Дәріс сабақтардың мазмұны

6. Дәріс сабақтардың мазмұны

1. Основные понятия и определения.

2. Связь технической диагностики с надежностью и качеством.

Краткое изложение каждого вопроса

1) Основные понятия и определения. Техническая диагностика – отрасль научно-технических знаний, сущность ко­торой составляют теория, методы и средства обнаружения и поиска дефектов объектов технической природы. Под дефектом следует понимать любое не­соответствие свойств объекта заданным, требуемым или ожидаемым его свой­ствам. Обнаружение дефекта есть уста­новление факта его наличия или от­сутствия в объекте. Поиск дефекта заключается в указании с определен­ной точностью его местоположения в объекте.

Основное назначение технической ди­агностики состоит в повышении надеж­ности объектов на этапе их эксплуатации, а также в предотвращении производст­венного брака на этапе изготовления объектов и их составных частей. Повы­шение надежности обеспечивается улуч­шением таких показателей, как коэффи­циент готовности, коэффициент техни­ческого использования, время восстанов­ления работоспособного состояния, а также ресурс или срок службы и наработ­ка до отказа или наработка на отказ для резервированных объектов с восстанов­лением. Кроме того, диагностическое обеспечение позволяет получать высо­кие значения достоверности правильно­го функционирования объектов. Пре­дотвращение производственного брака достигается правильной организацией ди­агностирования на операциях входного контроля комплектующих изделий и ма­териалов и контроля технологических процессов изготовления объектов, вклю­чая выходной контроль последних.

Любой технический объект после проектирования проходит две основные стадии "жизни" - изготовление и эксплу­атацию. Применительно к задачам, решае­мым технической диагностикой, на ста­дии изготовления целесообразно выде­лять периоды приемки комплектующих изделий и материалов, процесса произ­водства, наладки и сдачи объекта ОТК или представителю заказчика. Для ста­дии эксплуатации типичными являются этапы применения объекта по назначе­нию, профилактики (плановой, перед и после применения по назначению), ре­монта, транспортирования и хранения объекта.

Требования, которым должен удов­летворять изготовленный (новый) или эксплуатируемый объект, определяются соответствующей нормативно-техничес­кой документацией. Объект, удовлетво­ряющий всем требованиям нормативно-технической документации, является ис­правным или, говорят, что он находится в исправном техническом состоянии. Убеждаться в исправности объекта необ­ходимо после его изготовления и после ремонта.

Для условий эксплуатации практичес­ки важным является понятие работоспо­собного технического состояния объекта. Объект работоспособен, если он может выполнять все заданные ему функции с сохранением значений заданных парамет­ров (признаков) в требуемых пределах. Убеждаться в работоспособности объекта необходимо, например, при его профи­лактике, после транспортирования и хра­нения.

Наконец, для этапа применения по назначению существенным является по­нятие технического состояния правиль­ного функционирования объекта. Правилъно функционирующим является объект, значения параметров (призна­ков) которого в текущий момент реаль­ного времени применения объекта по назначению находятся в требуемых пре­делах (в этот момент времени объект не отказал, т. е. правильно выполняет конкретную заданную функцию).

Неисправное и неработоспособное тех­ническое состояние, а также техническое состояние неправильного функциониро­вания объекта могут быть детализирова­ны путем указания соответствующих де­фектов, нарушающих исправность, рабо­тоспособность или правильность функ­ционирования и относящихся к одной или нескольким составным частям объекта, либо к объекту в целом.

Обнаружение и поиск дефектов яв­ляются процессами определения техни­ческого состояния объекта и объединя­ются общим термином "диагностирова­ние"; диагноз есть результат диагности­рования. Таким образом, задачами диаг­ностирования являются задачи проверки исправности, работоспособности и пра­вильности функционирования объекта, а также задачи поиска дефектов, нару­шающих исправность, работоспособность или правильность функционирования. Строгая постановка этих задач предпо­лагает, во-первых, прямое или косвен­ное задание класса возможных (рас­сматриваемых, заданных, наиболее ве­роятных) дефектов и, во-вторых, на­личие формализованных методов постро­ения алгоритмов диагностирования, реа­лизация которых обеспечивает обнару­жение дефектов из заданного класса с требуемой полнотой или поиск послед­них с требуемой глубиной.

Диагностирование технического сос­тояния любого объекта осуществляется теми или иными средствами диагности­рования. Средства могут быть аппаратур­ными или программными; в качестве средств диагностирования может также выступать человек-оператор, контролер, наладчик. Средства и объект диагности­рования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирова­ния. Различают системы тестового и функционального диагностирования. В системах тестового диагностирования на объект подаются специально организуе­мые тестовые воздействия. В системах функционального диагностирования, ко­торые работают в процессе применения объекта по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается; на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные его алго­ритмом функционирования. В системах обоих видов средства диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта на входные (тестовые или ра­бочие) воздействия и выдают результат диагностирования, т. е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, рабо­тоспособен или неработоспособен, функ­ционирует правильно или неправильно, имеет такой-то дефект или в объекте повреждена такая-то его составная часть и т. п. Системы тестового диагностиро­вания необходимы для проверки исправ­ности и работоспособности, а также поиска дефектов, нарушающих исправ­ность или работоспособность объекта. Системы функционального диагностиро­вания необходимы для проверки пра­вильности функционирования и для по­иска дефектов, нарушающих правильное функционирование объекта.

Система диагностирования в процессе определения технического состояния объекта реализует некоторый алгоритм (тестового или функционального) диаг­ностирования. Алгоритм диагностирова­ния в общем случае состоит из опреде­ленной совокупности так называемых элементарных проверок объекта, а так­же правил, устанавливающих последо­вательность реализации элементарных проверок, и правил анализа результатов последних. Каждая элементарная провер­ка определяется своим тестовым или рабочим воздействием, подаваемым или поступающим на объект, и составом контрольных точек, с которых снимают­ся ответы объекта на это воздействие. Результатом элементарной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Диагноз (оконча­тельное заключение о техническом сос­тоянии объекта) ставится в общем слу­чае по совокупности полученных резуль­татов элементарных проверок.

