• WSTĘP

1. Wprowadzenie w problematykę niezawodności i bezpieczeństwa

Na Ziemi pojawiły się kolejno:

• środowisko o właściwościach sprzyjających życiu w nim człowieka,

• człowiek,

• technika tworzona przez człowieka, ułatwiająca mu życie i przynosząca mu korzyści.

Te trzy elementy naszego świata, tzn. człowiek (C), technika (T) i środowisko (0), są ze sobą silnie powiązane, a ich stan zależy w dużym stopniu od jakości oddziaływań między nimi. Pod wpływem tych oddziaływań lub pod wpływem złożonych zjawisk zewnętrznych, zachodzących w C, T i 0, może dochodzić do zdarzeń niepożądanych, które mogą przynosić straty życia ludzi, straty ekonomiczne i inne. Takimi zdarzeniami w przypadku środowiska są na przykład huragany, trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów i inne kataklizmy przyrodnicze. W przypadku techniki są to wszelkiego rodzaju niesprawności i uszkodzenia, w przypadku człowieka zaś - różne formy utraty jego wydolności fizycznej, a częściej - popełniane przez niego błędy. Zdarzenia te nie są wzajemnie niezależne. Tak na przykład błąd człowieka może być przyczyną pojawienia się uszkodzenia obiektu technicznego, a to zdarzenie może z kolei prowadzić do uszkodzenia środowiska wskutek jego skażenia. Takie łańcuchy wtórnych niepożądanych zdarzeń mogą prowadzić do dużych awarii i katastrof.

Z powodu tych i innych oddziaływań między C, T i O przyjmuje się, że tworzą one system człowiek - technika - środowisko (C-T-O). Zdarzenia niepożądane, powstające w ramach pierwszych dwóch elementów tego systemu, nazwijmy niesprawnościami. Naturalnym dążeniem człowieka jest tworzenie takiej techniki, by spełniała ona jego potrzeby bez niesprawności. W miarę rozwoju techniki coraz mniej wystarczająca w tym zakresie stawała się metoda prób i błędów. Z pomocą przyszła nauka o niezawodności.

Można wyróżnić trzy przyczyny powstania nauki o niezawodności:

• wzrost złożoności zadań wykonywanych przy wykorzystaniu techniki i wynikający z tego wzrost stopnia skomplikowania obiektów technicznych,

• wzrost ważności zadań wykonywanych przy użyciu techniki, a więc i wzrost strat powodowanych jej niesprawnościami oraz niesprawnościami człowieka,

• wzrost ingerencji techniki w życie człowieka, co oprócz korzyści może stwarzać zagrożenia i przynosić straty.

Celem nauki o niezawodności jest stworzenie teoretycznych podstaw umożliwiających opis praw powstawania niesprawności w systemach C-T-0 oraz poszukiwanie takich sposobów projektowania i tworzenia tych systemów i ich fragmentów oraz zasad ich funkcjonowania, by przy określonych nakładach możliwość występowania niesprawności była jak najmniejsza.

Nauka o niezawodności jest wykorzystywana główcie do ochrony jednego z elementów systemu C-T-0, mianowicie techniki, w celu podtrzymania funkcjonowania tego systemu. Rodzaje i rozmiary strat wywoływanych zdarzeniami niepożądanymi, w tym niesprawnościami, mogą być bardzo różne. Ponieważ dla człowieka znacznie bardziej dotkliwe są skutki zdarzeń niepożądanych niż sam fakt pojawienia się ich, powstała inna dyscyplina nauki, która zajęła się metodami mierzenia strat, metodami ich oceny i zapobiegania im. Tą dyscypliną jest nauka o ryzyku. Zajmuje się ona wszystkimi rodzajami strat, takimi jak: straty finansowe, straty dóbr kulturalnych, straty w środowisku, straty zdrowia i życia człowieka oraz inne. Nauka ta jest konsekwencją rozwoju nauki o niezawodności. Jednocześnie z nauką o ryzyku rozwinęła się nauka o ochronie środowiska, której celem jest zapobieganie stratom w środowisku lub ich zmniejszanie.

Zgodnie z powszechną opinią i z poglądami większości filozofów największą wartością w systemie C-T-0 jest życie człowieka, dlatego straty ludzkie - pojawiające się wskutek zdarzeń niepożądanych - są traktowane jako straty największe i nieporównywalne z innymi. Z tych powodów w latach osiemdziesiątych XX wieku z nauki o ryzyku zaczęła wyodrębniać się nauka o bezpieczeństwie. Nauka ta zajmuje się ochrom człowieka w systemie C-T-0, a więc tym, czym tamte dyscypliny nie zajmują się w sposób dostateczny.

U podstaw nauki o bezpieczeństwie i nauki o ryzyku leży nauka o niezawodności. Dlatego duża część niniejszego rozdziału jest poświęcona zagadnieniom niezawodności. W końcowych podrozdziałach przedstawione są problemy i metody nauki o ryzyku, a głównie nauki o bezpieczeństwie.

Ze względu na przeznaczenie tej książki główny nacisk w niniejszym rozdziale jest położony na zagadnienia niezawodności i bezpieczeństwa związane z obiektami mechanicznymi. Z tych samych powodów większość przytoczonych przykładów dotyczy również takich obiektów.

