Надежность на этапе проектирования. Понятие надежности 4 Повышение надежности технических систем 6

• Название: Понятие надежности 4 Повышение надежности технических систем 6
• Анкор: Надежность на этапе проектирования
• Дата: 11.12.2022
• Размер: 412.46 Kb.
• Имя файла: referat_nadezhnost.docx
• Тип: Документы; #839492

Введение 2

Понятие надежности 4

Повышение надежности технических систем 6

Резервирование 8

Классификация методов резервирования 12

Выбор вида резервирования 15

Резервирование магистральных трубопроводов 20

Резервирование оборудования 20

Резервирование линейной части магистрального трубопровода 20

Резервирование пропускной способности магистрального нефтепровода 21

Классификация резервных элементов магистрального нефтепровода по видам резервирования 22

Список литературы 25

Введение

Для современной техники характерны такие тенденции развития, как увеличение степени автоматизации, повышением нагрузок, скоростей, температур, давления, уменьшения габаритов и массы, повышения требований к точности функциональности и эффективности и т.д. Повышение сложности и усиление технических требований неизбежно приводит к необходимости повышения требований к надежности и долговечности техники.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами «жизненного цикла» технического объекта от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании объекта его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации реализуется. Поэтому проблема надежности – комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами.

Однако в настоящее время в инженерной практике расчеты технических объектов на надежность, как правило, не производятся. Такое положение объясняется, во-первых, сложностью и объемом вычислений и, во-вторых, отсутствием алгоритмов автоматизированного расчета с использованием средств вычислительной техники.

Методы теории надежности позволяют определить уровень качества проектируемой техники, определить ожидаемую реальную эффективность функционирования, оценить риск выхода из строя, организовать оптимальное техническое обслуживание и снизить эксплуатационные затраты.

Достоверное суждение о надежности проектируемой и выпускаемой техники возможно только на основе экспериментального исследования реальных образцов серийной продукции в реальных эксплуатационных условиях. Решение этой задачи является сущностью экспериментальных исследований и испытаний на надежность.

Поэтому, повышение надежности машин – одна из важнейших задач современности.

Надежность машин необходима для повышения уровня автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоев машин, обеспечения безопасности людей.

Понятие надежности

Надёжность (англ. reliability) — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования.
Первостепенное значение надежности в технике связано с тем, что уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизация производства, интенсификация рабочих процессов и транспорта, экономии материалов и энергии. [4]
Надежность – одна из основных характеристик качества любой технической системы, поэтому проблемы качества и эффективности оборудования или производства в целом невозможно решить без повышения надежности. Кроме того, проблемы надежности промышленного оборудования, тесно связанные с проблемами промышленной безопасности, риска аварий и техногенных катастроф, в условиях экономического спада продолжают усложняться. Отсутствие целенаправленной инвестиционной политики, своевременной замены, восстановления и модернизации оборудования приводит не только к моральному, но и физическому износу и старению оборудования, что негативно сказывается на безопасности производства.
При эксплуатации и техническом использовании объекта, планировании производства, разработке системы технического обслуживания и ремонтов, снабжения запасными частями наиболее важными являются показатели безотказности – свойства объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Основные показатели безотказности – вероятностные переменные.
Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. Вероятность безотказной работы технического объекта и характер ее изменения во времени зависят, в первую очередь, от его структуры, надежности составных частей и характера их взаимодействия друг с другом. Иногда безотказность объекта удобнее оценивать вероятностью отказа – вероятностью того, что в пределах данной наработки объект откажет хотя бы один раз. Очевидно, вероятности отказа и безотказной работы в сумме равны единице или 100%.
Наработка до отказа (между отказами) – наработка объекта от начала его эксплуатации до первого отказа или от восстановления работоспособности после предыдущего отказа до следующего отказа. Средняя наработка до отказа (между отказами) – математическое ожидание наработки до отказа (между отказами). Наработка выражается либо в единицах времени, либо в единицах объема выполненной объектом работы (например, в единицах выпущенной продукции). [2]
Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа. Интенсивность отказов выражается в единицах, обратных единицам изменения наработки. [4]

