1.4.Классификация и характеристики отказов

Отказы ХТП, оборудования и технологических схем можно классифицировать по следующим основным характеристикам [1,2,6-8,10,11]:

по характеру изменения основного параметра объекта до момента возникновения отказа—внезапные и постепенные отказы; по характеру причинно-следственных взаимосвязей между отказами—первичные и вторичные (или результирующие) отказы;

по характеру изменения вероятности появления отказов - независимые и зависимые отказы;

по возможности последующего использования объекта после возникновения отказа -полные и частичные отказы;

по характеру устойчивости неработоспособного состояния и возможности его устранения - устойчивые (окончательные) и самоустраняющиеся отказы; сбои и перемежающиеся отказы; систематические отказы;

по времени возникновения отказа в период эксплуатации объекта - отказы периода пуска и приработки; периода нормальной эксплуатации; старения и износа оборудования;

по характеру обнаружения внешних проявлений отказа - очевидные (явные) и скрытые (неявные) отказы;

по возможности устранения отказа —устранимые и неустранимые.

Внезапные отказыэлементов ХТС характеризуются тем свойством, что обычно отсутствуют видимые признаки их приближения, т. е. непосредственно перед отказом обычно не обнаруживаются количественные изменения характеристик элемента ХТС. Внезапные отказы являются следствием случайных процессов неконтролируемого изменения каких-либо параметров элементов. К внезапным отказам ХТС можно отнести, например, образование трещин в футеровке химических реакторов, разрыв трубопроводов, появление пропусков в сварных соединениях и др.

В отличие от внезапных отказов элементов ХТС при анализе моментов возникновения постепенных отказовконтролируется изменяющийся .конструкционный, или технологический, параметр, при достижении-, критического значения которого наступает отказ. Прогнозирование моментов возникновения постепенных отказов осуществляется на основе изучения характера изменения конструкционных и технологических параметров элементов ХТС в результате воздействия процессов износа и старения.

В этой книге постепенные отказы не рассматриваются, так как исследуется надежность ХТС в режиме нормальной эксплуатации, когда, как правило, еще не возникают отказы, обусловленные износом и старением [1,2,10].

Внезапный отказ элемента ХТС в принципе также является следствием накопления необратимых случайных физико-химических и механических изменений некоторых параметров элемента. Внезапным отказ кажется лишь потому, что не контролируется изменяющийся параметр, при критическом значении которого наступает, технологический или механический отказ объекта. Поэтому к внезапным отказам будем относить все технологические отказы, в частности, снижение активности катализатора, уменьшение коэффициентов теплопередачи, обусловленное отложениями накипи на стенках греющих трубок теплообменников, и т. п.

Для иллюстрации постепенных и внезапных отказов рассмотрим функционирование отделения сушки хлорида калия в печи кипящего слоя и отделения конверсии метана в производстве аммиака [65]. Хлорид калия из центрифуг поступает по системе ленточных транспортеров на главный транспортер, подающий его в бункер. Из бункера по транспортерам печи и забрасывателя соль разбрасывается по поверхности кипящего слоя в аппарате. Газы в топке, разбавленные воздухом, подаваемым головным вентилятором, создают кипящий слой, в котором частицы соли нагреваются и высушиваются. Сухой материал выгружается через переливной порог на транспортер и удаляется на склад. Пыль, выносимая из аппарата, отделяется от парогазовой смеси в батареи циклонов и возвращается в аппарат транспортером, а топочные газы после очистки выбрасываются хвостовым вентилятором в атмосферу.

К внезапным отказам оборудования можно отнести коробление решетки, поломку подшипников в вентиляторах и забивку грязью форсунок в топке. К постепенным отказам можно отнести переполнение пылью циклонов, слипание или заплавление соли на решетке печи, выгорание футеровки в топке, забивку нагаром форсунки в топке, забивку солью забрасывателя, зависание материала повышенной влажности в бункере и т. д. [65].

В отделении конверсии метана производства аммиака смесь природного газа с водяным паром нагревается в межтрубном пространстве теплообменника. Далее парогазовая смесь поступает в смеситель, где смешивается с кислородом, затем направляется в конвертор метана и котел-утилизатор, из которого конвертированный газ направляется в теплообменник для подогрева поступающей на конверсию смеси природного газа, водяного пара и диоксида углерода.

К постепенным отказам оборудования можно отнести также усадку катализатора, забивку распылительных форсунок. Внезапные отказы: выход из строя трубок теплообменника природного газа, спекание катализатора, разрушение катализатора водой [65].

