AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI 1.03 5.06
Gőzturbinák kockázatalapú felülvizsgálati és karbantartási rendszerei Tárgyszavak: gőzturbina; felülvizsgálat; kockázat; kockázatelemzés; karbantartási stratégia.
A kockázatra alapozott karbantartás elve Japánban az erőművek hatékony költségű karbantartása iránti igény a versenyképesebb energiatermelés piaci trendjéhez kapcsolódik. Az utóbbi időben az ellátási igények megoldása érdekében kockázatalapú karbantartást (RBM – risk-based maintenance) vezettek be a fosszilis erőművekben. Az RBM bevezetésének célja annak biztosítása, hogy észszerű döntési alapot teremtsenek a teljes életciklus alatt a karbantartás tervezéséhez. Három kategóriát vettek figyelembe a kockázatértékelésnél, azaz minőségi, részben mennyiségi és mennyiségi közelítést. A részben mennyiségi közelítést széles körben használják különböző létesítményekre, ez közismerten a kockázati sorrend mátrix közelítés. A mennyiségi közelítés előnye, hogy az optimálás problémáját numerikusan oldja meg, ami lehetővé teszi különböző matematikai eszközök alkalmazását. Az RBM-rendszert a felülvizsgálati rendszerekkel kapcsolt kockázatelemzés megvalósítására fejlesztették ki. Az RBM-rendszer tartalmazza az eseményfákat a teljes életciklusra, a hibavalószínűségi függvényeket a helyszíni adatok elemzésére és a kockázati költségelemzést a különböző karbantartási forgatókönyvekre. A hibavalószínűségelemzés alapja az üzemelés folyamán bekövetkezett meghibásodás és kár, amely függ az üzemidőtől és az indítások számától. A mennyiségi RBM-módszer globális alkalmazására különböző utakat tartanak alkalmasnak a statisztikailag jelentős adatszám hiányának kompenzálására. A rendszert igazítani lehet az egyes felhasználókra a hibavalószínűségelemzés szabványos főgörbéjének módosításával. A rendszer testre szabásához az adott egység felülvizsgálati információja használható abból a célból, hogy az utólagos hibavalószínűségi függvényeket megállapítsák az előzetes hibavalószínűségi függvények módosításával.
A kockázatalapú felülvizsgálat és a karbantartási eljárás alapvető folyamata A kockázatalapú felülvizsgálat és karbantartás folyamatában az egyes lépéseknek a következő szerepük van: 1. Alkatrész-lebontási fák. Egy gőzturbinaegység sok alkatrészre bontható. Az alkatrész-lebontási szintet a karbantartási művelet szintjének megfelelően lehet meghatározni. 2. Életciklus eseményfái. Bár az eseményfát szokásosan hibátlan/hibás csomópontok sorozataként fejezik ki, itt annak a láncreakciónak a leírására alkalmazzák, amelyben az egyik alkatrész meghibásodása egy másik alkatrész meghibásodásához vezet. 3. Eredeti helyszíni adatbázis. A különböző típusú egységek hiba-, felülvizsgálati és javítási történetének adatbázisát 30 éves időtartamra készítették el. Az adatbázist az egység, alkatrészek, hely, esemény és üzemelési történet összefüggő adatbázisaként alakították ki. 4. Hibavalószínűségi elemzés. A kumulatív kockázati függvény módszert alkalmazzák az üzemidők vagy az indítási ciklusok hibavalószínűségi függvényeinek származtatásához. 5. Felülvizsgálat és élettartambecslés. Az egység specifikus hibavalószínűségi függvényét a felülvizsgálatból megállapított esemény utólagos elemzéseként kapják. A kumulatív károsodási jelenségek esetére a jövőbeli hibavalószínűség szimulálására a valószínűségi élettartam becslést alkalmazzák. 6. Kockázatértékelés. Itt a kockázatot a hibavalószínűségi függvények és az életciklus alatti meghibásodások miatt várható pénzügyi veszteségek sorozatával definiálják a különböző forgatókönyvek szerint. 7. Karbantartás-tervezés. A karbantartási forgatókönyveket a meghibásodási események és a vonatkozó megelőző intézkedések sorozataként tervezik. A kockázatokat és a megelőzés költségeit a teljes életciklusra számítják az optimális karbantartási forgatókönyv kiválasztására.