Любая система диагностирования яв­ляется специфической системой управле­ния или контроля. Специфика заключает­ся в цели управления (контроля), сос­тоящей в определении технического сос­тояния объекта диагностирования. В соответствии с этим при разработке сис­тем диагностирования должны решаться те задачи, которые решаются при разра­ботке любых других систем управления или контроля. Это – изучение объекта, его возможных дефектов и признаков проявления последних, выбор или по­строение математического описания (мо­дели) поведения исправного объекта и его неисправных модификаций, анализ математической модели с целью полу­чения реализуемого системой алгоритма диагностирования, внесение при необхо­димости изменений в структуру и кон­струкцию объекта для обеспечения тре­буемых условий диагностирования, вы­бор или разработка средств диагностиро­вания, рассмотрение и расчет характе­ристик системы диагностирования в це­лом. Для разработки системы диагно­стирования сложных объектов могут потребоваться итерации, сопровождаю­щиеся возвратами с данного этапа раз­работки на предшествующие с соответ­ствующим изменением принятых ранее решений. Существенную роль при этом могут играть вопросы обеспечения конт­ролепригодности объекта, в частности введение дополнительных контрольных точек, управляющих входов, изменение структуры объекта и др.

Уточним понятия "управление", "кон­троль" и "диагностирование" примени­тельно к общей теории управления. Под управлением понимают процесс выра­ботки и осуществления целенаправленных (управляющих) воздействий на объект. Контроль есть процесс сбора и обработки информации с целью опре­деления событий. Если событием явля­ется факт достижения некоторым пара­метром объекта определенного задан­ного значения (уставки), то говорят о контроле параметров. Если фиксируе­мым событием является установление факта пребывания объекта в исправном или неисправном, работоспособном или неработоспособном состоянии, или сос­тоянии правильного или неправильного функционирования, то можно говорить о контроле технического состояния объекта. Более того, понятие контроля технического состояния можно распро­странить также на задачи поиска дефек­тов, если событие определить как факт указания местоположения в объекте того или иного дефекта.

Следовательно, системы тестового диагностирования являются системами управления, поскольку в них реализует­ся выработка и осуществление специаль­но организованных тестовых (т. е. уп­равляющих) воздействий на объект с целью определения технического состоя­ния последнего. Системы функциональ­ного диагностирования являются типич­ными системами контроля (в широком смысле этого слова), не требующими подачи на объект целенаправленных воз­действий. Это важно знать и учитывать разработчику систем диагностирования. Системы как тестового, так и функцио­нального диагностирования пользова­тель, которого не интересует "внутрен­няя кухня" разработчика, может назы­вать системами контроля технического состояния объекта. С изложенной точки зрения, например, системы, получившие название систем неразрушающего конт­роля, являются классом систем тестово­го диагностирования, а виброакустичес­кие системы контроля технического сос­тояния – классом систем функциональ­ного диагностирования.

Бытует также точка зрения, заклю­чающаяся в том, чтобы системы, целью которых является проверка техническо­го состояния объекта (т. е. установление наличия или отсутствия дефектов), назы­вать системами контроля, а системы, ре­шающие задачи поиска дефектов, – сис­темами диагностирования. Методологи­чески такое разделение систем не вы­держивает критики, поскольку теория и методы решения задач обнаружения и задач поиска дефектов принципиально одни и те же.

Задачи изучения физических свойств объектов и их возможных дефектов достаточно специфичны и вряд ли под­даются какому-либо обобщению из-за многообразия и различия отдельных классов объектов. Если предшествую­щего опыта по диагностированию изу­чаемого объекта нет или такой опыт недостаточен, то существенной стано­вится роль технолога-разработчика, ра­ботающего со специалистом-диагностом либо, что еще лучше, являющегося таким специалистом. В результате должен быть определен (например, явно в виде списка или неявно через указание свойств клас­сов) перечень дефектов, подлежащих обнаружению и поиску в условиях произ­водства и эксплуатации объекта, а также определены признаки проявления дефек­тов, включаемых в перечень. При форми­ровании перечня следует учитывать опыт производства и эксплуатации аналогич­ных или таких же объектов, статистичес­кие данные по дефектам и т. п. Другим результатом изучения объекта должно быть установление требуемой или, точ­нее, желательной полноты обнаружения дефектов, а также желательной глубины их поиска, т. е. той "точности" (выра­женной в терминах конструктивных еди­ниц объекта или в терминах групп, не требующих различения дефектов), с ко­торой должны указываться при диагностировании места дефектов.

Формализованной моделью объекта (или процесса) является его описание в аналитической, графической, табличной или другой форме. Для простых объек­тов диагностирования удобно пользоваться так называемыми явными моде­лями, содержащими наряду с описанием исправного объекта описание каждой из его неисправных модификаций. Неявная модель объекта диагностирования пред­полагает наличие только одного описа­ния, например исправного объекта, фор­мализованных моделей дефектов и пра­вил получения по заданному описанию и по моделям дефектов описаний всех неисправных модификаций объекта.

Модели объектов бывают функцио­нальные и структурные. Первые отра­жают только выполняемые объектом (исправным или неисправным) функ­ции, определенные относительно рабо­чих входов и рабочих выходов объек­та, а вторые, кроме того, содержат информацию о внутренней организации объекта, о его структуре. Функциональ­ные модели позволяют решать задачи проверки работоспособности и правиль­ности функционирования объекта. Для проверки исправности (в общем случае) и поиска дефектов с глубиной большей, чем объект в целом, требуются структур­ные модели.

В некоторых случаях применяются модели, в которых используются зави­симости (установленные опытным пу­тем) между техническими состояниями объекта и такими его параметрами, которые не входят в общепринятые функциональные или структурные описа­ния объекта.

Наконец, модели объектов диагности­рования могут быть детерминирован­ными и вероятностными. К вероятност­ному представлению прибегают чаще все­го при невозможности или неумении опи­сать детерминированно поведение объекта.

