­тивно-технической и (или) конструкторской документации;

• неисправное — объект не соответствует хотя бы одному из тре­бований нормативно-технической и (или) конструкторской доку­ментации;

• работоспособное — значения всех параметров, характеризую­щих способность объекта выполнять заданные функции, соответст­вуют требованиям нормативно-технической и (или) конструктор­ской документации;

• неработоспособное — значение хотя бы одного параметра, ха­рактеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) кон­структорской документации;

• предельное — дальнейшая эксплуатация объекта технически невозможна или нецелесообразна из-за несоответствия требованиям безопасности или неустранимого снижения эффективности работы.

Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспо­собное состояние». Если объект исправен, он обязательно работо­способен, но работоспособный объект может быть неисправным, так как некоторые неисправности могут быть несущественными, не на­рушающими нормальное функционирование объекта.

Для сложных объектов, в частности для магистральных трубо­проводов, допускается более глубокая классификация работоспособ­ных состоянии с выделением частично работоспособного (частично неработоспособного) состояния, при котором объект способен час­тично выполнять заданные функции. Примером частично работо­способного состояния служит такое состояние линейной части маги­стральных трубопроводов, при котором участок способен выполнять требуемые функции по перекачке технологической среды с пони­женными показателями, в частности с пониженной производитель­ностью при снижении допускаемого давления (РД 51-4.2-003-97).

Системой технического диагностирования (контроля технического состояния) называют совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимую для проведения диагностирования (контроля) по пра­вилам, установленным в технической документации. Объектами тех­нической диагностики являются технологическое оборудование или конкретные производственные процессы.

Средство контроля — техническое устройство, вещество или мате­риал для проведения контроля. Если средство контроля обеспечивает возможность измерения контролируемой величины, то контроль на­зывают измерительным. Средства контроля бывают встроенными, яв­ляющимися составной частью объекта, и внешними, выполненными конструктивно отдельно от объекта. Различают также аппаратные и программные средства контроля. К аппаратным относят различные устройства: приборы, пульты, стенды и т.п. Программные средства представляют собой прикладные программы для ЭВМ.

Исполнители — это специалисты службы контроля или техниче­ской диагностики, обученные и аттестованные в установленном по­рядке и имеющие право выполнять контроль и выдавать заключения по его результатам.

Методика контроля — совокупность правил применения опреде­ленных принципов и средств контроля. Методика содержит порядок измерения параметров, обработки, анализа и интерпретации резуль­татов.

Для каждого объекта можно указать множество параметров, ха­рактеризующих его техническое состояние (ПТС). Их выбирают в зависимости от применяемого метода диагностирования (контроля). Изменения значений ПТС в процессе эксплуатации связаны либо с внешними воздействиями на объект, либо с повреждающими (деградационными) процессами (процессами, приводящими к деградационным отказам из-за старения металла, коррозии и эрозии, устало­сти и т.д.).

Параметры объекта, используемые при его диагностировании (контроле), называются диагностическими (контролируемыми) па­раметрами. Следует различать прямые и косвенные диагностиче­ские параметры. Прямой структурный параметр (например, износ трущихся элементов, зазор в сопряжении и др.) непосредственно характеризует техническое состояние объекта. Косвенный параметр (например, давление масла, температура, содержание СО₂ в отрабо­танных газах и др.) косвенно характеризует техническое состояние. Об изменении технического состояния объекта судят по значениям диагностических параметров, позволяющих определить техниче­ское состояние объекта без его разборки. Набор диагностических параметров устанавливается в нормативной документации по тех­ническому диагностированию объекта или определяется экспери­ментально.

Количественные и качественные характеристики диагностиче­ских параметров являются признаками того или иного дефекта. У каждого дефекта может быть несколько признаков, в том числе не­которые из них могут быть общими для группы разных по природе дефектов.

Теоретическим фундаментом технической диагностики считают общую теорию распознавания образов, являющуюся разделом техни­ческой кибернетики. К решению задачи распознавания существует два подхода: вероятностный и детерминистский. Вероятностный использует статистические связи между состоянием объекта и диаг­ностическими параметрами и требует накопления статистики соот­ветствия диагностических параметров видам технического состоя­ния. Оценка состояния при этом осуществляется с определенной достоверностью. Детерминистский подход, применяемый чаще все­го, использует установленные закономерности изменения диагно­стических параметров, определяющих состояние объекта.

