CC BY
347
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 62-799; 69.059.7 ДИАГНОСТИКА И КОМПЛЕКСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ОБОРУДОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Г.В. Лепеш1
1 Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГ-
ЭУ),191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, д. 21
Проведен анализ современных тенденций в диагностике и обслуживании инженерно-технических систем зданий и сооруженийкак сложных технических систем, работоспособность которых характеризуется большим числом выходных параметров. Проведено обоснование индивидуального подхода при организации комплекса работ по техническому обслуживанию инженерно-технических систем по их техническому состоянию. Рассмотрены способы организации диагностики и обслуживания.
Ключевые слова: Инженерное оборудование, здания и сооружения, ремонт, диагностика, поддержание в актуальном состоянии, инструментальное обследование, обслуживание по техническому состоянию
COMPREHENSIVE DIAGNOSTICS AND MAINTENANCE OF ENGINEERING SYSTEMS AND
EQUIPMENT BUILDINGS AND STRUCTURES
G.V.Lepesh
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, Sadovayastr., 21
The analysis of the current trends in the diagnosis and service of engineering systems of buildings and structures as a complex technical system, operation of which is characterized is characterized by a large number of output parameters. A rationale for individual approach to organization of works on technical maintenance of engineering systems, their technical condition. The article considers the ways of organization of diagnostics and maintenance.
Keywords: Engineering equipment, buildings and facilities, repair, diagnostics, maintenance up to date, tool inspection, maintenance on technical condition
Введение
Современные инженерно-технические системы зданий и сооружений - результат сотен лет развития и больших материальных затрат. Более чем значительная часть инженерно-технического оборудования в инженерных сетях имеет на сегодня значительный физический и моральный износ. По данным Росстроя РФ, количество аварий на только подземных инженерных сетях страны за 10 лет выросло почти в 5 раз и составило на сетях водоснабжения - до 70 аварий на 100 км, теплоснабжения - до 200 аварий на 100 км.
Средний уровень износа сетей в коммунальном хозяйстве составляет около 60 %, а в отдельных регионах превышает 70 %. В системе водоснабжения требуют полной замены 67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных трубо-
проводов, дополнительно к этому 120 тыс. км металлических трубопроводов нуждаются в срочном ремонте). В аналогичном состоянии находятся и канализационные трубопроводы, 30% которых требуют немедленной замены, а также тепловые сети (требуется заменить 62 тыс. км сетей) [1,2].
Однако размер, стоимость и сложность современных инженерных систем накладывают определенные ограничения на быструю замену их элементов. Современные тенденции в совершенствовании конструкции и технологии изготовления отдельных элементов инженерно-технического оборудования претерпели в течение последних десятилетий значительные изменения, однако не привели к существенному повышению их надежности и ресурса [1].
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 921 751 2829,е-шаИ: gregoryl@yandex. ги
Одной из наиболее важных и актуальных проблем современности является повышение качества и надежности эксплуатации инженерно-технических систем и зданий и сооружений в целом [2,3]. Это вызвано постоянным ростом их энерговооруженности, оснащением их сложной техникой, внедрением автоматизированных систем обслуживания и управления.
Организация системы технического
обслуживания
Важнейшим элементом повышения надежности эксплуатации оборудования инженерно-технических систем является организация системы технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р), представляющая собой комплекс мероприятий направленных на поддержание инженерно-технического одорудования и сетей в работоспособном состоянии, предупреждение аварийных ситуаций, а так же на оптимизацию их работы для того чтобы обеспечить максимальную экономическую эффективность.
Основным способом поддержания инженерно-технического оборудования и сетей на сегодняшний день предусмотрен планово-предупредительный (планово-
восстановительный) ремонт (ПНР). Однако в связи со значительным старением оборудования из-за несоблюдения сроков ППР планово-восстановительный ремонт сетей и оборудования систем водоснабжения и коммунальной энергетики практически полностью вытеснили аварийно-восстановительные работы, единичные затраты на проведение которых в 2,5 ^ 3 раза выше.
В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ Р 53778-2010 [4], регламентирующим деятельность по обследованию зданий и сооружений, введено понятие «комплексное обследование технического состояния», включающее помимо оценки фактических значений контролируемых параметров грунтов основания, строительных конструкций - оценку состояния инженерного обеспечения (оборудования, трубопроводов, электрических сетей и др.), в большой степени характеризующих работоспособность объекта обследования и определяющих возможность его дальнейшей эксплуатации, необходимость реконструкции или восстановления, ремонта.
