автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение эффективности технического обслуживания химического оборудования в целях обеспечения его надежной эксплуатации

На правах рукописи

005019982

ОДНОЛЬКО ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО НАДЕЖНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ (НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ)

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва- 2012

005019982

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО«МГУИЭ»),

Защита состоится « 19 » апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан «19 » марта 2012 г.

Научный руководитель кандидат технических наук

Рюмин Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, -профессор

Продан Василий Дмитриевич

кандидат технических наук Филимонов Михаил Александрович

Ведущая организация ОАО «НИИхиммаш», г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из приоритетных направлений повышения эффективности эксплуатации крупнотоннажных машин и агрегатов на промышленных предприятиях химической отрасли РФ является развитие стратегии их технического обслуживания (ТО) с учетом надежности (Reliability-centered Maintenance, RCM), поскольку:

1. Производственные мощности по базовым видам продукции загружены более чем на 80-90% при степени износа основных фондов по химическому комплексу в целом около 50%, а по отдельным видам оборудования -свыше 80%. Значительная часть машин, аппаратов и коммуникаций, отказы которых часто приводят к серьезным экономическим, экологическим и социальным потерям, имеет срок службы 20 и более лет. Коэффициент обновления фондов в 4 раза ниже минимально необходимого. Используемые технологии отличаются высокой энерго- и ресурсоемкостью.

2. Существенная часть выпускаемого отечественного оборудования не отвечает современным требованиям качества, не имеет охранных документов, сертификатов безопасности, систем сервиса и эксплуатационного обслуживания.

3. Работоспособность машин и агрегатов напрямую влияет на качество выпускаемой продукции, определяя конкурентоспособность бизнеса.

4. Необходимость своевременного завершения операций по ТО требует оперативного резервирования значительного количества материалов/деталей/узлов.

При этом продолжает увеличиваться разрыв между объективными потребностями промышленных предприятий в современных разработках и предложениями научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций.

В сложившихся условиях особую значимость приобретает научно-обоснованная постановка и решение задачи определения эффективной структуры ТО машин и агрегатов химических производств, т.е. такого набора целей, методов, ресурсов и технических средств, которые будут использоваться в определенном порядке при поддержании или возвращении оборудования в работоспособное состояние. При этом ремонт рассматривается как часть корректирующего ТО, включающая непосредственные действия по локализации, диагностированию и устранению неисправности, а также проверку функционирования (ГОСТ Р 53480-2009 «Надежность в технике. Термины и определения»). Настоящая диссертационная работа посвящена решению данной проблемы.

Цель работы. Разработать теоретическое обоснование рационального цикла технического обслуживания химического оборудования с учетом закономерностей формирования надежности в условиях эксплуатации.

Научная новизна работы:

1. Приведена отличная от существующих методика количественного и качественного анализа безотказности, ремонтопригодности и готовности, а также эффективности действующей системы технического обслуживания структурных элементов объекта исследований, включающая в себя научно обоснованную совокупность взаимосвязанных и имеющих широкие границы применимости непараметрических статистических процедур, характеризующаяся уровнем информативности, соответствующим параметрическому подходу при более высокой точности результатов оценки.

2. Впервые построена динамическая иерархическая модель полной или частичной потери работоспособности производства аммиачной селитры, свободная от предположений о теоретических распределениях исходных данных, позволяющая осуществлять прогноз изменения состояния функционирования системы во времени по критерию «вероятность-тяжесть последствий отказа», подготовлен алгоритм расчета структурной значимости первичных событий и аварийных сочетаний модели.

3. Предложена система условий и метрик для формирования наиболее эффективного цикла комбинированного ТО объекта исследований по результатам оценки уровней показателей надежности оборудования, а также с учетом решения задачи оптимальной локализации части механических отказов его структурных элементов посредством индивидуального и группового диагностического контроля.

Практическая значимость. Теоретическая часть исследований обладает достаточной общностью и может быть применена при проектировании новых и модернизации существующих агрегатов по производству аммиачной селитры.

Отдельные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование» в МГУИЭ.

Предлагаемые методы и алгоритмы анализа успешно апробированы в производстве аммиачной селитры в ОАО «HAK «Азот», реализован комплекс мероприятий технического, методического и организационного характера по повышению надежности и эффективности восстановления работоспособности действующего оборудования.

Подготовлена автоматизированная система формирования оптимального графика работ по комбинированному (по потребности после отказа, наработке или календарному плану, а также состоянию) техническому обслуживанию машин и агрегатов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на: XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», СГТУ, г. Саратов, 2010 г. и XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», НТУ Украины «КПИ», г. Киев, Украина, 2011 г.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 5 опубликованных печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся:

1. Методические основы комплексного анализа и прогнозирования надежности узлов и установок в производстве аммиачной селитры.

2. Динамическая иерархическая стохастическая модель полной или частичной потери работоспособности объекта исследований, учитывающая значимость и вариацию широкой совокупности условий и факторов (158 контролируемых параметров, 103 единицы основного и вспомогательного оборудования, более 2 тысяч фактических и гипотетически возможных видов отказов их структурных элементов), способствующих прекращению или снижению эффективности протекания различных стадий технологического процесса.

3. Результаты классификации неисправностей и оптимизации плана технического обслуживания производства аммиачной селитры.

