ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 1.03 3.06 5.06
Erőművi kazánok és csőrendszerek ellenőrzése a karbantartási követelmények szempontjából Tárgyszavak: karbantartási stratégiák; meghibásodási stratégia; rutinszerű karbantartás; állapot-ellenőrzés.
Nagy-Britanniában a villamosenergia-termelő vállalatok között már több, mint egy évtizede érvényesülnek a piaci verseny feltételei. A piacon megjelenő új vállalatok a fosszilis energiahordozókra épülő hagyományos technológiáknál korszerűbb, hatékonyabb módszereket és berendezéseket alkalmaznak. Ilyen körülmények között a széntüzelésű erőművek csak úgy képesek megfelelni a verseny kihívásainak, ha szervezeti struktúrájukat korszerűsítve igyekszenek a világviszonylatban élenjárónak tekintett gyakorlati megoldásokat bevezetni. Tehát a piaci erők kényszerítik ki a műszaki–gazdasági változásokat. Az üzemmérnökök, különösen a karbantartásért felelős szakemberek elsőrendű feladata ennek megfelelően: – rugalmasabb üzemvitel, a gyorsabb indítás feltételeinek biztosítása, – a ciklikus üzemvitel lehetőségeinek megteremtése olyan berendezések esetében, amelyeket eredetileg nem ilyen működésre terveztek, – a fokozatosan öregedő berendezések biztonságos üzemeltetése, ugyanakkor a karbantartási költségek csökkentése.
Karbantartási stratégiák A szakirodalomból legismertebb karbantartási stratégiák: a meghibásodási stratégia (más néven üzemzavarra orientált karbantartás), a rutinszerű (tervszerű megelőző) karbantartás és az állapot-ellenőrző (vagy állapotorientált) karbantartás. Az egyes lehetőségek értékelését viszonylag egyszerű matematikai–statisztikai modell alapján lehet elvégezni. A modell kiindulási feltételei: – azonos szerkezeti elemeken döntően egy bizonyos hibafajta várható, – a karbantartás során a meghibásodott alkatrészt kicserélik, és ezáltal a berendezés visszanyeri eredeti teljesítőképességét. Ezeknek a feltételeknek az alapján karbantartási stratégiai modelleket dolgoztak ki.
Meghibásodási stratégia Az üzemzavarra orientált karbantartási stratégia esetén (feltételezve, hogy N = 1000 db azonos alkatrész meghibásodása X = 100 000 USD/db költséget okoz) a teljes költség N x X = 1000 x 100 000 USD. Ha javítani vagy cserélni kell, aminek költsége Y = 1000 USD/db, a teljes költség N x Y = 1000 x 100 000 USD. Eszerint a meghibásodási stratégia esetében a költségek alakulása kedvezőtlenebb. Meg kell azonban jegyezni, hogy amennyiben az Y és az X között nem nagy a különbség, ami sok esetben (például izzólámpák esetén) előfordul, akkor a meghibásodási stratégia is megfelelő lehet. Rutinszerű karbantartás Rutinszerű pótlás esetében minden alkatrészt új alkatrészre cserélnek ki. Ezt gyakran korábban hajtják végre, mint az alkatrészek átlagos várható élettartama. Ezt a korai időtartamot R (év)-rel jelölve, a teljes csere költsége N x Y USD, az éves átlagos ráfordítás N x Y/R USD. A teljes csere előtt azonban n meghibásodásra kerül sor, aminek teljes költsége nX USD, vagyis évente nX/R USD. Ezt a költséget hozzá kell adni a pótlási költségekhez, vagyis a rutinszerű pótlási stratégia teljes költsége évente (NY + nX)/R USD. α Az F(t,α,β) = 1–e–(t/β) eloszlásfüggvényt ábrázolva a költséggörbének minimuma van nulla és MTBF = 1 (két meghibásodás közötti átlagidő) között (1. ábra). 80
M USD/év
60 40 20 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
évek száma
