PROBLEMY BADANIA NIEZAWODNOŚCI SIŁOWNI TRANSPORTOWYCH OBIEKTÓW OCEANOTECHNICZNYCH

Transkrypt

1 Zbgnew MATUSZAK POBLEMY BADAIA IEZAWODOŚCI SIŁOWI TASPOTOWYCH OBIEKTÓW OCEAOTECHICZYCH Streszczene W artyule przedstawono problemy występujące podczas badana nezawodnośc słown orętowych pływających obetów oceanotechncznych, zwłaszcza statów transportowych. Szczególną uwagę zwrócono na badane systemów o stałej zmennej struturze pracy, tóre domnują w słown orętowej statu. Charateryzują sę one ponadto możlwoścą wystąpena uszodzeń atastrofcznych parametrycznych. W analze uwzględnono dwa najczęścej spotyane rozłady uszodzeń: wyładnczy Webulla. Jao przyład prezentacj wynów obserwacj uszodzeń jednego z systemów słown orętowej przedstawono wyn uszodzeń systemu parowego uwzględnające przyjętą ważność uszodzeń jego elementów. WPOWADZEIE Złożone systemy technczne, jam są słowne obetów oceanotechncznych, do tórych należą równeż stat o funcj transportowej, charateryzują sę znaczną lczbą elementów, z tórych ne wszyste uczestnczą w wyonywanu funcj do jach są przeznaczone. W zależnośc od charateru pracy, zadań jae spełnają, mogą tworzyć strutury o stałej lub zmennej lczbe elementów, przełączane w czase pracy. Ocena uszadzalnośc, nezawodnośc samych urządzeń techncznych słown ja ch systemów jest już tego powodu bardzo utrudnona, a dodatowym utrudnenem jest budowa jednoste pływających w rótch serach obejmujących z reguły la jednoste pływających ( w szczególnych przypadach znane są sere lunastu podobnych obetów pływających) W prezentowanym materale doonano próby przedstawena problemów zwązanych z badanam nezawodnoścowym słown oceanotechncznych jednoste pływających, oncentrując sę z onecznośc na metodyce oszacowana nezawodnośc systemów o stałej zmennej struturze pracy dla najprostszych spotyanych rozładów uszodzeń oraz przypadów uszodzeń: atastrofcznych parametrycznych. Za uszodzena atastrofczne uważa sę tae uszodzena elementu, tóre powodują całowte jego uszodzene, a jego usunęce wąże sę z naprawą wyłączającą element z esploatacj lub z wymaną elementu na nny, zdatny. Uszodzene parametryczne to ta rodzaj uszodzena elementu, tóre wywołuje chwlową lub stałą zmanę parametrów pracy elementu, jedna ne wywołują jego całowtego uszodzena. Kolejnym zaprezentowanym problemem jest przyjęca oreślonych ryterów, wg tórych jedne z uszodzeń można uważać za mnej, a nne za bardzej ważne. O ważnośc elementu w systeme techncznym decyduje sposób przyjęca ryterów oreślających jego waż- AUTOBUSY

