Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

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.

3. Закрытие клапана. Резкий рост момента на закрытие и механических напряжений на больших углах закрытия. Пульсации и возможность гидравлического удара. Возрастание скорости потока и затем его снижение при закрытии. Возможность эрозионных явлений. Характерны явления фильтрации (для шламов и пульп).

Таким образом, цикл является асимметричным. Воздействие на детали носит знакопеременный и пульсирующий характер. С работой в условиях высокой цикличности возрастает требование к усталостным характеристикам изделия и его кавитационно и эрозионностойкости.

Где эти знания применимы? Так, например, на участках со значительными постоянными пульсациями, как после насосов или колен, дисковые затворы при их неправильной установке работают значительно хуже. На этих участках выражены пульсации и связанные с ними явления. Для повышения надежности в работе на этих участках необходимо устанавливать клапаны с повышенной жесткостью исполнения. Участки с высокой цикличностью – там, где требуется часто обеспечивать периодичность ведения процесса. Например, на грязевиках, участках дозирования и др. Здесь будет выражена проблема работы клапана на начальном участке открытия или закрытия. Возрастают требования к поддержанию размерной стабильности, усталостным явлениям, жесткости, кавитационной и эрозионной устойчивости в момент открытия клапана.

Исследования влияния воздуха, растворенного в воде и суспензиях, при выполнении различных технологических процессов показывают, что в них количество воздуха может составлять 1-8% по объему. Свободный воздух может находиться в виде пузырьков и вовлекаться в массу при ее приготовлении и обработке. Связный воздух представлен мельчайшими пузырьками, удерживаемыми молекулярными силами, а также частично растворен в пульпе. Газообразные включения помимо влияния на характеристики насосов, вызывают колебания расхода вследствие неодинакового изменения объема жидкости и газа при изменении давления. При уменьшении давления, особенно при проходе через суженную область клапана и разрежении, объем воздуха резко увеличивается при практически постоянном объеме жидкости. Это явление характерно как для всаса насоса, так и участком за клапаном, имеющим высокое гидравлическое сопротивление, и где уже не происходит восстановления давления.

Наличие значительного числа газообразных включений в перекачиваемой пульпе в результате разрежения и центробежного эффекта рабочего колеса центробежного насоса, способствующего отделению газа от жидкости, приводит к образованию воздушных пробок. Они способствуют уменьшению расхода и его нарушению, приводят к неустойчивой работе и возможно разрыву струи. Нарушение в работе может произойти даже при значительном подпоре, если количество воздуха велико.

За большой срок работы клапана, а сейчас он оценивается в 10-30 лет, влияние даже небольших пульсаций, но в частом режиме, а также амплитудные пульсации и гидравлические удары, часто сопровождаемые коррозионным воздействием (коррозия под напряжением) приводят к существенному росту усталостных явлений в корпусе клапана. Примером тому может служить разрушение корпуса клапанов даже после проверки по требованиям на гидроплотность. Избежать этого можно, еще раз убедившись в том, что материал корпуса по-прежнему пригоден для работы.

Одной из причин могут быть не только усталостные явления, но и старение, в т.ч. стабильного аустенита и превращение его под воздействием постоянно действующего пульсирующего циклического напряжения в хрупкую фазу. Чтобы разрешить эту задачу, требуется проводить дополнительный комплекс исследований на наличие хрупких фаз, образовавшихся в аустените при старении, и коррозионных разрушений при помощи специальных видов металловедческого анализа.

При длительном хранении в неблагоприятных условиях, также возможна деформация, как затвора, так и клапана. При этом, если для обычных механизмов это было бы незаметно, то для клапанов с прецизионным исполнением уплотнительных поверхностей такая проблема сразу выявляется. Причиной этому также может быть изменение фазового состава стали и превращения аустенита в другие фазы, приводящие к деформациям.