В данном случае, обследование технического состояния включает в себя обследование технического состояния здания (сооружения), теплотехнических и акустических свойств конструкций, систем инженерного обеспечения объекта, за исключением технологического оборудования. Комплексное техническое обслуживание инженерных систем производится
специализированными организациями и предполагает выполнение целого ряда работ:
- Единое управление всеми работами по обслуживанию инженерных сетей.
- Регулярное профилактическое обслуживание оборудования в соответствии с техническими нормами и рекомендациями производителей.
- Срочные или плановые ремонтные работы любого уровня сложности.
- Комплексная диагностика инженерных систем, контроль работоспособности в периоды критических нагрузок.
- Оформление эксплуатационной документации, аттестация и паспортизация.
Комплексное обслуживание зданий промышленного или коммерческого назначения предполагает проведение регулярного осмотра инженерного оборудования, замены вышедших из строя элементов, электротехнические работы, проверку расходных материалов, проведение ППР или срочного ремонта, модернизацию инженерных сетей.
Предпролагается, что комплексное обслуживание зданий, а не отдельно взятых инженерно-технических систем, несет в себе ряд преимуществ:
- это минимальные сроки реагирования на любые внештатные и аварийные ситуации на объекте;
- единая общая ответственность обслуживающей компании за работоспособность всех систем;
- соблюдение всех технических норм и регламентов по обслуживанию зданий и сооружений;
- комплексные поставки комплектующих и расходных материалов для оборудования в составе инженерных систем;
- исключение проблем, связанных с совместным функционированием нескольких инженерных систем;
- максимальный контроль со стороны Заказчика и максимальная финансовая прозрачность.
При организации комплексное обслуживания зданий сервисными организациями, речь идет, как правило, о плановом техническом обслуживании оборудования и систем: вентиляции; кондиционирования; охлаждения; сжатого воздуха; аспирации; вакуумных систем; канализации; водоотведения; горячего и холодного водоснабжения; пароснабжения; конденсатоотведения; отопления; электротехнического оборудования и др.. Очевидно, что речь идет о сложных технических системах (СТС), работоспособность которых характеризуется большим числом выходных параметров.
Весь комплекс работ по техническому обслуживанию СТС условно можно разделить на три уровня: профилактическое обслуживание [планово-предупредительное обслуживание (ШЮ)], коррективное обслуживание (устранение неполадок) и предсказательное обслуживание (изучение статистических данных, мониторинг вибраций и визуальный контроль и др.) -т.е. обслуживание по техническому состоянию (ОТС).
При планово-предупредительной системе ТО и ремонта оборудование через определенный промежутоквремени в принудительном порядке подвергается профилактическим воздействиям в установленном объеме. При этом, несмотря на корректирование режимов ТО и ремонта в зависимости от ряда факторов, индивидуальный подход к каждому агрегату отсутствует.
Однако необходимость в таком подходе есть, так как даже при работе оборудования в одинаковых условиях техническое состояние каждого из агрегатов при одной и той же наработке вследствие целого ряда причин (индивидуальные особенности, режим эксплуатации, ТО и т.д.) может существенно отличаться. Далеко не для каждого агрегата необходимы все операции, предусмотренные «жестким» объемом того или иного вида ТО. Выполнение этих «ненужных» операций ведет, с одной стороны, к неполной реализации эксплуатационных свойств оборудования, повышению затрат на ТО, с другой, отнюдь не способствует улучшению его технического состояния. Наоборот, частые вмешательства в работу сопряжений способствуют повышенному изнашиванию сопряженных поверхностей, появлению повреждений крепежных соединений, нарушению герметичности соединений. Значительные потери трудовых и материальных ресурсов связаны также с большим объемом ремонтных воздействий, обусловленным несвоевременным выявлением отказов.
Наиболее полное использование индивидуальных возможностей любого оборудования и обеспечение на этой основе высокой эффективности его эксплуатации может быть осуществлено за счет широкого внедрения в технологический процесс ТО и ремонта диагностирования СТС и обслуживания по его результатам, т.е. - по фактическому техническому состоянию (ТС).
Однако ТО на основе фактического состояния высокотехнологичного оборудования требует наличия точных и надёжных результатов измерений показателей этого состояния. При этом может использоваться целый ряд параметров, к которым относятся механические величины, температура, токовая нагрузка, дав-
ление масла и др. При этом ТО агрегатов и машин по фактическому состоянию предполагает решение задач:
- измерения эксплуатационных уровней параметров и оценка их соответствия допустимым нормам;
- контроля ТС и обнаружение дефектных элементов конструкций;
- прогнозирования остаточного ресурса агрегатов и машин, их элементов и узлов;
- уточнения состава и объема ремонтных работ, их планирование и исполнение.