Модели объектов диагностирования нужны для построения алгоритмов диаг­ностирования формализованными мето­дами. Другим важным назначением моде­лей объектов диагностирования является их применение для формализованного анализа заданных (в том числе построен­ных интуитивно, вручную) алгоритмов диагностирования на полноту обнаруже­нии, на глубину поиска дефектов или на предмет построения диагностических словарей.

Построение алгоритмов диагностирования заключается в выборе такой сово­купности элементарных проверок, по результатам которых в задачах обнару­жения дефектов можно отличить исправ­ное, или работоспособное состояние, или состояние правильного функционирова­ния объекта от его неисправных состоя­ний, а также в задачах поиска дефектов различать неисправные состояния (или группы неисправных состояний).

При построении алгоритмов диагно­стирования по явным моделям объектов элементарные проверки выбирают путем попарного сравнения тех описаний, тех­нические состояния которых требуется различать. В задачах тестового диагности­рования составы контрольных точек объекта часто определены предваритель­но и они одинаковы для всех элементар­ных проверок. В таких случаях выби­рают только входные воздействия эле­ментарных проверок – это задачи по­строения тестов. В задачах функциональ­ного диагностирования, наоборот, вход­ные воздействия элементарных проверок определены заранее рабочим алгоритмом функционирования объекта и выбору подлежат только составы контрольных точек.

Формализованные методы построения тестов нашли широкое применение для дискретных объектов и редко приме­няются для аналоговых объектов. По­следнее объясняется тем, что для анало­говых объектов не является естествен­ным ни выделение значительного числа различных входных воздействий, ни, главное, определение значений ответов на эти воздействия исправного объекта и его неисправных модификаций.

Существующие машинные системы построения тестов для дискретных объектов электронной техники работают с неявными моделями и ограничиваются обычно проверяющими тестами для обнаружения дефектов, моделью которых являются одиночные константные неис­правности на выводах компонент объек­та. Для дискретных объектов даже средней сложности вычислительные труд­ности вынуждают отказываться от по­строения тестов поиска дефектов с за­данной глубиной. Для дискретных объек­тов высокой сложности имеющиеся ма­шинные системы не позволяют получить даже проверяющие тесты с приемле­мыми затратами времени и памяти. Для эффективной организации диагнос­тического обеспечения таких объектов требуется повышение их контролепри­годности и применение высокоорганизо­ванных аппаратурных и программных внешних средств тестового диагности­рования. Наряду с этим необходима разработка проблемно-ориентированных машинных систем проектирования диаг­ностического обеспечения, обладающих высокими быстродействием и больши­ми объемами памяти.

Построение алгоритмов функциональ­ного диагностирования состоит в опре­делении условий работы средств, реали­зующих эти алгоритмы. Средства функ­ционального диагностирования, как пра­вило, являются встроенными в объект диагностирования и часто называются средствами встроенного контроля. Обыч­но стремятся к тому, чтобы при нормаль­ном функционировании объекта в усло­виях применения его по назначению сред­ства встроенного контроля на своих выходах выдавали известные постоянные значения сигналов и меняли эти значения при нарушении правильности функциони­рования объекта. На этом принципе строятся схемы встроенного контроля дискретных объектов (схемы сравнения, схемы контроля по модулю и др.). Эту же идею применяют при построении средств встроенного контроля методом избыточных переменных для аналого­вых объектов. При организации про­верки правильности функционирования или поиска дефектов, нарушающих пра­вильное функционирование аналоговых объектов, на основе допускового спо­соба контроля параметров задача по­строения алгоритмов диагностирования сводится к выбору составов контроль­ных точек.

Эффективность процессов диагности­рования, оцениваемая, например, време­нем диагностирования или затратами аппаратуры на хранение и реализацию алгоритмов диагностирования, в неко­торых случаях существенно зависит от качества последних.

Оптимизация алгоритмов диагности­рования возможна тогда, когда число элементарных проверок, достаточных для решения конкретной задачи диагно­стирования, меньше числа всех допусти­мых (т. е. физически возможных и реа­лизуемых) элементарных проверок дан­ного объекта. Для разных элементарных проверок могут требоваться разные за­траты на их реализацию; эти проверки могут давать разную информацию о тех­ническом состоянии объекта. Кроме того, одни и те же элементарные про­верки могут быть реализованы в раз­личной последовательности.

Поэтому для решения одной и той же задачи диагностирования (например, про­верки исправности) можно построить несколько алгоритмов, различающихся либо составом элементарных проверок, либо последовательностью их реализа­ции, либо, наконец, тем и другим вместе и поэтому, возможно, требующих раз­ных затрат на их реализацию.

Необходимость увеличения произво­дительности труда на операциях диагно­стирования, сокращения времени обна­ружения, поиска и устранения неисправ­ностей, уменьшения объемов и слож­ности средств диагностирования вызы­вает интерес к разработке методов по­строения оптимальных алгоритмов, тре­бующих минимальных затрат на их реализацию. Построение оптимальных алгоритмов во многих случаях сопря­жено с трудностями вычислений и по­этому зачастую удовлетворяются опти­мизированными алгоритмами диагностирования, затраты на реализацию кото­рых как-то уменьшены, но не обяза­тельно минимальны.

Задачи построения оптимальных ал­горитмов диагностирования при невы­сокой размерности могут успешно ре­шаться методами обработки таблиц по­крытий (для безусловных алгоритмов) и методами теории вопросников (для условных алгоритмов).

Эффективность процессов диагности­рования определяется не только качест­вом алгоритмов диагностирования, но и вне меньшей степени качеством средств диагностирования. Последние могут быть аппаратурными или програм­мными, внешними или встроенными, ручными, автоматизированными или ав­томатическими, специализированными или универсальными.

Наличие объективных статистических данных о вероятностях возникновения дефектов, а также о средних затратах на обнаружение, поиск и устранение де­фектов расширяет возможности эффек­тивной организации процессов диагно­стирования. Для сбора таких данных необходимо применять надежно рабо­тающие внешние и встроенные средства диагностирования, обеспечивающие по­лучение объективной и полной инфор­мации.