1. Pojęcia i miary niezawodności

1. Ogólny model procesu powstawania niesprawności obiektu

Jednym z podstawowych pojęć nauki o niezawodności jest niesprawność, przedstawiona już powyżej. W ogólnym przypadku będziemy używać terminu niesprawność obiektu, choć w zależności od celu rozważań pojęcie niesprawności można też wiązać z systemem człowiek - obiekt techniczny, z obiektem technicznym, z podzespołem tego obiektu, z elementem obiektu, z jego fragmentem, a także z samym człowiekiem (operatorem) lub z zorganizowanym zespołem ludzi wykonujących określone zadania itd. Będziemy rozróżniać obiekty niezłożone w sensie niezawodności i obiekty złożone w sensie niezawodności.

0biekt niezłożony - to taki, w którego strukturę z założenia nie wnika się. Przy takiej definicji obiektem niezłożonym może być zarówno niepodzielna część maszyny (np. koło zębate), złożony mechanizm (np. przekładnia zębata), jak i złożony zespół maszyn (np. śmigłowiec). Zależy to od celu rozważań.

Obiekt złożony - to taki, który ze względu na cel rozważań traktowany jest jako zorganizowany zbiór elementów składowych. Każdy taki element jest z założenia obiektem niezłożonym.

Według innej klasyfikacji będziemy wśród obiektów technicznych wyróżniać w szczególności elementy maszyn i maszyny.

Elementem maszyny nazywa się niepodzielną jej część, np. wirnik sprężarki silnika lotniczego, wałek sprężarki.

Maszyną nazywa się zorganizowany zbiór elementów przeznaczony do przetwarzania dostarczonej energii w pracę użyteczni lub w inną postać energii. Przykładami maszyn mogą być lotnicze silniki odrzutowe, obrabiarki, prądnice itd. Często w celu wykonania określonego zadania lub zbioru zadań tworzy się systemy maszyn, a więc zorganizowane zbiory różnorodnych maszyn (np. mechanicznych, energetycznych i innych). Przykładami takich systemów maszyn są samoloty, rakiety, roboty itd.

Z punktu widzenia niezawodności proces eksploatacji obiektu mechanicznego charakteryzuje trzy grupy czynników:

• zadanie ( funkcja) Za(t) przewidziane do wykonania przy użyciu tego obiektu,

• stan otoczenia Ot(t)

• sposób eksploatacji U(t).

Każdy z tych czynników może być określony za pomocy odpowiedniego zbioru elementów (cech) istotnych ze względu na niezawodność, a bezpośrednio - głównie ze względu na oddziaływania zewnętrzne.

Na przykład do zbioru elementów zadania Za(t), przewidzianego do wykonania przy użyciu dźwigów przeładunkowych, można zaliczyć m.in.: czasookresy pomiędzy kolejnymi użyciami dźwigów, masy i liczby przenoszonych ładunków itd.

Eksploatacja obiektu mechanicznego przebiega w określonych warunkach zewnętrznych nazywanych otoczeniem. Oddziaływania otoczenia na obiekt zależy od stanu otoczenia Ot(t). Elementami stanu otoczenia na przykład żurawia samojezdnego są:

• agresywność chemiczna środowiska,

• prędkość wiatru,

• temperatura powietrza,

• intensywność zapylenia i zapiaszczenia powietrza itd.

Oprócz otoczenia, na obiekt oddziałuje również człowiek, a ściślej - zespół ludzi sterujący jego eksploatacją. Grupa czynników, od których zależą te właśnie oddziaływania, to sposób eksploatacji U(t). Elementy sposobu eksploatacji w przypadku dźwigu przeładunkowego, to m.in.: czas przenoszenia ładunku, liczba i rodzaje ruchów wysięgnika przy przenoszeniu ładunku, błędy użytkowania (np. skośne ciągnięcie ładunku), okresy między odnowami profilaktycznymi elementów, jakość odnów itd. W ogólnym przypadku zadanie Za(t), stan otoczenia Ot(t) i sposób eksploatacji U(t) mogą być traktowane jako wielowymiarowe procesy losowe.

Wymienione czynniki (Za, Ot, U), charakteryzujące proces eksploatacji, decydują o wartościach różnego rodzaju tzw. oddziaływań zewnętrznych Ga(t). Oddziaływania te można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• oddziaływania otoczenia, głównie mechaniczne i chemiczne, (które mogą być opisywane za pomocy np. temperatury i ciśnienia powietrza, prędkości wiatru), zależne od Ot,

• oddziaływania robocze wynikające z czynności wykonywanych przez obiekt (np. obciążenie zewnętrzne), zależne od Za, Ot i U.

