Файл: Смирнов, О. Р. Надежность судовых энергетических установок.pdf

В В Е Д Е Н И Е

Судовая энергетическая установка представляет собой сложный комплекс теп­ ловых двигателей, механизмов, устройств, аппаратов и систем, при помощи которых осуществляются процессы преобразования энергии, заключенной в топливе, в энер­ гию механическую, тепловую и электрическую. Энергия указанных видов необхо­ дима для обеспечения хода судна с заданной скоростью на всех режимах его работы, функционирования судовых систем и устройств, средств управления, навигации и связи, выполнения специальных задач, обусловленных назначением судна, а также для удовлетворения нужд экипажа и пассажиров.

Судовая энергетическая установка включает в себя:

газовыпускную, сжатого воздуха, вентиляции, автоматического управления и кон­

около 10 тыс. т имеет в своем составе 80—90 сложных элементов (двигателей, меха­ низмов, парогенераторов, фильтров, теплообменных аппаратов и др.). На танкерах типа «София» дедвейтом 50 тыс. т с паротурбинной установкой длина трубопроводов достигает 60 км; а общее количество арматуры составляет несколько тысяч единиц. На судах морского и промыслового флота насчитывается до 70 систем различного назначения. На промысловой базе «Восток» длина трубопроводов систем энергети­ ческой установки, общесудовых и специальных систем составляет около 160 км [38].

Отказ любого из указанного множества элементов при некотором стечении обстоя­ тельств может вызвать тяжелые последствия для установки и судна в целом.

Рост энерговооруженности судов, переход к комплексной автоматизации, спе­ циализация в перевозке грузов и появление в связи с этим новых типов судов, воз­ растающие требования к повышению экономичности перевозок наводном транспор­ те — все это приводит к дальнейшему усложнению СЭУ и выдвигает вопросы ее надежности на первый план.

Задачи теории и практики надежности применительно к СЭУ. Наиболее ранние попытки количественно оценить надежность были сделаны в самолетостроении в 30-х годах: надежность измерялась числом отказов, которые могут привести к ава­ рии на 1 ч полета. Были выдвинуты определенные требования [4] относительно интенсивности аварий, которую в настоящее время можно оценить вероятностью безотказной работы Р (t) = 0,99999 для одночасового полета.

7

Другой областью техники, где проблема надежности стояла особенно остро, являлась радиоэлектроника. Это объяснялось - тем, что кроме ущерба, вызываемого отказами, ненадежная аппаратура требует больших затрат на ремонт. Так, в начале 50-х годов в США на ремонт электронной аппаратуры тратилось 2 долл, в год на каж­ дый доллар стоимости [4].

Крупные работы по вопросам надежности проведены в ракетной технике, в автомобильной и авиационной промышленности. Например, в настоящее время выпускаются автомобили с гарантией на пять лет (или 50 000 миль пробега) по сравнению с гарантией 90 дней (или 4000 миль пробега) в 1959 г. Известна также про­ грамма надежности работы систем запуска ракет на мысе Канаверал. Достижения в.этой области позволили за пять лет повысить процент удачных запусков спутни­ ков с 28 до 83% [98].

Отмеченный прогресс в авиационной и космической технике, радиоэлектронике, как и в других областях специальной техники, оказался возможным только благо­ даря обеспечению необходимого уровня надежности. Что же касается судового машиностроения, то здесь вопросы, связанные с надежностью СЭУ, получили свое развитие намного позже. Достаточно сказать, что по этому вопросу до 1962 г. в США была опубликована всего лишь одна статья.

Теория надежности является наукой, изучающей общие закономерности пове­ дения сложных систем, установок и элементов, из которых они состоят, с точки зре­ ния их надежности; она устанавливает методы расчета характеристик надежности, анализирует и устанавливает методы достижения оптимальной надежности в условиях эксплуатации. Математической основой этой науки являются вероятностные дис­ циплины: теория вероятностей, математическая статистика, теория массового обслу­ живания, теория случайных процессов и др.

Советские ученые А. И. Берг, Н. Г. Бруевич, Б. В. Гнеденко, А. М. Половко и многие другие внесли ценный вклад в развитие теории надежности. Отказы эле­ ментов рассматриваются в этих работах в качестве случайных событий. Характери­ стики надежности носят вероятностный характер, а информацию, необходимую для рас­ чета этих характеристик, получают после обработки статистических данных по отка­ зам отдельных элементов, из которых состоит рассчитываемая система или установка. Указанные данные собирают по результатам эксплуатации элементов на режимах, соответствующих работе установки, или получают в итоге специальных испытаний.