Основой такого вида ТО является техническое диагностирование (ТД) и прогнозирование состояния объекта (рис.1). С помощью средств ТД проводят непрерывный или периодический контроль параметров состояния. Прогнозирование выполняют при непрерывном контроле для определения времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние, а при периодическом контроле - для определения момента времени следующего контроля.
Рисунок 1 -Объекты цель и назначение технической диагностики оборудования инженерных систем (ИС)
Основной целью ТОиР по фактическому состоянию является повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов, что достигается назначением только необходимых работ по ТО в зависимости от фактического ТС конкретного объекта и предполагаемого изменения его состояния в процессе эксплуатации.
Значительный опыт применения ТО по фактическому состоянию позволяет дать оценку получаемому эффекту:
1. Снижение затрат на обслуживание на
75%;
2. Снижение количества обслуживаний на
50%,;
3. Снижение числа отказов на 70% за первый год работы.
Наиболее важным показателем надежности является отсутствие отказов во время работы технической системы. ТД позволяет благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей устранить отказы в процессе технического обслуживания, по фактическому ТС объекта обслуживания. Это исключает трудоемкий процесс ППР, поскольку результаты диагностирования и контроля - основа для принятия решений о необходимости То и Р, времени его проведения и объеме, а также о времени проведения очередного контроля ТС.
Схема взаимодействия ТС и ТД показана на рисунке 2.
Оценка технического состояния (ТС)
Определение причины отказа за время Т
Эксплуатация в течение времени Т
т
Выполнение ТО или Р
Рисунок 2 - Оценка технического состояния и реализация ТО
Реализация ТО по состоянию связана с затратами в основном на диагностирование и прогнозирование, поэтому применять такой вид ТО целесообразно, когда эти экономические затраты не являются определяющими (оборудование первой группы надежности) - когда этот метод экономически более выгоден, чем ППР. Одним из условий применения метода является также преобладание у данного вида оборудования постепенных и предупреждаемых отказов над внезапными и непредупрежда-емыми отказами.
Необходимые условия применения ТО по состоянию:
- экономическая целесообразность;
- наличие приборной базы;
- методика определения ТС и его прогнозирования;
- обученный персонал;
- контролепригодность оборудования.
В практике применяют следующие системы технической диагностики (СТД) [1]:
- Измерение ударных импульсов подшипников качения;
- Измерение вибрации роторных машин, редукторов - виброскорости, виброускорения, спектра огибающей высокочастотной вибрации;
- Измерение температуры - контактное и бесконтактное;
- Визуальный контроль;
- Определение состояния смазочного масла, содержания в нем воды и механических примесей;
- Определение толщин стенок сосудов и труб, корпусных конструкций;
- Измерение сопротивления изоляции кабелей и обмоток электрических машин, трансформаторов;
- Анализ состава газов и др.
Наиболее простыми и информативными параметрами для комплексной оценки состояния любых агрегатов и машин являются механическое состояние (вибрация), температурное состояние (поле температур) и электромагнитное (спектр излучения). Для определения этих состояний используется большой спектр диагностической аппаратуры, начиная от простейших измерителей параметров и физических величин, позволяющих определять общее состояние согласно существующим нормативным документам, - до современных мультимедийных диагностических комплексов - анализаторов вибрации, тепловизоров, мультивометров и др., оснащенных специальным программным обеспечением, предназначенным для выявления неисправных узлов и деталей, причем многоканальных переносных и универсальных по отношению к объектам исследования [1,5].
В ряде случаев к вибрационным диагностическим параметрам добавляют электрические, тепловые или иные параметры. Однако вибрационные параметры в полной совокупности диагностических параметров являются основными, поэтому в данном лабораторном практикуме теме вибродиагностики уделяется наибольшее влияние.
При ремонте оборудования инженерных систем основным результатом технологического процесса является его работоспособность. В неисправное состояние и в конечном итоге в состояние неработоспособности оборудования приводят его неисправные элементы.
В случае неработоспособности возможны следующие решения:
- снять оборудование с эксплуатации, т.е. выбросить, что дорого;
- выполнить ремонт оборудования, т.е. восстановить работоспособность.
В зависимости от сложности и условий выполнения ремонт производится непосредственно у заказчика или в мастерской. Ремонт у заказчика связан с устранением неисправностей
путем несложной замены элементов (деталей) или путем регулировки. Ремонт в мастерской осуществляется в случаях, когда в домашних условиях ремонт не может быть выполнен и заключается как правило в замене неработоспособных деталей или блоков машины или восстановлении их работоспособности.
В зависимости от времени эксплуатации ремонт производится в период гарантийного срока эксплуатации или в послегарантийный период.