4. Количественные оценки показателей надежности объекта исследований.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена корректной постановкой задач, выбором общепризнанной системы эксплуатационных испытаний химического оборудования на надежность, использованием основных положений классической теории надежности, химико-технологических процессов, прикладной статистики и современных алгоритмов математического моделирования.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа включает введение, пять глав, основные выводы и результаты, список литературы (120 наименований) и приложение. Работа изложена на 160 страницах основного текста, содержит 16 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая ценность результатов, приведена структура диссертации и вопросы, рассматриваемые в главах и приложении.

В первой главе представлена краткая характеристика исследуемого объекта, проанализировано современное состояние теории надежности химического оборудования, приведено описание структурной схемы производства аммиачной селитры.

Информационной базой диссертации послужили сведения об эксплуатации двух крупнотоннажных агрегатов по схеме АС-67А в Открытом акционерном обществе «Новомосковская акционерная компания «Азот» (ОАО «НАК «Азот», г. Новомосковск Тульской области) общей мощностью 900 тысяч тонн в год. Метод производства - получение водного раствора аммиачной селитры путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком (с добавлением нитрата магния) с последующим упариванием, гранулированием плава в башнях и охлаждением гранул в кипящем слое.

По итогам проведенного литературного обзора сформулированы задачи, решаемые в работе в рамках непараметрического подхода к исследованию.

Вторая глава посвящена анализу надежности и системы ТО категорий оборудования производства аммиачной селитры в период эксплуатационных испытаний, выполненному в несколько стадий:

1. Сбор информации, классификация неисправностей, формирование выборок наработки между отказами (/¡), продолжительности неработоспособного состояния (tBt), мгновенного коэффициента готовности (Кп) и индикаторов ТО (профилактического, корректирующего и по состоянию);

2. Выделение закономерных составляющих временных рядов текущих значений показателей, зависящих от времени: тренда и периодической компоненты (линейная модель Тейла, циклическая декомпозиция) - необходимо для формирования модифицированного перечня задач, которые будут решаться в установленном порядке при проведении ТО;

3. Проверка однородности стохастических составляющих по агрегатам (критерий Краскела-Уоллиса, модифицированный Имманом и Давенпортом) - требуется для последующего группирования оборудования в рамках приведения всех операций ТО к определенному циклу;

4. Точечное (используя 2,5%, 25%, 50%, 75% и 97,5% процентили эмпирического распределения) и интервальное (вычисление бета-функция верхнего и нижнего предела) оценивание средних значений t,, tBh Кп и индикаторов ТО;

5. Точечное оценивание вспомогательных выборочных характеристик (среднее абсолютное отклонение, коэффициент дисперсии и коэффициент концентрации значений в диапазоне 100%*g) - позволяет составить объективное представление о форме и вариации распределений показателей, что способствует существенному повышению информативности непараметрического подхода и делает не менее эффективным, чем параметрический робаст-ный подход.

План испытаний объекта исследований - NMr (общее количество неисправностей, рассмотренное в данной работе - г = 424, агрегат №1 - 222, агрегат №2 - 202, при минимально необходимом г = 200). Результаты классификации отказов иллюстрирует рис.1., а их вариацию по узлам и установкам, соответственно, рис. 2.

Функцжжяльный Параметрический Критерий

Независимый Зависимый

Обусловенность другими отказами

Конструктивный Пром1водственмый Эксплугтвциоиный Дегрлдлинонный Причина

Внезапный Постепенный Сбой Развитие во времени

I II III

Категория тяжести последствий

Восстанавливаемый Не восстанавливаемый

Возможность восстановления работоспособности элемента оборудования

Неютропирувммй Х&нгрж/щтш Й

Контроль работосйособиости элемента РиС. оборудования перед применением

1. Классификация отказов производства аммиачной селитры

3 4 5 6

Подсистемы технологической линии

Рис. 2. Среднее процентное соотношение количества отказов технологических блоков объекта исследований

1. узел подготовки сырья; 2. подсистема получения водного раствора селитры путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком; 3. узел упаривания раствора до состояния высококонцентрированного плава; 4. установка гранулирования и охлаждения продукта; 5. узел очистки отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу; 6. подсистема упаковки и хранения аммиачной селитры; 7. вспомогательные установки

Ранжирование неисправностей по тяжести последствий выполнено в рамках трех категорий: I - недопустимые отклонения показателей качества готовой продукции, П - снижение коэффициента готовности технологической линии, Ш -значительный ущерб для объекта, опасность для жизни и здоровья людей.

Доверительные интервалы средних значений показателей надежности подсистем производства аммиачной селитры представлены в табл. 1, а точечные оценки индикаторов ТО в период испытаний (по агрегату в целом) в табл. 2.