Ponieważ każda z wielkości Za, Ot i U zmienia się w czasie zwykle w sposób losowy, więc zbiór oddziaływań zewnętrznych Ga(t) jest również wielowymiarowym procesem losowym. Z rozważań tych wynika, że między Ga(t) oraz Za, Ot i U istnieje związek, który można przedstawić w sposób ogólny za pomocy relacji:

Ga(t) = g[Za(t), Ot(t), U(t)] (1.1)

Oddziaływania zewnętrzne Ga(t) są przyczyni pojawienia się pewnych zjawisk fizycznych, pod wpływem, których ulegają zmianom w czasie (na ogół niekorzystnym) m.in. te właściwości obiektu, od których zależy jego prawidłowe funkcjonowanie. W przypadku obiektów mechanicznych są to zwykle właściwości geometryczne (np. luz, wielkość trwałego odkształcenia elementu) i właściwości materiałowe (np. wytrzymałość doraźna, wytrzymałość zmęczeniowa) ich elementów. Zbiór wszystkich właściwości geometrycznych, materiałowych i innych obiektu technicznego, istotnych z punktu widzenia niezawodności, tzw. stan techniczny e(t) obiektu, może być traktowany jako wielowymiarowy proces losowy, ponieważ wiele z tych właściwości obiektu zmienia się w czasie jego eksploatacji w sposób losowy. Szybkość zmian stanu technicznego e(t) pod wpływem oddziaływań zewnętrznych zależy nie tylko od poziomu tych oddziaływań, ale także od wspomnianych właściwości obiektu w chwili początkowej t = 0, czyli od początkowego stanu technicznego e_o.

Stan techniczny e(t) obiektu w chwili t zależy więc:

• od czasu, jaki upłynął od początku eksploatacji,

• od przebiegu oddziaływań zewnętrznych w całym przedziale czasu od 0 do t,

• od początkowego stanu technicznego.

Ta ostatnia zależność występuje szczególnie wyraźnie w przypadku obiektów mechanicznych (np. zapas wytrzymałości zginanego wałka zależy od promienia zaokrąglenia odsadzenia). Każda składowa stanu technicznego (np. luz) jest, więc odpowiednim funkcjonałem, czyli:

e(t) = f [Ga(), e_o] (1.2)

dla 0 <  < t

Od stanu technicznego obiektu zależy bezpośrednio wartości przyjętych cech zdatności Z_ν(t), gdzie ν = 1, 2, . . . , n, a n jest liczbą tych cech. Cechy zdatności są to wielkości związane bezpośrednio ze stanem technicznym obiektu, nadające się do łatwego teoretycznego odwzorowywania zachodzących (w czasie) zmian zdolności obiektu do poprawnego funkcjonowania. Decydują więc one o tzw. stanie niezawodnościowym obiektu (zdatny, niezdatny). Cechami zdatności elementu obiektu mechanicznego mogą być np.: zapas uogólnionej wytrzymałości, skumulowane względne uszkodzenie zmęczeniowe, powierzchniowy ubytek materiału, luz. Każda z cech zdatności obiektu zależy nie tylko od stanu technicznego e(t) obiektu w chwili t, lecz także od poziomu oddziaływań zewnętrznych Ga(t) w tej chwili. Na przykład zapas uogólnionej wytrzymałości doraźnej przekroju elementu obiektu mechanicznego Z(t) = W(t) - O(t) zależy od uogólnionej wytrzymałości W (stanu technicznego) i od uogólnionego obciążenia O (oddziaływania zewnętrznego). Można więc te zależności ująć w sposób ogólny za pomoc relacji:

Z_ν(t) = ϕ_ν[e(t), Ga(t)] (1.3)

dla ν = 1, 2, ..., n

Wartości tych cech zdatności (Z_ν(t) oraz e(t)), jak wynika ze związków (1.2) i (1.3), zmieniają się w czasie eksploatacji obiektu wskutek występowania oddziaływań zewnętrznych. Są to zwykle zmiany niekorzystne polegające na zbliżaniu się wartości tych cech do przyjętych granicznych wartości Z_νd lub Z_νg ograniczających obszar zdatności Ωz.

Położenie granicy obszaru Ωz jest zwykle wyznaczane na podstawie kryteriów technicznych, ale w ogólnym przypadku także na podstawie kryteriów ekonomicznych (np. nieopłacalności dalszego użytkowania wskutek spadku wydajności obiektu spowodowanego zbyt dużym zużyciem jego elementów), społecznych (np. przepisów bezpieczeństwa) i innych.

Zbiór cech zdatności Z(t) jest wielowymiarowym procesem losowym, a więc każda z cech zmienia się w czasie w sposób losowy. Przykładowe przebiegi zmian w czasie realizacji mierzalnych cech zdatności przedstaw poglądowo rys. 1.1 i rys 1.2.

Rysunek 1.1 Przebieg zmian w czasie realizacji mierzalnej cechy zdatności. Stopniowe przejście do stanu niezdatności

Rysunek 1.2 Przebieg zmian w czasie realizacji mierzalnej cechy zdatności. Nagłe przejście do stanu niezdatności

Jeżeli stan wszystkich cech zdatności obiektu w danej chwili t należy do obszaru Ωz, to obiekt jest zdatny do poprawnego funkcjonowania, czyli znajduje się w stanie zdatności. W przypadku obiektów mechanicznych zachodzi to na ogół wtedy, kiedy są spełnione jednocześnie następujące relacje:

Z_νd ≤ Z_ν(t) ≤ Z_νg (1.4)

dla ν = 1, 2, . . . .,n

Na wiele cech zdatności obiektu mechanicznego mogą być nakładane tylko ograniczenia jednostronne, ale takie przypadki są zawarte w ogólnych, warunkach (1.4) ograniczających obszar Ωz.