В период гарантийного срока эксплуатации оборудования ремонт производят ремонтные организации на договорных началах с заводами-изготовителями. Порядок ремонта при этом регламентируется условиями договора и действующими положениями заводских инструкций и руководством по ремонту. Ремонт в послегарантийный период производится ремонтными организациями службы быта по индивидуальным заказам владельцев оборудования.
Для того, чтобы продлить срок эксплуатации оборудования в послегарантийный период владельцы оборудования (население и организации) заключают договора на проведение его ТО. Задача ТО - предупредить выход из строя инженерной системы, обеспечиваемой данным оборудованием. Это осуществляется путем проведения профилактического осмотра и диагностики оборудования.
Техническая диагностика инженерно-
технического оборудования
Широкому внедрению обслуживания по фактическому ТС вместо ППР, как показывает практика,препятствует необходимость решения рядавозникающих дополнительных проблем:
- необходимо установить номенклатуру основных диагностических сигналов с тем, чтобы они характеризовали работоспособность исследуемого агрегата или узла инженерно-технической системы;
- по набору этих данных необходимо сделать суждение о техническом состоянии всей системы и о необходимости ее ремонта или о времени, в течение которого она сможет сохранить свою работоспособность, причем без значительных экономических потерь или ущерба для окружающей среды;
- необходимо разработать систему технического диагностирования, которая включает технические средства, а также алгоритм диагностирования, т. е. совокупность предписаний о проведении диагностирования, выборе метода диагностирования (функциональном или тестовом).
Эти вопросы целесообразно решать на основе общих положений теории надежности с
использованием моделей отказов, оценки предельного состояния изделия, методов прогнозирования изменений состояния объекта, изучения физики отказов и других данных, положенных в основу науки - технической диагностики (ТД).
Структура ТД (рис.3) характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил (правил принятия решения о состоянии системы) и диагностических моделей. Теория конролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей.
ТД
Теория распознавания
Теория контролеспособности
№
и
^ ®
та ит в
ир а
2 I
3 §
а р
ая ли ин ве
£ В
ре С &
е и к с е
X
и т с о н
и
а
и Д
я а
кеас яи
I «
н ^ тс р оо
Ь" 93
иа ин
Д
В
ли он ря то нт но тсо
«
е т с
к о сн
ис в
оа
еа с
с и е н
Рисунок 3 - Структура ТД
Различие систем тестового и функционального диагностирования заключаются в следующем. В системах тестового диагностирования на объект подаются специально организуемые тестовые воздействия, например опорное напряжение заданной амплитуды и частоты или механическое гармоническое воздействие заданной амплитуды (вибрация, звук). В системах функционального диагностирования, которые работают в процессе эксплуатации объекта по назначению, средства функционального диагностирования являются, как правило, встроенными и подача тестовых сигналов, исключается, а на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные его алгоритмом функционирования.
В системах обоих видов, средства диагностирования воспринимают и анализируют реакцию (ответ) объекта на входные воздей-
ствия (рабочие или тестовые) и выдают результат диагностирования, т.е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работает правильно или нет, имеет тот или иной дефект и т.п. Системы тестового диагностирования проверяют исправность и работоспособность и обнаруживают дефекты их нарушающие. Системы функционального диагностирования определяют правильность функционирования и дефекты ее нарушающие.
Система диагностирования в процессе определения ТС объекта реализует некоторый алгоритм диагностирования. Алгоритм диагностирования в общем случае состоит из определенной совокупности так называемых элементарных проверок объекта, правил, устанавливающих последовательность реализации этих проверок и выработки на их основе результатов диагноза. Каждая элементарная проверка определяется своим тестовым или рабочим воздействием и составом контрольных точек, с которых снимаются ответы объекта на эти воздействия. Результатом элементарной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Анализ ставится обычно по совокупности результатов элементарных проверок.
Для определения работоспособности любой технической системы, поиска дефектов и прогнозирования состояния необходимо измерять диагностические параметры й ¿у. Измеряемые диагностические параметры выбирают из множества возможных параметров для исследования диагностических весов признаков, сформированных на этих параметрах. На основании информативности (диагностической ценности) признаков определяют окончательный состав измеряемых физических параметров, использующих в дальнейшем для диагностики состояний й ¿у) .
Как показывает практика, достаточно информативными данными для оценивания состояния большинства агрегатов инженерных систем являются механические колебания. Как правило, при возникновении дефектов или ухудшении состояния машин (при разбаланси-ровке валов, возникновении неисправностей подшипников или шестерней, расцентровке валов и др.) происходит изменение (возрастание) уровней механических колебаний. Вследствие этого измерение, контроль и анализ механических колебаний агрегатов и узлов машин обеспечивают надёжную оценку их состояния. Эти параметры являются также показателями качества изготовления, сборки и ремонта оборудования инженерных сетей.