Таблица 1

Номер технологического блока Л Ч їв> 4 КГ

нижняя граница, 95% верхняя граница, 95% нижняя граница, 95% верхняя граница, 95% нижняя граница, 95% верхняя граница, 95%

1 2185 3863 49 81 0,89 0,97

2 995 1410 59 94 0,77 0,87

3 1710 2819 104 170 0,80 0,89

4 1158 1841 78 144 0,80 0,88

5 2421 5316 50 93 0,96 0,99

6 4626 6823 19 72 0,97 0,99

7 5582 10596 33 75 0,97 0,99

Критерий Значение в течение года

Число зафиксированных случаев проведения непланового диагностического контроля 36 (сущность оценки -негативная)

Число зафиксированных срабатываний аварийных блокировок 59 (сущность оценки -негативная)

Нормированная трудоемкость оперативного, планового и непланового диагностического контроля оборудования 124%

Нормированная трудоемкость ТО оборудования 146%

Нормированный расход на ремонт запасных частей оборудования 92%

Индекс аварийных работ (норма - менее 10%) 18%

Индекс номенклатуры оборудования, охваченного операциями контроля технического состояния (желательно - более 70%) 42%

Индекс расходов на ТО, отнесенных к объему продаж (норма - не более 14%) 22%

Нормированный индекс численности рабочей силы, задействованной при проведении мероприятий ТО 38%

Индекс затрат на оплату труда персонала в структуре ТО 17%

Таким образом, существующую систему ТО оборудования объекта исследований следует признать неэффективной и требующей рациональной модификации с учетом надежности.

В третьей главе выполнена непараметрическая оценка надежности производства аммиачной селитры (системы в целом) методом динамического дерева отказов.

Методические основы анализа:

1. разработка дедуктивной динамической непараметрической имитационной модели потери работоспособности системы на заданном уровне детализации;

2. поиск минимальных аварийных сочетаний (набор первичных событий, включая неэффективные мероприятия ТО, при которых наступает конечное событие), расчет показателей значимости аварийных сочетаний;

3. оценка значимости первичных событий модели, т.е. их вклада в появление конечного события;

4. доверительное одностороннее оценивание вероятности появления конечного события дерева (Q(A) в течение длительного будущего периода времени для заданных интервалов продолжительности работы методом стохастического моделирования, необходимое для приведения к ежегодному базису диагностических и циклических восстановительных мероприятий в рамках программы ТО.

Следует подчеркнуть, что производственные объекты химической индустрии, характеризуются двумя ключевыми особенностями:

1. Значительное число возможных состояний оборудования, в том числе частичная неработоспособность; внутренняя неработоспособность вследствие отказа (несовершенства ТО) или внешняя по организационным причинам и т.д.

2. Взаимосвязь (взаимодействие) различных групп показателей качества подсистем и их структурных элементов, относящихся, в том числе, к некоему базовому уровню производственного объекта (первичные события), которая зачастую оказывает существенное или даже координальное влияние на надежность системы.

Вследствие этих особенностей применение традиционного метода дерева отказов часто оказывается попросту нецелесообразным. Впервые используемая в диссертации динамическая модель с конечным числом состояний (Dynamic Fault Tree - DFT), включает помимо основных ряд дополнительных логических символов (часть из которых введена в практику анализа надежности автором работы, см. табл. 3).

Таблица 3

Обозначение Название Назначение

«Приоритетное И -тяжесть последствий отказа» Выходное событие имеет место, если происходит одно или несколько входных событий, ранжированных по критерию «вероятность - тяжесть последствий» и объединенных логическим символом «И»

А

1

«Приоритетное ИЛИ - тяжесть последствий отказа» Выходное событие имеет место, если происходит одно или несколько входных событий, ранжированных по критерию «вероятность - тяжесть последствий» и объединенных логическим символом «или»

А

1

Алгоритм построения модели, содержащей более 20 млн. аварийных сочетаний, приведен на рис. 3.

Определение завершающего события модели системы [0(Д)- нарушение работоспособноститехнологической линии по производству аммиачной селитры]

г

Описание промежуточных событий - отказов функционально связанных подсистем (прекращение или недопустимое снижение эффективности протекания стадий технологического процесса с использованием 158 контролируемых параметров) II

Идентификация промежуточных событий - отказов 103 единиц основногои вспомогательного оборудования с ранжированием по критерию «вероятность -тяжесть последствий» III

*

Описание совокупности первичных событий- более 2 тысяч фактических и гипотетически возможных отказов элементов оборудования, в том числе вследствие внешних воздействий IV

Систематизация первичных событий, вызванных общимипричинами. сокращение итогового количества до 111 V

Рис. 3. Основные этапы разработки динамической модели полной или частичной потери работоспособности системы

Для оценки значимости применяли модифицированные интегральные комплексные показатели:

- исходные события (вероятность того, что г-е событие, входящее в т аварийных сочетаний, вносит вклад в отказ системы в интервале [0, /] с учетом поправочного коэффициента, учитывающего тяжесть последствий отказа Ктпо)\

- аварийные сочетания (вероятность того, что _/'-е аварийное сочетание способствует отказу системы в интервале [0, /] с учетом Кто)-

Значения КТпо (экспертная оценка, диапазон - 0 1) назначали для ветвей, соединенных символами «Приоритетное И - тяжесть последствий отказа» и «Приоритетное ИЛИ - тяжесть последствий отказа» (имеющих соответствующий ранг).

Диапазон изменения показателей (в течение года):

■ первичные и промежуточные события - 0,18 + 0,999;

■ аварийные сочетания - 0,039 + 0,999.

Результат процедуры имитационного моделирования (см. рис. 4) -прогноз верхней доверительной границы вероятности достижения завершающего события в течение 5 лет при относительной ошибке § = 0,1 приведен в табл. 4.