2 ność [, 2, 3, 7, 5, 6]. Z reguły dla elementów systemów techncznych statów decyduje o tym: lczba uszodzeń, pracochłonność czas usuwana uszodzeń, wpływ uszodzeń na realzację podstawowych funcj statu (przewóz towarów), straty eonomczne spowodowane uszodzenem. Ważność elementu w systeme techncznym z puntu wdzena nezawodnośc zależna jest od nezawodność tego elementu. ówneż zależy od tego, jae mejsce w struturze nezawodnoścowej zajmuje ten element. Element jest tym ważnejszy, m bardzej przypomna on samodzelny element włączony w struturę systemu [8, 5, 6]. W prezentowanym materale, tóry obejmuje wyn 6-mesęcznej obserwacj uszodzeń elementów słown na jednym ze statów PŻM, przedstawono wyn rejestracj uszodzeń systemu parowego. W celu uproszczena analzy nezawodnoścowej przyjęto, że w słown występują elementy naprawalne tratowane na podstawe warunów przedstawonych w [0,, 2] jao nenaprawalne. Aby można było prowadzć badana nezawodnośc słown orętowych, należy dysponować podstawowym danym nt. lośc, jaośc przedzałów czasowych uszodzeń urządzeń słown systemów słown. Uzysać to można na podstawe warygodnych obserwacj ja pozysana tych wadomośc z pewnych źródeł [3, 4, 7].. SZACOWAIE IEZAWODOŚCI SYSTEMU O STAŁEJ STUK- TUZE PACY Prawdopodobeństwo poprawnej pracy systemów o nezmennej struturze w czase pracy można oszacować z zależnośc [4, 5, 6]: P( t) = P ( t) P ( t) a b () gdze: P a (t) - prawdopodobeństwo poprawnej pracy elementów systemu ze względu na uszodzena atastrofczne powodujące całowte uszodzene elementu; P b (t) - prawdopodobeństwo poprawnej pracy elementów systemu ze względu na uszodzena parametryczne polegające na osągnęcu przez element systemu parametrów poza dopuszczalnym grancam powodującym pracę z ogranczoną zdatnoścą. Prawdopodobeństwo poprawnej pracy, oreślane jao charaterystya nezawodnośc systemu, zależy od nezawodnośc, tj. prawdopodobeństwa poprawnej pracy elementów spełnających podstawowe funcje w czase pracy systemu. Inne elementy, tóre pełną drugorzędną albo pomocnczą rolę w pracy systemu wpływają z reguły w newelm stopnu na nezawodność pracy systemu. Oczywśce uszodzena elementów pomocnczych mogą powodować pewne zmany parametrów warunów pracy podstawowych elementów systemu. Procedurę szacowana prawdopodobeństwa poprawnej pracy systemu o stałej struturze elementów można oreślć następująco: wyodrębnene podstawowych elementów systemu spełnających założone jego funcje; oreślene parametrów techncznych wszystch podstawowych elementów systemu; oreślene zman parametrów systemu jego podstawowych elementów wynających z możlwośc uszodzeń elementów pomocnczych w sposób atastrofczny parametryczny; oreślene wpływu czynnów zewnętrznych na warun esploatacj systemu (le można ta wpływ ścśle oreślć); oreślene (oszacowane) nezawodnośc ażdego podstawowego elementu systemu dla uszodzeń atastrofcznych [7, 9]: a = e ( λ λ ) T ' (2) 2 AUTOBUSY

3 gdze: λ ' λ - ntensywnośc uszodzeń elementów systemu uwzględnające odpowedno ch parametry technczne warun pracy; oreślene nezawodnośc poszczególnych elementów w odnesenu do uszodzeń parametrycznych b, tóre uwzględnają m.n. zmany własnośc elementu, parametry czynnów, warun pracy; oszacowane nezawodnośc pracy ażdego elementu: = a oszacowane nezawodnośc pracy systemu: ( t) = gdze: n - lczba elementów podstawowych systemu: Σ b n = = (3) (4) ( t) n n = Σ = a b = aσ bσ = = (5) Jeżel dla pewnej grupy elementów ze względu na uszodzena atastrofczne założy sę nezawodność opsaną rozładem wyładnczym: λt λ2t λt a = e ; a2 = e ;... ; a = e (6) a dla pozostałych (n-) elementów opsanych rozładem Webulla: β ( t γ ) α a( + ) = e ;... ; an = e β ( t γ n n ) αn (7) to całowtą nezawodność systemu można oszacować z zależnośc: ln Σ = ln bσ n λt + = = + t γ α β (8) Dla czasu pracy zadanej nezawodnośc Σ rzywe zależność (8) przeształca sę aby wyreślć oraz y y = ϕ(t) = lnσ + ln b Σ λt 2 = ϕ (t) = 2 n = + ( t + γ ) α β = (9) (0) tóre w puntach przecęca rzywych y y 2 wsazują oszacowaną wartość czasu pracy t. AUTOBUSY 3

