ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

В жизни любого объекта, как некоторого изделия всегда можно выделить два этапа: производство и эксплуатация данного объекта. Бывает так же этап хранения этого объекта.

Для любого объекта на каждом этапе его жизни задаются определенные технические требования. Желательно, чтобы объект всегда соответствовал этим требованиям. Однако в объекте могут возникнуть неисправности, нарушающие указанное соответствие прибора. Тогда задача состоит в том, чтобы создать на этапе производства или восстановить нарушенную неисправность (которая может появиться на этапах эксплуатации или хранения) в соответствии с заданными техническими требованиями прилагаемыми объекту.

Решение этой задачи невозможно без эпизодического или непрерывного диагноза состояния объекта. Состояние объекта определяется его надежностью. Надежность: это свойство объекта выполняемых заданных функций сохранения, во время значений и установленных эксплуатационных показателей в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания, ремонта и т.д.

Исправное состояние: это состояние, при котором прибор соответствует всем требованиям устнормативной – технической документации.

Неисправное состояние: это состояние, при котором прибор, объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно – технической документации.

Работоспособное состояние: это состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных нормативов в пределах установленных документацией.

Неработоспособное состояние: это состояние, при котором значения хотя бы одного заданного параметра не соответствуют нормативно – технической документации.

Понятие повреждение заключается в нарушении исправного состояния изделия при сохранении его работоспособности. Для любого изделия существуют понятия: дефект, неисправность, отказ, сбой и ошибка.

Дефект: это отклонение от параметров изделия относительно заданных в нормативно – технической документации.

Неисправность: форматированное представление факта проявления дефекта на входах и выходах изделия.

Отказ: дефекты, связанные с необратимыми нарушениями характеристик изделия, приводящим к нарушению его работоспособного состояния.

Сбой: дефект, заключающийся в том, что в результате временного изменения параметров изделия в течение некоторого периода времени оно будет функционировать непрерывно. Причем его работоспособность восстанавливается самонаправленно. Помехи, воздействующие на работоспособность.

Ошибки: (для дискретной техники) называют неправильное значение сигналов на внешних входах изделия, вызванное неисправностями, переходными процессами или помехами, воздействующими на изделие.

Число дефектов, неисправностей, отказов, сбоев, одновременно присутствующих в изделии называют кратностью.

Кратность ошибок определена не только кратностью неисправности, из-за которой она возникла, но и структурной схемой изделия, т.к. в результате имеющихся разветвлений в схеме однократная неисправность может вызвать многократную ошибку в последовательных цепях.

Безотказность: свойство изделия, в котором он непрерывно сохраняет работоспособность в течение некоторого времени.

Ремонтопригодность: свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранения их путем ремонта и технического обслуживания.

Показатели безотказности:

1) Вероятность безотказной работы P(t) – это вероятность того, что в заданном интервале времени t в изделии не возникает отказа.

0£ P(t) £1; P(o) = 1; P(¥) = 0;

Функция P(t) является монотонно убывающей функцией, т.е. в процессе эксплуатации и хранения надежность только убывает. Для определения P(t) используется следующая статическая оценка:

где N – число изделий, поставленных на испытание (эксплуатацию).

N₀ – число изделий, отказавших в течении времени t.

2) Вероятность бессбойной работы Р_сб(t) – это вероятность того, что в заданном интервале времени t будет отсутствовать сбой в изделии.

Р_сб(t) = 1- Q _сб(t); где - Q _сб(t) функция распределения сбоев в течение времени t.

Для определения стабильности оценки мы имеем формулу:

где N – число изделий поступивших на эксплуатацию.

N₀ – число изделий, в которых произошел сбой в течение времени t.

3) Интенсивность отказа l(t) – это условная плотность вероятности возникновения отказа не восстанавливаемого объекта, определенного рассмотренного момента времени, при условии, что до этого момента отказ не возник.

Для определенно l(t) используется следующая статистическая оценка:

где n(Dt) – число отказавших изделий в интервал времени (Dt).

N_ср(Dt) – ссреднее число исправных изделий в интервал времени (Dt).

;

4) Средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы) Т – это математическое ожидание наработки до первого отказа определяется так:

Эти показатели рассчитаны на изделие, которое не подлежит восстановлению.

Показатели ремонтопригодности:

1) Вероятность восстановления s(t) – это вероятность того, что отказавшее изделие будет восстановлено в течение времени t.

;

где n_в – число изделий время восстановления которых было < (меньше) заданного времени t. N_ов – число изделий оставшихся на восстановлении.