Этап 3: расчет вероятности возникновения завершающего события модели методом Гиббса анализа систем с конечным числом состояний с последующей статистической обработкой

Этап 2: вычисление многомерных массивов

вероятностей промежуточных событий на основе логических связей дерева отказов

Этап 1: формирование одномерных массивов вероятностей возникновения первичных событий для временных отрезков (смена, сутки, месяц, год) с учетом возможного пребывания элементов оборудования в 5 различных состояниях путем генерации псевдослучайных чисел, соответствующих эмпирическим распределениям наработки между событиями с их последующей статистической обработкой

Рис 4. Прогнозирование вероятности достижения завершающего события в течение заданного периода времени

Таблица 4

всю Продолжительность функционирования объекта

смена сутки месяц год

приу= 1 0,9% 2% 22% 23%

при у = 2 2,3% 4,8% 48% 60%

при 7 = 3 0,4% 1,6% 7% 16%

Здесь: ] = 1 (система неработоспособна вследствие отказа, сопровождающегося аварийной остановкой, тяжесть последствий - III категория); у = 2 (система неработоспособна вследствие отказа, не сопровождающегося аварийной остановкой, II);у = 3 (система неработоспособна вследствие отказа, не сопровождающегося аварийной остановкой, I).

I 1

Допущения, ассоциируемые с прогнозом:

■ потоки возникновения первичных событий и восстановления являются условно стационарными;

■ после проведения операций ТО структурные элементы системы функционируют как новые или частично изношенные (понижающий коэффициент для оценки вероятности 0,76 (среднее значение в период наблюдений для всей совокупности оборудования);

■ первичные события дерева отказов статистически независимы.

В четвертой главе решена задача многокритериального поиска наиболее эффективного цикла ТО машин, аппаратов и коммуникаций в производстве аммиачной селитры.

Постановка задачи: Пусть известно множество z(t) = {z,(t),i =17n}

возможных переменных программы ТО, принимающих конечное множество значений на отрезке [z£aün(t),2im3X(i)]' Варьируя значения элементов множества z(t), можно получить множество S(t) возможных вариантов цикла ТО объекта. Требуется выбрать варианты S(t), обеспечивающие множество заданных показателей оптимизации. Структуризацию задачи в общем виде иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5. Схема поиска наиболее рациональной программы ТО машин и агрегатов химических производств

Условия и метрики в нашем случае:

F,. Подход к восстановлению работоспособности - комбинированный (в зависимости от типа и структурной значимости оборудования работы по ТО реализуются по потребности после отказа, по наработке или календарному плану, а также по состоянию (по результатам контроля состояния).

F2. Затраты на реализацию - 2-14% от общего объема продаж продукции за рассматриваемый период (усл. ед.) (-♦ min).

Fj. Коэффициент готовности объекта для рассматриваемого периода-0,80-0,95 (— max).

Fa. Предполагаемая трудоемкость аварийных работ - 10% и менее от трудоемкости всей совокупности работ по восстановлению работоспособности в рассматриваемый период (чел.-ч) (—> min).

F5. Количество единиц основного и вспомогательного оборудования, задействованных в мероприятиях оперативного, планового и непланового диагностического контроля - 70% и более (-»max).

F6. Время простоя объекта для реализации неучтенных операций по ТО - 5% и менее от календарной продолжительности периода (ч) (-> min).

F7. Отношение продолжительности запланированных оперативных и превентивных мероприятий по поддержанию/восстановлению работоспособности объекта к продолжительности учитываемого непланового диагностирования и корректирующего восстановления - 60-80%/20-40% (->• шах).

Решение задачи: метод квазиоптимизации локальных критериев (последовательных уступок), который подразумевает поиск не единственного точного оптимума, а некоторой области решений, близких к оптимальному. При этом уровень допустимого отклонения от точного оптимума определяется индивидуально.

В рамках данной глобальной вычислительной процедуры дополнительно определяли рациональную периодичность мероприятий по локализации части механических отказов оборудования посредством диагностического контроля его структурных элементов по схеме:

- контроль параметра отдельного элемента - решение совместной оптимизационной задачи по установлению максимума межконтрольной наработки и допускаемого при контроле отклонения параметра при ограничении удельных суммарных издержек;

- контроль параметров группы элементов с независимым доступом -решение оптимизационной задачи по нахождению такой структуры цикла диагностических мероприятий, при которой суммарные эксплуатационные издержки для совокупности единиц оборудования с учетом периодичностей

14

календарной или межремонтной наработки и содержания группового контроля минимально отличались бы от суммарных удельных издержек при контроле каждого из параметров отдельных элементов;

- контроль параметров группы элементов с зависимым доступом -особенность в сравнении с п.2 - возможность попутного или смешанного контроля; слагаемые издержек связаны с отказами, на проведение диагностического контроля, разборочно-сборочные и вспомогательные операции, а также на запасные части;

- установление предельного состояния оборудования - с определенной периодичностью проводится плановое ресурсное диагностирование при частичной разборке (вскрыши) машины или аппарата. Соответственно оптимальным правилам назначается текущий ремонт корпусного или другого ключевого их элемента и определяется его стоимость. В случае если она превышает предельные издержки, принимается решение о капитальном ремонте, т.е. достижении предельного состояния. Оптимизация предельных издержек производится с помощью ряда шаговых операций, основанных на использовании метода динамического программирования.

