Презентация. Внешние факторы отказов технических систем техносферы

Скачать презентацию




Лекция 2 Внешние факторы отказов технических систем техносферы
 


Вопросы 1. Классификация внешних воздействующих факторов. 2. Воздействие внешних факторов на технические системы техносферы. 3. Старение материалов. 4. Факторы нагрузки.
 


Вопрос №1 Классификация внешних воздействующих факторов.
 


В зависимости от условий эксплуатации изменяются показатели надежности и безотказности системы. Отказы технических устройств по их физической природе определяются: типом материала; местом протекания процесса; видом энергии, определяющей характер процесса; эксплуатационным воздействием; внутренним механизмом процесса.
 


С позиций энергоэнтропийной концепции опасности следует выделить три источника воздействия: - действие энергии окружающей среды, включая человека, выполняющего функции оператора или технического персонала; - внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в системе, так и с работой отдельных частей системы; - потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и элементах системы в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).
 


Различные виды энергии вызывают в элементах системы процессы, связанные со сложными физико-химическими явлениями, приводящими к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров системы и отказ.
 


Отказы в технических системах и развитие аварии могут происходить и по причине внешних воздействий, не связанных с производственными процессами. Внешние воздействия, связанные с: - автомобильным и железнодорожным транспортом; - работой станций по заправке горючим; - работой соседних предприятий, в особенности тех, которые используют легковоспламеняющиеся или взрывоопасные вещества; - механическими ударами.
 


Ошибки, совершаемые персоналом, так же разнообразны, как и конкретные производственные функции. Наиболее часто встречаются следующие ошибки: - ошибки обнаружения; - ошибки в оценке ситуации и принятии решения; - ошибки выполнения действия (последовательности, пропуск, включение лишнего, нарушение правил); - ошибки в ориентации (недостаток информации, избыток информации); - ошибки связи.
 


В зависимости от характера воздействий на изделия внешние воздействующие факторы (ВВФ) делят на семь классов: механические, кинематические биологические, радиационные, ВВФ электромагнитных полей, ВВФ специальных сред, термические. Каждый класс в зависимости от физической, биологической или химической сущности явлений, лежащих в основе ВВФ, делят на группы, а каждую группу - на виды, с соответствующими характеристиками.
 


Для элементов технических систем, расположенных на земной поверхности, определяющими и дестабилизирующими внешними факторами являются климатические: -атмосферное давления, - температура, - влажность, - осадки (дождь, снег, град), - пыль, песок, - солнечное излучение, -потоки воздуха.
 


Вопрос № 2 Воздействие внешних факторов на технические системы техносферы
 


Воздействие климатических факторов вызывает определенного вида отказы, возникающих в результате случайных перегрузок, несовершенства структурной схемы машины и др. Ухудшение эксплуатационных свойств материалов и условий работы механизмов машин вызывает пусковые и нагрузочные отказы и ускоряет появление внезапных и постепенных отказов.
 


При оценке показателей надежности технических изделий, входящих в системы, необходимы данные об изменениях температуры окружающего воздуха во времени. Характер изменения температуры во времени описывается случайным процессом: T (t ) =T (t ) + ?(t), где: T - средняя температура, соответствующая времени t, С; t - время; ?(t) - случайная составляющая температуры, соответствующая времени t, °С.
 


При резком изменении температуры воздуха происходит неравномерное охлаждение или нагрев материала, что вызывает дополнительные напряжения в нем. Наибольшие напряжения возникают при резком охлаждении деталей. Относительное удлинение или сжатие отдельных слоев материала определяется зависимостью: ?t = ?t (t2 – t1 ), где: ?t - коэффициент линейного расширения; t1 - температура в первом слое; t2 - температура во втором слое; t2 = t1 + (?t / ?l )?l ; l - расстояние между слоями.
 


Характер неблагоприятного влияния влажности воздуха на материал зависит от процентного содержания влаги в воздухе. При большом содержании влаги в воздухе (более 90 %) она снижает служебные свойства материалов, проникая внутрь этих материалов или образуя на их поверхности пленки жидкости. При малом содержании влаги в воздухе (ниже 50 %), влага, содержащаяся в материалах, испаряется в воздух, что также изменяет свойства материалов: они становятся хрупкими, в них появляются трещины.
 


Наиболее активно влагу из воздуха поглощают гигроскопические материалы. Внутрь материала влага может проникать при поглощении ее материалом (капиллярная конденсация) или проникновением в структуру полимера (в межмолекулярные промежутки), а также через трещины и крупные поры в материале.
 


Насыщение влагой таких материалов, как резина и некоторых других, происходит путем осмоса. При осаждении влаги на металлические поверхности создаются благоприятные условия для атмосферной коррозии металлов. Этот вид коррозии является наиболее распространенным, и на его долю приходится около половины общих потерь металла от коррозии.
 


При повышении влажности воздуха увеличивается толщина пленки влаги на поверхности металла, которая определяет виды атмосферной коррозии.
 