Решения в части повышения надежности СЭУ необходимо принимать на основа­ нии результатов комплексного сопоставления с другими мероприятиями по улучше­ нию характеристик СЭУ, в том числе по повышению тепловой экономичности. В ряде случаев мероприятия по повышению надежности могут дать больший экономический

связано с усложнением установки (например, введение еще одной ступени регене­ ративного отбора пара), и следовательно, с некоторым понижением ее надежности, дает такую годовую экономию, которая не может компенсировать убытки, если в результате отказа судно простоит в море трое суток.

При разработке технического задания на проектирование судна выдвигается ряд требований к его энергетической установке. В дальнейшем в ходе эскизного и тех­ нического проектирования путем ряда вариантных проработок эти требования уточ­ няются и включаются в проект как обязательные показатели (критерии), по которым производится оценка установки и сравнение ее с установками действующих судов и другими проектами.

Такими показателями являются тепловая экономичность, масса и габарит уста­ новки, маневренные свойства, строительная стоимость, условия обитаемости и ряд других показателей, которые зависят от типа и назначения судна.

В последнее время в число обязательных критериев оценки СЭУ при их проекти­ ровании включают также показатели надежности. При этом необходимо учитывать, что обеспечение необходимого уровня надежности, т. е. безотказности, долговеч­ ности и ремонтопригодности, является первостепенным требованием, ибо выполне­ ние всех других требований при недостаточной надежности теряет свой смысл.

К задачам теории и практики надежности СЭУ можно отнести:

— разработку основных понятий и определений надежности, учитывающих особенности судовых установок и условия их эксплуатации;

§

— разработку методов сбора информации по отказам СЭУ и обработки этик данных для расчета количественных характеристик надежности отдельных элемен­ тов установок;

—разработку методов ускоренных испытаний на надежность элементов уста­ новок и анализа их результатов;

—определение количественных показателей надежности элементов установок, исследование методов резервирования элементов и схемных решений, направленных на повышение надежности систем и установки в целом;

—разработку методов количественной оценки надежности СЭУ с учетом режи* мов их эксплуатации на стадии проектирования;

— определение оптимальных периодов проведения профилактических работ в процессе эксплуатации установок и обоснование норм запасных частей;

— определение экономически целесообразного уровня надежности установки Сучетом назначения судна и условий его эксплуатации.

Основные задачи надежности СЭУ, которые должны быть решены с использо­ ванием теории надежности, заключаются в определении оптимального, экономи­ чески оправданного уровня надежности с учетом обеспечения безопасности плавания судна и в разработке соответствующих методов расчета применительно к стадиям проектирования, изготовления и эксплуатации СЭУ. Это позволяет достигнуть задан­ ного уровня надежности и поддерживать его в период эксплуатации.

Значение правил классификационных обществ в обеспечении надежности энер­ гетических установок и судов. До появления работ по теории надежности не пред­ ставлялось возможным количественно оценить надежность судов и СЭУ. В этих условиях большое значение имели и имеют в настоящее время Правила Регистра СССР

по классификации и постройке морских судов [69], а также Правила других класси­ фикационных обществ по обеспечению безопасности плавания, охране человеческой жизни на море и надежной перевозке грузов, которые обобщают большой практи­ ческий опыт эксплуатации судов.

Создание классификационных обществ сыграло большую роль в повышении надежности СЭУ. В частях Правил по механическим установкам, системам и трубо­ проводам, котлам и теплообменным аппаратам, электрическому оборудованию и др. приведены требования к установкам в целом, их размещению в машинно-котельных отделениях, маневренным показателям и т. д. Даны формулы для расчета на проч­ ность ряда ответственных деталей установок (промежуточных, гребных и упорных валов), толщин стенок трубопроводов и сосудов, находящихся под давлением, и т. п.

Необходимо указать, что Правила Регистра СССР во многом направлены на повы­ шение живучести судов и установок. Однако целый ряд Правил Регистра СССР

(например, требования к резервированию механизмов, комплектации установки за­ пасными частями) непосредственно направлен на повышение безотказности и ремонто­ пригодности, т. е. надежности.

Быстрый технический прогресс в области судовых энергетических установок не позволяет в настоящее время ограничиться при решении вопросов надежности СЭУ только выполнением требований и норм Регистра, которые не содержат методов коли­ чественной оценки надежности СЭУ. Кроме того, анализ о современном уровне надежности морских транспортных судов и СЭУ, полученных по материалам соответ­ ствующих классификационных обществ, указывает на необходимость его повышения.