1. ábra A rutinszerű karbantartási stratégia optimumpontja. A folytonos görbe olyan alkatrészre vonatkozik, amelynek meghibásodása Weibull-eloszlású, a meghibásodások közötti átlagidő 1 év, az alaktényező 10. A minimális költség időpontja kb. 0,51 évnél van, amikor 1000 alkatrész közül a várható meghibásodások száma 1,2. Ekkor a költség 2,2 M USD/év. A szaggatott görbe is 1 év átlagra érvényes, ha az alaktényező 5. A költségminimum 0,30 évnél van, 1000 alkatrész közül 2,4 a meghibásodások száma. Átlagos költség 4,13 M USD/év
Az 1. ábrából kitűnik, hogy a költségminimum lényegesen kisebb értéknél van, mint MTBF. A 2. ábra szerint a teljes pótlási stratégia esetében a költségminimumhoz tartozó idő hosszát a pótlási költség és a meghibásodási költség aránya (f) is befolyásolja. Abban a mértékben, ahogy f tart az 1-hez, a minimális költség tart az MTFB-hez. 120
M USD/év
100 80 60 40 20 0 0
0,5
1
évek száma
2. ábra Pótlási stratégia. A költségminimum a pótlás költségétől függ, ez a példában 10 000 USD. Ha a pótlási és meghibásodási költségek aránya 0,1, akkor a minimum 0,64 év irányába tolódik el és a minimális átlagos költség 17,2 M USD/év. Ennél a pontnál a meghibásodások várható száma 11,2. A költségek megnövekedtek, mert a pótlás költsége most már nem 1000 dollár, hanem 10 000 dollár Mint ahogy az a 3. ábrából látható, más tényezők is hatással vannak a figyelmeztető riasztás jelzési szintjének helyzetére: Az alábbi körülmények fordulhatnak elő: – esetleg maga a jel hibás, – lehetséges, hogy nem történik folytonosan a jel ellenőrzése, – amikor a jel eléri a riasztási szintet, az üzemeltetéssel kapcsolatos korlátozó tényezők miatt nincs mindig azonnal lehetőség az alkatrész kicserélésére. Folyamatos állapot-ellenőrzés Amikor megvalósítható egy alkatrész állapotának folyamatos ellenőrzése, sor kerülhet a pótlási stratégia alkalmazására. Jelen esetben feltételezés, hogy az alkatrész állapota olyan jel alapján mérhető, amelyik figyelmeztet a szerkezeti elem meghibásodására.
jel
riasztási szint
meghibásodások
a jel biztonsági tartománya
kedvezőtlen eset
kedvező eset
a szolgáltatás kiesése
idő
3. ábra A riasztási jel beállítása folyamatos állapot-ellenőrzés esetére Az alkatrész állapotára utaló jel folyamatos ellenőrzésekor három lehetőséggel kell számolni. Az alkatrész néha már akkor meghibásodik, amikor a jel intenzitása viszonylag gyenge (a „kedvezőtlen” eset), viszont előfordulhat, hogy az alkatrész nagyobb jelintenzitás esetén is még életképes (a „kedvező” eset). Ezeket a lehetőségeket mutatja be a 3. ábra, amelyik egyúttal azt is jelzi, hogy a folyamatos ellenőrzés eredményessége érdekében a riasztási szintet megfelelően kell beállítani. Amikor a jelszint meghaladja a riasztási szintet, az alkatrészt ki kell cserélni. Nyilvánvaló, hogy ezt a riasztási szintet alacsonyabbra kell állítani, mint a kedvezőtlen esetben, mert ezzel biztosítható, hogy az alkatrészt még meghibásodását megelőzőleg kicseréljék. Ilyen körülmények között egy biztonsági határt kell a riasztási jelre meghatározni. Tekintettel a riasztási jelszintre vonatkozó követelményekre, egyszerűen kimutatható, hogy sok alkatrész cseréjére már túl korán sor kerül. Az ábra szerint, a kedvező és a kedvezőtlen esetek közötti szórási tartomány kialakulása miatt a kedvező esetekre vonatkozó használhatósági idő jelentős hányada kihasználatlan marad. A használhatóság veszteségi idejének aránya a kedvezőtlen esetek körülményei között is növekszik, hogyha a biztonsági határt a riasztási jelszintre állítják be. Az állapot-ellenőrzési karbantartási stratégia esetében ez a használhatósági időveszteség akár jelentős is lehet. A módszer alkalmazásával együttjáró többletköltséget az is növelheti, hogy az alkatrész esetleg üzem közben is meghibásodhat.