4 2. SZACOWAIE IEZAWODOŚCI SYSTEMU O ZMIEEJ STUKTUZE PACY Szacowane nezawodnośc systemów o zmennej struturze, tj. tach, w tórych w procese pracy w różnych momentach pracują różne elementy, charateryzuje sę pewnym cecham, wynającym z zastosowana specyf metody: cyl pracy systemu dzel sę na stany pracy odpowadające poszczególnym etapom pracy; dla ażdego stanu pracy oreśla sę strutury funcjonalne zawerające wszyste elementy pracujące w czase danego stanu pracy; dla poszczególnych stanów pracy oreśla sę parametry czynnów systemu warun pracy elementów w analzowanych stanach. Kolejnym roem jest oszacowane nezawodnośc systemu τ x lub ntensywnośc uszodzeń λ τ x odpowadających poszczególnym stanom pracy. W przypadu uwzględnena uszodzeń atastrofcznych ja parametrycznych nezawodnośc w czase poszczególnych stanów pracy można opsać zależnoścam [7, 9]: gdze: τ, ;... ; λ t λ t λ t τ 0 τ 2 02 τ 0 τ = τ b e ; b e ;... ; b e τ 2 = τ 2 τ = τ b τb2 τb - wartośc nezawodnośc odnesone do uszodzeń parametrycznych odpowadające poszczególnym stanom pracy. Całowtą nezawodność jednego stanu pracy można oszacować jao: () = τb τb 2 ( λ t + λ t λ t ) λ t0 τbx x= τ x e 0 τ 2 02 τ 0 τ... = e τb x (2) W przypadu powtarzających sę stanów pracy systemu, nezawodność jego można oreślć jao: = a b = x= τ bx λ τ xt 0 x ( e ) (3) 3. USZKODZEIA I PZYJĘTE KLASY USZKODZEŃ ELEMETÓW SYSTEMU PAOWEGO W czase sześcomesęcznej obserwacj pracy słown zarejestrowano łączne 66 uszodzeń elementów systemu parowego. Uszodzena podzelono na trzy grupy: powodujące nezdatność systemu (GUPA ); nepowodujące bezpośredno nezdatnośc systemu, lecz powodujące obnżene jego wydajnośc lub w przypadu jego ne usunęca możlwość wystąpena nezdatnośc systemu (GUPA 2); będące czynnoścam wynającym z oresowej obsług poszczególnych urządzeń systemu, tórych zanedbane może spowodować wystąpene uszodzeń z GUPY 2 lub. Dla ta przyjętych las uszodzeń zarejestrowano zalczono uszodzena następujących urządzeń elementów systemu parowego (w nawasach lczba uszodzeń): GUPA : wężownca grzana zborna osadowego palwa cężego (3); zespół zaworów na dopływe do wody zaslającej do walczaa parowo-wodnego (2); rurocąg z meszanną parowo-wodną z otła La Monta do walczaa (); paln otła VX (6); pompa srzyn ceplnej (2); wężownca grzana fltrów palwa cężego slna głównego (); zawór na dopływe pompy srzyn ceplnej (); ocoł La Monta (); razem 7 uszodzeń; 4 AUTOBUSY

5 GUPA 2: rurocąg parowy grzana przewodów palwa cężego (4); pompa zaslająca otła La Monta (2); rurocąg powrotu sropln (7); zawór szumowana walczaa parowowodnego (4); zawór na dopływe pary grzana zborna palwa cężego (2); rurocąg szumowana walczaa parowo-wodnego (); pompa cyrulacyjna otła La Monta (5); zawór dopływu pary do ogrzewana słown (); podgrzewacz palwa cężego (); rurocąg dopływu pary z otła La Monta do magstral parowej (); zdmuchwacze sadzy otła La Monta (); pompa zaslająca otła VX (); lna zdalnego zrywana zaworu bezpeczeństwa otła La Monta (); rurocąg dopływu pary do zborna wody chłodzącej wtryswacze (); rurocąg dopływu pary do podgrzewacza wody słodej slna głównego (); złącza na dopływe pary do oletora grzana zbornów palwa cężego (); razem 34 uszodzena; GUPA 3: czyszczene fltrów palwa otła VX (9); smarowane łożys pomp (4); czynnośc przy dławcach pomp cyrulacyjnych otła La Monta (2); razem 5 czynnośc. Przypsana zaobserwowanych uszodzeń do poszczególnych grup doonano w sposób subetywny, operając sę na wedzy osób rejestrujących uszodzena obsługujących słownę. 4. OSZACOWAIE IEZAWODOŚCI SYSTEMU PAOWEGO DLA POSZCZEGÓLYCH GUP USZKODZEŃ Dla przedstawonych wcześnej grup uszodzeń systemu parowego oszacowano m.n. następujące charaterysty nezawodnoścowe: funcję nezawodnośc; gęstość prawdopodobeństwa czasu do uszodzena systemu parowego; ntensywność uszodzeń systemu parowego. Charaterysty te sporządzono ne tylo dla uszodzeń, ale równeż dla sumy wszystch uszodzeń. Przebeg oszacowanych funcj nezawodnośc przedstawono na rys.. W początowym orese obserwacj uszodzeń najwęszy wpływ na obnżene nezawodnośc systemu mają uszodzena powodujące nezdatność systemu. Ustalają sę ona na stałym pozome w środowym czase obserwacj, aby gwałtowne spaść w ońcowym etape obserwacj. (t) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 GUPA GUPA 2 GUPA 3 SUMA 0,4 0,3 0,2 0, t [24 h] ys.. Przebeg funcj nezawodnośc dla sumy uszodzeń poszczególnych grup zaobserwowanych uszodzeń w systeme parowym a rys. 2 przedstawono przebeg gęstośc prawdopodobeństwa czasu do uszodzena systemu parowego dla sumy uszodzeń poszczególnych grup zaobserwowanych uszodzeń. Gęstość prawdopodobeństwa wyraża bezwzględne pogorszene nezawodnośc systemu przypadające na jednostę czasu, a na podstawe przedstawonych jej przebegów w początowym ońcowym orese obserwacj pracy słown najwęszym wartoścam charatery- AUTOBUSY 5

