При выборе трубопроводной арматуры необходимо прежде всего учитывать ее качество. Качество выбранного исполнения трубопроводной арматуры должно удовлетворять эксплуатационным требованиям технологической системы, в которой она будет функционировать.
Требования к качеству арматуры распространяются на совокупность свойств обусловливающих ее пригодность удовлетворять функциональным требованиям систем в соответствии с ее назначением. Свойства трубопроводной арматуры, учитываемые при ее выборе и проявляющиеся при эксплуатации, в основном относятся к сложным. Количественной характеристикой свойств арматуры, определяющей ее качество, являются показатели качества.
Для трубопроводной арматуры, с учетом требований системы, следует выделять базовые, комплексные и интегральные показатели ее качества. Базовым показателем назначения для запорной и защитной арматуры является герметичность, для регулирующей и предохранительной арматуры - пропускная способность. Эти показатели являются исходными при сравнительных оценках качества. Надежность и безопасность трубопроводной арматуры являются комплексными показателями качества, так как относятся к нескольким ее свойствам. Интегральный показатель качества - это комплексный показатель арматуры, отражающий соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации в технологической системе и суммарных затрат на ее создание и эксплуатацию. Важность интегрального показателя чрезвычайно велика, поскольку позволяет, с позиций обеспечения нормального функционирования системы, установить уровень затрат на закупаемую или отремонтированную арматуру.
Большинство базовых показателей качества трубопроводной арматуры являются функциями ее параметров (или одного параметра).
Трубопроводная арматура, при всем многообразии сфер использования, характеризуется следующими общими показателями качества:
– назначением (герметичностью, пропускной способностью);
– надежностью (безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью);
– безопасностью (собственным риском, комплексным риском);
– технологичностью конструкции изделия (точностью, взаимозаменяемостью, унификацией);
– экономичностью (себестоимостью создания, эксплуатацией, ремонтом).
Перечисленные важнейшие показатели качества являются укрупненными и требуют конкретизации.
Герметичность трубопроводной арматуры (внешняя и внутренняя) должна быть функциональной и распространяться на весь срок службы. Состоит она из двух составляющих: производственной и эксплуатационной. Выбор норм производственной и эксплуатационной герметичности должен быть строго согласован. Рассогласование порождает противоречие интересов потребителя и изготовителя, так как изготовитель стремится увеличить производственную составляющую функциональной герметичности. Технико-экономические расчеты позволяют при выборе трубопроводной арматуры установить оптимальные нормы на производственную и функциональную герметичность.
Герметичность трубопроводной арматуры характеризуется утечкой (протечкой) рабочей среды в окружающую атмосферу (внешняя герметичность) и проникновением среды из входного патрубка в выходной при закрытом положении запорного органа (внутренняя герметичность).
Для запорной, защитной и предохранительной арматуры следует в обязательном порядке учитывать утечку через разъемное соединение герметизаторов затвора Q, через подвижное сальниковое соединение Qc, через прокладочное или беспрокладочное соединение крышки и корпуса Qк и через прокладочное или резьбовое соединение присоединительных патрубков арматуры с трубопроводом Qфл. Для регулирующей арматуры утечка через затвор Q является соподчиненным показателем, хотя существенно влияет на работоспособность систем, ее включающих.
Безотказность является характеристикой свойств надежности трубопроводной арматуры, определяющей способность сохранять герметичность в затворе в заданном пределе функциональной нормы в течение требуемой наработки. Нарушение предела функциональной нормы характеризует возникновение отказа, который может быть параметрическим и полным. Отказ должен рассматриваться как зависимый и постепенный. При отказе арматура, как правило, не достигает предельного состояния по деталям затвора, а является восстанавливаемой. Оценка безотказности при подчинении эксплуатационной и составляющей функциональной герметичности осуществляется по наработке на отказ в циклах срабатывания. Критерий оценки состояния трубопроводной арматуры как отказ устанавливается нормативно-технической документацией.