Gőzturbinák meghibásodásai A gőzturbinaegység részegységei és alkatrészei (a nagy- és közepes nyomású turbina, a kisnyomású turbina, a szelepek és csövek, a segédberendezések, forgórészek, forgórész-lapátozás, fúvókák, feszítő-
csavarok, szabályozóberendezések, csapágyak stb.) különböző típusú meghibásodást, károsodást és hibajelenségeket mutatnak, a hőmérséklet, feszültség, környezet és a szerkezeti anyagok függvényében (1. ábra).
forgórész-lapátozás
fúvókák
forgórészek
• • • • •
• • • • • •
• • • • • •
erózió repedés elmozdulás súrlódás, kopás gőzáramlás
erózió eltérítés súrlódás, kopás repedés differenciálnyomás áramlásirányú eltérítés
repedés hajlás rezgés kopás, súrlódás gőzáramlás elgörbülés
házak, szelepek
gőzcsövek
csapágyak
• • • • • • • • •
• • •
• • •
deformáció repedés kopás gőzszivárgás erózió szelepszár-beragadás elgörbülés csavar/csavarfurathiba karimadeformáció
erózió deformáció repedés
rezgés súrlódás kopás
1. ábra Gőzturbina főbb alkatrészeinek meghibásodásai A nagy- és közepes nyomású (HIP) részekre a tipikus hibaesemények a deformáció, a termomechanikai kifáradási repedések és a gőzáramlás által kiváltott erózió. A kisnyomású (LP) részre a tipikus meghibásodások a környezet által befolyásolt kifáradási repedések és a gőzáramlás által indukált erózió. A hibaesemények jellegzetességei a főbb alkatrészekre az alábbiak. HIP-forgórész. A nagy centrifugális igénybevétel és a magas hőmérséklet deformációt okoz, mint pl. a forgórész görbülése, ez rezgést és súrlódást idéz elő a csapágyaknál és csapágyházaknál. Az alakváltozási hibák kumulálódása alakváltozási hézag és repedés kialakulásához vezet a nagy feszültségkoncentrációs részeknél, mint pl. a furatoknál. A
termomechanikai kifáradási hibák halmozódása pedig repedést idéz elő a sarkoknál. LP-forgórész. Nagy centrifugális igénybevétel, nagy rezgési feszültség és korrozív környezet korróziós kifáradást okoz a kerékszekcióban. HIP-forgórész-lapátozás. A nagy centrifugális igénybevétel és a magas hőmérséklet deformációt okoz elmozdulás formájában, amely súrlódást idéz elő a házakkal vagy fúvókákkal, majd végül repedéshez vezet. Az alakváltozási károsodás halmozódása alakváltozási hézagok képződését okozza, valamint repedéseket a feszültségkoncentrációs részekben, mint pl. a fecskefarkú rögzítések esetében. A rezgési feszültség nagy ciklusú kifáradási repedéseket és gyors kifáradást okoz az érintkező részekben. LP-forgórész-lapátozás. A nagy centrifugális igénybevétel, a nagy rezgési feszültség és a korrozív környezet korróziós kifáradási repedést,a gőzáramlás által hozott cseppek eróziót okoznak. HIP-fúvóka. A gőzáramlás által hozott oxidreve eróziót okoz. A nyomáskülönbség minden fokozatnál és magas hőmérsékleten a fúvókadiafragma folyásirányú eltérítését idézi elő. HIP-ház. A nagy nyomású igénybevétel és a magas hőmérséklet tartós folyási deformációt okoz. A deformáció illesztési hibát és gőzszivárgást okoz a feszültségmentesítés következtében a karimánál és a szorítócsavarnál. A tartós folyási és termomechanikai kifáradási károsodás halmozódása repedést okoz a fúvóka illesztési rádiuszánál és egyéb feszültségkoncentrációs részeknél. Szelepek. A tartós alakváltozási és termomechanikai károsodás azonos, mint a házaknál. A gőzáram által hozott oxidpernye eróziót okoz a zárólapokon. A tengely és a szeleptest érintkező részeinek oxidációja szelepszár-beragadást okoz. Csövek. A tartós alakváltozási károsodás halmozódása repedéseket okoz, főképpen a hegesztési zónában. Víz belépése termomechanikai vagy hőlökések okozta repedéseket vált ki.