Практические результаты:

■ модифицирован график ТО объекта исследований, способствовавший увеличению межремонтного периода эксплуатации основного и вспомогательного оборудования на 12-18%;

■ скорректирован статус склада уровня цеха (хранение выданных на ремонт материалов и запчастей, неснижаемого запаса запчастей, а также обменного фонда узлов, в том числе и полученных при разборке списанных машин и аппаратов) для более оперативного выполнения ТО;

■ предложены изменения в положение о системе ТО оборудования опасных производственных объектов в части, касающейся комплекса показателей эффективности;

■ разработана программа подготовки и повышения квалификации ремонтного персонала.

Пятаяглава посвящена созданию в среде Microsoft Access 2007 автоматизированной системы формирования оптимального графика работ по ТО химического оборудования «MSUEE RCMApplication».

Программный продукт представляет собой Windows-пршожение, состоящее из базы данных (БД) и расчетного модуля.

БД обеспечивает ввод, поиск и вывод в текстовом и графическом виде для машин, аппаратов, коммуникаций или промышленного объекта в целом следующих сведений:

- основные данные, со всей историей эксплуатации и ТО, включая результаты диагностического контроля, информацию о замене оборудования или его элементов, наработки, простои, трудоемкость работ и т.д.;

- соотношение количества отказов (в течение заданного периода) по критерию, причине, категории тяжести последствий, возможности локализации и восстановления работоспособности, обусловленности другими неисправностями, развитию во времени и достижению предельного состояния;

- полный или выборочный перечень деталей, узлов, инструментов, оснастки и т.д., необходимых для проведения конкретного ТО;

- список организаций, задействованных в системе ТО;

- прайс-листы, нормативно-технические документы, касающиеся эксплуатации и восстановления.

Расчетный модуль представляет собой совокупность вычислительных процедур, предназначенных для оценки индикаторов действующей системы ТО промышленного объекта с последующим формированием оптимального цикла диагностических, профилактических и корректирующих мероприятий, направленных на поддержание или возвращение входящего в его состав основного и вспомогательного оборудования в работоспособное состояние.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате классификации 424 нарушений работоспособного состояния крупнотоннажного производства аммиачной селитры установлено превалирование параметрических, эксплуатационных, независимых, постепенных отказов восстанавливаемых, неконтролируемых перед применением элементов оборудования (главным образом, подсистем получения водного раствора селитры путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком; его последующего упаривания до состояния высококонцентрированного плава; гранулирования и охлаждения готового продукта), вызывающих задержку выполнения функции назначения, снижение готовности данного промышленного объекта.

2. Представленная в диссертации методика оценки комплекса показателей надежности и индикаторов существующей системы технического обслуживания производственных узлов и установок в период испытаний является оптимальным инструментом практического анализа процесса их

16

эксплуатации-восстановления в рамках современного непараметрического подхода к исследованию, исключающего неоправданные математические допущения при обеспечении необходимой степени избыточности информации, не уступающей параметрическим робастным процедурам.

3. Впервые выполнено построение (путем введения дополнительных логических символов) динамической дедуктивной модели потери работоспособности технологической линии по выпуску аммиачной селитры, включающей 111 первичных событий (сгруппированных по причине) и более 20 млн. аварийных сочетаний, получены оценки их структурной значимости по критерию «вероятность-тяжесть последствий», реализована процедура имитационного моделирования суммарного потока отказов объекта исследований на различных иерархических уровнях с помощью эффективного алгоритма Гиб-бса анализа систем с конечным числом состояний.

4. Предложенная в диссертации постановка задачи оптимальной локализации части механических отказов оборудования посредством индивидуального и группового диагностического контроля его структурных элементов, в результате решения которой определяется множество потенциальных состояний взаимосвязанной совокупности диагностируемых объектов (в рамках одной технологической линии) с непараметрической оценкой их вероятностей и времени возникновения отказа, обладает необходимой общностью и может быть распространена на широкий спектр машин и агрегатов химических производств.

5. Разработанный в среде Microsoft Access программный продукт «MSUEE RCM Application», предназначенный для формирования оптимального графика мероприятий по комбинированному (по потребности после отказа, наработке или календарному плану, а также состоянию) техническому обслуживанию химического оборудования, характеризуется следующими показателями качества: наличие комплекса необходимых и достаточных вычислительных процедур; удобство проведения анализа, осуществляющегося посредством системы взаимосвязанных диалоговых окон (мастера); наличие графического инструментария для визуализации результатов; поддержка создания отчетов; расширяемость; наличие справочной системы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рюмин Ю.А., Федосеев Е.В., Однолько Д.А. Компьютерная дедуктивная оценка надежности промышленных комплексов // М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение, №12, 2009, с. 38-40.

2. Рюмин Ю.А., Толстиков A.B., Федосеев Е.В., Однолько Д.А. Метод восстановления работоспособности химического оборудования с учетом закономерностей формирования надежности в условиях эксплуатации // М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение, №6,2010. с. 41-44.

3. Рюмин Ю.А., Гавршшк О.В., Федосеев Е.В.. Однолько Д.А. Менеджмент и контроль технического обслуживания и ремонта объектов химической промышленности // М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение, №7,2010. с. 46-48.