6 zowały sę uszodzena powodujące nezdatność systemu. W środowym orese obserwacj występuje domnacja uszodzeń wchodzących w sład GUPY 2 (neuwzględnono w tym przypadu uszodzeń GUPY 3). Przebeg ntensywnośc uszodzeń systemu parowego dla sumy uszodzeń poszczególnych grup zaobserwowanych uszodzeń przedstawono na rys. 3. Intensywność uszodzeń charateryzuje w ażdej chwl względne pogorszene sę nezawodnośc systemu, przypadające na jednostę czasu. W początowym orese obserwacj najwęszą ntensywnoścą uszodzeń charateryzują sę uszodzena GUPY, by zannąć w środowych orese na rzecz uszodzeń GUPY 2, a następne w ońcowym orese domnować na przeman z uszodzenam z GUPY 2. f(t) 0,002 0,00 0,0008 [/h] GUPA GUPA 2 GUPA 3 SUMA 0,0006 0,0004 0, t [24 h] ys. 2. Przebeg gęstośc prawdopodobeństwa czasu do uszodzena systemu parowego dla sumy uszodzeń poszczególnych grup zaobserwowanych uszodzeń λ(t) 0,0045 [/h] 0,004 0,0035 0,003 0,0025 GUPA GUPA 2 GUPA 3 SUMA 0,002 0,005 0,00 0, t [24 h] ys. 3. Przebeg ntensywnośc uszodzeń systemu parowego dla sumy uszodzeń poszczególnych grup zaobserwowanych uszodzeń UWAGI KOŃCOWE Zaprezentowana metodya obejmuje tylo przyład zastosowana wybranych najprostszych przypadów szacowana nezawodnośc systemów o stałej zmennej struturze pracy. Szczególne znaczene w analze nezawodnośc złożonych systemów techncznych mają systemy zawerające elementy o wzajemne zależnych uszodzenach [6], tj. tae, tórych uszodzena zmenają nezawodnośc nnych elementów. Do oszacowana nezawodnośc 6 AUTOBUSY

