proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Авторские права
  Агентство  ПРоАтом. 27 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[22/03/2013]     Диагностическое обеспечение судового энергетического оборудования

А.А.Равин, проф. каф. судовой автоматики  и измерений, СПб государственный морской технический университет

К началу 1970-х гг. возможности экстенсивного развития традиционных систем централизованного контроля теплотехнических параметров, в основном, исчерпались. Дальнейшее повышение надёжности и эффективности эксплуатации судовой энергетики потребовало расширенного применения компонентов технической диагностики для оценки и прогнозирования фактического технического состояния оборудования.


Радикальное улучшение стратегии эксплуатации и обслуживания судового оборудования может быть достигнуто только при комплексном подходе к разработке и внедрению соответствующего диагностического обеспечения. С этой целью по инициативе ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова был организован комплекс НИР, ОКР и целевых программ,  с привлечением широкого круга предприятий нашей и смежных отраслей. Совместными усилиями был разработан ряд перспективных технических решений, несмотря на трудности, связанные с ограниченными возможностями использования измерительной аппаратуры, датчиков, элементной базы, вычислительной техники, программного обеспечения, специального стендового оборудования и прочего. С открытием доступа к мировому рынку проблема дефицита в этой области исчезла.

Но в условиях изобилия предложений, различающихся техническими характеристиками, функциональными возможностями, областями применения и ценами, появилась другая проблема: рационального выбора компонентов диагностического обеспечения, актуальная  как при их разработке, так и при закупке недостающих модулей.

С целью формирование инструментария для обоснованного выбора компонентов диагностического обеспечения судового энергетического оборудования (СЭО) была проведена данная работа. Требовалось проанализировать особенности и функциональные возможности современных методик  анализа проектных вариантов и принятия решений, провести апробацию их эффективности и определить рациональные области применения при разработке средств технической диагностики (СТД). Проведенный анализ позволил выделить методы, которые применяются сейчас в мировой практике.

Перед разработчиком систем диагностического обеспечения стоят задачи выбора рациональной  стратегии обслуживания оборудования; уровня диагностирования и структурных параметров,  характеризующих его техническое состояние; методов диагностики и диагностических параметров; способов измерения диагностических параметров; алгоритмов выделения диагностической информации; аппаратурного обеспечения диагностирования; методов прогнозирования и оценки остаточного   ресурса.

Анализ 15 типовых методик выбора проектных вариантов позволил констатировать отсутствие универсальной методики, одинаково пригодной и эффективной при разработке диагностического обеспечения. Поэтому были исследованы функциональные возможности различных методик сравнения применительно к специфическим особенностям конкретных диагностических задач.
Прежде всего, был обоснован выбор рациональной стратегии обслуживания оборудования (табл.1). В табл.1 показаны уровни информационной поддержки персонала и требования к диагностическому обеспечению, характерные для 4-х  стратегий, направленных на поддержание работоспособности оборудования в процессе эксплуатации судов.

Табл.1 Стратегии обслуживание СЭО

 

Для их сравнения была использована методика SWOT-анализа (аббревиатура из начальных букв английских слов: достоинства, недостатки, возможности, угрозы). Разработанная в Англии методика была предназначалась для сравнительного анализа стратегий и бизнес-планов компаний. SWOT-анализ позволяет, во-первых, сделать выбор в пользу стратегий, учитывающих информацию о фактическом и прогнозируемом техническом состоянии оборудования, и, во-вторых, объяснить, почему эти стратегии до настоящего времени не внедрены в практику эксплуатации судовой энергетики. 

Табл.2. SWOT-анализ стратегий обслуживания СЭО



Главная проблема связана  с реализацией необходимой и достаточной глубины диагностирования.
 
Глубина диагностирования

Для решения этой задачи могут применяться различные методики. Прежде всего, технико-экономический анализ, предполагающий сопоставление снижения эксплуатационных расходов, связанных с отказами, простоем и ремонтами оборудования, и стоимости разработки, поставки и эксплуатации диагностического обеспечения. Понятно, что эксплуатационные потери (синий график) с увеличением глубины диагностирования снижаются, а стоимость диагностического обеспечения (красный график) при этом увеличивается. Зелёный график, соответствующий суммарным расходам, имеет минимум, что позволяет сделать вывод о возможности применения  оптимизационного подхода, если в качестве критерия рассматривается экономический показатель.
Для оценки влияния возможных отказов оборудования на уровень соответствующих потерь целесообразно применение совокупности различных  способов оценки значимости оборудования, показанных на рис.1.



