3. Оценка надёжности и долговечности бурового оборудования

Основная цель разработки конструкции заключается в обеспечении выполнения заданных функций при достижении оптимального уровня эксплуатационной надежности, минимальных затратах и наибольшей эффективности [4]. Надежность — одна из основных проблем при современном развитии техники и применении сложных систем.

Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может вклю- чать безотказность, долговечноеть, ремонтопригодность. Она характеризуется частотой отказов, длительностью бесперебойной работы между отказами, закономерностью из менения частоты отказов за период службы, степенью тяжести отказов, объемом, стоимостью и длительностью работ, необходимых для устранения отказов.

Наука о надежности — прикладная научная дисциплина, изучающая закономерности появления отказов и, разрабатывающая методы расчета, прогнозирования отказов и обеспечения безотказности работы этих устройств. Наука о надежности базируется на теории вероятностей, математической статистике и на тех разделах математики, на которые опирается теория вероятностей.

Наука о надежности решает следующие задачи:

• устанавливает количественные характеристики технических устройств и методы выбора норм показателей надежности;

• разрабатывает методы расчета показателей надежности объектов во времени (прогнозирование надежности);

• изучает физику отказов;

• определяет связь между показателями надежности, экономичности и эффективности;

• разрабатывает методы испытания на надежность;

• обосновывает рекомендации по повышению расчетно-конструкторской, производственной и эксплуатационной надежности.

Эта наука занимается определением технически и экономически целесообразной долговечности; разработкой методов изучения условий и режимов эксплуатации машин и оборудования и влияния их на долговечность последних; диагностикой разрушения и накопления усталости; изучением влияния долговечности комплексов и отдельных механизмов, агрегатов и деталей; разработкой методов стендовых и промысловых испытаний на долговечность и прогнозированием эксплуатационной надежности; определением показателей, обеспечивающих повышение качества изготовляемых машин.

3.1 Виды отказов

Объект — это система или элемент, характеризующийся определенными показателями надежности. Системой называется совокупность элементов, объединенных общим функциональным назначением. Надежность системы определяется надежностью элементов и характером их взаимодействия.

Качество объекта — совокупность свойств продукции, обусловливающая способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Качество объекта характеризуется эксплуатационными и потребительскими свойствами, надежностью и долговечностью, технологичностью производства, безопасностью работы, эстетическими и эргономическими показателями, степенью стандартизации и унификации. При этом подразумевается, что свойства объекта, определяющие его качество, могут при эксплуатации изменяться со временем.

Эксплуатация объекта — Совокупность всех фаз его существования (транспортировка, монтаж и демонтаж, подготовка к использованию по назначению, работа, обслуживание и ремонт.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. В зависимости от важности функций, выполняемых элементами, отказы различных элементов по-разному влияют на работоспособность всей системы. Одни отказы влекут за собой полную остановку системы, другие приводят только к снижению эффективности ее работы.

Отказы бурового оборудования можно подразделить на:

систематические отказы элементов, долговечность которых во много раз меньше, чем долговечность самого объекта, например отказ поршней, клапанов или сальников штока бурового насоса, отказы вследствие износа канатов, тормозных колодок лебедок, сальников вертлюгов, требующих периодической замены или ремонта; устраняются обычно на буровой силами бригады;

п о л н ы й о т к а з — нарушение работоспособного состояния объекта в целом, требующее длительной остановки бурения и смены агрегата или сложного его ремонта;

ч а с т и чи ы й о т к аз - отказ, после возникновения которого объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью, например отказ одного из ДВС в групповом силовом приводе буровой установки и проведение спуско-подъема при меньших скоростях или отказ одного из насосов и ведение бурения при пониженных режимах;

внезапный отказ—характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта;

постепенный отказ—характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров, например снижение мощности и крутящего момента ДВС вследствие износа;

конструктивный отказ—вследствие нарушения установленных правил или норм конструирования;

производственный отказ—в результате нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта;

эксплуатационный отказ—вследствие нарушения установленных правил или условий эксплуатации объекта, например несвоевременная регулировка натяжения клиновьтх ремней или цепной передачи трансмиссии.

Причинами отказов при нормальной эксплуатации могут быть дефекты, допущенные при конструировании, Производстве и ремонтах, а также в результате естественных процессов изнашивания и старения. дефекты могут проявляться как неисправности.

Неисправностью называется состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией. Понятия дефект и неисправность не тождественны. Объект может иметь скрытый дефект, который не обязательно приведет к неисправности.

Повреждение — событие, заключающееся в нарушении исправности объекта или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, которые превышают уровни, установленные в нормативно-технической документации на объект.

Степень влияния на отказы различных факторов и прогнозирование отказов элементов машин и всей системы являются узловой проблемой науки о надежности.

Безотказностью называется свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки в определенных условиях эксплуатации.

В науке о надежности наряду с безотказностью рассматривают также долговечность объекта.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Наработка — продолжительность, объем работы объекта. Наработка на отказ характеризует долговечность объекта; под ней подразумевается отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Предельное состояние объекта — это состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена вследствие неустранимого нарушения требований безопасности или необратимого отклонения заданных параметров от уставовленных пределов, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения капитального ремонта.

Ремонтопригодностью объекта называется его приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий пу- тем проведения ремонтов и технического обслуживания, кото- рые характеризуются затратами труда, времени и средств.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранят исправное и работоспособное состояние в течение хранения и после транспортирования.

Современное оборудование для бурения глубоких скважин является весьма сложной системой, высокая эффективность работы которой может быть достигнута только при гарантированных сроках службы и безопасности, обеспечиваемых надежностью. Поэтому, проектируя буровую установку или ее агрегаты, конструктор должен оценить их надежность и вероятность отказа. При этом он сталкивается с двумя задачами: спроектировать буровую установку с заданными характеристиками так, чтобы она и ее элементы выполняли все необходимые в процессе бурения функции и чтобы она обладала требуемой надежностью, т. е. ее элементы не отказывали в процессе эксплуатации. Установленные конструктором показатели надежности должны гарантировать безотказность эксплуатации объекта в пределах наработки.