Вернуться к списку публикаций 

 Кокс и Химия
6,1998
УДК 662.741.3

А.С. Парфенюк*, O.E. Алексеева**, В.С. Карпов**, П.A. Захаров**

Надежность любой технической системы определяется     конструктивными     и техническими характеристиками  ее  элементов, режимом работы,   условиями эксплуатации,  качеством ремонта и технического обслуживания.
Система элементов  головочной  зоны  простенков коксовой печи - кладка  первых  вертикалов,  брони,  рамы,  двери - находятся  в тесном контакте  и  осуществляют взаимовлияния.  Выход  из  строя или повреждение  одного  из элементов может привести  к  ускоренному  разрушению  остальных,  негативно влияет на  процесс  производства кокса и экологическую обстановку. При отсутствии детального анализа процесса отказов этой системы элементов трудно разобраться, что, в какой степени и при каких условиях , является первопричиной низкого уровня надежности ГЗП
Для анализа  надежности,  разработки   эффективной   системы ремонтов, формулирования  требований по  совершенствованию или проектированию ГЗП необходимо разработать классификацию  отказов  элементов и причин отказов по степени их влияния на выход ее из  строя. Поскольку  все  причины  отказов ГЗП никогда  не  действуют в чистом виде, а  только  совместно, то для анализа надежности  использовали  наиболее эффективную для такого случая методику- построения деревьев  отказов (МДО) с теоретико-множественным описанием в символах булевой алгебры.
Дерево отказов позволяет показать в явном виде слабые места системы, учесть все соотношения существующих в системе условий, способных вызвать ее отказ, ранжировать причины отказов и учесть взаимовлияние элементов.
Дерево отказов  головочной  зоны  простенков  коксовых печей,  разработанное в процессе анализа различных событий, приводящих к отказу системы ГЗП при условии работоспособного анкеража, приведено на рисунке 1.
Условные обозначения и символы дерева отказов  следующие:
Завершающие события:
z -  остановка эксплуатации  камеры коксования, cвязанная с аварийным состоянием  и невозможностью эксплуатации ГЗП или недопустимым загрязнением окружающей среды;
Основные события:
А  - отказ кладки;
В - отказ броней и рам;
С - отказ двери;
Промежуточные события:
А1 -   появление  множественных  (более  трех)  сквозных  трещин, раковин;
А2 - образование сквозных провалов  и прогаров;
В1 - образование сквозных трещин и изломов;
В2 -  сужение рамы, препятствующее выходу кокса;
С1 - разрушение футеровки;
С2 - газование двери;
С3 - дверь не становится на печь;
D1 - повреждение устройства уплотнения дверей;
D2 - ошлаковывание поверхности кладки;
D3 - коробление и прогиб элементов, изготовленных из металла;
D4 - бурение камеры коксования;
D5 - отказ затворов двери;
D6 - нарушение геометрии зеркала рамы;
Исходные события:
М1 - недопустимое отклонение температурного режима;
М2 - разгибание крюка рамы;
М3 -  загрязнение поверхностей дверей и рам смолистыми  продуктами косования;
М4 - неточность установки двери;
М5 - перегрев коксового пирога;
М6 - разрушение герметичности стыка между  кладкой и бронями;
М7 - высокой термический прогиб двери;
М8 - отказ резьб гайки  и  винта;
М9 -  отказ  ригеля;
К1 - недопустимое  силовое взаимодействие коксовых машин с элементами головочной зоны;
К2 - механические повреждения при чистке   дверей и рам;
К3 - недопустимое отклонение гидравлического режима;
К4 - образование сквозных усталостных трещин на двери;
К5 - неудовлетворительное воздействие анкеража на кладку;
К6(М11) - горение броней, рам;
К7 - забрасывание  «концов»;
К8 - отказ закладного болта;
К9 - нерегулярная  смазка узла кольцевой выступ винта - ригель
К10 - отрыв крюка.