2) Интенсивность восстановленного М(t) – условная плотность распространения времени восстановления для момента времени t при условии, что до этого момента восстановление изделия не произошло.

где n_в(Dt) – число восстановленных изделий за время Dt. N_в.ср(Dt) – среднее число изделий которые, не были восстановлены в течение времени Dt.

3) Среднее время восстановления Т_в – это натуральная величина ожидания восстановления.

4) Коэффициент готовности К_г (t) – это вероятность того, что изделие работоспособно в произвольный момент времени t.

Стационарный режим: t ® ¥.

Стационарная оценка: ;

где t_pi i – ый интервал времени исправной работы изделия.

t_bi – интервал времени восстановления изделия.

n – число отказов изделия.

Коэффициент оперативной готовности К_опер. (t, t) – работоспособна в произвольный момент времени t.

5) Коэффициент оперативной готовности К_опер. (t, t) – это вероятность того, что аппаратура будет работоспособна в произвольный момент времени t. и безотказно проработает заданное время r.

К_опер.(t, t) = К_г(t) · Р(t)

Для определения К_опер. имеется статистическая оценка:

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Проектирование любой сложной технической системы, в том числе нефтепромыслового оборудования, — первый и основной этап, на котором закладывается определенный уровень его надежности. Поэтому на различ­ных стадиях проектирования сложных систем (техническое предложение, эскизный проект, технический проект) возникает необходимость прогно­зировать ожидаемую надежность этих систем с целью количественной оценки показателей надежности проектируемого варианта изделия и со­поставления прогнозируемых показателей с требуемыми значениями. Прогнозирование особенно важно на ранних стадиях проектирования, когда необходимо сравнить по надежности различные варианты структур­ных схем разрабатываемой системы и ее узлов, что дает возможность своевременно осуществить меры по повышению надежности.

Основным принципом прогнозирования надежности изделий при проектировании должен быть системный подход, позволяющий учитывать особенности конструкции, возможности производства и условия эксплуа­тации.

Исходная информация для прогнозирования надежности изделий включает:

конструкторскую документацию на различных стадиях разработки изделия (техническое предложение, эскизный проект, технический проект и рабочие чертежи); данные об изделиях-аналогах, включающие статистические сведения об их надежности в эксплуатации; данные об испытаниях, включающие сведения о нагруженное™ деталей и сборочных единиц; сведения об условиях эксплуатации.

При прогнозировании надежности современные нефтепромысловые машины и механизмы рассматриваются как сложные системы, состоящие из большого числа деталей и сборочных единиц, которые определенным образом функционально связаны между собой и образуют так называе­мую иерархическую структурную схему — графическое изображение из­делия в виде совокупности его сборочных единиц и деталей, связанных между собой в порядке соподчинения по уровням. На первом уровне рас­сматриваются конструктивно-завершенные и имеющие самостоятельное функциональное назначение сборочные единицы, на последующих уров­нях - элементарные и неделимые единицы и т.д.

На основании структурных схем строятся математические модели, по которым прогнозируется надежность в зависимости от уровня безот­казности каждой детали и сборочной единицы. Различают:

минимальную структуру — укрупненную схему изделия, включающую сборочные единицы первого уровня и связи, отображающие его функцио­нальное назначение;

избыточную структуру — схему изделия, в минимальную структуру которой введены обеспечивающие или резервные подсистемы.

Таким образом, при прогнозировании надежности изделия в целом его структурную схему следует представлять в виде иерархической системы деталь - сборочная единица - изделие с выделением минималь­ной и избыточной структур.

Конкретный тип обеспечивающих подсистем вводят по результатам анализа связей в структуре системы и протекающих физических процес­сов, определяющих их надежность. В отличие от резервных подсистем обеспечивающие подсистемы вводят не с целью замещения отказавших основных подсистем, а для обеспечения благоприятных условий их функ­ционирования.

На первом этапе проводят оценку надежности минимальной структуры исследуемой системы. Вероятность безотказной работы Р (() минималь­ной структуры, состоящей из последовательно соединенных подсистем, выражают зависимостью Р (0= П Р-(1).

В зависимости от точности исходных данных и принятых допущений проводят ориентировочное и окончательное прогнозирование надежности сложных систем.