Повышение надежности технических систем

В зависимости от назначения, характера протекающих процессов, испытываемых нагрузок и положения в структуре технической системы могут использоваться различные методы повышения надежности элементов:
- разработка или выбор высоконадежных деталей, узлов, комплектующих и других составных частей элементов и систем;
- оптимизация режимов функционирования элементов;
- стандартизация и унификация деталей, узлов и единиц оборудования;
- защита элементов от перегрузок;
- защита элементов от неблагоприятного воздействия перерабатываемых веществ и окружающей среды;
- создание автоматизированных систем управления и контроля;
- разработка и проведение научно обоснованной системы технического обслуживания и ремонта;
- автоматизация и роботомеханизация процессов изготовления деталей, узлов и единиц оборудования;
- контроль качества изготовления;
- контроль качества сборки, монтажа, ремонта и т.д. [1]
Эффект увеличения надежности технической системы, достигаемый повышением надежности элементов, тем значительнее, чем сложнее структура системы и чем больше в ней элементов. Однако чаще всего более надежные элементы имеют большие габариты и массу, более сложную собственную структуру и, как правило, более высокую стоимость. Кроме того, осуществление некоторых методов повышения надежности элементов требует проведения достаточно сложных конструктивных, технологических, эксплуатационных и организационных мероприятий. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо соотнести полезный эффект от повышения надежности элемента с затратами на ее осуществление.
Часто, однако, использование методов повышения надежности элементов не дает значительного эффекта или неосуществимо по различным причинам. В этих случаях повышение надежности технической системы возможно только в результате изменения ее структурной схемы. [2]

Резервирование

Резервирование - метод обеспечения надежности, состоящий в применении дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособности объекта при отказе одного или нескольких его элементов или нарушении связей между ними. Наиболее часто резервирование используют в тех случаях, когда другие методы (снижение интенсивности отказов элементов, улучшение ремонтопригодности) оказываются недостаточными или ими нельзя воспользоваться в полной мере из-за ограничений, возникающих при проектировании и эксплуатации систем.

1. 
   Основой резервирования является введение избыточности: дополнительных элементов, времени, информации, запасов продукции, запасов производительности, алгоритмической гибкости и пр. В связи с этим по источнику и физической природе можно различать следующие виды избыточности: структурную, временную, функциональную, информационную, нагрузочную, алгоритмическую, программную, режимную. Введение избыточности еще не создает резерва и не обязательно приводит к повышению надежности. Чтобы введение избыточности приводило к резервированию, требуется выполнение ряда дополнительных условий и технических мероприятий: проведения контроля работоспособности и технического состояния аппаратуры и оборудования; установки переключателей резерва, удовлетворяющих определенным требованиям по времени срабатывания и надежности; динамического перераспределения функциональной нагрузки элементов при изменении структуры системы, обеспечения возможности распараллеливания работ в системах с параллельной структурой; включения в состав систем алгоритмов и средств реконфигурации (перестройки структуры), позволяющих организовать работоспособные ресурсы для выполнения задания.
   
2. 
   Резервирование во всех системах связано с ростом суммарного потока отказов. Повышая нормируемый показатель надежности, оно приводит к увеличению не только стоимости изделия, габаритно-весовых характеристик, энергопотребления и некоторых других характеристик, но и к росту эксплуатационных расходов и потребления запасных элементов, увеличению обслуживающего и ремонтного персонала. Поэтому резервирование следует рассматривать как вынужденное средство повышения надежности, когда другие возможности уже исчерпаны и не позволяют обеспечить требуемый уровень надежности.
   
3. 
   В системах, где по условиям применения требования к надежности могут меняться в течение периода эксплуатации в зависимости от типа решаемых задач, рекомендуется применять режим работы с переменной глубиной резервирования. Это позволяет более рационально использовать избыточные ресурсы и улучшить технико-экономические показатели системы.
   