4. Рюмин Ю.А., Федосеев Д.В., Однолько Д.А. Стратегия ремонта оборудования промышленных объектов с учетом надежности и технического состояния/Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т.5: Секция 5/под общ. ред. B.C. Балакирева; Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010, с.220-221.

5. Рюмин Ю.А., Михайловский C.B., Однолько Д.А., Федосеев Е.В. Дедуктивная оценка надежности агрегатов химических производств с помощью динамического дерева отказов/Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т.5: Секция 5/под общ. ред. B.C. Балакирева; Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011, с.69-70.

Подписано в печать_. Формат 60><84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ. 105066 Москва, ул. Старая Басманная, 21/4. 18

61 12-5/2309

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный

университет инженерной экологии»

На правах рукописи

ОДНОЛЬКО ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО НАДЕЖНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ (НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ)

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, Рюмин Ю.А.

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЫБОР ОБЪЕКТОВ И НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ

Стр. 5

1.1. Объекты исследований

1.1.1. Обоснование выбора объектов исследований

1.1.2. Общая характеристика производства аммиачной селитры и его технико-экономический уровень

1.1.3. Описание технологического процесса и схемы

1.2. Выбор направлений исследований

1.2.1. Современное состояние теории надежности технических систем

1.2.2. Анализ работ по исследованию надежности и эффективности производства аммиачной селитры

21

21

24

25

32

32

42

Выводы по главе и формулировка задач научных исследований 43 ГЛАВА 2. НЕПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАТЕГОРИЙ ОБОРУДОВАНИЯ, УЗЛОВ И УСТАНОВОК ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ

2.1. Постановка задачи 46

2.2. Задание параметров плана и проведение испытаний

на надежность 47

2.3. Классификация отказов оборудования производства аммиачной селитры 50

2.4. Анализ временных рядов показателей надежности

узлов и установок объектов исследований 56

2.5. Анализ изменения в течение периода наблюдений дополнительных индикаторов действующей системы

ТО объектов исследований 69

Выводы по главе 73

ГЛАВА 3. НЕПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕРЕВА ОТКАЗОВ

3.1. Постановка задачи 74

3.2. Построение дерева отказов объектов исследований 76

3.2.1. Основные принципы и графический аппарат 76

3.2.2. Результат процедуры построения 79

3.3. Качественный и количественный анализ

имитационной модели 84

3.3.1. Оценка значимости исходных событий и

аварийных сочетаний 84

3.3.2. Прогнозирование вероятности возникновения

конечного события 88

Выводы по главе 92

ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОГРАММЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ

4.1. Постановка задачи 94

4.2. Методика контроля и правил назначения ремонта структурных элементов оборудования объекта исследований 98

4.2.1. Общие положения 98

4.2.2. Контроль отдельного параметра 99

4.2.3. Группирование контроля параметров элементов с независимым доступом 101

4.2.4. Контроль группы элементов с зависимым доступом 102

4.2.5. Установление критериев предельного состояния машин

и аппаратов 105

4.3. Совершенствование программы ТО производства

аммиачной селитры 108

Выводы по главе 110

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ОБОРУДОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

5.1. Постановка задачи 111

5.2. Общие сведения о системе 111

5.3. Краткие сведения о среде и последовательности

разработки базы данных программного продукта 117

5.4. Организация вычислительных процедур системы «MSUEERCM» 122 Выводы по главе 125

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128

ПРИЛОЖЕНИЕ 139

ВВЕДЕНИЕ

Одним из приоритетных направлений повышения эффективности эксплуатации крупнотоннажных машин и агрегатов на промышленных предприятиях химической отрасли РФ является развитие стратегии их технического обслуживания (ТО) с учетом надежности (Reliability-centered Maintenance, RCM), поскольку:

1. Производственные мощности по базовым видам продукции загружены более чем на 80-90% при степени износа основных фондов по химическому комплексу в целом около 50%, а по отдельным видам оборудования -свыше 80%. Значительная часть машин, аппаратов и коммуникаций, отказы которых часто приводят к серьезным экономическим, экологическим и социальным потерям, имеет срок службы 20 и более лет. Коэффициент обновления фондов в 4 раза ниже минимально необходимого. Используемые технологии отличаются высокой энерго- и ресурсоемкостью.

2. Существенная часть выпускаемого отечественного оборудования не отвечает современным требованиям качества, не имеет охранных документов, сертификатов безопасности, систем сервиса и эксплуатационного обслуживания.

3. Работоспособность машин и агрегатов напрямую влияет на качество выпускаемой продукции, определяя конкурентоспособность бизнеса.

4. Необходимость своевременного завершения операций по ТО требует оперативного резервирования значительного количества материалов/деталей/узлов.

При этом продолжает увеличиваться разрыв между объективными потребностями промышленных предприятий в современных разработках и предложениями научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций.

В сложившихся условиях особую значимость приобретает научно-обоснованная постановка и решение задачи определения эффективной структуры ТО машин и агрегатов химических производств, т.е. такого набора целей, методов, ресурсов и технических средств, которые будут использоваться в определенном порядке при поддержании или возвращении оборудования в

работоспособное состояние. При этом ремонт рассматривается как часть корректирующего ТО, включающая непосредственные действия по локализации, диагностированию и устранению неисправности, а также проверку функционирования (ГОСТ Р 53480-2009 «Надежность в технике. Термины и определения»). Настоящая диссертационная работа посвящена решению данной проблемы.