Приведем некоторые официальные материалы. По данным Ливерпульской ассо­ циации страхования, с 1964 г. по 1968 г. включительно в мировом транспортном флоте произошло 44 044 аварий и кораблекрушений и погибло 750 крупнотоннажных судов. Только в 1968 г. вследствие недостаточной надежности валопроводов, греб­ ных винтов и других элементов СЭУ произошло 1995 серьезных аварий.

По данным Бюро судоходства США, в течение десяти лет ремонтировались или заменялись гребные валы 22% транспортных судов. Как показано в работе [54], среднее время безотказной работы электрооборудования транспортного судна состав­ ляет всего лишь 40—60 ч.

По данным работы [22], в морском транспортном флоте весьма значительна интенсивность отказов малооборотных дизелей различных типов с прямой передачей, которые принято считать наиболее надежными главными двигателями. Например, число отказов основных узлов двигателя типа МАН по одному судну за 1000 ч работы достигает десяти. Что же касается судов с двигателями типа ФИАТ, то число отказов по одному судну за то же время доходит до двадцати, т. е. в среднем через каждые

9

50 ч происходит один отказ главного двигателя. В число этих отказов входят такие, которые вызывают необходимость остановки судна в море (три отказа за 1000 ч), например нагрев выше допустимого и выплавление рамовых и мотылевых подшип­ ников, задиры рабочих втулок, отказы топливных насосов и др.

По эксплуатационным данным, на 12 судах типа «Архангельск» (Сухогрузные дизельные суда с малооборотными главными двигателями типа Зульцер мощностью 4600 кВт) за восемь лет эксплуатации произошло 728 отказов различных элементов установки, причем 113 раз эти отказы были причиной вынужденных остановок судна в море, т. е. подвергалась угрозе безопасность плавания [73]. Таким образом, в сред­ нем на одну установку этих судов приходится восемь отказов в год, причем один из них может привести к тяжелым последствиям.

Отказы установок приводят к большим материальным затратам и снижению эко­ номической эффективности судов. Только расходы на ремонт и техническое обслужи­ вание составляют около 50% суммарного объема вложений в строительство новых судов. Кроме того, следует учитывать и моральную сторону проблемы надежности: ненадежная работа СЭУ может служить причиной неудобств для пассажиров или нарушения нормальных условий перевозки грузов. Наконец, для некоторых новых типов СЭУ (например, атомных установок) вообще недопустимы отказы многих эле­ ментов — аварии в таких установках могут быть опасными не только для команды и пассажиров, но и для целых районов и акваторий.

Вышеизложенное еще раз свидетельствует о том, что только качественная оценка надежности СЭУ, которой ограничивались в недалеком прошлом, сейчас уже явно недостаточна. Необходима количественная оценка надежности как отдельных эле­ ментов, так и установки в целом. Теория надежности и опыт ее применения к судовой энергетике позволяют в большинстве случаев производить такую количественную оценку.

Живучесть СЭУ. Для определения живучести СЭУ в настоящее время отсут­ ствуют ГОСТ, ведомственные нормали и др. Возможно поэтому иногда отождествляют понятия ненадежности и живучести. В связи с этим целесообразно отметить основные понятия живучести СЭУ и ее отличие от надежности.

Академик А. Н. Крылов определяет живучесть корабля как « . . . выносливость относительно повреждений и ее обеспечение» 1. Это определение может быть распро­ странено и на СЭУ, под живучестью которой следует понимать способность установки сохранять свою работоспособность при чрезвычайных обстоятельствах: во время аварии, пожара, взрыва, при затоплении отсека и других повреждениях. Таким образом, живучесть характеризует свойства установки при аварийных ситуациях. Качественное отличие надежности от живучести СЭУ состоит в том, что надежность' СЭУ характеризуется свойствами установки в условиях нормальной эксплуатации. Помимо качественного различия надежность и живучесть одной и той же СЭУ могут различаться количественными характеристиками.

Повышение живучести СЭУ в отличие от методов повышения надежности обе­ спечивается:

—разделением СЭУ на несколько автономных установок и их расположением

вотдельных водонепроницаемых отсеках;

—резервированием особо ответственного оборудования и магистралей, связы­ вающих наиболее важные элементы установки;

—размещением электрооборудования в районах, где возможность его затоп­ ления является наименее вероятной;

—наличием противопожарной защиты и активных средств борьбы с пожарами

вМКО;

—амортизацией ответственного оборудования для защиты от ударных нагрузок;

—наличием водоотливных средств для откачивания больших масс воды из МКО;

—наличием средств и материалов для выполнения ремонтов в аварийных ситуа­ циях и др.

1 К р ы л о в А . Н. Мой воспоминания, Изд. Академии наук СССР, М., 1963,

10