Выбор или разработка средств тесто­вого диагностирования должны осущест­вляться с учетом многих факторов: наличия серийного выпуска требуемых средств, наличия подходящих средств на заводе-изготовителе объекта, массо­вости выпуска объекта и его сложнос­ти, требуемой производительности средств и т. п.

Средства функционального диагности­рования являются, как правило, встроен­ными и поэтому разрабатываются и соз­даются одновременно с объектом.

"Традиционные" подходы к организа­ции диагностического обеспечения не могут быть успешно применены для объектов высокой сложности, в том числе для объектов вычислительной техники, построенных на элементах высо­кого уровня интеграции. Для таких объектов существенно важными стано­вятся проблемы повышения их контро­лепригодности.

Уровень контролепригодности объек­тов определяет степень эффективности решения задач тестового диагностиро­вания их технического состояния, влия­ет на производительность процесса их производства и качество выпускаемых изделий, а при эксплуатации уровень контролепригодности объектов опреде­ляет их коэффициенты готовности и за­траты, связанные с ремонтом. Но требо­вание обеспечения высокой контроле­пригодности усложняет проектирование объектов, может привести к неэконо­мичной реализации последних или к не­обходимости больших дополнительных, связанных только с диагностированием аппаратурных затрат. Дополнительная аппаратура снижает некоторые показа­тели надежности объектов в целом и тоже должна диагностироваться. Это все – плата за контролепригодности. Нужны разнообразные подходы, мето­ды и средства повышения контроле­пригодности объектов до различного уровня, с тем чтобы выбрать приемле­мый вариант в каждом конкретном случае.

Контролепригодности обеспечивается в результате преобразования структуры проверяемого объекта к виду, удобному для диагностирования. Для этого в объект еще на этапе его проектирования вводят дополнительную аппаратуру – встроенные средства тестового диагно­стирования.

К встроенным средствам тестового диагностирования можно отнести допол­нительные контрольные точки, дополни­тельные входы для блокирования сигна­лов и задания требуемых значений сиг­налов, а также специальную аппаратуру, которая при диагностировании изменяет структуру объекта, оставляя ее исходной в режиме эксплуатации, генерирует тесты и анализирует результаты их реализации.

Из-за отсутствия регулярных и эконо­мичных методов повышения контроле­пригодности объектов на практике широ­ко используются неформальные реко­мендации, облегчающие диагностирова­ние объектов.

Оценивая область, охватываемую тех­нической диагностикой, рассмотрим три типа задач определения технического сос­тояния объектов.

К первому типу относятся задачи оп­ределения технического состояния, в ко­тором находится объект в настоящий момент времени Это – задачи диагности­рования. Задачи второго типа – предска­зание технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это – задачи прогнози­рования. К третьему типу относятся задачи определения технического состоя­ния, в котором находился объект в неко­торый момент времени в прошлом. По аналогии можно говорить, что это задачи генеза.

Задачи первого типа формально сле­дует отнести к технической диагностике, а второго типа – к технической прогно­стике (к техническому прогнозирова­нию). Тогда отрасль знания, которая должна заниматься решением задач третьего типа, естественно назвать техни­ческой генетикой.

Задачи технической генетики возни­кают, например, в связи с расследова­нием аварий и их причин, когда техничес­кое состояние объекта в рассматривае­мое время отличается от состояния, в котором он был в прошлом, в резуль­тате появлении первопричины, вызвав­шей аварию. Эти задачи решаются путем определения возможных или вероятных предысторий, ведущих в настоящее сос­тояние объекта. К задачам технической прогностики относятся, например, зада­чи, связанные с определением срока службы объекта или с назначением пе­риодичности его профилактических про­верок и ремонтов. Эти задачи решаются путем определения возможных или ве­роятных эволюций состояния объекта, начинающихся в настоящий момент вре­мени.

Решение задач прогнозирования весь­ма важно, в частности, для организации технического обслуживания объекте по состоянию (вместо обслуживания по срокам или по ресурсу). Непосредствен­ное перенесение методов решения задач диагностирования на задачи прогнозиро­вания невозможно из-за различия моде­лей, с которыми приходится работать: при диагностировании моделью обычно является описание объекта, в то время как при прогнозировании необходима модель процесса эволюции технических характеристик объекта во времени. В результате диагностирования каждый раз определяется не более чем одна "точка" указанного процесса эволюции для теку­щего момента (интервала) времени. Тем не менее хорошо организованное диагностическое обеспечение объекта с хранением всех предшествующих резуль­татов диагностирования может дать по­лезную и объективную информацию, представляющую собой предысторию (динамику) развития процесса измене­ния технических характеристик объекта в прошлом, что может быть использова­но для систематической коррекции прог­ноза и повышения его достоверности.

Периоды времени, к которым отно­сится информация о техническом состоя­нии (фактическом – в прошлом и на­стоящем и предсказываемом – в буду­щем) объектов диагностирования или прогнозирования, обозначим следующим образом: t₀ – настоящий момент или период времени; Т₁ - прошлый период времени; Т₂ – будущий период вре­мени.

Отдельные экземпляры объектов диагностирования или прогнозирования обозначим символом s_j ; s₀ – один кон­кретный исследуемый экземпляр объекта; S₁ группа из k экземпляров объек­та, подвергающихся исследованию для получения априорной информации о их техническом состоянии; S₂ – группа из m экземпляров объекта, техническое состояние которых (настоящее или буду­щее) определяется по полученной апри­орной информации о техническом сос­тоянии экземпляра s₀ или группы S₁ экземпляров.

Априорная информация, требуемая для постановки диагноза или прогноза, представляет собой те или иные данные о техническом состоянии одного s₀ или группы S₁ экземпляров объекта. Эти данные получаются либо в результате однократного в момент времени t₀ , либо многократного в течение периода времени T₁ диагностирования конкрет­ных экземпляров объекта. Обозначив данные о техническом состоянии сим­волом е, выделим четыре объема полу­чаемой априорной информации:

Первая ситуация соответствует полу­чению наибольшего, а четвертая – наи­меньшего объема априорной информа­ции. Вторая и третья ситуации занимают промежуточное положение по объему информации, но между собой эти ситуа­ции несопоставимы.