4. 
   Для каждого вида техники возможности резервирования как средства повышения надежности определяются в значительной степени технической реализуемостью методов резервирования. Поэтому при проектировании должны использоваться только такие методы резервирования, техническая реализуемость которых обеспечена известными схемотехническими и технологическими решениями или может быть подтверждена опытно-конструкторскими работами в приемлемые сроки. [3]
   

Работоспособное состояние, в котором текущие значения параметров находятся на таком уровне, что отказ одного элемента может привести к отказу системы, называют предотказовым состоянием. В последовательности состояний резервированной системы между полностью работоспособным и предотказовым состоянием обычно имеется одно или несколько промежуточных состояний. Количество отказов элементов, которое приводит систему из полностью работоспособного состояния в предотказовое, является важной характеристикой степени избыточности в системе. В общем случае это количество меняется в зависимости от последовательности отказов элементов и от того, в какой части системы они происходят. Минимальное количество отказов, соответствующее наиболее неудачному сочетанию отказов элементов, может использоваться не только как характеристика уровня резервирования, но и как детерминированный показатель надежности, называемый d - безотказностью:



где - число отказавших элементов при переходе из полностью работоспособного в предотказовое состояние по i-му пути.

Уровень избыточности характеризуется также максимальным числом отказов элементов, при котором еще не происходит отказа системы. Это число может использоваться как детерминированный показатель надежности, называемый m - безотказностью:



где число отказов элементов при переходе в предотказовое состояние по i-му пути. Отметим, что здесь путь может содержать несколько предотказовых состояний.

Сравнение m и d позволяет оценить свойство маневренности ресурсов, используемых для повышения надежности. При большом различии между этими числами маневренность ресурсов низкая, при небольшом различии - высокая. При m = d маневренность абсолютная. [3]

Классификация методов резервирования

Независимо от назначения и области техники следует различать пять видов резервирования: структурное, временное, функциональное, информационное, нагрузочное. Соответственно этим видам резервирования различают пять видов избыточности. К ним следует добавить алгоритмическую и семантическую избыточности, которые можно рассматривать как разновидности функциональной и информационной избыточности соответственно. Однако они имеют определенную специфику и могут рассматриваться и отдельно.

1. 
   Структурное резервирование осуществляется введением в структуру технических средств дополнительных (резервных) элементов, способных выполнять функции основных элементов при их отказе. Удаление этих элементов из системы при работоспособном состоянии основных не нарушает способности системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.
   
2. 
   Функциональное резервирование имеет место в многофункциональных системах, в которых отдельные элементы или группы элементов обладают способностью принимать на себя функции других отказавших элементов на время восстановления их работоспособности без существенного снижения технико-экономических показателей системы. При функциональном резервировании в отличие от структурного резервирования нет резервных элементов, т.е. таких элементов, которые могут быть изъяты постоянно без нарушения требований к техническим характеристикам системы.
   

Функциональное резервирование обеспечивается:

- установлением дополнительных связей между элементами;

- гибкостью и оперативностью перенастройки многофункциональных элементов на выполнение заданной функции;

- изменением режима функционирования.

3. 
   Временное резервирование состоит в образовании для отдельных элементов, групп элементов или системы в целом некоторого дополнительного времени, которое может быть использовано для восстановления технических характеристик без нарушения требований к выходным параметрам системы.
   

Временное резервирование обеспечивается:

- созданием запаса производительности путем увеличения быстродействия (пропускной способности) элементов;

- созданием запаса производительности путем параллельного включения в работу устройств одинакового назначения;

- созданием запасов продукции в промежуточных или выходных накопителях;

- снижением скорости развития неблагоприятных последствий отказов и скорости ухудшения выходных параметров системы.

4. 
   Информационное резервирование состоит в образовании нескольких семантических адекватных источников информации или копий массивов информации, введении дополнительной информации, предназначенной для восстановления основной в случай ее искажения.
   