Hibavalószínűség-elemzés Eredeti helyszíni adatbázis Az eredeti helyszíni hibaadatbázis a következőket tartalmazza: a létesítmény megnevezése, alkatrész megnevezése, esemény időpontja, üzemidők, indítási ciklusok, az esemény tartalma, oka és a javítási intéz-
kedések adatsorai. Minden eseményt az esemény bekövetkezéséig eltelt üzemidőhöz és indítási ciklusokhoz viszonyítanak. A tervezett felülvizsgálatok során felfedezett hibákra becsült időt és ciklusokat alkalmaznak a vonatkozó üzemtörténeti táblázatok felhasználásával. Helyszíni adatok elemzési módszere: kumulatív kockázati függvény módszer A hibavalószínűségi függvényt a kumulatív kockázati függvény módszerrel származtatják a helyszíni hibák adatbázisából. Az eseményadatokat az azonos módozatú hibákra és az azonos turbinatípusokra az üzemidő vagy ciklusok sorrendjében halmozzák fel. A becsült kumulatív kockázati függvényt a következők szerint fejezik ki 1 i =1 n + 1 − i k
H (t k ) = ∑
(1)
ahol tk az esemény előfordulásának időpontja a k-adik eseménynél, n az összes minta száma, beleértve a nem hibás adatmintákat is. A kumulatív kockázati függvényt H(t) a kétparaméteres Weibulleloszlási görbével vezetik le, a következő egyenletek szerint: H(t) = ( t/η)m,
(2)
ln H(t) = m ln t – m ln η, ahol η, m regressziós konstansok F(t) hibavalószínűségi függvényt a következők szerint számítják F(t) = 1 – R(t) = 1 – exp{- H(t)},
(3)
ahol R(t) a megbízhatósági függvény. Az (1)–(3) egyenleteket alkalmazzák N ciklustól függő eseményekre is, ahol N-t t-vel helyettesítik. A megfelelő számú adat hiányának áthidalására két közelítést alkalmaztak. Az egyik a szabványos, a másik az empirikus hibavalószínűségi függvény közelítés.
Szabványos hibavalószínűségi függvény közelítés: a forgórész görbülésének példája Amennyiben ismert egy esemény fő paramétere, szabványos főgörbét lehet meghatározni. Itt példaként forgórész-görbülési jelenségeket választottak, bár ezeket jórészt már kiküszöbölték a gyártás és tervezés fejlesztésének köszönhetően. A 2. és 3. ábrák a kumulatív kockázati függvényeket és a hibavalószínűségi függvényeket ábrázolják az üzemidők függvényében két típusú (A-típus és B-típus) forgórészre. A B-típusú regressziót mindössze két eseménnyel vezetik le. Itt a kockázati függvény időfüggősége abból származik, hogy a forgórészgörbülés egyike a lassú deformációs jelenségeknek, és az igénybevételtől, a hőmérséklettől és a szerkezeti anyagtól függ. Ez azt jelenti, hogy az adott egység hibavalószínűségi függvényét csak a tervezési vagy szervizfeltételek és az anyagtulajdonságok ismeretében lehet becsülni.
kumulatív kockázati függvény, H; %
100 CrMoV kovácsolt darabok
10 B-típusú forgórész regressziós görbéje
1 10 000
A-típusú forgórész regressziós görbéje
A-típusú forgórész B-típusú forgórész
100 000
1 000 000
üzemidő, t; h
2. ábra Kumulatív kockázati függvények egyedi turbina forgórészgörbülésére Empirikus közelítés: fúvókaerózió példája A fúvókaerózió esetében nehéz az eróziós folyamatot meghatározó explicit paramétereket megtalálni. A 4. és 5. ábrák a kumulatív kockázati függvények teljes regressziós eredményeit mutatják az üzemidők és az indítási ciklusok függvényében.