Аналогично можно выделить четыре вида обработки априорной информации с целью определения:

е(S₂ , Т₂) – технического состояния группы S₂ экземпляров объекта в буду­щий период времени Т₂;

e(s₀ , T₂) - технического состояния одного экземпляра s₀ объекта в буду­щий период времени Т₂;

е(S₂ , t₀) – технического состояния группы S₂ экземпляров объекта в на­стоящий период времени t₀;

e(s₀ , t₀) - технического состояния одного экземпляра s₀ объекта в настоя­щий период времени t₀

Таблица 1 - Классификации задач прогнозирования и диагностирования

Обозначение: ГП - групповое прогнози­рование; ИП - индивидуальное прогнозирова­ние; ВК - выборочный контроль; КД - "клас­сическое" диагностирование.

В период эксплуатации весьма важ­ным является индивидуальное прогнози­рование технического состояния каждо­го конкретного экземпляра объекта, ко­торое позволяет обслуживать объекты по их состоянию. При индивидуальном прогнозировании априорная информация должна быть индивидуальной для каж­дого экземпляра объекта. Если эту ин­формацию получать в процессе эксплуа­тации, то она будет учитывать не только конкретные условия применения дан­ного экземпляра объекта по назначению, условия его обслуживания, хранения и транспортирования, но также специфи­ческие особенности экземпляра, завися­щие, в частности, от конкретных условий изготовления объекта и его составных частей.

Теоретически задача прогнозирования (в том числе индивидуального) ставится следующим образом. На техническое состояние _ объекта влияют факторы (вектор X на рис. 1), определяющие необратимые процессы деградации физи­ко-химических свойств аппаратуры объекта (старение, износ и др.), а также случайные внешние и внутренние помехи (вектор У). Для измерения выбрана совокупность {ξ_l , l =1,2… , n} парамет­ров объекта (вектор ξ), относительно которых предполагается, что они сущест­венно зависят от X и позволяют (при определенных средствах прогнозирова­ния, реализующих алгоритм прогнозиро­вания) предсказать будущее техническое состояние е объекта. Эти параметры на­зывают прогнозирующими. На значения прогнозирующих параметров в общем случае накладываются помехи Y. При измерении параметров возможны по­грешности измерения (вектор Z), вслед­ствие чего вместо вектора ξ истинных значений получается вектор ξ* ≠ ξ. На результаты прогнозирования, возможно, влияют погрешности прогнозирования (вектор W). Таким образом, будущее техническое состояние е объекта зависит

Рисунок 1 – Однолинейная схема системы прогно­зирования, содержащая экземляр s_j объекта, средства измерения СИ и средства прогнози­рования СП

ОТ нескольких случайных векторных ар­гументов:

e= f (X,Y,Z,W). (1)

Зависимость (1) является, по сущест­ву, моделью процесса прогнозирования. Вероятностный характер этой модели определяется тем, что аргументы X, Y, Z и W являются существенно случайны­ми функциями. Получить зависимость (1) в явной аналитической форме для сколько-нибудь сложных объектов прак­тически невозможно. В связи с этим используют различные приемы упроще­ния как самой модели, так и процедур ее обработки. К этим приемам относится расчленение общей задачи прогнозирова­ния на две самостоятельные задачи – за­дачу измерения прогнозирующих пара­метров, когда работают с моделью вида

и задачу получения прогноза (результа­та прогнозирования) по модели вида

Однако и при таком расчленении труд­ности разработки практически эффектив­ных методов прогнозирования для слож­ных объектов остаются значительными.

Наиболее простой была бы явная ана­литическая модель вида

e = f_x (X). (4)

в которой отсутствует зависимость буду­щего технического состояния от случай­ных помех и погрешностей. Стремясь к "идеальной" модели (4), применяют раз­личные способы математической обра­ботки моделей вида (2) и (3) с целью уменьшения зависимости окончательных результатов измерения прогнозирующих параметров и прогноза от случайных функций Y, Z и W. Эти способы заклю­чаются главным образом в сглаживании случайных процессов применением операторов сглаживания, таких, как опера­торы математического ожидания, теку­щего среднего, экспоненциального сгла­живания, и некоторых других. Для при­менения операторов сглаживания необхо­димо знать характеристики сглаживае­мых случайных процессов, например вероятности появления величин Y, Z и W, интервалов сглаживания и др., что сопряжено с необходимостью получения и обработки больших объемов априор­ной информации, что практически далеко не всегда возможно.

Аналитическое представление модели (3) затруднено даже в том случае, когда известны значения прогнозирующих па­раметров ξ* в прошлые периоды време­ни t_i ? T₁, заданы диапазоны их допусти­мых значений и можно пренебречь по­грешностями W. Задача выбора описания процесса изменения во времени рабочей точки (конца вектора ξ*) в области допустимых значений прогнозирующих параметров, т. е. выбора модели процес­са эволюции технического состояния объекта прогнозирования, остается всег­да. Относительно просто прогноз может быть получен градиентным или оператор­ным методами, когда процесс эволюции может быть описан линейной или так называемой центральной детерминиро­ванной моделью, что, однако, не всегда допустимо в реальных практических ситуациях.

Задача достоверного и устойчивого измерения значений прогнозирующих (как и любых других) параметров, т. е. выбора и обработки модели (2), являет­ся типичной для теории и практики из­мерения. Специфическими для техни­ческого прогнозирования являются зада­чи построения и обработки модели (3) с целью получения прогноза, а также задачи выбора прогнозирующих парамет­ров. Для решения задачи выбора сово­купностей прогнозирующих параметров не существует формализованных мето­дов. Даже для простых объектов прогно­зирующие параметры выбираются интуи­тивно на основе знания функциональных, структурных, физико-химических и других свойств конкретных объектов с учетом условий эксплуатации и т. п.