7 systemu wymagana jest wówczas znajomość tzw. warunowych nezawodnośc elementów, trudna do oreślena wymagająca pracochłonnych obserwacj esploatacyjnych. Analza uszodzeń systemu parowego obejmuje wybrany ores znacznego czasu esploatacj słown orętowej tylo dla tego systemu. Przedstawone wyn charaterysty nezawodnoścowe odnoszą sę tylo do sześcomesęcznego oresu obserwacj ne mogą być odnoszone do nnych oresów esploatacj słown. Uogólnene zaprezentowanych wynów możlwe jest po wyonanu znaczne szerszych obserwacj zebranu znaczne węszych nformacj o uszodzenach elementów słown. epowtarzalność warunów pracy systemów słown, złożona ch budowa ażą z pewnym dystansem podchodzć do uogólnana wynów obserwacj uszodzeń szacowana nezawodnośc, z drugej jedna strony oszty neprzewdzanych napraw łopoty jae z tego wynają z powodu naprawy w morzu, narzucają oneczność podejmowana badana zagadneń nezawodnośc elementów systemów słown orętowych. Wybór metody oceny nezawodnośc uzależnony jest od rodzaju analzowanego systemu techncznego [9, 0, 3, 4]. Zależy od wymaganej doładnośc oszacowana nezawodnośc. Zasadnczo metoda pownna być doberana ndywdualne dla danego systemu techncznego. Pownna uwzględnać założena upraszczające, doładność szacowana, przewdywaną pracochłonność. Generalne pownna uwzględnać możlwe pewne odwzorowane czynnów wpływających na nezawodność analzowanego systemu ja zastosowane ja najprostszej metody analzy. BIBLIOGAFIA. Barlow. E., Proschan F.: Importance of system components and fault tree events. Stochastc Process and ther Applcatons, 975 Vol. 3, p Bergman B., On relablty theory and ts applcatons. Scandnavan Journal of Statstc, 985, Vol. 2, p Brnbaum Z. W.: On the mportance of dfferent components n a multcomponent system: Multvarate Analyss - 2. Academc Press: ew Yor 969, p Durbn J.: Dstrbuton for tests based on the sample dstrbuton functon. Soc.for Indus. and Appled Mathem., Fladelfa Jaość nezawodność maszyn urządzeń. Praca zborowa, SITMP, Ośrode Dosonalena Kadr, Warszawa 979, zeszyt, Karpńs J., Korcza E.: Metody oceny nezawodnośc dwustanowych systemów techncznych. Omntech Press, Lambert H. E.: Measures of mportance of events and cut sets n fault trees: elablty and Fault Tree Analyss,. E. Barlow, J. B. Fussel,. D. Sngpurwalla, SIAM: Phladelpha 975, p Matusza Z., Ocena ważnośc elementu w struturze nstalacj słown orętowej. Wybrane problemy esploatacj systemów techncznych. Tom II, Materały na Zebrane auowe Secj Podstaw Esploatacj Komtetu Budowy Maszyn Polsej Aadem au, Wydawnctwo IMP PA, Gdańs 993, s Matusza Z.: Ausgewählte probabelstsche Modelle des Zusammengesetzten technschen Systems mt der Vechselnden Funtonellstrutur. 0th Internatonal Conference on Engneerng Desgn - (ICED'95), Praha Volume, Edton HEUISTA, Zürch 995, s Matusza Z., Wybór metody do szacowana nezawodnośc nstalacj słown orętowych. Materały Konferencj auowo-techncznej EXPLO-SIL'92, Gdyna 992, część 2, s AUTOBUSY 7

8 . Matusza Z.: Poszuwane rozładów uszodzeń systemów słown orętowych. Zeszyty auowe Instytutu Technolog Esploatacj w adomu, Problemy Esploatacj 200, nr 4(43). adom 200, s Matusza Z.: Ocena przynależnośc danych o uszodzenach systemów słown orętowych do jednej populacj generalnej. Zeszyty auowe AGH w Kraowe Automatya, tom 5, zeszyt /2 200, Uczelnane Wydawnctwa auowo-dydatyczne AGH, Kraów 200, s Matusza Z.: Model otazow prnadleżnost dannych ob otazach generalnoj sowoupnost na prmere sudowych energetczesch ustanowo. Kalnngradsj gosudarstwennyj technczesj unwersytet, Kalnngrad 2002, Monografa, s Matusza Z.: Kompozc raspredelenj charaterst nadożnost model otazow sstem sudowych energetczesch ustanowo. Kalnngradsj gosudarstwennyj technczesj unwersytet, Kalnngrad 2003, Monografa, s atvg B.: A suggeston of a new measure of mportance of mportance of system components. Stochastc Process and ther Applcatons, 979 Vol. 9, p atvg B.: ew lght on measures of mportance of system components. Scandnavan Journal of Statstc, 985 Vol. 2, p aport nr 997/9 Projetu badawczego r 9 T2C Badane uszodzeń rozładów uszodzeń złożonych uładów techncznych na przyładze nstalacj słown orętowych: Analza statystyczna danych o uszodzenach wybranych nstalacj słown orętowych. Załad Słown Orętowych - Instytut Techncznej Esploatacj Słown Orętowych. Wyższa Szoła Morsa w Szczecne. Maszynops powelany. POBLEMS OF ELIABILITY IVESTIGATIO OF MAITIME TASPOT OBJECTS Abstract Problems occurrng durng nvestgaton of relablty of marne power plants of swmmng martme objects, especally transport shps, are presented. Partcular attenton s pad to nvestgaton of systems of constant and varable wor structure, whch are predomnates n shp power plant. These systems are characterzed by possblty of occurrng catastrophc and parametrc damages. Analyss ncludes two most common falure dstrbutons: exponental and Webull. esults of damages of steam system ncludng assumed mportance of t s components damages are presented as example of results of observaton of damages of one of marne power plant systems. ecenzent: prof. dr hab. nż. Andrzej ewczas Autor: dr hab. nż. Zbgnew MATUSZAK, prof. AM - Aadema Morsa w Szczecne 8 AUTOBUSY