Ключевым понятием в диагностике и системах обслуживания по ТС является форма-
лизованное понятие самого ТС, определяемое совокупностью подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств изделия, характеризуемой в определенный момент времени признаками (параметрами), установленными технической документацией на это изделие. Поскольку в данном случае набор изменяющихся в процессе эксплуатации параметров, определяемых технической документацией, конечен и фиксирован, то возможно и определение конкретных их проявлений, определяющих то или иное техническое состояние изделия. Т.е. - ТС всегда есть некоторая функция свойств изделия
Ф = Ф («^ й ¿у), 52( й ¿у).....<*( й ¿у)}.
Для получения количественных оценок ТС аргументами этой функции должны быть параметры (свойства) из общей совокупности достаточных свойств ( ) , в свою очередь, также представляемые количественно. Т.е. необходимо получить оценку таких свойств по результатам .тех или иных прямых измерений (рис.4).
Рисунок 4 -Формализацияпонятия "Техническое состояние"
Часто по имеющейся информации сделать однозначное заключение не представляется возможным и приходится использовать статистические методы. Так изменение ТС оборудования инженерной системы возможно рассматривать по вероятности его безотказной работы Р( 0 = , где Ж 0 - число отказов
за время - общее количество однотипного оборудования. Очевидно, что в процессе эксплуатации вероятность безотказной работы оборудования снижается (рис.5), а следовательно можно установить и пороговое значение
времени (прогноз), задаваясь экономически целесобразным значением Р(Т), либо принять решение по результатам диагностики о дальнейшей эксплуатации оборудования, задаваясь определенной степенью риска К (рис.6).
В общем случае надёжность инженерно-технических систем зданий и сооружений можно оценить комплексом показателей, состоящим из 5-ти групп:
- Безотказности;
- Ремонтопригодности;
- Долговечности;
- Комплексные показатели;
- Экономические показатели.
Инженерно -техническая система
ч_
Р(0 1
0,75 рч V 2
0,50 \ \
0,25 ч > ч!
0,0 h h ta и t
Рисунок 5 - Вероятность б езотказной работы:
Р( 0: и £2 - наработка, при которой отказы инженерного оборудования отсутствовали; £3 и С4 - соответственно наработка, при которой отказало почти все оборудование
Основным показателем с точки зрения определения диагностических параметров эксплуатируемого оборудования является безотказность. Другие определяются в основном его конструктивными параметрами. Под безотказностью работы оборудования понимается его свойства непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности (один или несколько диагностических параметров процесса или оборудования выходят за допустимые пределы и его дальнейшая эксплуатация невозможна или неэффективна по экономическим соображениям).
Внезапные отказы - являютсяследстви-ем неконтролируемого в условиях эксплуатации постепенного качественного свойств (усталостное разрушение, пробой проводов в системе электроснабжения, перегорание элементов
электрических схем, разгерметизация трубопроводов).
Любая инженерно-техническая система здания или сооружения - восстанавливаемый объект и её показатель безотказности -параметр потока отказов.
M [r(t + At )]- M [r (0]
<a(t) = lim
At
(1)
где: М -математическое ожидание отказов;г(0 -число отказов за время Р,г число отказов
за время (^+А?); о)(£) - среднее число отказов, ожидаемых в малом интервале времени - это отношение числа работающего оборудования в единицу времени к числу всего оборудования при условии, что все оборудование после отказа заменяют исправным (ремонтируют)
ю(0 = п(Г)/( N (А/) -А), (2)
где N (А^) - число испытываемых образцов в
интервале времени Аt, причем оно остается в процессе испытаний постоянным, т.к. все отка-
0
завшее оборудование подлежит замене или ремонту. В общем случае с( С) - функция времени (рис.7). На величину со влияют: факторы старения и износа элементов, а также плановые ремонты.
с( С)
шие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными.
КО , U( О
II
in
t
Рисунок 7 - Поток отказов С2, С3 - моменты времени выполнения капитальных ремонтов; С0 -окончание приработки (периода освоения).
Из анализа причин отказа оборудования инженерных систем следует:
с (С) = с г(С) + <с2 , (3)
где: с( С)- связанс износом и старением оборудования и зависит от его срока службы; с -связанс внешними воздействиями на инженерную сеть.
Поток отказов с г( С) вызывается старением защитных покрытий, коррозией металлических деталей, износом подшипников и узлов трения, физическими и химическими факторами изменения свойств смазки, старением и разрушением изоляции и т.д., составляющая потока связана с внешними климатическими нагрузками, дефектами монтажа, повреждением трубопроводов и их изоляции, ударами молний, пожарами и др.