Jeśli co najmniej jedna z cech zdatności Z_ν(t) obiektu wyjdzie wskutek zmian jego stanu technicznego e(t) poza obszar Ωz, to zdarzenie takie oznacza pojawienie się niesprawności. Czas T, jaki upłynął od początku eksploatacji do chwili pojawienia się niesprawności, jest zmienną losową, ponieważ każda z cech zdatności Z_ν(t) jest procesem losowym. Rozważania te można też odnieść do czasu funkcjonowania obiektu między kolejnymi niesprawnościami (rys. 1.3).

Przejście obiektu ze stanu zdatności do stanu niezdatności odbywa się w sposób stopniowy (rys. 1.1) lub nagły (rys. 1.2), w zależności od charakteru zmian cechy zdatności przed wystąpieniem niesprawności. Przykładem stopniowego przechodzenia do stanu niezdatności może być niesprawność wywołana nadmiernym wzrostem średnicy wewnętrznej panewki łożyska ślizgowego, natomiast przykładem nagłego przejścia do stanu niezdatności może być niesprawność spowodowana pojawieniem się nagłego przeciążenia elementu.

Wielu obiektom technicznym nie przywraca się stanu zdatności, gdy tę zdatność utracą. Obiekty takie nazywane są obiektami nieodnawialnymi. Do tej grupy obiektów należy większość elementów obiektów mechanicznych i innych obiektów technicznych (np. elektronicznych), ale również i skomplikowane systemy techniczne (np. rakiety, pociski, niektóre bezzałogowe statki kosmiczne). Obiektom takim nie przywraca się stanu zdatności albo dlatego, że jest to niemożliwe ze względów technicznych, albo dlatego, że jest to nieopłacalne.

Jednakże większość obiektów technicznych należy do grupy obiektów odnawialnych, tzn. takich, którym po wystąpieniu niesprawności przywraca się stan zdatności. Przywracanie stanu zdatności nazywa się ogólnie odnową i może się odbywać na drodze naprawy niesprawnego elementu, wymiany niesprawnego elementu lub zespołu, regulacji itd. Czas przebywania w stanie niezdatności jest nazywany czasem odnawiania. Składa się on z czasu oczekiwania na usunięcie niesprawności i z czasu usuwania niesprawności. Czas odnawiania, podobnie jak czas poprawnej pracy (czas przebywania w stanie zdatności), może być traktowany jako zmienna losowa. Na rysunku 1.3 jest przedstawiony w sposób poglądowy przebieg procesu eksploatacji obiektu odnawianego.

Rysunek 1.3 Rys. 4.3. Przebieg procesu eksploatacji obiektu w przypadku obiektów odnawianych (a) i nie odnawianych (b) po wystąpieniu niesprawności

Na rysunku 1.3 wprowadzono następujące oznaczenia oznaczenia:

• t_i - chwila wystąpienia i-tej niesprawności;

• _i - czas funkcjonowania między niesprawnościami o numerach (i - 1) oraz i;

• υi - czas trwania zabiegu odnowy po wystąpieniu i-tej niesprawności;

• t_rw - trwałość obiektu;

• t_z - czas trwania zadania.

Na rysunku 1.3a przedstawiono proces przeplatania się czasów funkcjonowania i czasów odnawiania obiektu, podczas których obiekt jest w stanie zdatności lub w stanie niezdatności do funkcjonowania. Te dwa stany określają. tzw. stan niezawodnościowy obiektu.

Należy dodać, że przedstawiony na rys. 1.3 proces eksploatacji obiektu dotyczy przypadku odnowy nie planowanej, przeprowadzanej po wystąpieniu niesprawności w celu przywrócenia stanu zdatności obiektu. Drugi rodzaj odnowy to odnowa planowa, czyli profilaktyczna lub prewencyjna Przeprowadza się ją na tyle wcześnie, by uprzedzić niesprawność obiektu a tym samym zapobiec powstaniu dużych strat, jakie mogłaby wywołać niesprawność.

Obiekt może ulegać niesprawnościom fizycznym lub umownym.

Niesprawnościami fizycznymi nazywa się te, które natychmiast po ich zajściu uniemożliwiają jakiekolwiek funkcjonowanie obiektu. Są to głównie niesprawności występujące nagle, np. pęknięcie zbiornika, przerwanie przewodu elektrycznego, zasłabnięcie operatora.

Niesprawnościami umownymi nazywa się takie zmiany stanu obiektu które nie przerywają natychmiast jego funkcjonowania, ale jedynie wywołują:

• niedopuszczalny wzrost możliwości powstania poważnego uszkodzenia, powodującego duże straty (np. niesprawność układu zabezpieczenia w obiekcie),

• niedopuszczalne pogorszenie poprawności funkcjonowania obiektu, (np. spadek wydajności pompy).

Czas funkcjonowania oraz czas odnawiania są w nauce o niezawodności traktowane jako zmienne losowe.