ВЛИЯНИЕ ЭРОЗИИ И КАВИТАЦИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Из различных процессов, влияющих на надежность работы клапанов в пределах нормального износа, необходимо выделить эрозию. Выделять эрозию приходится потому, что она относится к наиболее частому механическому повреждению рабочих поверхностей клапанов. Она разрушает рабочие поверхности клапана под действием динамических потоков жидкости, газов с образованием питтингов, каверн, раковин. Если кавитацию можно ограничить или предусмотреть ее полное устранение при использовании специальных элементов Q-TRIM, то с эрозией дело сложнее. Из всех видов эрозионного разрушения – механохимической, микроударной, термической или электрической следует выделить микроударную, как ведущий механизм эрозионного разрушения. Она также связана с кавитацией. Остальные характерны для нормальных условий работы и не приводят к наиболее быстрой потере надежности и отказам, особенно в моменты закрытия клапанов, когда эрозия будет пропорциональна скорости в геометрической прогрессии.

Сама эрозия может возникать как пограничная – вблизи крутообтекаемых тел, срывная – в области срывных течений, из-за плохого обтекания тел, щелевая – при высоких скоростях движения потока в щелях, через которые прорывается жидкость. При этом возникают и локальные гидравлические удары большой силы, и значительные пульсации. Для примера можно сказать, что при определенных типах кавитационно-эрозионных процессов на площади в 1 см2 в течение 1 сек. может образовываться и схлопываться более 30 млн. кавитационных пузырьков.

При неправильном расчете материалов затвора и седла или неправильном направлении эрозионного потока он может направляться не на наиболее износостойкие седла, а на менее износоустойчивую поверхность шара, в результате чего будет происходить значительно более быстрая потеря надежности и увеличивается вероятность отказа.

ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИИ НА МЕТРОЛОГИЧЕСКУЮ НАДЕЖНОСТЬ

Влияние кавитации обычно связывают исключительно с отрицательным воздействием на механические части и значительным развитием шума и вибрации. Однако также важно учитывать и такие выходные параметры как рождение турбулентности. Возникают и соответствующие проблемы, такие как ухудшение условий течения потока, вероятность внезапных пульсаций давления и расхода, рост газонасыщенности потока. Из них наиболее серьезно снизят точность и надежность регулирования пульсации давления и расхода. Динамическая ошибка из-за растущей нелинейности движения потока и отклонения от основной расходной характеристики будет резко возрастать.

Из гидравлических характеристик снижается величина пропускной способности, повышается коэффициент гидравлического сопротивления, искажается вид пропускной характеристики. Может наступить такой момент, когда с увеличением перепада давления на клапане расход через клапан остается неизменным и регулирование как таковое прекратится.

Учитывая, что кавитация, как правило, возникает при определенном перепаде давления и расходе, ее появление может проявляться в работе клапана как сбой. Например, при малых углах открытия клапана и определенном перепаде давления увеличивается расход и может возникать временный переход в кавитационный режим. Если клапан рассчитан неправильно и все время работает в условиях малого диапазона регулирования, то такой кавитационный режим может быть постоянным.

В связи с вышеизложенным, регулирующую арматуру следует проверять на возможность возникновения кавитации. Проверка проводится на предельно допустимый бескавитационный перепад давлений на клапане в зависимости от среды, условий течения ламинарного или турбулентного потока и числа Рейнольдса. Расчет на бескавитационный режим проводится в расчетных компьютерных программах типа Conval, Nelprof и др.

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Для определения связи параметров надежности с коррозией приведем простой пример. Так, все элементы клапана, соприкасающиеся с агрессивной средой, рассчитываются на коррозионную устойчивость в этой среде. Из 10 элементов, соприкасающихся со средой, если всего один будет неустойчив, то такой клапан будет неработоспособен.

Для работы арматуры в условиях коррозии характерно дискретное распределение. Функционально это будет отказ в связи с утечками агрессивной среды. Вероятность того, что из 1000 клапанов 900 будут работать безотказно, с учетом ограничений по коррозионной стойкости одного из элементов (9%) и связи его с потерей герметичности (7%) равна при биноминальном дискретном распределении примерно только 0,32. Это означает, что даже при потере надежности всего лишь одного элемента в клапане, надежность всего изделия при большой выборке (1000 шт.) будет падать существенно, и каждый 3 клапан будет находиться в состоянии постоянно увеличивающегося вероятного отказа по критерию коррозии и утечкам. Постоянное увеличение вероятности отказа здесь будет связано с ростом коррозионных явлений со временем. Полная картина надежности может быть собрана при достаточно большом объеме статистики.