Величина с 2=const и не зависит от длительной эксплуатации, капитальных ремонтов, т.е. определяется случайными причинами.
В эксплуатационной практике оборудования инженерных систем при назначении периода нормативного срока службы пользуются значением среднего потока отказов не зависящего от срока службы инженерной системы, откуда и назначают периодичность капитальных ремонтов.
Важным показателем надежности эксплуатации оборудования в межремонтные периоды является интенсивность отказов изделий (рис 8) %(;) - это условная вероятность его отказа в интервале времени (;, ; + А;) при условии, что до момента ; изделие работало безотказно, т.е. я; = до/ ДО = а(;)/до. (4)
Здесь а(;) - частота отказов оборудования (изделий) это отношение числа отказавших образцов в единицу времени к первоначальному количеству образцов, за которыми ведется наблюдение, при условии, что отказав-
Рисунок 8 - Изменение надежности (состояния)
оборудования в зависимости от наработки в межремонтный период: : / - этап приработки отдельных деталей некоторого узла; // - этап нормальной работы; /// - этап зарождения неисправностей или износа; /7 - этап аномального развития неисправностей или износа. S0 - нормальное состояние; Sj - допустимое состояние; S2 - опасное состояние; S3 - авария.
Из определения следует, что a(t) = -P'(t)
На практике для определения a(t) по результатам статистических данных об отказах оборудования используют зависимость
a* (t) = n(At) / (N0 At), (5)
где: n(At) - число отказавших образцов в интервале времени At; At - величина временных интервалов, на которые разделен период наблюдения за объектом.
Этап приработки (рис.8), с точки зрения его полезности для диагностики, интереса не представляет. Состояние S3 рассматривать отдельно также смысла не имеет, поскольку, если по значениям ретроспективы сигнала U каким-либо образом определена верхняя граница Г** состояния , то тем самым всем значениям наработки ** соответствует состояние
«Авария». С учетом этого в качестве классов возможных состояний, каак правило, определяют: S0 - нормальное состояние; Sx - допустимое состояние; S2 - опасное состояние;
На практике для определения k(t) по результатам статистических данных об отказах используют зависимость
k (t) =
n(t)
N^ (At) x At
; ^ (At) =
N + N+1 2
где Нср (А^) - среднее число исправно работающих образцов в интервале N и Нг+1 - число исправно работающих образцов в начале и в конце интервала А1.
Характеристиками надежности, определяющими сроки выполнения планово -предупредительного ремонта, являются среднее
втремя безотказной работы Т и наработка на отказ Т .
Среднее время безотказной работы Т -это математическое ожидание случайной величины t:
T = M [t]={ t ■ f(t)dt,. (6)
0
где f(t) - функция плотности вероятности -производная от вероятности отказа f (t) = Q'(t) = -P'(t) .; Q(t) - вероятность отказа. На практике для определения T по результатам статистических данных об отказах используют зависимость
N
t *=£ 11 / No
(7)
T0 = Ët/n,
(8)
i=1
где t¡ - время работы до отказа I -го образца
оборудования.
Данный показатель характеризует надежность работы до первого отказа, поэтому используется для оценки невосстанавливаемого оборудования и элементов инженернойсисте-мы.
Наработка на отказ Т - это среднее
значение времени работы оборудования между соседними отказами при условии, что отказавшие образцы восстанавливаются.
Рисунок 9 - Изменение технического состояния в зависимости от значений измеряемого сигнала
Построив граничные значения измеряемых сигналов по принятым классам возможных состояний - , а так же учитывая принятую модель получения количественных оценок ТС, можно получить соответствующие граничные значения для выбранных существенными свойств технических изделий ( ) ( ) ( ) и собственно оценок ф = ф ^ а ¿у), 5 2( а ф.....Бк( а ф}
Структура процесса оценки ТС для принятых возможных классов состояний и их границ в общем виде представлена на рис. 10.
где: nt - число единиц оборудования, отказавших за время t ; t{ - время исправной работы между ( i =1) и i -м отказами.
Из определения следует, что наработка на отказ является средним временем между соседними отказами, которое равно величине, обратной средней частоте отказов:
To(t) = ; limt^70(0 =Т . (9)
Q(t )
Данный показатель применяется для характеристики безотказности восстанавливаемых объектов инженерных систем.