Dokładne ustalenie położenia granicy obszaru zdatności Ωz, a więc podział całego zbioru stanów niezawodnościowych na podzbiór stanów zdatności i podzbiór stanów niezdatności, jest niezbędne przed przystąpieniem do jakichkolwiek badań niezawodnościowych. Zależy od tego budowa niezawodnościowego modelu obiektu, np. model struktury niezawodnościowej obiektu złożonego, a także wyniki badań takiego modelu.

Stosowane są różne kryteria niesprawności, a więc i definicji tego pojęcia jest wiele. Jedna z nich może być ogólnie sformułowana następująco:

Niesprawność obiektu jest to każde zdarzenie, wynikające ze zmiany jego stanu i uniemożliwiające fizycznie lub umownie spełnianie przewidzianych dla niego funkcji.

W odniesieniu do konkretnego obiektu definicję tę można uściślić przez podanie kryteriów niesprawności, czyli objawów pogorszenia stanu technicznego.

Często używa się terminu uszkodzenie, traktując go jako synonim nazwy "niesprawność". Czasami przyjmuje się jednak, że uszkodzenie to taka niesprawność, która uniemożliwia fizycznie funkcjonowanie obiektu. W tych przypadkach uszkodzenie jest pojęciem węższym niż pojęcie niesprawności. W dalszym tekście będzie używany termin niesprawność.

Rozległa niesprawność (uszkodzenie), których usunięcie wymaga dużych nakładów, jest zwykle nazywana awarią. W przypadku wielu obiektów awarie stwarzają również duże zagrożenie powstawania strat istotnych ze względu na bezpieczeństwo.

Trwałość obiektu jest to czas upływający od początku eksploatacji do ostatniej niesprawności, po której wystąpieniu nie przywraca się obiektowi stanu zdatności albo dlatego, że jest to niemożliwe ze względów technicznych, albo dlatego, że jest to nieopłacalne.

Występująca na rys. 1.3b wielkość t_z jest czasem trwania zadania, np. przelotu samolotu lub rakiety, lotu bezzałogowego statku kosmicznego, akcji ratowniczej. W pewnych przypadkach jest to czas między zabiegami odnowy profilaktycznej, uprzedzającymi powstanie niesprawności (np. w przypadku elementu obiektu).

Przedstawione definicje podstawowych pojęć nie są oczywiście jedynymi możliwymi ich sformułowaniami. W piśmiennictwie można spotkać również inne definicje tych samych pojęć, różnice się w pewnym stopniu nawet merytorycznie. Jest to typowe w nauce, zwłaszcza przy definiowaniu pojęć i terminów w dużej mierze umownych. Nie przeszkadza to w formułowaniu i przedstawianiu najistotniejszych treści naukowych, a definicje są potrzebne tylko po to, by można było właściwie interpretować wyniki badań i wyciągać właściwe wnioski.

1. Cel pracy

Praca ma na celu określenie niezawodności wybranych systemów siłowni okrętowej statku m/v „Martin P.”, w czasie sześciomiesięcznej obserwacji tychże systemów. Zrealizowanie powyższego celu wymagało wykonania następujących posunięć:

• Opisania poszczególnych instalacji obsługujących siłownię, takich jak:

• instalacji wody chłodzącej (morskiej i słodkiej)

• instalacji oleju smarnego

• instalacji paliwowej

• instalacji parowej

• instalacji sprężonego powietrza

• przedstawienie w postaci grafów przepływów strumieni czynników energetycznych analizowanych instalacji, z uwzględnieniem uszkodzonych elementów

• wykonanie charakterystyk niezawodnościowych dla poszczególnych instalacji

w pracy przedstawiono następujące charakterystyki niezawodnościowe:

• funkcję zawodności,

• funkcję niezawodności,

• funkcję gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji,

• funkcję intensywności uszkodzeń,

• funkcje wiodące uszkodzeń.

1. Opis analizowanego obiektu

1. Dane statku

• Rodzaj statku - masowiec

• Armator - Nanice Schiffahrts AG

• Port macierzysty - Basel

• Sygnał wywoławczy - HBHF nr rejestru 133

• Wybudowany w SEDEF GEMI Endustrisi A.S., Gebze, Asmet w 1985r.

• Instytucja klasyfikacyjna - American Bureau of Shipping

Statek jest przeznaczony do przewozu różnego rodzaju towarów, począwszy na masowych skończywszy na kontenerach. Jest to statek jednośrubowy, jednopokładowy statek motorowy. Siłownia i nadbudówka znajdują się na rufie Statek posiada dziobówkę i rufówkę, dno podwójne oraz dwie ładownie do których dostęp zapewniają otwierane pokrywy. Statek wyposażony jest we własne urządzenia przeładunkowe.

1. Główne wymiary i pojemności statku

• długość całkowita - 106 m.

• szerokość - 16,6 m.

• wysokość boczna - m.

• zanurzenie letnie - 6,892 m.

• Wolna burta letnia - 1,741 m

• Pojemność brutto - 4294,16 t

• Pojemność netto - 2894,16 t

• nośność - 6328 t

1. Napęd główny

HANSHIN EL 44 jest czterosuwowym, sześciocylindrowym, nienawrotnym, średnioobrotowym silnikiem wysokoprężnym jednostronnego działania, który współpracuje ze śrubą nastawną oraz prądnicą wałową. Sprężarką doładowującą silnik jest sprężarka BROWN BOVERI VTR 401 - 2. silnik przystosowany jest do pracy na paliwie ciężkim, lecz rozruch, zatrzymywanie oraz manewry odbywały się na paliwie lekkim.