Выбор и измерение прогнозирующих параметров не являются необходимыми, так как при прогнозировании в конеч­ном итоге интересует только зависимость (4), где X представляет факторы, опре­деляющие необратимые изменения в объекте прогнозирования. Однако уста­новить функциональную связь в явном виде между техническим состоянием е и факторами X в общем случае не пред­ставляется возможным. Более того, из­мерение значений вектора X весьма за­труднено, если вообще возможно. Поэ­тому связь (4) устанавливают опосредо­ванно через зависимость (2) путем из­мерения прогнозирующих параметров, относительно которых предполагается, что их значения изменяются во времени из-за воздействия факторов X, и затем через зависимость (3), экстраполируя значения прогнозирующих параметров на будущие периоды времени.

Таким образом, практическая реали­зация теоретически строгих постановок задач прогнозирования технического сос­тояния сложных объектов встречается с трудностями и ограничениями. Этим, по-видимому, объясняется слабое и мед­ленное внедрение методов и средств прогнозирования в практику.

Априорные данные о технических ха­рактеристиках объекта можно получать от средств функционального и тестового диагностирования. Тем самым при доста­точно "хороших" средствах функцио­нального и тестового диагностирования и при условии организации накопления и обработки выдаваемой ими информа­ции имеется возможность в любой пе­риод времени жизненного цикла кон­кретного экземпляра объекта иметь не только абсолютные фактические значе­ния интенсивностей отказов и прогнози­рующих параметров, но также динамику их изменения, например, в виде кривых.

При наличии таких кривых можно эмпирически выбрать критерий годности и назначить его предельное значение, по достижении которого дальнейшее исполь­зование данного экземпляра объекта ли­бо невозможно (опасно) , либо не оправ­дано по технико-экономическим сообра­жениям. Удачный выбор критерия год­ности позволяет использовать его значе­ния также для управления периодич­ностью тестового диагностирования (т. е. профилактики и ремонта) объекта. Это и будет реализацией индивидуального прогнозирования технического состоя­ния объекта и тем самым обслуживания его по состоянию.

Простейшими критериями годности могут быть, например, абсолютные значе­ния или скорости изменения абсолютных значений интенсивностей отказов, или некоторых (прогнозирующих) парамет­ров.

Конечно, наиболее трудными являют­ся вопросы обоснованного назначения предельного значения критерия годности, а также выбора прогнозирующих пара­метров. Теоретически обоснованные от­веты на эти вопросы удается получить далеко не всегда и только для очень простых объектов. В большинстве слу­чаев, однако, могут оказаться приемле­мыми методы экспертных оценок.

В проблеме надежности можно выде­лить аспекты, определяемые принципами, методами и средствами обеспечения и поддержания тех или иных показателей надежности.

Целью мероприятий, выполняемых в рамках физического аспекта надежности, является создание таких объектов, кото­рые как можно меньше подвержены появлению в них дефектов как при производстве, так и при их эксплуатации. Однако избежать возникновения дефек­тов в более или менее сложных объектах, особенно при длительной их эксплуата­ции, нельзя.

1. Причины эксплуатационных повреждений труб поверхностей нагрева.

2. Эксплуатационные разрушения пароперегревателей под действием двойного перегрева.

3. О признаке эксплуатационного разрушения «ширина раскрытия» при длительном перегреве

Подробное описание темы приведено в монографии [1].

1) Причины эксплуатационных повреждений труб поверхностей нагрева. Основной причиной (80–85 %) вынужденных остановов котлов тепловых электростанций (ТЭС) является повреждение поверхностей нагрева в процессе эксплуатации [1], обобщение опыта и совершенствование технической диагностики эксплуатационных повреждений поверхностей нагрева имеет первостепенное значение для надежной эксплуатации паровых котлов и, соответственно, ТЭС в целом.

Причины эксплуатационных повреждений труб поверхностей нагрева многообразны. Это, прежде всего, отклонение от требований технических условий ТУ 14–3Р–55–2001 по химическому составу, механическим свойствам и микроструктуре металла труб. Причиной эксплуатационный повреждений может быть дефекты прокатного производства, в частности, риски. Причиной эксплуатационных повреждений часто является коррозионный и абразивный износ наружной поверхности под действием топочных газов и других продуктов сгорания твердого топлива. Пароводяная смесь, влажный или перегретый пар, движущийся внутри труб поверхностей нагрева, вызывает коррозию внутренней поверхности, что особенно характерно для экранных труб. Кроме того, по крайней мере, четверть всех повреждений труб поверхностей нагрева вызвана перегревом металла в процессе эксплуатации выше допустимых температур [1].

Перегрев как причина повреждения труб поверхностей нагрева в процессе эксплуатации подробно описан не только журнальных статьях, но и в монографиях [1]. Судя по этим публикациям, различают перегрев длительный и кратковременный, причем, каждому из них соответствуют свои признаки, по которым их и идентифицируют. При этом, рассматривая эксплуатационные повреждения труб поверхностей нагрева из–за перегрева, авторы ряда работ объясняют эти повреждения или только длительным, или только кратковременным перегревом. Однако, как свидетельствует многолетний опыт работы автора работы [1] по контролю и диагностике поверхностей нагрева на ТЭС Павлодаро-Экибастузского топливно-энергетического региона, в ряде случаев однозначно объяснить эксплуатационное повреждение труб или только длительным, или только кратковременным перегревом не представляется возможным.

2) Эксплуатационные разрушения пароперегревателей под действием двойного перегрева. Расчётная температура стенки труб пароперегревателей выбирается так, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию пароперегревателей в течение расчётного срока службы. Однако на практике часто имеют место отклонения температурного режима работы труб, что связано с отложениями солей и нарушением циркуляции рабочей среды в трубах, нарушением топочного режима, особенностями конструкции котла и пароперегревателей и другими причинами. Кроме того, неблагоприятное влияние на тепловой режим пароперегревательных труб в процессе эксплуатации может быть тепловая развертка, а также отклонение диаметра и толщины стенки труб пароперегревателей от номинальных значений. Все эти причины приводят к тому, что пароперегреватели работают при более высоких температурах, чем расчётные, т.е. к перегреву.