Представленная на рис.8 типичная для механического оборудования зависимость позволяет интерпретировать изменение диагностического параметра состояния во времени, сопостовляя его с граничными значениями измеряемых сигналов (рис.4). Пологая Фнор = 1, изменение ТС в зависимости от измеряемого сигнала качественно можно представить в виде некоторой убывающей функции (рис.9).
du, d12 ... , din
d2i d22 d2n
d ml dm2 ■■■< dmn
1
f
Si( d i,) , S2( d ц), .. ,,sk( d i,) J
Рисунок 10 - Порядок оценки ТС по установленным границам классов состояний относительно существенных свойств объекта диагностики:
Проблемы и задачи диагностики инженерных сетей
По протяженности инженерных сетей Россия занимает одно из первых мест в мире. Общая протяженность наружных инженерных сетей составляет около 2 млн км, в том числе в системе ЖКХ эксплуатируется свыше 1 млн км трубопроводов. Кроме того, насчитывается около 3 млн км внутридомовых трубопроводов. Состояние инженерных коммуникаций определяется возрастом и материалом трубопроводов,
œ
условиями их эксплуатации, качеством строительства, степенью агрессивности грунтов и транспортируемой среды, другими местными условиями [7].
Основная часть инженерных коммуникаций в нашей стране выполнена из металлических труб (75%), из которых 70% - стальные и 5% - чугунные.
Возраст основной части трубопроводов Санкт-Петербурга превышает нормативный срок эксплуатации, а отдельные участки труб работают более 100 лет. Такая же картина наблюдается и во многих других городах России. С подобными проблемами сталкиваются и некоторые зарубежные города, например Лондон.
Из представленных данных по видам повреждений при авариях на на водопроводной сети Санкт-Петербурга видно, что основными причинами являются коррозия металлических труб (свищи - 37%), а также значительный возраст аварийных участков трубопроводов (разрушение стыков - спай - 30%, переломы - 21%, трещины - 6%).
Примерно 12% аварий связано с дефектами труб и браком монтажно-строительных работ. По этим двум причинам (дефект металла труб и оборудования, брак строительно-монтажных работ) частота аварий практически не снижается. Однако наибольшая аварийность происходит по причинам наружной и поземной коррозии. Большое опасение представляет увеличение числа отказов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (стресс-коррозия). При этом, если аварийность по традиционным причинам понятна и здесь пути снижения аварийности в целом ясны, то вопросы коррозионного растрескивания под напряжением изучены пока недостаточно и соответствующие методы выявления и предотвращения этого процесса недостаточно эффективны.
В обследовании инженерных систем отопления и водоснабжения, обязательным условием является оценка состояния трубопроводов, нагревательных приборов и их коррозия. При обследовании инженерных систем, их состояние коррозии, определяют глубину максимального поражения стенок, а также по сечению поврежденных труб, в сравнении с новыми элементами.
Наибольшую сложность вызывают вопросы эксплуатации и диагностики подземных инженерных сетей, в т.ч. и тепловых сетей канального исполнения. Для случая с тепловыми сетями, диагностика - это косвенный контроль состояния инженерно-технического оборудования и строительных конструкций, скрытых слоем грунта, а в городских условиях дополнительно слоями асфальта, щебня, а в ряде случа-
ев и слоем строительного мусора, от визуального наблюдения. В большинстве гордов Центрального и Северо-Западного регионов РФ подземная прокладка составляет до 80% трубопроводов тепловых сетей, до 20% сетей горячего водоснабжения, а для сетей холодного водоснабжения этот показатель составляет почти 100%.
Основная проблема диагностики состояния таких сетей связана с недостатком диагностирующих приборов и методов диагностики, предлагаемых для эксплуатационных предприятий и сервисных центров, занимающихся вопросами эксплуатации инженерных сетей.
Проблемы диагностики при эксплуатации инженерно-технического оборудования инженерных сетей во многом схожи с проблемами, возникающими при эксплуатации газотранспортного оборудования, где технической диагностике уделяется должное внимание. В общем случае классификация методов диагностики и контроля целостности трубопроводов приведена на рис.11.
В целом методы разделены на три группы в зависимости от типов измеряемых параметров [8].
Первичные методы связаны с определением основных эксплуатационных параметров.
Первичные методы
Вторичные методы
Утечка
Визуальные наблюдения
УЗ-методы _ИК-методы_
Засорение
Падение давления Проверка фильтров
Контроль коррозии Тензометрирование Визуальные наблюдения
Термическаий анализ Виброаккустические методы
Третичные методы
УЗ-методы Магнитные методы Определение износа Акустическая эмиссия
Рисунок 11 - Методы контроля диагностики трубопроводов
Вторичные методы - измерение параметров, характерных для вторичных эффектов по отношению к основному назначению объекта. Например, напряжения в трубе возникают за счет давления и, таким образом, являются вторичными параметрами. Третичные методы -осмотр повреждений, вызванных давлением в трубопроводе.