Silnik pracując z prędkością obrotowa 220 obr./min. rozwijał moc 4000 koni mechanicznych. Pozwalało to uzyskać maksymalną prędkość 13,5 węzła przy zużyciu paliwa wynoszącym 15,8 tony dziennie. Natomiast przy prędkości kontraktowej wynoszącej 11 węzłów zużycie paliwa wynosiło 11 ton dziennie. Paliwa, którymi opalany jest silnik to:

• ISO - F RME 25

• ISO - F DMA

Wszystkie łożyska i części ruchowe silnika podłączone są do ciśnieniowego układu smarowania. Cylindry, tłoki głowice, turbosprężarka i zawory wtryskowe chłodzone są wodą słodką. Chłodnica powietrza doładowującego chłodzona jest wodą morską.

Pompy wtryskowe umieszczone są po przeciwległej stronie do wydechu. Ich wspólny wał rozrządu napędzany jest przez przekładnie zębatą.

Stanowisko manewrowe wyposażone jest we wszystkie potrzebne do ruchu i nadzoru urządzenia pomiarowe i nastawcze. Na wszystkich ważniejszych miejscach obiegu oleju i wody znajdują się urządzenia kontrolne

1. Silniki pomocnicze

Na statku znajdują się cztery zespoły prądotwórcze:

• dwa zespoły prądotwórcze napędzane silnikami spalinowymi MAN 2540 MTE o mocy 220 kW przy prędkości obrotowej 1500 obr/min. silniki te współpracowały z prądnicami MARKON B 604 F o mocy 220 kW, wytwarzającymi prąd zmienny o parametrach 3 x 380 V i częstotliwości 50 HZ. Agregaty zbudowane są w postaci zespołu silnik plus prądnica posadowionego na jednym fundamencie. Wszystkie prądnice są w zasadzie bezobsługowe, zaleca się tylko wymianę filtrów powietrza i smarowania łożysk co 7500 godzin pracy.

• prądnica wałowa - MARKON MB 604 G o mocy 280 kW, wytwarzająca prąd zmienny o parametrach 3 x 380 V i częstotliwości 50 HZ. Prądnica wałowa napędzana jest od silnika głównego przekładnią multiplikacyjną. Połączenie przekładni z silnikiem, jak i przekładni z prądnicą wykonane jest za pomocą sprzęgła elastycznego, co zapobiega przenoszeniu drgań. Prądnica wyposażona jest w prostoliniowy układ regulacji wzbudzenia. Prądnica wzbudza się samoczynnie wraz ze startem silnika. Podzas nabierania obrotów rośnie napięcie na zaciskach prądnicy aż do osiągnięcia 380 V po osiągnięciu pełnych obrotów.

• agregat awaryjny napędzany silnikiem spalinowym MAN D0226 ME o mocy 50kW przy 1500 obr/min. silnik ten wspólpracował z prądnicą MARKON MB 414 A o mocy 51 kW, wytwarzająca prąd zmienny o parametrach 3 x 380 V i częstotliwości 50 HZ. Z silnikiem awaryjnego agregatu sprzęgnięta jest także awaryjna pompa pożarowa DESMI S - 80 - 70 - 220.

1. Kotły

Siłownia statku wyposażona była w dwa kotły wytwarzające parę:

• Kocioł opalany MIURA VWS - 800 E

• Kocioł utylizacyjny MIURA KS - 49 - 1

Kocioł opalany jest pionowym kotłem wodnorurkowym produkującym parę nasyconą. Składa się z 2 walczaków ustawionych pionowo jeden nad drugim i połączonych ze sobą opłomkami. Dostęp do wnętrza kotła umożliwiają włazy, dwa w walczaku dolnym, jeden w walczaku górnym. Woda zasilająca wpływa do walczaka górnego przez rurę dziurkowaną poniżej roboczego poziomu wody. Dopływ wody regulowany jest sondami pojemnościowymi. Gdy poziom wody nadmiernie się obniży, system automatyki wyłączy palnik i zadziała sygnalizacja. Na górnym dnie kotła są 2 zawory bezpieczeństwa, główny zawór parowy, oraz zawory kątowe do: podłączenia manometrów, odpowietrzenia, podłączenia presostatów sterujących palnikiem. Kocioł pokryty jest izolacją cieplną.