Помимо теории распознавания, в технической диагностике ис­пользуют также теорию контролеспособности. Контролеспособность определяется конструкцией объекта, задается при его проектирова­нии и является свойством объекта обеспечивать возможность досто­верной оценки диагностических параметров. Недостаточная досто­верность оценки технического состояния является фундаментальной причиной низкой достоверности распознавания состояния оборудо­вания и оценки его остаточного ресурса.

Таким образом, в результате предшествующих исследований ус­танавливают связи между характеристиками диагностических пара­метров и состоянием объекта и разрабатывают диагностические ал­горитмы (алгоритмы распознавания), представляющие собой после­довательность определенных действий, необходимых для постановки диагноза. Диагностические алгоритмы включают также систему ди­агностических параметров, их эталонные уровни и правила принятия решения о принадлежности объекта к тому или иному виду техниче­ского состояния.

Определение вида технического состояния оборудования может производиться как в собранном состоянии, так и после его полной разборки. В период нормальной эксплуатации используют методы безразборной диагностики, как наиболее экономичные. Методы тех­нической диагностики, требующие разборки, обычно применяют при капитальном ремонте оборудования — при дефектации его эле­ментов. Основной проблемой безразборной технической диагности­ки является оценка состояния оборудования в условиях ограничен­ности информации.

По способу получения диагностической информации техниче­скую диагностику разделяют на тестовую и функциональную. В тес­товой диагностике информацию о техническом состоянии получают в результате воздействия на объект соответствующего теста. Тестовая диагностика основана на использовании различных методов неразрушающего контроля. Контроль при этом осуществляется, как пра­вило, на неработающем оборудовании. Тестовая диагностика может производиться как в собранном, так и в разобранном состоянии. Функциональную диагностику проводят только на работающем обо­рудовании в собранном состоянии.

Функциональную диагностику в свою очередь подразделяют на вибрационную и параметрическую диагностики. При использовании функциональной параметрической диагностики оценка техничес­кого состояния осуществляется по величине функциональных параметров оборудования при его работе, при этом подача целена­правленных тестовых воздействий не требуется. Отклонение этих па­раметров от их номинального значения (температура, давление, мощность, количество перекачиваемого продукта, КПД и т.д.) сви­детельствует об изменении технического состояния элементов объ­екта, формирующих данный параметр. Контроль функциональных параметров обычно осуществляется в постоянном режиме оператив­ным обслуживающим персоналом с помощью штатных приборно-измерительных комплексов технологического оборудования. В свя­зи с этим функциональную параметрическую диагностику часто на­зывают оперативной. Способы функциональной параметрической диагностики обычно излагаются в инструкциях и руководствах по эксплуатации соответствующего вида оборудования и в данном по­собии специально не рассматриваются.

Вибрационная диагностика бывает двух видов: тестовая и функ­циональная (см. 2.1). Сущность функциональной вибрационной диагностики заключается в использовании параметров вибрации оборудования при функционировании в рабочих условиях для оценки его технического состояния без разборки. Особенностью функциональной вибрационной диагностики является использова­ние в качестве диагностических не статических параметров типа тем­пературы или давления, а динамических — виброперемещения, виб­роскорости и виброускорения.

Помимо отмеченных выше видов диагностики, для оценки со­стояния оборудования применяют методы разрушающего контроля, предусматривающие частичное разрушение объекта (например, при вырезке проб для установления свойств материалов путем их меха­нических испытаний), а также инструментальный измерительный контроль элементов оборудования при его разборке во время обсле­дования или ремонта. Классификация видов технической диагности­ки приведена на рис. 1.3.