Информационное резервирование обеспечивается путем:

- помехоустойчивого кодирования информации;

- дублирования данных на различных устройствах;

- коррелированности данных измерений физических полей;

- использования данных, удовлетворяющих инвариантным соотношениям;

- использования избыточности алгоритмического или естественного языка.

5. 
   Нагрузочное резервирование состоит в обеспечении запасов работоспособности при воздействии различных нагрузок (электрической, механической, термической и пр.) в процессе эксплуатации.
   

Нагрузочное резервирование обеспечивается путем:

- создания запаса прочности с целью защиты от повышенных ударных и вибрационных нагрузок;

- использования элементов с повышенной допустимой рассеиваемой электрической мощностью;

- использования термостойких материалов;

- снижения коэффициента занятости изделия полезной работой. [3]

Выбор вида резервирования

Выбор вида резервирования определяется:

- условиями применения системы;

- ограничениями на совокупные затраты на средства повышения надежности;

- ограничениями, обусловленными требованиями к другим техническим характеристикам (габариты, вес, энергопотребление, эксплуатационные расходы, обслуживающие подсистемы);

- допустимым ухудшением качества функционирования и сокращением объема выполняемых функций при деградации системы;

- технической реализуемостью методов резервирования;

- уровнем развития средств контроля и диагностирования;

- характеристиками ремонтопригодности;

- степенью унификации оборудования;

- уровнем технологии производства и ее характеристиками (стабильностью, гибкостью, точностью).

1. 
   Структурное резервирование приобретает преимущество в системах, условия применения которых характеризуются следующими особенностями:
   

- малое допустимое время прерывания функционирования;

- высокая цена отказа (тяжелые последствия отказов);

- отсутствие обесценивающих отказов;

- недопустимость снижения качества функционирования при деградации системы;

- развитая система аппаратурного контроля и диагностирования, не допускающая значительной задержки в обнаружении отказов;

- организация технического обслуживания, при которой возможно отключение отказавшего устройства, его восстановлений и включение в работу без прерывания функционирования остальной части системы.

Методы структурного резервирования можно подразделить на три основные группы:

- встроенное резервирование с постоянным включением резерва;

- встроенное резервирование замещением с автоматическим или автоматизированным включением резерва;

- ненагруженное резервирование путем замены неработоспособных элементов на работоспособные из ЗИП.

2. 
   Функциональное резервирование используется в тех случаях, когда структурное резервирование неприемлемо из-за большого количества оборудования или по другим причинам. Оно, как правило, более экономично, чем структурное резервирование, но экономичность достигается за счет некоторого снижения качества выполнения функций, например, за счет ухудшения точности, увеличения времени выполнения функций, снижения производительности, уменьшения удобства восприятия выходных результатов и пр.
   

Другой формой функционального резервирования является полное восстановление основных функций за счет прекращения выполнения второстепенных функций и передачи освободившихся при этом ресурсов для выполнения основных.

Особенности функционального резервирования:

- более высокая надежность системы при использовании резервного способа выполнения функций по упрощенным алгоритмам;

- развитая система управления ресурсами и высокая их мобильность, состоящая в том, что ресурсы могут достаточно быстро и в разнообразных конфигурациях соединяться для выполнения основных функций;

- развитая система контроля работоспособности, позволяющая достоверно оценить техническое состояние всех ресурсов и своевременно снабдить необходимой информацией систему управления ресурсами;

- возможность оперативного возвращения к основному варианту выполнения функций после восстановления работоспособности отказавших устройств;

- отсутствие обесценивающих отказов;

- принципиальное отсутствие тиражирования проектных ошибок в реализации алгоритмов функционирования резервирующих друг друга устройств.