Dane techniczne:

• powierzchnia ogrzewalna - 9,61 m²

• - ciśnienie robocze - 0,8 MPa

• ciśnienie próbne - 1,2 Mpa

• wydajność kotła - 800 kg/h

• objętość komory spalania - 0,68 m³

• pojemność wodna -0,337 m³

• masa całkowita - 3000 kg

Kocioł utylizacyjny jest kotłem parowym o wymuszonym obiegu wody. Wytwarza parę nasyconą o ciśnieniu roboczym p= 0.6 Mpa. Do podgrzania i odparowania wody wykorzystuje się ciepło spalin silnika głównego. Woda zasilająca pobierana jest z dolnego walczaka kotła opalanego, z którego napływa do pompy obiegowej a ta przetłacza ją przez powierzchnię ogrzewalną. Wytwarzana tam mieszanka parowo-wodna dopływa do walczaka górnego kotła opalanego gdzie następuje jej separacja. Pobór pary odbywa się przez główny zawór parowy znajdujący się na kotle. Odwodnienie z zaworu bezpieczeństwa, odpowietrzenie z walczaka i komór rozdzielczych, przedmuchiwanie wodowskazów odprowadzane są do zęz. Powierzchnie ogrzewalne czyszczone są przez zdmuchiwanie sadzy.

Dane techniczne:

• typ - wężownicowy z wymuszonym obiegiem wody

• ciśnienie robocze - 0,8 Mpa

• ciśnienie próbne - 1,2 Mpa

• powierzchnia ogrzewalna - 190 m²

• pojemność wodna całkowita - 2,25 m³

1. Wirówki

Siłownia statku wyposażona jest w cztery, jednakowego typu wirówki - MITSUBISHI SELFJESTOR 3000. Dwie wirowki przeznaczone są do wirowania paliwa ciężkiego, jedna do wirowania oleju smarnego oraz jedna do wirowania paliwa lekkiego. Wirówka paliwa lekkiego jest wirówką rezerwową wirówki oleju smarnego.

2. Wyparownik

Na statku zainstalowano wyparownik SASAKURA ATLAS typu AFGU S21. Jest to wyparownik podciśnieniowy produkujący wodę słodką z wody morskiej. Do tego celu wykorzystywane jest ciepło wody chłodzącej silnik główny, która jest doprowadzana do baterii wrzenia. Wyparownik ten składa się z: baterii wrzenia, korpusu, skraplacza, agregatu pompy ejektorowej, agregatu pompy destylatu, ejektora próżniowego i ejektora solankowego.

3. Śruba nastawna

Instalacja śruby nastawnej zamontowanej na statku składa się z następujących głównych zespołów

• śruba napędowa nastawna

Składa się ona z piasty, mechanizmu wewnętrznego, zamocowanych do niego skrzydeł. Wszystkie elementy stykające się z wodą morską wykonane są z metali odpornych na jej działanie. Przed korozją elektrochemiczną chronią je zabezpieczenia anodowe.

Mechanizm wewnętrzny składa się z: drąga prowadzącego przenoszącego ruch posuwisto-zwrotny tłoka, cylindra siłowego, poprzez zespół prowadzący na tarcze korbowe, które zamieniają ten ruch na ruch obrotowy skrzydeł. Skrzydła posiadają możliwość ustawienia w dowolnym punkcie zakresu od położenia konstrukcyjnego skoku „NAPRZUD” przez skok „zerowy” do pełnego skoku „WSTECZ” .Mechanizm wewnętrzny smarowany jest olejem znajdującym się w piaście. Śruba jest prawoskrętna, cztreoskrzydłowa, o skoku maksymalnym 2040 mm, i średnicy 3400 mm.

• zespół wału śrubowego

Ułożyskowany jest on w łożysku rufowym z tulejami łożyskowymi wylanymi stopem łożyskowym. Łożysko rufowe smarowane jest z odrębnej instalacji olejowej. Wał śrubowy posiada na całej długości drążony centrycznie otwór, w którym prowadzony jest trzon przekazujący napęd do płatów śruby, jest on odpowiedzialny za wychylanie płatów śruby. Kołnierz wału śrubowego chroniony jest przed ( korozją ) wodą morską przez osłonę połączoną z tylnym uszczelnieniem łożyska rufowego. Do kołnierza mocowana jest piasta za pomocą śrub mocujących.

• mechanizm zmiany skoku

Skrzynia mechanizmu zmiany skoku jest konstrukcją spawaną, ułożyskowana jest w 2 łożyskach ślizgowych na wale rozrządu oleju, który jest jednocześnie wałem pośrednim linii wałów. Zawiera ona zawór suwakowy, umieszczony w korpusie rozrządu oleju, blok zaworowy, zawór redukcyjny olejowy, wzmacniacz strumieniowy, wraz z dzwignią wzmacniacza dźwignią sprzężenia zwrotnego oraz dzwignią do ręcznego sterowani skokiem śruby. Zadaniem mechanizmu zmiany skoku jest dostarczenie oleju hydraulicznego do siłownika zmiany skoku śruby oraz utrzymanie stałej wartości skoku śruby na zadanej przez dzwignią sterowniczą wielkości. W razie konieczności można ustalić awaryjnie skok śruby w pozycję „CAŁA NAPRZUD ” przy pomocy odpowiedniego urządzenia w wale rozrządu oleju. Z mechanizmu zmiany skoku połączone są ściśle: układ olejowy i układ zdalnego sterowania.

• układ oleju siłowego

Instalacja śruby nastawnej posiada oddzielny zbiornik o dużej pojemności zależnej od wielkości śruby, umieszczony poniżej mechanizmu zmiany skoku. Ze zbiornika olej poprzez filtr zasysany jest przez agregat pompowy główny lub rezerwowy i tłoczony dalej do bloku zaworowego i do rozrządu olejowego mieszczących się w mechanizmie zmiany skoku. Rurociągi spływu oleju siłowego ze skrzyni mechanizmu zmiany skoku wraz z chłodnicą znajdują się na zewnątrz.