100
hibavalószínűség, F; %
Cr MoV kovácsolt darabok A -típusú forgórész
B-típusú forgórész A-típusú forgórész regressziós görbéje B-típusú forgórész regressziós görbéje
50
0 0
50 000
100 000
150 000
200 000
250 000
üzemidő, t; h
kumulatív kockázati függvény H, x 100
3. ábra Hibavalószínűségi függvények egyedi turbina forgórész görbülésére
A-típus A-típus B-típus B-típus C-típus C-típus D-típus D-típus
10 000
100 000
1 000 000
üzemidő, h
4. ábra Üzemidőn alapuló kumulatív kockázati függvény
kumulatív kockázati függvény H, x 100
A-típus A-típus B-típus B-típus C-típus C-típus D-típus D-típus
indítások száma
5. ábra Indítási ciklusokon alapuló kumulatív kockázati függvények
Felülvizsgálati rendszer és hibavalószínűségi függvény Gyors vizuális és ultrahangos felülvizsgálati rendszer A vizuális és ultrahangos felülvizsgálat hasznos információt ad az előzetes hibavalószínűségi függvények módosításához. A felülvizsgálat miatti kieső idő csökkentésére gyors felülvizsgálati rendszereket fejlesztettek ki, pl. léghűtésű furatvizsgáló rendszert a fúvókameghibásodás megállapítására. A vizsgálófejhez rögzített mágneses görgők haladnak a fúvóka homlokrészén, és távoli megfigyelés könnyen elvégezhető egy CCD fényképezőgéppel a gép leállása után, amikoris 300 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletre hűl le a fúvóka. A 6. ábra egy hőálló ultrahangos érzékelőrendszert mutat be („UT”rendszer) a ház- vagy szelephiba megállapítására. A mozgó fejbe egy pár UT-szenzor van beépítve, a magas hőmérsékletű csatolóközeg-ellátó rendszer közvetítésével a rendszernek a kb. 300 °C hőmérsékletű forró falhoz való kapcsolására. Ezt a rendszert alkalmazzák a ház vagy a szelep belső sérüléseinek és a csavarok repedéseinek megállapítására. A 7. ábra bemutatja a forgó lapátozás eróziójának utólagos hibavalószínűségi függvényeit, amelyeket a fúvókaerózió és a lapáterózió előzetes hibavalószínűségi függvényéből vezettek le. A kapott függvény nagyobb hibavalószínűséget mutat kis ciklusokra, jelezve a forgó lapátozás eróziójának azonnali fellépését.
flexibilis tengely rögzítés
gőzturbinaszeleptest
indítórúdrögzítés
flexibilis tengely hajtás
csatolóközegtároló
indítórúd
szállítókocsi
csatolóközegtápszivattyú
digitális ultrahangos indikátor magas hőmérsékletű ultrahangos érzékelők
mágneses görgő
hibavalószínűség F, %
6. ábra Magas hőmérsékleten üzemeltethető ultrahangos vizsgálórendszer (baloldalon: alkalmazás az alkatrészekre; jobboldalon: a kocsi részlete)
fúvókaerózió előzetes hibavalószínűsége forgó lapátozás előzetes hibavalószínűsége forgó lapátozás utólagos hibavalószínűsége
indítások száma
7. ábra Forgó lapátozás erózió okozta meghibásodásainak előzetes és utólagos hibavalószínűségi függvényei A meghibásodás mérése és az élettartam becslése Roncsolásmentes vizsgálati eljárásokat alkalmaztak a meghibásodások meghatározására, (keménységmérés, másolatmegfigyelés, ride-
gedésvizsgálat stb.). Az élettartam-értékelő rendszert úgy programozzák, hogy kalkulálható legyen az alakváltozási és kifáradási élettartam a gépinformációk felhasználásával. A 8. ábra meghatározott élettartam-értékelési eljárásokat mutat be. Az alakváltozási és kifáradási hibákat a kumulatív kár szabállyal számítják, az élettartam-értékelő vezérgörbék felhasználásával. Az eljárás jellemzője, hogy az élettartam-értékelési vezérgörbéket a keménységmérő és a ridegedésmérő rendszer által megadott állapotadatokból származtatják. Az alakváltozási és kifáradási élettartam értékelő görbéket a szervizen átesett alkatrészek mért keménységi értékeiből, a repedésnövekedés mértékét és a törésállóságot az elektrokémiai polarizációs paraméterekből származtatják kísérleti főgörbék felhasználásával. ANALITIKUS VIZSGÁLAT
alakváltozási hézag
HV/HV0
maradék élettartam kalkulációja
or
károsodott vagy leromlott részek keménysége
repedésképződés repedési zóna maradék élettartam c
üzemelési terv
ismételt vizsgálat
A-paraméter
keménység
hibajellemzők törés
lágyulás idő a törésig
LCF deformáció
hőmérséklet/ igénybevétel/ deformáció elemzése (FEM)
a meghibásodás paraméterei
feszültség
alkatrészkonfiguráció, üzemelési feltételek
meghibásodási kalkuláció • üzemidő szerint • indítási ciklus szerint
Φf
üzemelési történet
RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLAT
lágyulás ciklusok
kezdeti méret üzemelési határperiódus érték
repedésnövekedés szívósság K or C
szívósság KIC, JIC
kritikus méret
da/dN vagy da/dt
felülvizsgálati feljegyzések
repedésméret
repedésnövekedés
ridegedés (elektrokémiai)
ridegedés hőmérséklet
alkatrész élettartama kezdeti repedések mérete, alakja
hibák roncsolásmentes felülvizsgálata
karbantartási terv
8. ábra Élettartam-értékelő eljárások elemzés vagy roncsolásmentes vizsgálat alapján
A valószínű élettartam meghatározása statisztikus anyagtulajdonságokat igényel, ezért vizsgálatokat végeztek használatlan, laboratóriumban öregített és szervizen átesett anyagokon, felhasználva a feszültség/keménység mérés adatait. Amennyiben nagyobb pontosságra van szükség, a statisztikai elemzéshez szükséges adatokat a gyártómű specifikációja szerint kell megválasztani.