3. 
   Временное резервирование как метод повышения надежности становится эффективным и приобретает преимущество перед другими видами резервирования в системах со следующими особенностями:
   

- система допускает перерывы в работе на время, превышающее время устранения отказа и его последствий;

- качество работы системы оценивается по интегральным характеристикам за достаточно большой промежуток времени (смена, сутки, неделя, месяц, квартал, год);

- система имеет конечную и сравнительно небольшую скорость перехода из работоспособного состояния в неработоспособное при отказах отдельных ее элементов;

- система, осуществляющая передачу или обработку материальных, энергетических или информационных потоков, имеет возможность накапливать в необходимых количествах продукт в промежуточных и выходных накопителях для парирования отказов и их последствий

- в системе не удается полностью устранить обесценивающие отказы, и поэтому часть наработки требует повторения;

- в системе возникают периоды скрытого отказа, требующие повторения части работ после обнаружения отказа;

- система допускает непродолжительное снижение производительности, компенсируемое за счет запаса производительности;

- система обладает кумулятивным эффектом, позволяющим за дополнительное время улучшить выходные характеристики (точность, достоверность, прочность, стабильность, устойчивость), определяющие ее работоспособность.

4. 
   Информационное резервирование является специфическим видом резервирования, используемым в системах связи, управления, измерительных, информационных, вычислительных системах и других системах сбора и обработки информации.
   

Оно применяется в тех случаях, когда последствия потери и искажения информации тяжелы, и поэтому такие нарушения либо недопустимы, либо должны быть маловероятны. Основными условиями и предпосылками использования информационного резервирования являются:

- недостаточная надежность носителей информации;

- невозможность оперативного восстановления алгоритмическими средствами искажений информации при обработке;

- невозможность возобновления информации с помощью первичных источников;

- в системе предусмотрены необходимые ресурсы аппаратуры и времени для реализации резервирования информации, а в алгоритмах функционирования предусмотрено использование избыточной информации.

Информационное резервирование используется обычно в сочетании со структурным, функциональным и временным резервированием, поскольку для хранения копий информационных массивов и дополнительной информации при помехоустойчивом кодировании необходимы дополнительные емкости запоминающих устройств и дополнительная аппаратура для обработки информации, а для чтения копий и работы средств восстановления информации нужно дополнительное время. Распространенный метод информационного резервирования - установка дополнительных датчиков в поле измерений, позволяющая одновременно использовать и функциональное резервирование (первая форма).

5. 
   Нагрузочное резервирование применяется в тех случаях, когда изделие необслуживаемое или когда устранение отказа требует больших затрат времени и больших эксплуатационных расходов. При этом использование структурного резервирования затруднительно или невозможно по техническим или экономическим соображениям. Нагрузочное резервирование может применяться и тогда, когда структурное резервирование не эффективно и для повышения его эффективности необходимо уменьшить интенсивность отказов изделия или резервируемой его части. Основные условия успешного применения этого вида резервирования:
   

- наличие подходящих элементов, обладающих требуемым запасом работоспособности по различным параметрам относительно номинального режима работы изделия;

- приемлемость степени повышения других технико-экономических характеристик (габаритов, энергопотребления, стоимости и пр.) по отношению к прототипу, обусловленной созданием запаса работоспособности;

- возможность одновременной разгрузки всех или большинства элементов с тем, чтобы создать «равнопрочную» систему.

К методам нагрузочного резервирования следует отнести:

- применение элементов с повышенной допустимой рассеиваемой мощностью;

- уменьшение плотности упаковки элементов для создания благоприятного теплового режима;

- снижение скорости перемещения механических элементов для снижения механических нагрузок;

- уменьшение интенсивности входных потоков информации в информационных системах с целью предупреждения сбоев и отказов;

- облегчение технологических режимов в технологических системах с целью расширения области работоспособности при отклонениях технологических параметров от номинальных значений.

Нагрузочное резервирование часто используют в сочетании с другими видами резервирования. Возможность кратковременной дополнительной загрузки позволяет использовать функциональное резервирование. При снижении информационной нагрузки периоды незанятости можно использовать как резерв времени. При разгрузке по мощности используют кратковременное форсирование режима с целью частичной или полной компенсации простоев или ухудшения выходных параметров системы вследствие отказов. [3]

Резервирование магистральных трубопроводов

Рассмотрим резервирование на примере магистральных трубопроводов.