Рис.1 Выбор рациональной глубины диагностирования

Принципы классификации судовых технических средств, предложенные в работах Л. В. Ефремова, предусматривают разделение оборудования и его элементов на функциональные группы, классы и категории в зависимости от их влияния на функционирование судна в целом и от их ремонтоспособности. С этой точки зрения приоритетным следует считать оснащение средствами диагностики оборудования, имеющего важное значение для функционирования судна и мало пригодное для ремонта в судовых условиях.

Не менее важно и применение статистического анализа опыта эксплуатации оборудования, поскольку именно практика является конечным критерием истинности научных гипотез. Ключевыми моментами в соответствующих  методиках являются способы определения закона распределения данных о фактической надёжности оборудования, например, о наработках на отказ. Автором было разработано программное обеспечения алгоритма, представленного на рис.1, основными отличиями которого является группировка выборки по критерию Стерджеса, интерактивный режим общения с компьютером и наглядное  представление результатов.

Но никакая, даже самая совершенная методика не обеспечит получение достоверных оценок при отсутствии представительных исходных выборок. В условиях массового производства изделий, имеющих сравнительно небольшие сроки службы, формирование таких выборок  в приемлемые сроки является задачей тривиальной. Но это не относится к судовому энергетическому оборудованию в условиях мелкосерийной, а зачастую и единичной постройки судов. Если наступят времена, когда наша страна снова будет строить по 30 однотипных эсминцев или по 80 траулеров в серии, эта трудность перестанет быть значимой.

В этом смысле менее уязвимыми являются методы ранжирования  элементов оборудования путём оценки влияния их надёжности на работоспособность энергетической системы более высокого уровня. Действенным инструментом решения таких задач является общий логико-вероятностный метод, теоретические основы и программная реализация которого выполнены коллективом специалистов Военно-морской академии  во главе с И.А. Рябининым. На рис.2 показан обобщённый алгоритм применения этого метода для анализа судовой электроэнергетической системы.
 


Рис.2 Логико-вероятностный метод моделирования

Несомненный интерес представляет возможность получения результатов в виде диаграмм вкладов элементов в надёжность системы (положительных или отрицательных). Такие диаграммы могут быть использованы для сравнительной оценки эффективности диагностических задач. Слабым местом такого подхода является то, что маловероятные события автоматически относятся к малозначимым, независимо от величины возможного ущерба, который они могут вызвать. Между тем статистика морских аварий (и не только морских) показывает, что маловероятные, и, следовательно, неожидаемые негативные события тоже случаются, причём, чем меньше их ожидают, тем катастрофичнее их последствия.

Эти обстоятельства можно учесть, если для оценки значимости оборудования использовать такую категорию, как риск, который в соответствующих стандартах определяется как «сочетание вероятности события и его последствий». Допускается как балльная оценка риска, получаемая путём простановки дискретных значений индексов частоты отказов и степени тяжести, так и прямая количественная оценка риска в виде произведения вероятности нежелательного события на стоимость ущерба. Методология ФОБ принята на вооружение Международной морской организацией (ИМО) и Российским морским регистром для формализованной оценки безопасности эксплуатации судового оборудования. Есть все основания для её применения и ранжирования диагностических задач.

Имитационное моделирование

Действенным инструментом оценки возможных последствий искажения характеристик или полных отказов элементов стохастических систем является имитационное моделирование режимов их эксплуатации, например, математическая модель автоматизированной гидравлической системы. Стохастическими элементами системы являются потребители, случайным образом изменяющие во времени свои запросы в соответствие с равномерным и нормальным законами распределения.

Модель позволяет настраивать характеристики насосов, датчиков уровня и потребителей и исследовать поведение системы, как при различных режимах нормальной эксплуатации, так и при полном или частичном нарушении работоспособности отдельных элементов. Итоговая статистика позволяет оценить как прямые ущербы, вызванные отказами, так и их влияние на коэффициенты использования (а, следовательно, и на долговечность) системы.

Экспертные оценки

Не следует упускать из внимания и мнения квалифицированных специалистов – экспертов, имеющих опыт проектирования, испытаний и эксплуатации судового энергетического оборудования. Для оценки отдельных качеств экспертов применяется целый ряд более или менее формализованных приёмов. Наиболее объективные оценки получаются при индивидуальном анкетировании, поскольку на совещаниях обычно побеждает мнение наиболее авторитетного и харизматичного эксперта, а метод мозгового штурма не очень соответствует ментальности наших специалистов. Из способов заполнения анкет наибольшей популярностью пользуются ранговые оценки и расстановка весовых коэффициентов. Для сглаживания флуктуации индивидуальных мнений применяют осреднение анкетных данных и оценивают степень согласованности суждений экспертов с помощью коэффициента конкордации.