Предельное состояние трубопроводной арматуры наступает тогда, когда она прекратила выполнять свои функции или еще их выполняет, но не может быть использована для дальнейшей эксплуатации, и ее эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности. Предельное состояние может наступить и в результате выхода заданных параметров за установленные пределы или в связи с необходимостью проведения среднего или капитального ремонта, а также в связи со снижением эффективности эксплуатации трубопроводной арматуры.
Критерием отказа служат признаки, определяющие факт перехода арматуры из работоспособного состояния в неработоспособное. Нарушение работоспособного состояния может происходить в связи с выходом хотя бы одного из заданных параметров за установленные пределы. Причиной отказа арматуры могут быть дефекты изготовления, ремонта, нарушение норм и правил эксплуатации, различные повреждения, а также естественные процессы коррозии и изнашивания деталей арматуры. В зависимости от характера причин возникновения отказы подразделяются на конструктивные, производственные и эксплуатационные.
Критериями отказов трубопроводной арматуры являются следующие неисправности:
– потеря герметичности запорного органа запорной и защитной арматуры (превышение норм утечек);
– потеря герметичности сальникового устройства (превышение норм);
– потеря герметичности разъемных соединений корпус-крышка или корпус-трубопровод (превышение норм);
– отклонение от заданных значений давления в трубопроводе до и после регулирующей арматуры (регуляторы давления);
– уменьшение пропускной способности регулирующей и предохранительной арматуры;
– изменение комплекса (гидравлических, силовых) характеристик регулирующей арматуры;
– увеличение коэффициента гидравлического сопротивления запорной и защитной арматуры;
– изменение комплекса виброакустических характеристик;
– изменение времени срабатывания;
– изменение сверхдопустимых пределов крутящего момента на выходном валу или силы на штоке привода;
– прикипание золотника к седлу клапана;
– нарушение контакта в электрической силовой или сигнализационной линии.
Критериями предельных состояний являются:
– достижение назначенного ресурса;
– разрушение или утонение стенок корпусных деталей;
– разрушение сильфона или мембраны;
– разрушение защитного покрытия проточной части корпуса;
– изменение геометрической формы деталей, препятствующее нормальной эксплуатации трубопроводной арматуры;
– заклинивание детали (клина, штока) в подвижном соединении;
– изменение размеров и точности деталей в связи с износом или коррозией, препятствующее нормальной эксплуатации арматуры;
– разрушение электрической изоляции или обрыв встроенных электрических проводов средств управления, контроля, сигнализации;
– необратимые разрушения деталей, вызванные старением материала.
Конкретные значения заданных эксплуатационных показателей и их предельно допустимые значения (нормы), характеризующие переход арматуры в неработоспособное или предельное состояние, приведены в технических условиях (ТУ) на арматуру, техническом описании (ТО) и в программе и методике (ПМ) испытаний.
По характеру последствий возможные отказы трубопроводной арматуры делятся на критические и некритические, существенные и несущественные.
Критический отказ представляет собой отказ, создающий угрозу для жизни и здоровья персонала, обслуживающего оборудование, а также угрозу для окружающей среды и населения или приводящий к тяжелым экономическим последствиям. Некритический отказ - отказ не создающий угрозы для жизни и здоровья персонала, обслуживающего оборудование, а также угрозы для окружающей среды и населения или не приводящий к тяжелым экономическим последствиям. Существенный отказ - это отказ приводящий к существенным последствиям. Несущественный отказ - некритический отказ, не приводящий к существенным последствиям.
Безотказность трубопроводной арматуры характеризуется средней наработкой на отказ (несущественный, существенный) в циклах, часах То; средней наработкой до отказа (несущественного, существенного) в циклах, часах Тср; вероятностью безотказной работы в течение периода непрерывной работы или назначенного ресурса (часов, при наработке циклов) P(t).
Долговечность - это свойство трубопроводной арматуры сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Показателем долговечности является ресурс или срок службы, определяемый числом циклов или временем (часы, месяцы, годы).