Резервирование используется как один из основных способов повышения надежности магистральных газонефтепроводов. Проектирование магистральных трубопроводов предусматривает резервирование оборудования, линейной части и пропускной особенности магистрального трубопровода.

Резервирование оборудования

В нормативных документах по проектированию предусматривается установка резервных подпорных и магистральных насосов в зданиях насосных на НПС и газоперекачивающих агрегатов на КС. При числе рабочих насосов до трех предусматривается один резервный насос (газоперекачивающий агрегат), а при большем числе рабочих насосов (газоперекачивающий агрегат) — два резервных.

Резервирование линейной части магистрального трубопровода

Резервирование линейной части магистрального трубопровода для обеспечения надежного транспорта нефти и газа осуществляется следующими средствами:

— завышением толщины стенки труб;

— прокладкой резервных ниток (для подводных переходов);

— сооружением многониточных газопроводов с перемычками.

Расчет стенки труб производится с учетом коэффициента перегрузки по рабочему давлению. Завышение толщины стенки труб рассчитывается на

основании использования коэффициента безопасности по материалу, который зависит от способа изготовления труб и применяемой стали, и коэффициента надежности по назначению трубопровода, величина которого зависит от диаметра трубопровода и вида перекачиваемого продукта.

Прокладку резервных ниток осуществляют при переходах через водные

преграды. Согласно СНиП 2.05.06-85* «при ширине водных преград при меженном горизонте 75 м и более в местах пересечения водных преград

трубопроводом следует предусматривать прокладку резервной нитки. Для

многониточных систем необходимость строительства дополнительной резервной нитки независимо от ширины водной преграды устанавливается

проектом».

При подземной прокладке трубопроводов через болота 11 и 111 типов длиной свыше 500 м также допускается прокладка резервной нитки при соответствующем обосновании.

Перемычки на многониточных трубопроводах позволяют использовать

соседние нитки в качестве резервных одновременно с осуществлением перекачки по неповрежденным участкам неповрежденного трубопровода.

Резервирование пропускной способности магистрального нефтепровода

Плановая производительность магистрального нефтепровода G, которую необходимо обеспечить при его полном развитии, указывается в задании на проектирование в млн т/год. Расчетная часовая пропускная способность магистрального нефтепровода вычисляется по формуле:



где — расчетное число дней перекачки; р — расчетная плотность перекачиваемой нефти.

Расчетное число дней перекачки нефти (рабочих дней) магистральных нефтепроводов зависит от протяженности и диаметра магистрального нефтепровода и определяется по справочной таблице «норм» технологического проектирования.

За счет занижения расчетного числа дней перекачки относительно фактического числа дней в году расчетная пропускная способность магистрального нефтепровода завышается в 365/ раз. Это составляет от 2,2 до 4,5%. [5]

Классификация резервных элементов магистрального нефтепровода по видам резервирования

[6]

Список литературы

1. 
   Александровская Л.Н., Афанасьев А.И. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник - Учебник ХХI века. – М.: Логос, 2003. – 111с., 363с., 312с.
   
2. 
   Решетов Д.Н. и др. Надежность машин: Уч. пособие для машиностр. спец. вузов/ Д.Н.Решетов, А.С.Иванов, В.З.Фадеев; Под ред. Д.Н.Решетова. – М.: Высшая школа, 1988. – 234с., 190с., 267с.
   
3. 
   Рекомендации. Надежность в технике. Выбор способов и методов резервирования. – Москва: Ротапринт ВНИИНМАШ, 1988. –
   

94 с.

4. 
   ГОСТ 27.002-89 – Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – Москва: Изд-во стандартов, 1990. –
   

32. 
    с.
    

5. 
   Дейнеко C.В. Обеспечение надежности систем трубопроводного транспорта нефти и газа. — М.: Издательство «Техника», ТУМА ГРУПП, 2011. — 176 с.
   
6. 
   РД 39-30-494-80 — Руководящий документ: Методика оптимизация резервирования проектируемого магистрального нефтепровода. — ВНИИСПТнефт. — Москва, 1981. — 54с.