Три уровня диагностических задач

Повышение достоверности определения рациональной глубины диагностирования требует комплексного применения рассмотренных методик. Был предложен алгоритм, включающий 2 этапа: сначала выполняется перебор спецификационного списка оборудования, и та диагностическая задача, которая признаётся значимой  в результате применения хотя бы одной из методик, включается в предварительный список. Затем выполняется его минимизация по такому же принципу: попадание задачи под действие какого-либо из указанных ограничительных критериев приводит к её исключению из списка.

В качестве примера применения этого алгоритма приведены результаты формирования предварительного списка диагностических задач для морского газотурбинного двигателя. После его минимизации выделены наиболее нагруженные и ответственные узлы- подшипники и лопаточный аппарат, которые в первую очередь лимитируют безотказность и долговечность двигателя.

Стоимость разработки, внедрения и эксплуатации диагностических систем (красная линия на графике рис. 1) определяется, в первую очередь, специфическими особенностями применённых методов диагностирования. Выбор их номенклатуры можно упорядочить, если с помощью метода структурной декомпозиции выделить три уровня диагностических задач. Верхний уровень можно назвать энергетическим, поскольку он предполагает оценку функциональных качеств оборудования в процессе преобразования и переноса энергии. Наиболее актуальной задачей на этом уровне является обеспечение автоматизированного поиска причин нарушения работоспособности судовых энергетических систем с точностью до функционально-самостоятельного элемента (насоса, теплообменника, фильтра и т.п.).

Решение этой задачи может быть обеспечено двумя способами. Первый предполагает создание аналоговой математической модели, точно описывающей статику и динамику объекта. В процессе диагностики её можно использовать в качестве эталона для идентификации возможных неисправностей оборудования. SWOT-анализ позволяет наряду с несомненными достоинствами этого способа выявить и существенную проблему, а именно: большую сложность и трудоёмкость создания и экспериментального подтверждения адекватности такой модели. Это может привести к тому, что за время создания модели сам объект утратит новизну и будет нуждаться в модернизации.
           
Альтернативой является метод, предусматривающий перевод измеренных значений теплотехнических параметров в дискретную форму путём сравнения их с заданными уставками. Это позволяет описать состояние каждого ФСЭ логическими уравнениями, и решениями системы этих уравнений получить эталонную диагностическую матрицу, содержащую комбинации дискретных значений параметров для различных нештатных ситуаций.

В качестве примера рассмотрена реализация этого подхода для оборудования 3-го и 4-го контуров корабельной ядерной энергетической установки (рис.3).



Рис.3 Автоматический поиск причин нарушения работоспособности системы охлаждения корабельной ЯЭУ

Диагностический алгоритм предусматривает циклический опрос и дискретизацию параметров во время эксплуатации объекта, и в случае отклонений хотя бы одного из них за поле допусков, поиск аналогичной комбинации в эталонной матрице. По найденному номеру ситуации оператору могут быть выданы в графической и текстовой форме диагнозы, рекомендации и прогнозы. Опыт разработки и апробации этой методики в составе СЦК натурного стенда в НИТИ им. акад. Александрова показал, что такие диагностические алгоритмы способны выполнять функции электронного советчика оператора, снижая риск принятия неправильных решений в условиях больших потоков информации и дефицита времени.

Диагностика на механическом уровне

Диагностика на механическом уровне нацелена на выявление эксплуатационных повреждений отдельных деталей. Примером может быть диагностика узлов трения судового дизеля путём  анализа продуктов износа, попадающих  в циркуляционную масляную систему. Вместе с накоплением примесей идёт и обратный процесс, обусловленный фильтрацией и угаром масла, его разбавлением при частичных доливах, отложением примесей в картере. Если принять допущение, что интенсивность поступления продуктов износа пропорциональна скорости изнашивания трущихся деталей, а интенсивность их удаления пропорциональна их концентрации в масле, то нетрудно убедиться, что взаимодействие этих процессов приводит к динамическому равновесию. Соответствующая концентрация характеризует скорость износа, а её интегрирование во времени позволяет оценить степень износа деталей. Контроль продуктов износа в масле может выполняться путём спектрального анализа масла (СПАМ) и феррографическим методом.

Для их сравнительного анализа можно выделить 18 признаков. Понятно, что такое количество показателей невозможно свернуть в один критерий, поэтому была применена методика парного сравнения. Главным достоинством СПАМ является возможность идентификации изнашиваемых деталей путём раздельного контроля содержания в масле различных металлов. Главное достоинство феррографии – возможность идентификации типа и стадии износа при микроскопическом исследовании частиц.