Диагностика и контроль целостности трубопроводов успешно проводится методами
акустической эмиссии (АЭ). Трубопроводы могут проверяться как до эксплуатации посредством гидростатических контрольных испытаний, так и в ходе эксплуатации путем создания избыточного давления. В практике эксплуатации тепловых сетей применяют испытания участков трубопроводов на плотность и прочность путем создания внутри трубы давления не менее 1,25 от рабочего (наиболее распространенный метод).
Контроль усталостных трещин сварных соединений может осуществляться ультразвуковыми методами с последующей обработкой принятых сигналов на ЭВМ по специальным программам. В практике эксплуатации тепловых сетей широко применяют:
- акустический метод с совместным применением генераторов ударных волн для поиска повреждений в подземных коммуникациях. Иначе такие устройства называют акустическими течеискателями. Точность обнаружения повреждений у данного метода неплохая, но при условии отсутствия посторонних шумов, которые в городских условиях трудно исключить;
- акустический метод сканирования стенки трубопровода, при использовании которого с помощью специальных виброакустических датчиков и дальнейшей обработки их сигналов на компьютере, определяется степень износа стенки трубы или осуществляется местонахождение повреждения [1]. Ограничения по применению метода: длина диагностируемого участка трубопровода от 40 до 200 м, усреднение толщины стенки по периметру трубы, в трубопроводе необходим поток теплоносителя (до 4 м3/мин);
- метод магнитометрии с помощью внут-ритрубного дефектоскопа, определяющего сплошность металла [9]. Результаты этого метода неплохие, с подтверждением до 98% дефектов после вскрытия канала, но применять его можно лишь в исключительных случаях, т.к. требуется раскопка, слив теплоносителя и демонтаж части трубопровода;
-метод шурфовок грунта с вскрытием канала инженерной сети, который широко применяется при поисках дефектов во время эксплуатации или после проведения плановых испытаний тепловых сетей. Этот метод регламентируется инструкцией для тепловых сетей [9] и базируется на визуальном внешнем осмотре строительных конструкций и состояния теплоизоляционных материалов и трубопровода. При этом берутся пробы грунта и теплоизоляционного материала, которые затем исследуются в лабораторных условиях. На месте шурфовок грунта с помощью специального прибора про-
водятся замеры потенциала «труба - земля». На поврежденных участках трубопроводов дополнительно может производиться вырезка сегмента металла для лабораторного исследования причин возникновения повреждения (наружная или внутренняя коррозия, фактическая толщина стенки трубы, качество структуры металла и соответствие его разрешенному сортаменту для данной инженерной сети, запас прочности и максимальное давление на прочность).
Как правило, эксплуатирующие организации имеют или используют целый набор диагностических устройств и приборов, которые их выручают в той или иной ситуации, но в рыночных условиях особую актуальность приобретают ресурсосберегающие технологии, позволяющие сокращать время выполнения работ и экономить трудовые ресурсы [5,7].
Литература
1. Лепеш, Г.В. Современные методы и средства диагностики оборудования инженерных систем зданий и сооружений/Г.В. Лепеш // Технико-технологические проблемы сервиса. -2015. - № 4(34) - С. 3 - 8.
2. РД 22-01-97. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследования строительных конструкций специализированными организациями)/ Госгортехнадзор России ТОО ЭКЦ Металлург ЦНИИпроектстальконструкция, 1997. - 27 с
3. СТО 71.12.19 Организация технической эксплуатации инженерных систем жилых зданий. -2009 г., с изменениями № 1 от "04" марта 2011 г.1991. 51с
4. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния: Введ. 25.03.2010. М. Стандартинформ, 2010. 60 с.
5. Лепеш, Г.В. Оперативный контроль и диагностика оборудования/Г.В. Лепеш, В.Н.Куртов, Н.Г.Мотылев и др.// Технико-технологические проблемы сервиса. -2009. -№ 3(9). С.8 - 16.
6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений: Введ. 21.08.03 / Госстрой России. М. , 2004. 32 с.
7. МГСН 2.10-04. Предпроектные комплексные обследования и мониторинг зданий и сооружений для восстановления, реконструкции и капитального ремонта : Введ. 01.03.05 / МНИИТЭП. - М. , 2004.
8. Техническая диагностика газотранспортного оборудования. Режим доступа: http:/ ftk-nnov.ru/tekhnicheskaya-diagnostika-gazotransportnogo-oborudovaniya/sravnitelnye-ocenki-metodov-diagnostiki-gpa.html. (дата обращения 14.03.2016)
9. Потапкин В.О. Ряшенцев А.Н. Контроль состояния инженерных сетей подземной канальной прокладки. ООО «Р-Технологии», г. Новосибирск. Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/tech_stat/stat_ shablon.php?id=2494. . (дата обращения 14.03.2016)