Показатели долговечности: полный назначенный ресурс (циклов, часов) Тр.н.п; полный средний ресурс (циклов, часов) назначенный ресурс до ремонта (циклов, часов) Тр.н.р; средний ресурс до ремонта (циклов, часов) Тр.ср.р; полный гамма-процентный ресурс (циклов, часов) Тр.γ п; полный средний срок службы (лет) Тсл.ср.п; гамма-процентный ресурс до ремонта (циклов, часов) Тр.γ р; средний срок службы до ремонта (лет) Тсл.ср.р; полный назначенный срок службы (лет) Тсл.н.п; полный гамма-процентный срок службы (лет) Тсл.γ п; назначенный срок службы до ремонта (лет) Тсл.н.р; гамма-процентный срок службы до ремонта (лет) Тсл.γ р.
Случайные отказы, как правило, возникают в трубопроводной арматуре до наступления предельного состояния, и особенно это справедливо для арматуры со сложным приводом (электромоторный привод). Арматура, работающая на химически активных средах, находится в особых условиях, так как ее трубопроводная часть (корпусные детали) подвергается воздействию химически активных, а часто и агрессивных сред. В этих условиях наступление предельного состояния арматуры (коррозия корпусных деталей) может наступить до первого случайного отказа. При этом значение параметра безотказности не отражает надежность (долговечность) изделия. Поэтому при определении надежности арматуры, работающей на агрессивных средах, необходимо рассматривать параметры безотказности приводной части и долговечности трубопроводной части раздельно и, исходя из этого устанавливать, что раньше может произойти - случайный отказ или наступление предельного состояния корпусных деталей.
Рекомендации по выбору показателей безотказности и долговечности трубопроводной арматуры даны в табл. 1 и 2.
Ремонтопригодность определяется как свойство, отражающее степень приспособленности изделий к предупреждению и обнаружению причин возникновения в изделии отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Таблица 1
|
Возможность восстановления
|
Вид возможного отказа
|
Обслуживаемость
|
Показатель безотказности
|
|
Восстанавливаемая
|
Некритический
|
Обслуживаемая
|
То
|
|
Критический
|
P(t) (в течение периода непрерывной работы)
|
||
|
Необслуживаемая
|
P(t) (в течение назначенного ресурса)
|
||
|
Невосстанавливаемая
|
Некритический
|
Обслуживаемая, необслуживаемая
|
Тср
|
|
Критический
|
Обслуживаемая
|
P(t) (в течение периода непрерывной работы)
|
|
|
Необслуживаемая
|
P(t) (в течение назначенного ресурса)
|
Таблица 2
|
Возможные последствия перехода в
предельное состояние
|
Длительность эксплуатации и возможность оценки
технического состояния
|
Показатель долговечности арматуры
|
||
|
неремонтируемой
|
ремонтируемой
|
|||
|
Приводит к критическому отказу
|
Эксплуатация до назначенной наработки (или срока службы),
независимо от фактического состояния, контроль которого
невозможен или затруднен
|
Тр.н.п
Тсл.н.п
|
Тр.н.р, Тр.н.п
Тсл.н.р, Тсл.н.п
|
|
|
Не приводит к критическому отказу
|
Эксплуатация по фактическому состоянию, контроль которого
возможен
|
Тр.γ п
Тсл.γ п
Тр.ср.п
Тсл.ср.п
|
Тр.γ р, Тр.γ п
Тсл.γ р, Тсл.γ п
Тр.ср.р, Тр.ср.п
Тсл.ср.р, Тсл.ср.п
|
|
Важность ремонтопригодности конструкции как показателя надежности заключается в том, что простои оборудования, вызываемые необходимостью проведения ремонтов трубопроводной арматуры, оказывают большое влияние на экономичность работы трубопровода или установки. Показатели ремонтопригодности наибольшее значение имеют для целевой арматуры. Для оборудования, работающего на вспомогательных трубопроводах малых диаметров прохода при низких давлениях рабочей среды, ремонтопригодность имеет меньшее значение, так как в этом случае быстрая замена вышедших из строя элементов оборудования больших затруднений не вызывает.