Важным моментом является стоимость аппаратуры. Для СПАМ она определяется перечнем химических элементов, доступных для раздельного анализа. Для феррографии определяющим является номенклатура приборов, выполняющих различные виды анализа. Балльная оценка результатов парного сравнения не выявила явного победителя. В таких случаях теория принятия решений рекомендует отказаться от союза «или» и применить союз «и», то есть применить для диагностики узлов трения комплексную лабораторию анализа масла.

Следующий уровень диагностирования предполагает идентификацию нарушения структуры конструкционного материала. В качестве примера решения такой задачи была разработана методика обнаружения усталостных трещин в рабочих лопатках осевого компрессора. Обрывы лопаток в результате неконтролируемого развития трещин являются одной из причин тяжёлых аварий морских ГТД.

Анализ функциональных возможностей методов неразрушающего контроля, применяемых в заводских условиях, показывает, что они не позволяют исключить такие аварии, несмотря на очень высокую чувствительность. Видимо, эффективность метода диагностики следует определять не чувствительностью, а способностью обнаружить дефект до того, как он достигнет критического значения. Расчёты напряжённого состояния лопаток с макротрещиной показывают, что заложенный в их конструкцию запас прочности позволяет им сохранять работоспособность при повреждении примерно 40% несущего сечения. Об этом же свидетельствуют и результаты фрактографического анализа сечения оборвавшейся лопатки.

Условие своевременного обнаружения дефекта можно количественно выразить с помощью критерия, учитывающего скорость роста и критический размер трещины, временной интервал между процедурами диагностирования и относительную нечувствительность метода диагностики. Для удобства применения этого критерия были выполнены расчёты специальной номограммы в табличном и графическом виде. Из неё в частности следует, что эффективным может оказаться метод, уступающий лабораторным по чувствительности, но обеспечивающий контроль лопаток непосредственно во время эксплуатации, и тем более, во время работы двигателя.

При выборе такого метода можно воспользоваться тем обстоятельством, что вибрация лопаток не только является инициатором развития трещин, но и сами параметры вибрации могут изменяться под действием трещины. Анализ диагностических возможностей этих параметров показал, что наибольший интерес вызывает влияние трещины на собственные частоты колебаний в связи с уменьшением жёсткости лопатки. Исследование этого влияния было выполнено методом конечных элементов.

На первом этапе выполнялось моделирование различных форм колебаний лопатки, позволившее установить перспективность контроля первых двух форм изгибных колебаний. На втором этапе оценивалось распределение напряжений в пере лопатки, вызванных совместным воздействием изгибных колебаний и центробежных сил.

Далее в самом опасном месте выполнялось моделирование поперечной трещины. Оно показало достаточно заметное изменение собственных частот при докритическом диапазоне повреждения несущего сечения. Экспериментально проверялось влияние на колебательные свойства лопаток и их упрощённых моделей местоположения трещины на пере лопатки и её размера.

Полученные результаты для 1-й изгибной формы свидетельствуют о том, что влияние трещины возрастает с увеличением её размера и приближением к узлу колебаний. Для второй формы эти зависимости имеют 2 максимума, расположенных в узлах колебаний. Эти результаты вполне объяснимы физически, поскольку именно в узлах находятся зоны наибольших динамических напряжений, вызванных вибрацией. В то же время это создаёт и благоприятную перспективу использования этого явления для диагностики, поскольку именно в этих зонах и следует ожидать наиболее интенсивного накопления усталостных повреждений металла.

Понятно, что непосредственный контроль собственных частот колебаний лопаток на работающем двигателе невозможен. Однако можно воспользоваться тем, что резонансные пики, характерные для измеренных амплитуд колебаний лопатки в диапазоне режимов натурного компрессора, будут смещаться в сторону более низких частот при уменьшении собственной частоты лопатки. Для бесконтактного обнаружения этого явления во время работы двигателя можно воспользоваться дискретно-фазовым методом, суть которого заключается в том, что измеряют временные интервалы между моментами прохождения лопаток и специальных меток мимо бесконтактных датчиков, установленных на корпусе машины, и по их размаху судят об амплитуде колебаний лопаток.

Проверка метрологических характеристик ДФМ показала, что выбранный метод даёт удовлетворительные результаты в окрестности резонансного пика, но не в самой его вершине. Это обстоятельство вынуждает применять специальные приёмы для определения частотного сдвига резонансных пиков.