Сухая коррозия происходит при отсутствии пленки влаги на поверхности металла. При влажной коррозии скорость коррозии резко повышается. При мокрой коррозии толщина пленки влаги наибольшая (при 100 % влажности воздуха). Снижение скорости коррозии в этом случае объясняется затруднительностью диффузии кислорода воздуха через толстую пленку влаги. И вариант погружения металла в жидкость.
 


Наибольшее влияние атмосферное давление оказывает на конструкционные материалы систем, используемых при работе в высокогорных условиях. С ростом высоты снижается электрическая прочность воздуха. При значительном уменьшении атмосферного давления воздуха уменьшается напряжение пробоя воздушного промежутка между проводниками. Вероятность пробоя увеличивается на 30 % при снижении давления с 1013 до 709 гПа (с 1 до 0,7 атм.), что отвечает подъему на высоту около 3000 м над уровнем моря. Пониженное давление также влияет на полупроводники, вызывая ухудшение теплоотдачи и уменьшение пробивного напряжения.
 


На технические изделия, расположенные вне помещений, действует ветер и гололед. При обледенении увеличивается размер и масса изделий, что приводит к возрастанию действующих на них аэродинамических и физических нагрузок. Кроме того, гололед и гололедица, действуя на влажные гигроскопические материалы, вызывают образование частичек льда в порах, что снижает электрическое сопротивление этих материалов.
 


Как следствие песчаных бурь, в воздухе периодически содержится значительное количество песка. Перемещаясь в воздухе, частицы диаметром 0,1—2000 мкм при контакте с открытыми поверхностями материалов, при попадании в смазочные материалы оказывают на них истирающее воздействие. Твердые частицы пыли и песка способны многократно увеличивать скорости абразивного изнашивания контактирующих поверхностей.
 


Существенное влияние на конструкционные материалы оказывают содержащиеся в атмосфере коррозионные агенты. Основными повреждающими веществами являются: катион водорода Н+, диоксид серы, оксиды азота, формальдегид, озон, пероксид водорода.
 


Большое воздействие на конструкционные материалы оказывают биологические факторы. Наиболее опасными являются плесневые грибы, споры которых находятся в воздухе.
 


Вопрос №3 Старение материалов.
 


Старение материалов обусловлено в основном рекристаллизацией материалов, химическими реакциями, коррозионными процессами которые, вызывают изменение начальных свойств материалов. Эти изменения могут привести к повреждению элемента и к опасности возникновения критического отказа системы. Старение материалов вызывает снижение значений их характеристик во времени.
 


Для расчета надежности необходимо знать скорость протекания процесса повреждения f(g) или степень данного повреждения U(t) в функции времени. dU / dt = f (U ), Такие зависимости могут быть получены на основе рассмотрения физики процесса или экспериментальным путем.
 


Основные виды старения: Механическое старение металлов в основном связано с диффузией атомов металла. Особое значение имеет старение стали. Магнитное старение приводит к постепенному изменению магнитных свойств под действием переменных магнитных полей, температурных перепадов, вибрации и иных факторов. Старение полимеров - это деструкция макромолекул (либо, наоборот, их сшивание) под действием тепла, излучений, воды, воздуха и других факторов.
 


Процесс старения, проявляются при эксплуатации систем как случайный процесс. Это связано с двумя основными причинами. Во-первых, начальные свойства материала и параметры элемента имеют рассеяние, так как являются продуктом некоторого технологического процесса, который может функционировать лишь с определенной точностью и стабильностью. Во-вторых, стохастическая природа процесса старения связана с широкой вариацией режимов работы и условий эксплуатации. В результате зависимости, описывающие процессы старения, становятся функциями случайных аргументов - нагрузок, скоростей, температур и т. п.
 


Вопрос №4 Факторы нагрузки
 


Механическая энергия приводит к изнашиванию и искажению первоначальной формы элементов, и при достижении определенных отклонений от первоначальных значений возникает отказ.
 


К причинам механических повреждений элементов и систем в целом относятся: - конструкции, не обеспечивающие их целостность при перепадах внутреннего давления, действии внешних сил, коррозии, изменении температуры, знакопеременных нагрузках; - механические поломки вследствие коррозии и ударов;
 


- поломки таких узлов, как насосы и компрессоры, вентиляторы; - неисправности в системе контроля (датчики давления и температуры, индикаторы уровня, приборы управления и т. д.); - неисправности в системе безопасности (предохранительные клапаны, системы сброса давления, системы нейтрализации и т. д.); - нарушение сварных швов и соединительных фланцев.
 


Параметром, определяющим степень нагрузки составляющих систему элементов, зависящей от его режима работы, является коэффициент нагрузки, представляющий собой отношение рабочей нагрузки (Ар), действующей на элемент, к номинальному значению нагрузки (Ан), обусловленному нормативами (техническими условиями): Кн = Ар /Ан. Расчеты значений Кн для элементов различных систем не всегда просты, и в ряде случаев необходимы экспериментальные исследования.
 


Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата (загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем, при разрушении стенок, к полному выходу из строя системы.
 


В радиоэлектронной и электрической аппаратуре в различных режимахее работы может изменяться электрическая нагрузка на составные элементы, в связи с чем (при прочих равных условиях эксплуатации) меняется значение интенсивности их отказов.
 

< <       > >