Kockázatértékelés és karbantartás-tervezés A kockázat itt a hibavalószínűségi függvények és a várható pénzügyi veszteségek szorzatának összegét jelenti minden eseményre. A kockázati függvényeket a létesítményinformációk és a felülvizsgálati információk határozzák meg. A pénzügyi veszteséget az összes nem tervezett kieséssel és helyreállítási művelettel összefüggő tételre kalkulálták. A karbantartás-tervezés optimalizálására két forgatókönyvet készítettek, azaz a karbantartási intervallumok és az életciklus szerint. Karbantartási intervallum optimalizálás: forgórész-elgörbülés példája A karbantartási intervallumok optimálását mutatja a 9. ábra forgórész-elgörbülés példáján. Az eseményfát három tipikus eset ábrázolására korlátozták az egyszerűsítés céljából. A három eset a következő: (a) forgórészgörbülés; (b) szűk axiális hézag; (c) vibráció, amelyek különböző kockázati függvényekkel írhatók le. Az eredő kockázati függvényt a három függvény összegeként határozták meg. A karbantartási költségindexet a teljes megelőzési művelet költségeként határozták meg, átlagolva évenként az előírt esetekre. A teljes kockázat a növekvő üzemidő függvénye, és a költségindex arányos a karbantartási intervallum reciprokával. A teljes költség görbéjét a kockázati és a karbantartási költség összegeként kapják meg. Amennyiben az üzemelésből származó bevétel arányos az üzemidővel, a vonalkázott területen belül ajánlatos az optimális karbantartási intervallumokat eldönteni. A forgórész-meghibásodási esetek folyamatosan csökkennek, a gyártási folyamat, a tervezés és üzemelés fejlesztése következtében.
forgórészgörbülés
kis axiális hézag tengelyrezgés
forgó lapátozás/ kerék hiba
fúvókahiba
házhiba
forgó lapátozás/ kerék hiba
fúvókahiba
házhiba
csapágykopás
csapágyhiba
karbantartási költség (B)
költségindex
összes várható költség = (A) + (B)
összes kockázati költség = (a)+(b)+(c)
üzemeltetési bevétel karbantartási lehetőség
(a) forgórészgörbülés kockázata haszon területe
(b) forgórészrezgés (c) kis axiális hézag
üzemidő
9. ábra Karbantartási intervallum optimálása forgórészgörbülésre Optimális karbantartási forgatókönyv fúvókaerózióra A fúvókaerózióra három forgatókönyv szerint készítettek esettanulmányt. Az 1. forgatókönyv szerint nincs javítás az alkatrész teljes élettartama során. A várható eredmény túlzott mértékű erózió és teljesítménycsökkenés, kis megbízhatóság, nagy kockázat. A 2. forgatókönyv ismételt javításokat feltételez az alkatrész élettartama során és alkatrészcseréket, előre tervezett megelőző javítási műveletekkel. Mivel a javítási költség viszonylag alacsony ebben az esetben, a kockázati költség és a
megelőzés halmozott költsége alacsony szinten marad. A 3. forgatókönyv szerint korai hibajavítást feltételeztek, és a feljavított fúvóka hosszú időn át való használatát. Nagyobb költség merül fel a korai periódusban, de viszonylag lassabb az összköltség növekedése hosszú távon. Összeállította: Korényi János Irodalom Kazunari Fujiyama; Satoshi Nagai: Risk-based inspection and maintenance systems for steam turbines. = International Journal of Pressure Vessels and Piping, 81. k. 10/11. sz. 2004. p. 825–835. Akira Takakusagi; Jang-Yeul Sohn: Development of an optimal preventive maintenance model based on the reliability assessment for air-conditioning facilities in office buildings. = Building and Environment, 39. k. 10. sz. 2004. p. 1141–1156. Duthie, J. C.; Robertson, M. I.: Risk-based approach to ageing and maintenance management. = Nuclear Engineering and Design, 184. k. 1. sz. 1998. aug. p. 27–38.