Példa A vizsgálat tárgya a folyamatos állapot-ellenőrzés két különböző lehetséges esete. Kiindulás: 1000 alkatrész, melyeknek csereköltsége darabonként 1000 USD, illetőleg 100 000 USD, amennyiben üzem közben történik a meghibásodás (MTBF 1 év és az alakfüggvény 10), továbbá alkatrészenként a folyamatos állapot-ellenőrzés költsége legyen 100 USD. A 4. ábra olyan folyamatos állapot-ellenőrzési rendszerre vonatkozik, amelynek riasztási ideje 1 hónap vagy 3 hónap. A 4a. ábra tünteti fel a rutinszerű ellenőrzéssel összevetve elérhető megtakarítást, ha valamennyi alkatrészt optimális időpontban cserélik ki. a folyamatos állapot-ellenőrzés átlagos riasztási ideje
rutinszerű karbantartással elért éves megtakarítás, USD/év
1 500 000 1 000 000 500 000 0
a folyamatos állapot-ellenőrzés ellenére bekövetkező meghibásodások száma (1000 darabra vonatkoztatva)
3 hónap
-1 000 000 0,00
6 hónap 0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
a folyamatos állapot-ellenőrzés megbízhatatlansága: a riasztási idő szórás/átlag értéke
a)
b)
1 hónap
-500 000
20 15 10 5 0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
a folyamatos állapot-ellenőrzés megbízhatatlansága: a riasztási idő szórás/átlag értéke
4. ábra Költségmegtakarítás folyamatos állapot-ellenőrzéssel. Az elérhető érték a meghibásodás megelőzési képességétől függ. (a) Az átlagos riasztási idő nem annyira lényeges, mint az, hogy a folyamatos állapot-ellenőrzés mennyire megbízható. (b) A meghibásodási időre vonatkozó szórás/átlag növekedése a nem megelőzött meghibásodások számával arányos
A diagram olyan helyzetre vonatkozik, amikor a folyamatos állapotellenőrzés rendszerével nem lehet minden meghibásodást megelőzni. Annak lehetőségét, hogy a folyamatos állapot-ellenőrző rendszer nem 100%-ban eredményes, a modell a négyzetátlagos eltéréssel érzékelteti. Ezt a diagram a riasztási idő átlagára vonatkoztatott értékkel veszi figyelembe. A 4b. ábrán tüntették fel azoknak a meghibásodásoknak a számát, amelyeket a folyamatos állapot-ellenőrzéssel nem lehetett megelőzni. A 4a. ábra szerint igen megbízható folyamatos állapot-ellenőrzéssel jelentős megtakarítás érhető el, szemben az 1. ábrán látható optimális rutinszerű karbantartási stratégiával. A rendszerben a meghibásodások és az alkatrészcserék száma felére csökkenthető. Amennyiben azonban a folyamatos állapotellenőrzés nem eléggé megbízható és 1000 alkatrészenként nem képes hétnél több meghibásodást megelőzni, akkor előnyösebb a rutinszerű karbantartás. Előfordulhat, hogy a folyamatos állapot-ellenőrzés igen pontatlan és mégis eredményez megtakarítást. Mint ahogy azt a 4a. ábra is mutatja, a megtakarítás érvényesüléséhez már az is elegendő, ha a meghibásodást, annak bekövetkezését megelőzőleg átlag 6 hónappal jelzi, (amennyiben az MTBF 1 év). Ennek ellenére rendkívül fontos a folyamatos állapot-ellenőrzés megbízhatósága. Amennyiben az alkatrészeknek több, mint 0,7%-a meghibásodik, a folyamatos állapot-ellenőrzés költségesebb, mint az alkatrészek teljes rutinszerű cseréje.