Цель работы. Разработать теоретическое обоснование рационального цикла технического обслуживания химического оборудования с учетом закономерностей формирования надежности в условиях эксплуатации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

В первой главе представлена краткая характеристика исследуемого объекта, проанализировано современное состояние теории надежности химического оборудования, приведено описание структурной схемы производства аммиачной селитры.

Информационной базой диссертации послужили сведения об эксплуатации двух крупнотоннажных агрегатов по схеме АС-67А в Открытом акционерном обществе «Новомосковская акционерная компания «Азот» (ОАО «НАК «Азот», г. Новомосковск Тульской области) общей мощностью 900 тысяч тонн в год. Метод производства - получение водного раствора аммиачной селитры путем нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком (с добавлением нитрата магния) с последующим упариванием, гранулированием плава в башнях и охлаждением гранул в кипящем слое.

По итогам проведенного литературного обзора сформулированы задачи, решаемые в работе в рамках непараметрического подхода к исследованию.

Вторая глава посвящена анализу надежности и системы ТО категорий оборудования производства аммиачной селитры в период эксплуатационных испытаний, выполненному в несколько стадий:

1. Сбор информации, классификация неисправностей, формирование выборок наработки между отказами (*,•), продолжительности неработоспособного состояния (¿вг), мгновенного коэффициента готовности (Кп) и индикаторов ТО (профилактического, корректирующего и по состоянию);

2. Выделение закономерных составляющих временных рядов текущих значений показателей, зависящих от времени: тренда и периодической компоненты (линейная модель Тейла, циклическая декомпозиция) - необходимо для формирования модифицированного перечня задач, которые будут решаться в установленном порядке при проведении ТО;

3. Проверка однородности стохастических составляющих по агрегатам (критерий Краскела-Уоллиса, модифицированный Имманом и Давенпортом)

- требуется для последующего группирования оборудования в рамках приведения всех операций ТО к определенному циклу;

4. Точечное (используя 2,5%, 25%, 50%, 75% и 97,5% процентили эмпирического распределения) и интервальное (вычисление бета-функция верхнего и нижнего предела) оценивание средних значений 1Ь 1ВЬ Кп и индикаторов ТО;

5. Точечное оценивание вспомогательных выборочных характеристик (среднее абсолютное отклонение, коэффициент дисперсии и коэффициент концентрации значений в диапазоне 100%*§) - позволяет составить объективное представление о форме и вариации распределений показателей, что способствует существенному повышению информативности непараметрического подхода и делает не менее эффективным, чем параметрический роба-стный подход.

План испытаний объекта исследований - ЫМг (общее количество неисправностей, рассмотренное в данной работе - г = 424, агрегат №1 - 222, агрегат №2 - 202, при минимально необходимом г = 200). Результаты классификации отказов иллюстрирует рис.1., а их вариацию по узлам и установкам, соответственно, рис. 2.

Ранжирование неисправностей по тяжести последствий выполнено в рамках трех категорий: I - недопустимые отклонения показателей качества готовой продукции, II - снижение коэффициента готовности технологической линии, III

- значительный ущерб для объекта, опасность для жизни и здоровья людей.

Доверительные интервалы средних значений показателей надежности подсистем производства аммиачной селитры представлены в табл. 1, а точечные оценки индикаторов ТО в период испытаний (по агрегату в целом) в табл. 2.

Конструктивный Производственный Эксплуатационный Деградационный

Причина

б)

Независимый Зависимый Обусловенность другими отказами

е)

л

я

100

Внезапный Постепенный Сбой Развитие во времени

г;

Категория тяжести последствий д)

100

Неконтролируемый Контролируемый

Контроль работоспособности элемента оборудования перед применением

е)

Восстанавливаемый Невосстанавливаемый

Возможность восстановления работоспособности элемента

оборудования

ж)

Рис. 1. Процентное соотношение отказов производства аммиачной селитры по критерию, причине, обусловленности другими отказами, развитию во времени, категории тяжести последствий, контролю и возможности восстановления работоспособности элементов

оборудования

1 2 3 4 5 6 7

Подсистемы технологической линии

Рис. 2. Среднее по технологическим линиям процентное соотношение отказов узлов и установок производства аммиачной селитры

Таблица 1

Номер технологического блока * ,ч *в, ч Кг

нижняя граница, 95% верхняя граница, 95% нижняя граница, 95% верхняя граница, 95% нижняя граница, 95% верхняя граница, 95%

1 2185 3863 49 81 0,89 0,97

2 995 1410 59 94 0,77 0,87

3 1710 2819 104 170 0,80 0,89

4 1158 1841 78 144 0,80 0,88

5 2421 5316 50 93 0,96 0,99

6 4626 6823 19 72 0,97 0,99

7 5582 10596 33 75 0,97 0,99

Таблица 2

Критерий Значение в течение года

Число зафиксированных случаев проведения непланового диагностического контроля 36 (сущность оценки -негативная)

Число зафиксированных срабатываний аварийных блокировок 59 (сущность оценки -негативная)

Нормированная трудоемкость оперативного, планового и непланового диагностического контроля оборудования 124%

Нормированная трудоемкость ТО оборудования 146%

Нормированный расход на ремонт запасных частей оборудования 92%

Индекс аварийных работ (норма - менее 10%) 18%

Индекс номенклатуры оборудования, охваченного операциями контроля технического состояния (желательно - более 70%) 42%

Индекс расходов на ТО, отнесенных к объему продаж (норма - не более 14%) 22%

Нормированный индекс численности рабочей силы, задействованной при проведении мероприятий ТО 38%

Индекс затрат на оплату труда персонала в структуре ТО 17%

Таким образом, существующую систему ТО оборудования объекта исследований следует признать неэффективной и требующей рациональной модификации с учетом надежности.