Первичный отказ элемента ХТС—это отказ, обусловленный любыми независимыми физико-химическими, технологическими, структурно-техническими и организационно-техническими причинами, кроме причин, вызванных влиянием других отказов [1, 10]. Вторичный (результирующий) отказ элемента ХТС—это отказ, возникновение которого происходит в результате какого-либо первичного отказа.

Приведем примеры первичных и вторичных отказов отдельных элементов ХТС. В ХТС производства тяжелой воды [1, 70] возникают первичные механические отказы парового кипятильника вследствие утечки через греющие трубки. В работоспособном состоянии кипятильник обеспечивает образование необходимого количества пара с заданными параметрами для обогрева технологических трубопроводов. Механический отказ приводит к прекращению подачи пара в обогревающий трубопровод-спутник. Вследствие этого нарушается режим обогрева основных технологических трубопроводов и даже происходит их замерзание (технологический отказ трубопровода) в зимний период эксплуатации.

Другим примером вторичного отказа в данной ХТС является технологический отказ скруббера-охладителя. Работоспособное состояние этого аппарата характеризуется стабильным значением температуры его верхней части, обеспечивающим наибольшую эффективность работы. В результате первичного отказа — нарушения подачи в скруббер-охладитель холодного питающего потока—происходит вторичный технологический отказ скруббера-охладителя, заключающийся в переохлаждении его верхней части до температуры, меньше температуры точки замерзания охлаждаемого продукта.

В ХТС крупнотоннажного производства карбамида первичный технологический отказ промывной колонны, проявляющийся в нарушении заданного режима орошения жидким аммиаком, приводит к неполному поглощению диоксида углерода в верхней части промывной колонны. Непоглощенный диоксид углерода, взаимодействуя с жидким аммиаком в буферной емкости и далее в танке аммиака, образует карбонаты аммония. Эти соли в виде твердых частиц забивают теплообменные трубки в конденсаторах аммиака, вызывая вторичный технологический отказ конденсаторов. Кроме того, образовавшиеся карбонаты приводят к абразивному износу и даже к заклиниванию плунжера аммиачного насоса высокого давления, вызывая тем самым возникновение вторичного механического отказа насоса. В некотором элементе ХТС или в ХТС в целом может возникнуть совокупность взаимосвязанных результирующих и первичных отказов, распространяющихся по объекту. Так, в ХТС крупнотоннажного производства серной кислоты из колчедана результирующий (вторичный) отказ котла-утилизатора. произойдет, если возникнет ветвящийся процесс распространения ряда вторичных и ряда первичных отказов. К двум первичным отказам, которые обусловливают возникновение одного из вторичных отказов (течь испарительных. элементов котла-утилизатора), относятся: уменьшение слоя колчедана при разогреве печи кипящего слоя и нарушение водяного режима.

К вторичным отказам, влияющим на результирующий отказ котла-утилизатора, относятся: течь испарительных элементов; возрастание гидравлического сопротивления котла-утилизатора; течь пароперегревательных элементов;

повышение температуры в котле-утилизаторе выше регламентированного значения.

Отказы отдельных элементов и ХТС в целом—это случайные события, которые могут быть зависимыми и независимыми[1,6,7,10].Отказы являются зависимыми, если при появлении одного из них изменяется вероятность появления второго отказа. Для независимых отказов вероятность появления одного из них не зависит от того, произошли другие отказы, или нет.

Как правило, при анализе надежности ХТС отказы элементов считают случайными и независимыми событиями, что справедливо, если ХТС рассматриваются в период установившейся эксплуатации [1,6,7,10].

При исследовании надежности рассматриваются два вида отказов ХТС в целом [1,2]:полный и частичный.Полный отказ ХТС—это событие, которое характеризуется прекращением выпуска продукции, т. е. выходом системы из строя.Частичный отказ —это событие, сопровождаемое уменьшением производительности системы по основному продукту ниже заданной или снижением требуемых показателей качества выпускаемого продукта. Наиболее типичным является частичный отказ ХТС, который характеризует работоспособное состояние ХТС при пониженной эффективности [1,2].

Классификация отказов элементов и ХТС в целом по времени их возникновения в период эксплуатации основана на анализе характера изменения интенсивности отказов объекта в момент времени t-λ(t)[1,2,9,70].