Esettanulmány – kazán csőrendszerének ellenőrzése Falvastagságmérés A folyamatos állapot-ellenőrzés gyakorlati felhasználásának fontos területe a nagy erőművekben a kazáncsövek falvastagságának mérése. A falvastagság ellenőrzése alapján lehet következtetni a csövek állapotát lerontó kopások és korróziós mechanizmusok következményeire. A falvastagságmérés viszonylag egyszerűen, ultrahang-frekvenciás szondákkal hajtható végre. Ismeretesek bonyolultabb mérések is, amikor a magas hőmérsékleten igénybe vett csövek kúszással szembeni ellenálló képességének határát kell megállapítani. Az ilyen számításhoz ismerni kell a cső belső felületén kialakult oxidréteg vastagságát, aminek mérésére viszont bonyolult ultrahang-frekvenciás berendezés szükséges. Az ilyen mérések megbízhatósága – a tapasztalatok szerint – lényegesen kisebb, mint a falvastagság egyszerű ellenőrzése. Az oxidréteg vastagságának meghatározására csak olyankor van lehetőség, amikor a kazán nincs üzemben. A mérést végző személynek be kell jutnia a kazán belsejébe, az ellenőrzés tehát nem folyamatos, hanem szakaszos. Az ilyen vizsgálatokra általában évente egyszer kerülhet sor, sőt vannak olyan körülmények is, amikor a mérést csak négyévente egyszer lehet végrehajtani.
Olyan berendezésen végeztek vizsgálatot, amelyen 1000 cső MTBF értéke 30 év és az alaktényező 10. Amennyiben egy cső cseréjének költsége 2000 USD és a meghibásodás költsége egy cső esetében 200 000 USD, akkor az 1000 cső teljes rutinszerű cseréjének költsége 15 év után lesz minimális. A teljes élettartam alatt évenként felmerülő költség ebben az esetben 146 000 USD. Amennyiben igen megbízható folyamatos állapot-ellenőrzést végeznek és az nem jelentős költségű, akkor nagy megtakarítás érhető el, vagyis meghaladhatja a 76 000 USD-t, ami csaknem fele a rutinszerű karbantartás költségeinek. Amennyiben a folyamatos állapot-ellenőrzés megbízhatatlan és a hibaeloszlás szórásnégyzete meghaladja az átlagos riasztási idő 30%-át, a folyamatos állapot-ellenőrzéssel nem lehet megtakarítást elérni. Ezért ilyenkor a szerkezeti elem rutinszerű cseréje olcsóbb. • A folyamatos állapot-ellenőrzés realisztikusabb modellje A cső falvastagságának reális körülmények között végzett folyamatos ellenőrzése esetében a modell figyelembe veszi az ellenőrzés költségeit. Legyen ennek értéke csövenként 100 USD. Ugyanakkor ezeket az ellenőrző vizsgálatokat nem folyamatosan, hanem csak 4 évente egyszer lehet végrehajtani. Legyen továbbá a folyamatos állapot-ellenőrzés riasztási szintje a 4. évnél, vagyis egy riasztási szint elérése után 4 év legyen az átlagos meghibásodási idő. A jel átlagos szórásnégyzete legyen 0,5 év, ami igen kedvező megbízhatóságot jelent. Ha a vizsgálatot 4 évente csak egyszer végzik el, akkor a folyamatos állapot-ellenőrzés az utána következő években nem tudja megelőzni a most már egyre növekvő számú meghibásodásokat. Ezt a modell úgy veszi figyelembe, hogy a vizsgálat után minden egyes évben az idő egy évvel közelebb kerül a normáleloszlás átlagához. A példa szerint a 28. évben 1000 cső közül átlag 394 cső, a 32. évben átlag 851 cső cseréjére kerül sor. A 36. évben gyakorlatilag valamennyi csövet ki kell cserélni. A költségek alakulásának vizsgálata azt mutatja, hogy a gyakoribb ellenőrzés révén ugyan csökkenthető az üzem közben bekövetkező meghibásodások száma, azonban az ellenőrzési költségek meghaladják az elérhető megtakarításokat. A vizsgálatok alapján levonható következtetéseket az 1. táblázat foglalja össze. Kazáncsőrendszer falvastagságának ellenőrzése A levonható következtetés szerint a folyamatos állapot-ellenőrzés lehetőségei eléggé korlátozottak, amennyiben a vizsgálatok költségeit is figyelembe veszik.