Ремонтопригодность оказывает существенное влияние на такой комплексный показатель надежности, как коэффициент технического использования, который статистически определяется отношением суммарного времени пребывания наблюдаемых изделий в работоспособном состоянии к произведению числа наблюдаемых изделий на заданное время эксплуатации.
Безопасность через риск арматуры должна оцениваться как количественная мера опасности - вероятности причинения вреда жизни, здоровью людей или окружающей среде. Оценка риска трубопроводной арматуры должна проводиться: при нормальном ее функционировании и правильном применении по прямому назначению; при ее критическом отказе в процессе эксплуатации в нормальных условиях; при возникновении аварийных ситуаций и при неправильном использовании (ошибках обслуживающего персонала).
В зависимости от наличия или отсутствия специальных средств (мер) защиты людей, окружающей среды от возможных опасностей, связанных с эксплуатацией арматуры, введены показатели собственного риска и комплексного риска арматуры. Собственный риск арматуры предусматривает оценку опасности без учета специальных средств (мер) защиты. Комплексный риск связывается с оценкой риска с учетом имеющихся (предусматриваемых) средств (мер) защиты.
Из основных требований, учитываемых при создании и эксплуатации трубопроводной арматуры, выделяют электро-, пожаро- и взрывобезопасность; сейсмостойкость; устойчивость к термическим циклам разогрев-охлаждение, в том числе к термическим ударам; работоспособность в течение заданного временного цикла в аварийном режиме; необходимое время срабатывания; полное или частичное перекрытие потока среды, или предотвращение его обратного потока, обеспечение необходимой пропускной способности.
Технологичность конструкции изделий как совокупность свойств конструкции, проявляемых в оптимальных затратах при ее создании и эксплуатации по сравнению с однотипными конструкциями при условии обеспечения установленных значений показателей качества - назначения, надежности, безопасности. Технологичность конструкции подразделяют на производственную и эксплуатационную.
Производственная технологичность конструкции восстанавливаемой арматуры проявляется в сокращении времени, затрачиваемого на процессы обработки (сборки) изделия, а эксплуатационная - в сокращении затрат средств на техническое обслуживание изделия.
Цель обеспечения технологичности конструкций трубопроводной арматуры, как сборочной единицы технологической системы, заключается в повышении качества изделий. Наиболее общими требованиями к технологичности конструкций трубопроводной арматуры выступают требования к составу изделия, а также к точности составных частей (деталей).
Как сборочная единица, трубопроводной арматура должна расчленяться на рациональное число составных частей с учетом принципа агрегатирования. Агрегатирование должно основываться на применении унифицированных элементов затворов, заменяемых при эксплуатации и ремонте. При этом элементы затворов должны обладать полной взаимозаменяемостью. Точность расположения деталей должна быть обоснована функциональной точностью и взаимоувязана с достижимой точностью восстановления деталей (фактической точностью). Выбор метода сборки трубопроводной арматуры при ремонте проводится на основании размерного анализа (расчета размерных цепей). При этом размерный анализ должен быть подчинен правилу наикратчайшей размерной цепи и принципу единства баз.
Себестоимость трубопроводной арматуры соподчиняет качественные показатели назначения, надежности и технологичности конструкций. Следует различать производственную и эксплуатационную себестоимость. Абсолютным технико-экономическим показателем себестоимости на стадии создания и восстановления выступает трудоемкость, а на стадии эксплуатации - энергоемкость, потери от простоя, вынужденного ремонта элементов систем.
По производственным и эксплуатационным затратам оптимизируются нормы производственной герметичности, показателей безотказности, долговечности и безопасности арматуры. Качество трубопроводной арматуры с позиций ремонта тесно связано с технологичностью конструкций, стандартизацией и унификацией ее деталей. Производственная себестоимость изделия относится к основным показателям технологичности конструкций, а себестоимость - к дополнительным технико-экономическим показателям.