Период установившейся эксплуатации является основным наиболее продолжительным этапом. Продолжительность этого периода (10—15лет) можно соизмерить со сроком службы [6] элементов ХТС, так как период пуска и приработки относительно невелик (один-два года, что составляет не более 10%от общего срока службы), а в период усиленного износа и старения работа большинства элементов недопустима, и их заменяют новыми еще до начала этого периода.

Выделим указанные периоды отказов в процессе функционирования некоторого реактора. Под отказом реактора можно понимать событие, состоящее в том, что качество готового продукта не соответствует требуемым нормам. Такие отказы могут быть вызваны старением катализатора, наличием в составе сырья катализаторного яда, возникновением горячей точки в реакторе или другими сложными физико-химическими явлениями. Если имеются за большой промежуток времени экспериментальные данные о протекании технологического процесса в реакторе, то можно проследить наличие отказов указанных типов в различные периоды функционирования реактора.

В период пуска интенсивность отказов довольно высокая. Например, на плохо изготовленных таблетках катализатора могут возникать горячие точки, повышающие вероятность отказа в процессе функционирования реактора. Трещины в футеровке могут привести к коррозии и тем самым ослабить стенку, что вызывает необходимость замены аппарата. Как только закончился период. пуска, интенсивность отказов падает.

Обычно в период нормальной эксплуатации отказы носят случайный характер, а интенсивность отказов совершенно не зависит от времени. По мере того, как продолжительность времени функционирования реактора увеличивается, интенсивность отказов возрастает, что обусловливается физическим износом или старением деталей аппаратурного оформления.

При исследовании надежности объектов, особенно при выборе показателей их надежности, важное значение имеет возможность устранить отказы при необходимости восстановления работоспособности объектов. Восстановление—это процесс обнаружения и устранения отказа объекта с целью возобновления его работоспособности [7].Восстанавливаемый (невосстанавливаемый) элементХТС—это элемент, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит (не подлежит) восстановлению в рассматриваемой ситуации [1, 2, 6, 7].Ремонтируемый (неремонтируемый) элементХТС—элемент, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит (не подлежит) восстановлению [1, 2, 6, 7].Необходимо подчеркнуть, что понятия «невосстанавливаемый» и «восстанавливаемый» объект не заменяют собой понятий «неремонтируемый» и «ремонтируемый» объект. Два последних понятия характеризуют свойства объектов (их приспособленность к проведению ремонтов и технического обслуживания). Первые понятия относятся к условиям восстановления работоспособности объектов в конкретной ситуации в процессе эксплуатации [10].

Выделим четыре группы объектов по особенностям устранения отказов для восстановления их работоспособности [1, 10]:

1)неремонтируемые объекты, работающие до первого отказа;

2)ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе функционирования невозможно (невосстанавливаемые в процессе эксплуатации объекты); 3)ремонтируемые восстанавливаемые в процессе функционирования объекты, для которых недопустимы перерывы в работе; 4)ремонтируемые восстанавливаемые в процессе функционирования объекты, для которых допустимы перерывы в работе.

Один и тот же элемент ХТС в зависимости от особенностей эксплуатации и, характера" существования-; отказа можно рассматривать как восстанавливаемый или невосстанавливаемый. Например, технологический трубопровод, отказы которого обусловливаются в основном коррозионным износом, является не только невосстанавливаемым, но и неремонтируемым элементом ХТС. Если же отказы технологического трубопровода возникают в результате образования трещин и пропусков в сварных соединениях, то в этом случае технологический трубопровод является восстанавливаемым ремонтируемым элементом ХТС.

Необходимо отметить, что чаще всего элемент ХТС в течение всего периода эксплуатации является либо только восстанавливаемым, либо только невосстанавливаемым элементом. Например, некоторые технологические трубопроводы, транспортирующие агрессивные вещества, прокладки сальников и фланцев являются невосстанавливаемыми элементами. Компрессоры, насосы, реакторы, абсорберы и ректификационные колонны и, другие технологические аппараты являются восстанавливаемыми ремонтируемыми элементами, для которых допустимы -перерывы в работе.

ЭВМ, которая входит в структуру распределенной АСУ ТП, является невосстанавливаемым объектом, так как отказ или сбой ЭВМ в этом случае может привести к непоправимым тяжелым последствиям. ЭВМ, которая используется в информационно-вычислительном центре предприятия для выполнения неоперативных вычислений, является восстанавливаемым объектом, так как в случае отказа любая вычислительная операция может быть снова повторена [7].