Метод главного показателя

При выборе аппаратурного диагностического обеспечения достаточно эффективным оказывается метод главного показателя.  Были рассмотрены особенности применения этого метода при выборе тепловизоров для инфракрасной диагностики. Тепловизионное обследование особенно актуально для судового электрооборудования потому, что протекание электрического тока сопровождается выделением тепла и нагревом токоведущих элементов, и, во-вторых, бесконтактный способ позволяет безопасно диагностировать оборудование, находящееся в рабочем состоянии, без отключения напряжения. Определяющими признаками для тепловизоров являются:

- принципы формирования кадра (предпочтение следует отдать матричным тепловизорам);
- способы подавления влияния температуры окружающей среды (для судовых условий наиболее удобны приборы с охлаждающими элементами, использующими эффект Пелтье);
- оптические параметры тепловизоров (для судовых условий предпочтительнее тепловизоры со средними размерами матриц).

Существенным показателем тепловизоров являются алгоритмы обработки и представления информации. Самые простые приборы обеспечивают только цветовую интерпретацию температурного поля. Более сложные дают цветовую шкалу, шкалу с оцифровкой, автоматическую индикацию максимальной и минимальной температуры, показывают в виде графика распределение температур вдоль заданной траектории. Двойные тепловизоры обеспечивают наложение фотографии и термограммы.

Главным параметром, с которым коррелированны рассмотренные свойства тепловизоров, является размерность  термочувствительной матрицы (4 группы).

Методики прогнозирования ТСО

Ещё одним важным компонентом диагностического обеспечения являются методики прогнозирования технического состояния оборудования. Наиболее употребительны экстраполяционная и причинно-следственная методики. Суть первой заключается в накоплении результатов мониторинга выбранного диагностического параметра, сглаживании и аппроксимации полученного временного ряда и формирование прогноза путём экстраполяции аппроксимирующей функции. Ключевым моментом здесь является качественное подавление случайных флуктуаций сигнала и оптимальный выбор вида и параметров аппроксимирующей функции. Удобным способом решения этой задачи является перевод временных рядов в фазовые плоскости путём I или L–интегрирования и последующего решения интегральных уравнений.

Сущность причинно-следственной методики заключается в предварительном исследовании влияния режимных факторов на темп деградации технического состояния объекта и последующем использовании этих трендов для оценки износов оборудования на заданных режимах эксплуатации. В данной работе эффективность методики проверялась применительно к оценке коррозионных износов медных судовых трубопроводов в морской воде. Экспериментальным путём была установлена зависимость скорости коррозии от температуры воды и скорости потока.

Сравнительный анализ выявил наличие у обеих методик прогнозирования как сильных, так и слабых сторон. Поэтому была предпринята попытка получения своеобразного симбиоза их алгоритмов. Его реализация требует некоторого расширения контролируемых параметров и усложнения программного обеспечения, но зато его применение открывает возможность получения достаточно достоверных оценок не только краткосрочных, но и среднесрочных прогнозов.

Выводы

1. Высокая энергонапряжённость и необходимость обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации судового энергетического оборудования делают актуальным применение стратегии обслуживания по фактическому и прогнозируемому состоянию.

2. Реализация такой стратегии, её информационное обеспечение связано с применением методов и средств диагностики.

3. Большим разнообразием принципов действия и условий эксплуатации  энергетического оборудования и процессов деградации его технического состояния обусловлена широкая номенклатура компонентов диагностического обеспечения.

4. Правильный выбор методов диагностирования, номенклатуры  контролируемых параметров, способов их измерения и выделения диагностических признаков, алгоритмов, аппаратурного и программного обеспечения, методов прогнозирования во многом определяет эффективность применения систем технической диагностики.

5. В результате проведенных исследований предложен инструментарий для сравнительного анализа и обоснованного принятия решений при выборе компонентов диагностического обеспечения судового энергетического оборудования.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомный флот
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Атомный флот:
Вспоминая яркое далёкое

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 4.5
Ответов: 2


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Диагностическое обеспечение судового энергетического оборудования (Всего: 0)
от Гость на 23/03/2013
В статье предложен сугубо линейный подход к проблеме диагностики, не предусматривающий наличие в системе недекларированных возможностей (НДВ) изменения показателей влияющих на надежность. Эти НДВ могут успешно использоваться для решения криминально-коммерческих, локальных политических и иных деструктивных задач. Другими словами: «Не важно, как проголосуют, главное, как подсчитают…». А результаты  Имитационного моделирования – вообще лакомый кусочек для диверсантов!
 Без приемлемой системы защиты информации, с учетом критичности защищаемых параметров, говорить об эффективности СТД на современном этапе развития – бессмысленно или вредно.
Dmitri333


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.07 секунды
Рейтинг@Mail.ru