В третьей главе выполнена непараметрическая оценка надежности производства аммиачной селитры (системы в целом) методом динамического дерева отказов.

Методические основы анализа:

1. разработка дедуктивной динамической непараметрической имитационной модели потери работоспособности системы на заданном уровне детализации;

2. поиск минимальных аварийных сочетаний (набор первичных событий, включая неэффективные мероприятия ТО, при которых наступает конечное событие), расчет показателей значимости аварийных сочетаний;

3. оценка значимости первичных событий модели, т.е. их вклада в появление конечного события;

4. доверительное одностороннее оценивание вероятности появления конечного события дерева (<2(А) в течение длительного будущего периода времени для заданных интервалов продолжительности работы методом стохастического моделирования, необходимое для приведения к ежегодному базису диагностических и циклических восстановительных мероприятий в рамках программы ТО.

Следует подчеркнуть, что производственные объекты химической индустрии, характеризуются двумя ключевыми особенностями:

1. Значительное число возможных состояний оборудования, в том числе частичная неработоспособность; внутренняя неработоспособность вследствие отказа (несовершенства ТО) или внешняя по организационным причинам и т.д.

2. Взаимосвязь (взаимодействие) различных групп показателей качества подсистем и их структурных элементов, относящихся, в том числе, к некоему базовому уровню производственного объекта (первичные события), которая зачастую оказывает существенное или даже координальное влияние на надежность системы.

Вследствие этих особенностей применение традиционного метода дерева отказов часто оказывается попросту нецелесообразным. Впервые используемая в диссертации динамическая модель с конечным числом состояний {Dynamic Fault Tree - DFT), включает помимо основных ряд дополнительных логических символов (часть из которых введена в практику анализа надежности автором работы, см. табл. 3).

Таблица 3

Обозначение Название Назначение

«Приоритетное И -тяжесть последствий отказа» Выходное событие имеет место, если происходит одно или несколько входных событий, ранжированных по критерию «вероятность - тяжесть последствий» и объединенных логическим символом «И»

А 11

«Приоритетное ИЛИ - тяжесть последствий отказа» Выходное событие имеет место, если происходит одно или несколько входных событий, ранжированных по критерию «вероятность - тяжесть последствий» и объединенных логическим символом «ИЛИ»

А

11

Алгоритм построения модели, содержащей более 20 млн. аварийных сочетаний, приведен на рис. 3.

Для оценки значимости применяли модифицированные интегральные комплексные показатели:

- исходные события (вероятность того, что /-е событие, входящее в т аварийных сочетаний, вносит вклад в отказ системы в интервале [0, с учетом поправочного коэффициента, учитывающего тяжесть последствий отказа КтпоУ,

- аварийные сочетания (вероятность того, что у-е аварийное сочетание способствует отказу системы в интервале [0, /] с учетом КТП0).

Определение завершающего события модели системы[(3(Д}- нарушение работоспособности технологической линиипо производству аммиачной селитры]

Описание промежуточных событий - отказов функционально связанных подсистем (прекращение или недопустимое снижение эффективности протекания стадий технологического процесса с использованием 158 контролируемых параметров)

-Л

Идентификация промежуточных событий-отказов 103 единиц основного« вспомогательного оборудования с ранжированием по критерию «вероятность-тяжесть последствий»

Описание совокупности первичных событий-более2тысяч фактических« гипотетически возможных отказов элементов оборудования, в том числе вследствие ,

внешних воздействий I

Систематизация первичных событий, вызванных общими причинами, сокращение итогового количества до 111

Рис. 3. Основные этапы разработки динамической модели полной или частичной потери работоспособности системы

Этап 3: расчет вероятности возникновения завершающего события модели методом Гиббса анализа систем с конечным числом состояний

с последующей статистической обработкой

* __

Этап 2: вычисление многомерных массивов

вероятностей промежуточных событий на основе логических связей дерева отказов

Этап 1: формирование одномерных массивов вероятностей возникновения первичных событий для временных отрезков (смена, сутки, месяц, год) с учетом возможного пребывания элементов оборудования в 5 различных состояниях путем генерации псевдослучайных чисел, соответствующих эмпирическим распределениям наработки между событиями с их последующей статистической обработкой

Рис 4. Прогнозирование вероятности достижения завершающего события в

течение заданного периода времени

Значения Ктпо (экспертная оценка, диапазон -0-^-1) назначали для ветвей, соединенных символами «Приоритетное И - тяжесть последствий отказа» и «Приоритетное ИЛИ - тяжесть последствий отказа» (имеющих соответствующий ранг).

Диапазон изменения показателе