Для дерева отказов характерно  наличие  некоторого  главного события z,  в рассматриваемом случае - это остановка эксплуатации коксовой печи вследствие наступления предельного состояния ГЗП.  Влияние технического  состояния  головочной  зоны простенка  на вероятность появления этого  события может быть представлено булевым тождеством как:

                                             z = А В С                                                (1)

     где А - отказ кладки,  В - отказ  броней,  рам,  С  -  отказ дверей.
Дерево отказов  головочной  зоны  простенков  коксовых печей приведено на рисунке 1.
Признаками отказов и предельных состояний объекта являются прекращение (полное или частичное) выполнения объектом заданных функций; возникновение процессов, препятствующих        функционированию  объекта;  отработка объектом назначенного ресурса [1].  На основе  обобщения информации, полученной методом экспертных оценок установлено предельное  состояние элементов головочной зоны простенков коксовых печей.
Для кладки предельным состоянием является наличие множественных  (более  трех) трещин,  раковин,  сквозных  провалов  и прогаров в двух смежных отопительных каналах одного простенка. Отказ броней - появление глубоких сколов  (более 20 мм); рам - прогиб более 50 мм. Предельным состоянием дверей является наличие прогиба  более 25мм (для мягкого асбестового уплотнения); более 10мм (для уплотнения «железо   по железу») или выкрашивание кирпичей футеровки  свыше 50%.
Установлено,  что предельное состояние кладки обусловлено  событиями   А1 - образование сквозных трещин и  А2 - образование сквозных прогаров и провалов. Из рисунка 1 видно, что события А1 и А2 происходят под влиянием отказов, непосредственно связанных с работой кладки, таких как ошлакование поверхности D2, бурение  камеры  коксования D4 и т.д.  Помимо этого вероятность появления событий А1 и А2 увеличивают отказы связанные с работой анкеража (К5), деформации  и коробление рам, броней (D3).  Отказы С1- разрушение футеровки двери  и С3 - дверь не ставиться на печь   являются исходными для события С -отказ двери - при этом степень их влияния и на состояние кладки также значительна.
Таким образом, событие А , в соответствие законам булевой алгебры, можно представить в виде выражения:

                                  А = А1 А2                                                                (2)

      А = М2 М6 М8   М9 И К1 К2 К5 К6 К8 К9
К10 (М1М5К3) (М3М4) (К1К7М1)                    (3)

Отказ рам  и  броней  В  произойдет  в результате образования на элементах сквозных трещин и изломов В1, или сужения рамы, создающего препятствие для   выхода кокса В2.
Появление событий В1 и В2 в большей степени  зависит от потери герметичности  кладки (т.е. от событий А1, А2, M6) и дверей (С3, М7) камеры коксования, а также от состояния анкеража (К5) и накопления повреждений броней и рам (М3, К10, D3, D6).
Дерево отказов  головочной  зоны  простенков  коксовых печей приведено на рисунке 2.
Вообще,   событие В можно представить в виде тождества:
В = В1   В2                                                              (4)
В =  М2 М3 М6 М7 М8 М9 К1 К2 К5 К6
К8 К9 (М1М5К3) (М3М4) (К1К7М1)               (5)
Событие С - отказ дверей -  произойдет при наступлении одного из трех исходных: разрушения футеровки дверей С1, С2 - газования дверей, или события С3 - дверь не становится в печной проем.
Как видно из рисунка 1 событие С  происходит не только по причине  отказов, непосредственно связанных с работой  элементов дверей (D1, K1, M7  и т.д.) Большое влияние на появление этого события имеет неудовлетворительное состояние броней и рам (D3, D6, К10, М2), отказ затворов D5,  частое бурение камеры коксования D4. 
Таким образом, событие С можно представить как:
С = С1 С2 C3                                                                        (6)
С = М2 М3 М7 М8 М9 К1 К2 К4 К6   K8
K9   К10 (М3М4) (К1К7М1)                                  (7)
Окончательно, используя алгоритм нахождения минимальных сечений [2], отказ ГЗП будет представлен как:
z = М2 М3 М6 М7 М8 М9 К1 К2 К4 К5 K6 K8 K9 K10 И (М3М4) (К1К7М1) (М1М5К3)                   (8)
Для данного дерева отказов общее число аварийных сочетаний 18, из которых 15,согласно  формуле (8), являются сочетаниями одного отказа, одно -  сочетаниями двух отказов:М3и М4;  и два аварийных сочетания - сочетание трех отказов:1. К1,К7,М1 и   2. М1,М5,К3.
Качественный анализ  дерева  отказов заключается в выявлении исходных событий,  в наибольшей  степени  влияющих  на  появление завершающего события z.
Оценка событий производится по величине коэффициента значимости, который представляет собой отношение суммарной вероятности появления i-го события Сi во всех аварийных сочетаниях к вероятности завершающего события Q(z) [3]:
                                              (9)
где k- общее количество аварийных сочетаний в системе;
Qj- вероятность появления j-го аварийного сочетания.
Чем больше величина коэффициента, тем  больше  вероятность  вклада этого события в отказ системы.
Используя общепринятое предположение о том,  что распределение вероятности появления событий подчиняется экспоненциальному закону и события являются статистически независимыми, вероятность появления исходного события Сi  определяем  как:

                                          Q(Сi) = 1 - e - lit                                                       (10)

где li - интенсивность появления i-го события
t- продолжитенльность работы в печевыдачах.
В процессе расчета интенсивностей в качестве исходных  данных использованы статистические выборки информации об отказах из агрегатных  журналов, планов-графиков ремонтов, результаты опроса работников коксовых цехов Авдеевского коксохимического завода.
Вероятность  завершающего события z с сочетаниями промежуточных событий по схеме ИЛИ определяется как  [4]:

                                                                       (11)
где n - количество исходных событий.
Для завершающего события z с сочетаниями промежуточных событий по схеме И, т.е. для аварийных сочетаний с  двумя и тремя событиями :
                                              (12)
В таблице 1 приведены результаты  расчета вероятностей возникновения исходных и завершающего события по формулам (10)-(12) за  один период коксования (одну печевыдачу).
Как видно, основную угрозу надежности головочной зоны создают аварийные сочетания из одного отказа.

 

Таблица 1. Вероятность появления событий для одной печевыдачи

События,Сi	Интенсивность	Вероятность
и их сочетания	отказов,     l,1/п.в.	Отказов, Q(Ci)
M1	0,00182	0,00182
M2	0,00013	0,00013
M3	0,00632	0,00630
M4	0,00455	0,00454
M5	0,00009	0,00009
M6	0,00016	0,00016
M7	0,00038	0,00038
M8	0,00114	0,00114
M9	0,00095	0,00095
K1	0,00095	0,00095
K2	0,00032	0,00032
K3	0,00013	0,00013
K4	0,00063	0,00063
K5	0,00253	0,00252
K6	0,00152	0,00151
K7	0,00316	0,00315
K8	0,00190	0,00189
K9	0,00032	0,00032
K10	0,00006	0,00006
M3M4		0,00003
M1M5К3		2Е-11
K1K7M1		5Е-09
z		0,01623

Величины коэффициентов  значимости событий представлены в таблице 2. Графический вариант распределения отказов по их значимости представлен на рисунке 2.  Особого  внимания требуют  отказы, коэффициенты  значимости которых превышают некоторое среднее значение Fср, определенное как:

                                                                                      (13)

 

Таблица 2. Коэффициены значимости событий                   

События, Сi	Коэффициент	Fcp
	значимости, Fi
M1	5,01
M2	2,11
M3	8,09
M4	5,88
M5	1,41
M6	2,81
M7	2,12
M8	2,87
M9	2,86
K1	9,06	4,36
K2	7,02
K3	1,41
K4	2,14
K5	3,66
K6	5,69
K7	5,8
K8	5,72
K9	2,82
K10	2,8

Рис. 2. Диаграмма  распределения  коэффициентов  значимости
исходных событий
В таблице 3 помещена выборка наиболее неблагоприятных  отказов.
Таблица 3. Наиболее значимые события      

События, Сi	Коэффициент
	значимости, Fi
Недопустимое отклонение  температурного режима	5,01
Загрязнение поверхностей дверей и
рам смолистыми продуктами коксования	8,09
Неточность установки двери	5,88
Недопустимое силовое  взаимодействие коксовых   машин
с элементами головочной зоны	9,06
Механические повреждения при чистке
дверей и рам	7,02
Горение броней, рам	5,69
Забрасывание  «концов»	5,8
Отказ закладного болта	5,72

Существенно повысить уровень надежности и долговечности головочной зоны простенков коксовых печей возможно  только путем полного или частичного устранения значимых событий.
На основе анализа можно заключить, что для этого необходимы преобразования традиционной конструкции зоны, прежде всего уменьшение силового воздействия  коксовых  машин  на элементы зоны, усовершенствование .кладки и дверей с точки зрения повышения их герметичности.
Необходимо еще раз подчеркнуть: что  все преведенные оценки ни в коем случае не являются жестко детерминированными. Они имеют вероятностный характер и позволяют лишь качественно оценивать роль негативных факторов, сказывающихся на состоянии элементов  ГЗП и приводящих к его отказу.
Тем не менее полученная информация дает возможность проектировщикам и эксплуатационникам акцентировать внимание  на наиболее важных исходных событиях и вести  работу по предотвращению или снижению их влияния.

Вернуться к списку публикаций