Предельно допустимая температура эксплуатации стали 12Х1МФ, из которой чаще всего изготовлены пароперегревательные трубы, 585 ^оС. Номинальная температура эксплуатации пароперегревателей из сталей 12Х1МФ в зависимости от типа пароперегревателей и типа котлов находится в пределах 470–575 ^оС. По величине температурного воздействия и продолжительности этого воздействия на пароперегревательные трубы различают перегрев длительный и кратковременный. Продолжительность длительного перегрева составляет от нескольких часов до нескольких тысяч часов. Температура длительного перегрева близка или несколько превышает предельно допустимую температуру эксплуатации, при кратковременном перегреве температура металла трубы может составлять 700–900 ^оС. Разрушение пароперегревательных труб в результате кратковременного перегрева названо также разрывом в результате утонения при динамическом возврате или рекристаллизации.

Независимо от вида перегрева (длительного или кратковременного), разрушение представляет собой продольное раскрытие трубы. Однако имеются характерные признаки, которые позволяют идентифицировать вид перегрева. Наиболее характерные признаки длительного перегрева–толстая окалина; небольшая ширина раскрытие трубы; малое утонение кромок раскрытия; сопутствующие трещины, параллельные основной трещине; наличие в металле сфероидизации второй составляющей микроструктуры и микропор ползучести в зоне перегрева и, прежде всего, в непосредственной близости от раскрытия.

Перечисленные выше признаки перегревов по методу их обнаружения можно условно подразделить на признаки, обнаруживаемые металлографическим контролем, и признаки, обнаруживаемые визуально–измерительным контролем. Обращает на себя внимание, что признаки, обнаруживаемые металлографическим контролем, имеют количественные характеристики, тогда как признаки, обнаруживаемые визуально–измерительным контролем, имеют только качественные описания.

Остановимся более подробно на признаках перегрева, обнаруживаемых средствами оптической металлографии. Сфероидизация, т.е. трансформация, распад второй составляющей микроструктуры может быть количественно оценена баллами шкалы сфероидизации перлита по шкале отраслевого стандарта или баллами распада сорбита по шкале, приведенной в методических указаниях по определению остаточного ресурса пароперегревателей. Аналогичным же образом можно количественно охарактеризовать поражение металла микропорами – для этого существует шкала микроповреждаемости, состоящая из семи баллов.

Металлографические признаки кратковременного перегрева–структура мартенситного типа или ярко выраженная текстура зерен металла по кромке раскрытия трубы совершенно однозначны, легко узнаваемы металловедами при металлографическом исследовании металла и поэтому не могут иметь какую–либо иную трактовку.

Вместе с тем, следует отметить, металлографический контроль металла разрушенной трубы можно выполнить только в стационарных, т.е. лабораторных условиях. Для его проведения требуется специальное оборудование–шлифовальные и полировальные станки для подготовке металлографических шлифов и металлографический микроскоп, трудоемкие методы исследования и квалифицированные специалисты–металловеды с опытом работы. Эти условия имеются далеко не на всех ТЭС. Указанное оборудование и специалисты часто отсутствуют и в специализированных организациях, занимающихся ремонтом, контролем и диагностикой теплоэнергетического оборудования.

В этом отношении работникам ТЭС и специализированных организаций более доступен визуально–измерительный метод контроля, который не требует лабораторных условий для проведения исследований, трудоемкой подготовки металлографических шлифов и применения металлографических микроскопов.

Является очевидным, что, по аналогии с металлографическим контролем, визуально–измерительный контроль может дать объективную информацию к установлению причин разрушения пароперегревателей только в том случае, если имеются четкие, однозначные, т.е. количественные признаки перегрева.

Однако, по мнению автора [1], в настоящее время некоторую однозначность и четкость имеет только один визуально определяемый признак кратковременного перегрева, который имеет полуколичественное описание – речь идет об очень тонкой кромки продольного раскрытия пароперегревательной трубы. Такая толщина кромки раскрытия названа «лезвийной», о которой в литературе сказано: "…значительное утонение стенки трубы в месте разрыва, иногда до толщины лезвия". Но даже этот полуколичественный термин позволяет практическим работникам безошибочно отличать толстую кромку раскрытия от тонкой (лезвийной), т.е. исключить вероятность субъективной оценки этого признака исследователем, занимающимся установлением причин эксплуатационного разрушения пароперегревателя.

Другие же признаки длительного и кратковременного перегревов, обнаруживаемые визуально–измерительным контролем, в настоящее время имеют только качественные, но не количественные или полуколичественные, описание. В технической литературе используются термины "толстая окалина", "тонкая окалина" или "почти полное отсутствие окалины", "широкое раскрытие", "неширокое раскрытие".

Качественные же описания толщины окалины и ширины раскрытия трубы субъективны–один и тот же признак может быть по–разному истолкован разными исполнителями. Поэтому, руководствуясь только результатами визуально–измерительного контроля, можно неверно определить вид перегрева. Знание же вида перегрева необходимо для того, чтобы правильно откорректировать режим работы котла, не допуская тем самым подобных повреждений в процессе дальнейшей эксплуатации, т.к. замена поврежденных элементов ведет не только к внеплановым остановам оборудования, но и к значительным финансовым затратам на проведение ремонтных работ.

Чтобы исключить возможные ошибки при интерпретации определяемых визуально–измерительным контролем признаков перегрева, целесообразно было бы от качественных характеристик перейти к количественным. Толщину окалины целесообразно было бы характеризовать линейными размерами, а ширину раскрытия соотнести, например, с номинальным диаметром разрушившейся трубы.

Ученым и практикам теплоэнергетической отрасли еще предстоит провести систематизацию и уточнение признаков длительного и кратковременного перегревов.