1. táblázat A különböző karbantartási stratégiák gazdasági vizsgálata Helyzet
Javasolt karbantartási stratégia
Megjegyzések
A meghibásodás költsége a pótlás költségéhez hasonló
Meghibásodási karbantartás
Villanykörték
Az alkatrészek élettartama alig szór
Rutinszerű karbantartás
Ha a folyamatos állapot-ellenőrzés nem pontos, az alkatrész átlag élettartama csökken
Az alkatrészek élettartama széles határok között szór
Folyamatos állapotellenőrzés
A folyamatos állapot-ellenőrzésre való áttéréssel elérhető megtakarítás annak költségeitől és megbízhatóságától függ
Nem nagyon megbízható a folyamatos állapot-ellenőrzés
Rutinszerű karbantartás
Ez az eset érvényes, amikor a folyamatos állapot-ellenőrzés szórása nagyobb, mint az átlagos riasztási idő 30%-a
Vegyes eset. Talán ez az általános és talán ez felel meg a kazáncső falvastagságellenőrzésének esetére
Folyamatos állapotellenőrzés, meghibásodási és rutinszerű karbantartás
A folyamatos állapot-ellenőrzés korlátozott időtartam alatt hasznos
A példaként felvett esetben a csőköteg legolcsóbb karbantartási stratégiája a következő: 1. Üzemeltetés az első meghibásodásig, vagy még helyesebb, közvetlenül az első meghibásodás előtti időpontig (15 év) (meghibásodásorientált karbantartás). 2. Folyamatos állapot-ellenőrzés és ennek kockázatát figyelembe véve 4 évenként további csőcsere (folyamatos állapot-ellenőrzés esete). 3. A teljes csőköteg cseréjére a 19. évben kerül sor (rutinszerű karbantartási stratégia). Tehát akár egyetlen alkatrészcsoport esetében is alkalmazható mind a három karbantartási stratégia. Természetesen a gyakorlatban ennél bonyolultabb esetek fordulnak elő. Meghibásodás az anyag kúszása és kifáradása következtében A tartós folyásra méretezett kazánvízkamra anyaga általában 2Cr1Mo, vagy 1Cr0,5Mo típusú acél. A gyakorlatban azonban az igénybevétel, különösen az utóbbi időkben, fokozódott. Adott esetben a kazán egyes szerkezeti elemeinek termikus igénybevétele meghaladhatja a méretezési értéket.
Amennyiben például a szerkezeti elemet 14 °C-kal a méretezési hőmérséklet felett üzemeltetik, élettartama felére csökken. Tehát az üzemeltetőnek tisztában kell lennie azzal, hogy a hőmérséklet megváltozása milyen hatással van a szerkezeti elem élettartamára. A gyakorlatban előfordult, hogy bár a végső kilépési hőmérsékletet elfogadható szinten tartották, előtte a hőmérséklet változása nagy volt, vagyis az egyes gőzvezeték-elágazások mentén túlhevülés lépett fel. Amennyiben a kúszást kiváltó és a fárasztó hatások között kölcsönhatás érvényesül, megnövekszik a meghibásodás kockázata. Tehát amikor alapterhelés helyett rugalmas üzemvitelre térnek át, a rendszer üzemeltetőjének a működési ciklusok számát, a terhelésváltozásokat és a tüzelési órák mennyiségét is számításba kell vennie. A termikus fáradt törést a berendezés indulásával, a terhelésváltozással és a leállítással együtt járó tranziens hőmérséklet-változások idézik elő. A szerkezeti elem geometriai kialakításának befolyása A tartós folyásra való méretezés esetében fontos méretezési paraméter a falvastagság. Általában a végső fokozatban a túlhevítő 2Cr1Mo anyagból készült kilépési gőz kamrája 565 °C hőmérsékleten 160 bar nyomásra van igénybe véve. A legalább 150 000 órás élettartam szavatolásához mintegy 90 mm-es falvastagság szükséges. Az 5. ábra tünteti fel a falvastagság és az olyan vastag szelvényű alkatrész repedésképződéséig eltelő idő közötti összefüggést, amelyre csekély, jelentős, vagy súlyos tranziens igénybevétel gyakorol hatást. Ezek a tranziensek a 350– 550 °C közötti, három különböző melegindítás esetére vonatkoznak. A kevésbé súlyos indítási tranziens időtartama 40 perc, a súlyosabbaké 20, ill. 10 perc. Egyszerűség kedvéért az ábra olyan, műszakilag általánosnak mondható esetet tételez fel, amikor a termikus ciklus szokványos, a méretezésnél pedig megfelelően figyelembe vették a feszültségkoncentrációs tényezőt és az átlagos hőátadási együtthatót. A 2Cr1Mo acél tartós folyási adatait használták fel. Ezek azonban nem érvényesek öntvény esetére, ahol közismerten a porozitás a repedések kiindulási helye, ami tehát csökkenti a fáradási szilárdságot. Az ábra jól érzékelteti, hogy milyen szerepe van a falvastagságnak a termikus fárasztóhatás érvényesülésében. A megállapítások azonban nem érvényesek azokra a különleges feszültségkoncentrációs igénybevételekre, amit például a csőcsonk körüli horonyhatás idéz elő. Az ábra egyes szerkezeti elemek környezetében megfigyelt különböző tranziensekre is utal. Ezeknek a tranziens övezeteknek a helyzete alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a termikus tranziensek következtében már viszonylag kis ciklusszám esetén megkezdődhet a repedésképződés.