Системы диагностики различаются уровнем получаемой инфор­мации об объекте. В зависимости от решаемой задачи выделяют сле­дующие виды диагностических систем: для разбраковки объектов на исправные и неисправные или для аттестации объектов по классам; поиска и измерения дефектов и повреждений; мониторинга состоя­ния объекта и прогнозирования его остаточного ресурса. Последняя из перечисленных систем является наиболее сложной и применяется для ответственных и дорогостоящих опасных производственных объ­ектов и технологического оборудования. Такие системы, предусмат­ривающие проведение постоянного мониторинга с применением комплекса методов контроля технического состояния, позволяют проводить оперативную корректировку прогнозных оценок определяющих параметров и уточнение остаточного ресурса. В качестве ос­новных методов контроля развития дефектности в комплексных сис­темах мониторинга в настоящее время используют: для емкостного оборудования — акустико-эмиссионный контроль, для машинно­го — контроль вибрационных параметров.

Современное технологическое оборудование представляет собой сложные технические системы. Обеспечение требуемой надежности таких систем, оцениваемой вероятностью безотказной работы Р(1) (см. табл. 1.1), является более проблематичным по сравнению с про­стыми. Надежность любой технической системы определяется на­дежностью составляющих ее элементов. В большинстве случаев для сложных систем контроль одного или нескольких элементов мало­эффективен, так как остается неизвестным состояние остальных.

Составляющие элементы сложных технических систем могут со­единяться между собой последовательным, параллельным или ком­бинированным способами. При последовательном соединении эле­ментов с вероятностью безотказной работы Р₁ Р₂, ..., Рn вероятность безотказной работы системы определяется из выражения

Техническая диагностика

С разборкой объекта диагностирования

Диагностика с применением методов разрушающего контроля

Параметрическая (оперативная) диагностика

,

Где P_i – вероятность безотказности i-го элемента.

При параллельном соединении

При комбинированном способе вначале определяют вероятность безотказной работы элементов с параллельным соединением, а за­тем — с последовательным.

Способ параллельного соединения дублирующих элементов на­зывается резервированием. Резервирование позволяет резко повы­сить надежность сложных технических систем. Например, если в системе перекачки сырой нефти предусмотрены два независи­мых параллельных насоса с вероятностью безотказной работы Р₁ = Р₂ = 0,95, то вероятность безотказной работы всей системы

Р(t) = 1 - (1 – Р₁)(1 – P₂) = 1 - (1 - 0,95)(1 - 0,95) = 0,998.

Суммарная надежность системы определяется надежностью ее составляющих. Чем больше количество составляющих, из которых состоит система, тем выше должна быть надежность каждой из них. Например, если техническая система состоит из 100 последовательно соединенных элементов с одинаково высокой вероятностью безот­казной работы 0,99, то общая ее надежность будет равна 0,99¹⁰⁰, что составит около 0,37, т. е. вероятность безотказной работы системы в течение заданного времени t составляет только 37 %. В связи с этим при диагностировании сложных систем, прежде всего включающих большое число составляющих без резервирования, для получения достоверной оценки их надежности необходимо осуществлять сплошной контроль всех составляющих.

Состояние технической системы может описываться множеством параметров. При диагностировании сложных систем, работоспособ­ность которых характеризуется большим числом параметров, возни­кает ряд дополнительных проблем, а именно:

• необходимо установить номенклатуру основных диагностиче­ских параметров, характеризующих работоспособность системы, и задать технические средства их контроля;

• по совокупности этих параметров необходимо разработать ал­горитм оценки технического состояния системы и соответствующие программные продукты для ЭВМ.

При проведении диагностики применяют сплошной и выбороч­ный контроль. Крайне важным фактором является то, что примене­ние современных неразрушающих методов позволяет перейти к сплошному контролю. Для сложного технологического оборудова­ния, состоящего из большого числа зависимых элементов, введение сплошного неразрушающего контроля является необходимым усло­вием достоверной оценки его технического состояния.

Диагностика требует определенных затрат, которые растут по мере повышения требований к надежности и безопасности. Для сравнения: в атомной промышленности США затраты на дефекто­скопию составляют до 25% всех эксплуатационных затрат, в Рос­сии — около 4%. По данным ВНИКТИ нефтехимоборудования, за­траты на диагностику нефтехимического оборудования в США со­ставляют около 6% эксплуатационных затрат, в России — менее 1%. Вместе с тем эта статья расходов оправдана, так как использова­ние систем технического диагностирования позволяет эксплуатиро­вать каждый экземпляр технологического оборудования до предель­ного состояния и за счет этого получить значимый экономический эффект.