3) О признаке эксплуатационного разрушения «ширина раскрытия» при длительном перегреве. Не останавливаясь в данном пункте на толщине окалины, рассмотрим более подробно признак перегрева – ширину раскрытия – на конкретном примере. В июле 2008 года произошло аварийное разрушение трубы пароперегревателя (ширма № 12, петля № 5) котла БКЗ 420–140 одной из павлодарских ТЭС. Номинальный размер трубы – диаметр 32 мм, толщина стенки 5,5 мм, материал–сталь 12Х1МФ, наработка 85 тысяч часов. Проведенными в Лаборатории металлов и сварки АО «ЕЭК» исследованиями установлено, что химический состав, механические свойства и технологическая проба на сплющивание неразрушенного (здорового) участка трубы соответствуют требованиям ТУ 14–3Р–55–2001 для стали 12Х1МФ. Установлено также, что на внутренней и наружной поверхности здоровых участков трубы отсутствуют металлургические дефекты типа глубоких рисок, которые, как концентраторы напряжений, могли бы стать причиной аварийного разрушения трубы.

Повреждение расположено на фронтальной по ходу топочного газа стороне трубы и представляет собой продольное раскрытие, ширина которого 98 мм, длина 120 мм (рисунок 2.1).

Обратим внимание, что ширина раскрытия в три раза больше номинального диаметра трубы. Столь значительная ширина раскрытия позволяет по этому признаку однозначно идентифицировать перегрев как кратковременный.

Толщина кромки раскрытия составляет 3,2 мм, толщина окалины – до 0,6 мм. По этим показателям, установленным визуально–измерительным контролем, правомерно полагать, что разрушение трубы произошло в результате длительного перегрева.

Таким образом, результаты визуально–измерительного контроля приводят к прямо противоположным выводам. Отсюда следует, что установить вид перегрева (длительный или кратковременный) только по результатам визуально–измерительным контроля не всегда возможно. Поэтому в работе [1] дополнительно проведены металлографические исследования–установлена микроструктура металла вдали от раскрытия и непосредственно по кромке раскрытия (рисунок 2.2).

Согласно ТУ 14–3Р–55–2001 в исходном состоянии микроструктура металла труб из стали 12Х1МФ должна состоять из феррита и сорбита. По мере эксплуатации стали в условиях ползучести происходит диффузионный распад сорбита, в результате чего со временем исходная феррито–сорбитная микроструктура превращается в феррито–карбидную с образованием микропор ползучести. Перегрев металла трубы ускоряет диффузионные процессы, поэтому появление в металле феррито–карбидной микроструктуры и микропор ползучести при сравнительно небольшой наработке есть признак длительного перегрева.

В рассматриваемом случае микроструктура металла по кромке раскрытия состоит из феррита и карбидов, в металле присутствуют также микропоры (рисунок 2.2, б).

Учитывая результаты металлографических исследований в сочетании с результатами визуально–измерительного контроля (толстая окалина и малое утонение кромок раскрытия), можно сделать вывод, что причиной разрушения трубы является длительный перегрев. Однако при длительном перегреве не должно быть широкого раскрытия, которое в действительности имеет место.

Для разрешения этого противоречия нами высказано предположение, что вначале раскрытие трубы было нешироким. Однако после его возникновения за счет реактивной силы струи пара, вырывающейся из образовавшегося раскрытия, трубу стало изгибать в направлении, противоположном направлению струи. Данное предположение возникло в результате внешнего осмотра трубы – на рисунке 2.1, б видно, что труба изогнута примерно на 55^о от горизонтали. Первоначально неширокое раскрытие трубы превратилось в широкое в результате изгиба трубы.

Результаты экспериментальных исследований, приведенные в работе [1], подтвердили это предположение.

Широкое раскрытие реальной пароперегревательной трубы (рисунок 2.1) также имеет ромбовидную форму. Появление микропор ползучести при длительном перегреве сопровождается обязательным образованием несквозных сопутствующих трещин, параллельных основной магистральной трещине и расположенных в непосредственной близости к ней, т. е. первоначальному продольному неширокому раскрытию. Наличие несквозных сопутствующих трещин привело к тому, что в процессе разрушения трубы в виде продольного раскрытия и последующего изгиба часть металла по кромке раскрытия отделилось от трубы – это видно на рисунке 2.1 слева. Тем не менее, является очевидным, что реальное раскрытие трубы имеет ромбовидную форму.

Таким образом, в рассматриваемом случае широкое раскрытие трубы в результате длительного перегрева является вторичным эффектом – оно вызвано изгибом трубы после образования первичного неширокого раскрытия.

Правомерно констатировать, что при сравнительно небольшой наработке трубы сочетание обнаруживаемых при визуально–измерительном контроле двух признаков – широкого раскрытия и изгиба трубы является вполне достаточным основанием утверждать, что причиной разрушения трубы пароперегревателя является длительный перегрев.

В качестве вывода отметим [1], что анализ описанных в технической литературе признаков разрушения пароперегревательных труб под действием перегрева показывает, что эти признаки условно можно разделить на признаки, обнаруживаемые металлографическим контролем, и признаки, обнаруживаемые визуально–измерительным контролем. Первая группа признаков имеет количественные характеристики, тогда как вторая группа признаков имеет преимущественно качественные характеристики. Проведение исследовательских работ по определению количественных характеристик признаков перегрева, обнаруживаемых визуально–измерительным контролем, является актуальной задачей.

Встречающиеся на практике эксплуатационные разрушения пароперегревательных труб в ряде случаев представляют собой более сложные и многообразные сочетания признаков по сравнению с теми разрушениями, которые описаны в технической литературе. В частности, на конкретном примере разрушения трубы ширмового пароперегревателя одного из котлов Павлодарской ТЭЦ–1 доказано, что продольные раскрытия могут иметь признаки как длительного, так и кратковременного перегревов.

По нашему мнению, разрушение труб пароперегревателей под действием одновременно и длительного, и кратковременного перегревов еще не были описаны в литературе, по крайней мере, в литературе, доступной практическим работникам лабораторий металлов ТЭС и специализированных организаций, занимающихся контролем и диагностикой теплоэнергетического оборудования.

Доказано также, что широкое продольное раскрытие пароперегревательных труб может иметь место не только при кратковременном, но и при длительном перегреве. В последнем случае широкое раскрытие является вторичным эффектом, т.е. следствием развития неширокого продольного раскрытия, образовавшегося в начальный период разрушения [1].

Литература: [1, с. 14 – 54]

Мультимедийное сопровождение: [1]