A termikus tranziensek hatása Az erőművi berendezések szerkezeti elemeire általában a melegedési ciklus és a lehűlési ciklus fejt ki sokkhatást. 10 000 000
gőzkamra belépő vezetéke
a folyamatos ellenőrzés folyamán megfigyelt tranziensek
ciklusszám a repedés kezdetéig
1 000 000
100 000
túlhevítő
gőz
10 000
1 000
100 40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 falvastagság, mm
csekély termikus igénybevétel, 5°C/min súlyos termikus igénybevétel, 20°C/min
jelentős termikus igénybevétel, 10°C/min
5. ábra A falvastagság hatása a repedés kezdetére Idealizált melegedési ciklust feltételezve, az előző napi leállás után az újraindításra jellemző emelkedő melegedési görbét állandósult üzemvitel követi. A lehűlési ciklus sokkhatása elsősorban azoknak a képlékeny alakváltozásoknak a következtében idéz elő meghibásodást, amelyekre a ciklus szélsőséges pontjaiban kerül sor. Az egyes erősen igénybe vett szerkezeti elemeken a különböző ciklusok hatására kialakuló repedések jellege eltérő. A melegedési ciklus sokkhatása következtében a gyakorlatban például (nagynyomású fokozat forgórészén) szemcsehatármenti, elágazó repedést lehetett megfigyelni, ami az anyag tartós folyására jellemző. Más körülmények között viszont a tartós folyás nem érvényesül és a repedés a szemcséken keresztül halad.
A fárasztó kúszásra való méretezés lehetőségei Egyes méretezési gyakorlat szerint a magas hőmérsékleten igénybe vett szerkezeti elemek fárasztó kúszásra való méretezésekor a kúszás (tartós folyás) és a fárasztás hatását külön-külön számítják, majd a meghibásodásra gyakorolt hatásukat lineáris összegzéssel határozzák meg. Vannak olyan módszerek is, amelyeknél különböző mértékben veszik figyelembe a kúszás vagy a fáradás következményeit. Azonban bármelyik módszert is alkalmazzák, a méretezés mindig az anyagtulajdonság paraméterei alapján történik, viszont ezek értékei erősen szórnak. A lineáris szuperponálás módszere esetében megfelelő biztonság azzal érhető el, ha óvatosan választják meg a kiindulási adatokat. A várható élettartam pontos meghatározására azonban nincs lehetőség. Ezek az eljárások viszont eredményesen használhatók fel a meghibásodási feltételek folyamatos ellenőrzésére és az élettartam optimálására. Élettartambecslésre csak úgy vehetők igénybe, ha a módszereket gondosan összehangolják a berendezéseken megfigyelt meghibásodási esetek körülményeivel. (Dr. Barna Györgyné) Price, J.: The economics of repeated tube thickness surveys. = International Journal of Pressure Vessels and Piping, 79. k. 8–10. sz. 2002. p. 555–559. Paterson, I. R.; Wilson, J. D.: Use of damage monitoring systems for component life optimisation in power plant. = International Journal of Pressure Vessels and Piping, 79. k. 8– 10. sz. 2002. p. 541–547.