Ориентировочное прогнозирование показателей надежности проекти­руемых изделий проводят на стадиях разработки технического предложе­ния и эскизного проекта с использованием экспертных и экстраполяционных методов, а также опытно-статистических методов прогнозирования по изделиям-аналогам. При ориентировочных расчетах в основном оценивается ожидаемая безотказность проектируемой системы. Результа­ты ориентировочного прогнозирования безотказности позволяют опреде­лить рациональный состав системы по номенклатуре сборочных единиц, деталей и наметить пути повышения безотказности на стадии эскизного проектирования. Ориентировочное прогнозирование безотказности слож­ных систем основано на ряде допущений, которые в некоторых случаях идеализируют функционирование проектируемой сложной системы. Объясняется это тем, что для применения более точных методов часто не хватает исходных данных.

Окончательное прогнозирование показателей надежности проектируе­мых изделий проводят на стадии разработки технического проекта с использованием расчетного метода и метода исследовательских испыта­ний. При выборе метода прогнозирования надежности следует отдавать предпочтение расчетному методу, который наиболее полно учитывает формирующие надежность факторы: физическую природу отказов, пре­дельные состояния деталей, кинематические и динамические характерис­тики конструкции, внешние воздействия и др.

По результатам ориентировочных и окончательных расчетов делается прогноз о надежности проектируемой системы. Если полученные значения показателей надежности не соответствуют требуемым, делается вывод об их обеспечении за счет рассмотрения других вариантов изделия и при­менения схемных методов повышения надежности, в том числе резерви­рования. В случае применения резервирования проводится расчет надеж­ности резервированной системы, на основании которого окончательно выбирается метод резервирования и число резервных подсистем.

При прогнозировании надежности сложных технических систем целе­сообразно придерживаться определенной последовательности.

1. Проводится классификация деталей и сборочных единиц по принци­пу ответственности. К деталям и сборочным единицам, отказы которых опасны для жизни людей, устанавливаются более высокие требования безотказности.

2. Формулируются понятия отказа деталей и сборочных единиц проек­тируемой системы. При этом существен выбор числа деталей и сборочных единиц, влияющих на надежность системы. Необходимо учитывать только те детали и сборочные единицы, отказ которых приводит к полной или частичной утрате работоспособности системы.

3. Выбирается метод прогнозирования надежности в зависимости от этапа проектирования системы, точности исходных данных и принятых допущений.

4. Составляется иерархическая структурная схема изделия, включаю­щая основные функциональные детали и сборочные единицы, в том числе детали и сборочные единицы силовых и кинематических цепей, располо­женные по уровням в порядке их подчиненности, и отражающаясвязимежду ними.

5. Рассматриваются все детали и сборочные единицы, начиная с верхне­го уровня структурной схемы и кончая нижним, с подразделением их на следующие группы:

а) детали и сборочные единицы, показатели которых следует опреде­лять расчетными методами;

б) детали и сборочные единицы с заданными показателями надежности, включая назначенные параметры потока отказов;

в) детали и сборочные единицы, показатели надежности которых следует определять опытно-статистическими методами или методами испытаний.

6. Для деталей и сборочных единиц, надежность которых определяют расчетными методами:

- определяют спектры нагрузок и другие особенности эксплуатации, для чего составляют функциональные модели изделия и его сборочных единиц, которые, например, могут быть представлены матрицей состоя­ний;

- составляют модели физических процессов, приводящих к отказам, и устанавливают критерии отказов и предельных состояний (разрушение от кратковременных перегрузок, наступление предельного износа и др.);

- классифицируют их на группы по критериям отказов и выбирают для каждой группы соответствующие методы расчета;

- проводят детерминированные расчеты (на прочность, долговечность и т.п.) при наиболее неблагоприятном сочетании факторов и условий эксплуатации, если при этом предельные состояния не достигаются, то соответствующую деталь или сборочную единицу при прогнозировании надежности Изделия не учитывают и исключают из структурной схемы; в противном случае проводят расчет вероятностными методами и определяют численные значения показателей надежности (методические указания по прогнозированию надежности изделий, сборочных единиц и деталей расчетным методом приведены в ГОСТ 27.301-83 "Надежность в технике. Прогнозирование надежности изделий при проектировании. Общие требования").

7. Строятся при необходимости графики зависимости показателей надежности от времени, на основании которых сравниваются надежности отдельных деталей или сборочных единиц, а также различных вариантов структурных схем системы.

8. На основании проведенного прогнозирования надежности делается вывод о пригодности системы для применения по назначению. Если расчетная надежность окажется ниже заданной, разрабатываются мероприятия, направленные на повышение надежности рассчитываемой системы.