• układ oleju smarnego

W układzie smarowania znajduje się zbiornik grawitacyjny oraz uzupełniający poziom oleju w zbiorniku agregatu pompowego. Agregat pompowy służy także dotłaczania oleju w mechanizm awaryjnego przesterowania, oraz smarowania tylnego łożyska skrzyni mechanizmu zmiany skoku a także przez odpowiednie otwory w wale pośrednim i śrubowym mechanizmu wew. piasty śruby. W przypadku awarii układu oleju smarnego spływający z układu siłowego olej uzupełnia ubytki oleju w zbiorniku grawitacyjnym.

• OPIS WYBRANYCH SYSTEMÓW SIŁOWNI STATKU

1. System paliwowy

1. Wymagania stawiane systemowi paliwowemu

• Na burcie statku, powinny znajdować się dwa wlewy służące do bunkrowania paliwa (osobno dla paliwa ciężkiego i lekkiego);

• Zbiorniki zapasowe paliwa ciężkiego muszą być podgrzewane do temperatury o 10 ^oC wyższej niż temperatura krystalizacji bunkrowanego paliwa, czyli dla większości występujących gatunków paliw ciężkich do temperatury 28 - 30 ^oC;

• W celu zapobiegania przelaniu zbiorników osadowych na statku powinien znajdować się zbiornik przelewowy, do którego powinny być podłączone rurociągi przelewowe ze zbiorników zapasowych, a jego objętość powinna być taka, jaką pompa transportowa może przetłoczyć w ciągu dziesięciu minut pracy;

• W systemie zbiorników zapasowych powinno być dwustopniowe grzanie paliwa:

• Grzanie pierwszego stopnia do temperatury około 30 ^oC

• Grzanie drugiego stopnia w zbiorniku, z którego paliwo jest aktualnie transportowane do obiegu, w temperaturze około 40 - 45 ^oC;

• Zbiornik osadowy paliwa ciężkiego powinien być podgrzewany do temperatury około 50 - 60 ^oC

• Zbiornik osadowy paliwa lekkiego, nie powinien być podgrzewany do zbyt wysokiej temperatury, ze względu na lotny charakter lekkich frakcji paliwa i co się z tym wiąże na zagrożenie pożarowe w siłowni, powinien być podgrzewany do temperatury około 40 ^oC;

• Zbiornik rozchodowy paliwa ciężkiego powinien mieć taką objętość, aby paliwo w nim zgromadzone wystarczyło, na co najmniej 24 godziny pracy siłowni przy obciążeniu nominalnym;

• Zbiornik rozchodowy paliwa lekkiego powinien mieć objętość wystarczającą na dwunastogodzinną pracę siłowni przy obciążeniu nominalnym;

• Lepkość paliwa ciężkiego podawanego na silnik główny powinna wynosić około 12 - 18 Cst tj. ( około 80 secRed I) czyli temperatura podgrzewu dla większości występujących gatunków paliw powinna wynosić około 106 ^oC;

• Względy bezpieczeństwa i ochrony przeciw-pożarowej narzucają konieczność stosowania na rurociągach ze zbiorników paliwowych zaworów odcinających, które mogą być zamykane zdalnie ze stanowiska ochrony przeciw-pożarowej znajdującego się poza obrębem siłowni;

• System paliwowy powinien zapewniać możliwość oczyszczania paliwa w stopniu wymaganym przy spalaniu w silnikach tłokowych.

Zasadniczym zadaniem instalacji paliwa ciekłego jest przyjmowanie, przechowywanie, oczyszczanie oraz doprowadzenie odpowiednio przygotowanego paliwa do silników, kotłów oraz innych urządzeń energetycznych.

Ze względów praktycznych, aby polepszyć przejrzystość całej instalacji podzieliłem ją na trzy podsystemy o znaczeniu kluczowym dla funkcjonowania całej instalacji:

• Instalację zasilania urządzeń energetycznych

• Instalację oczyszczania paliw

• Instalację transportu paliw

Silnik główny oraz kocioł opalany jest przystosowany do spalania dwóch rodzajów paliw, które według normy ISO 8217 z roku 1996 noszą oznaczenia

• Lekki olej napędowy - ISO - F - RME 25

• Ciężki olej napędowy - ISO - F - DMA

Pozostałe urządzenia (silniki napędowe zespołów prądotwórczych oraz silnik agregatu awaryjnego) przystosowane są do opalania tylko lekkimi olejami napędowymi.

1. Instalacja przyjmowania i transportu paliw

Zdaniem instalacji transportu paliw jest pobieranie paliwa, jego przechowywanie w zbiornikach zapasowych, przepompowywanie paliwa między tymi zbiornikami, napełnianie zbiorników osadowych lub rozchodowych oraz podawanie paliwa na pokład w celu jego oddania.

Instalacja transportu paliw, przedstawiona jest na rysunku 2-1. Paliwo dostarczane jest na statek czterema wlewami w dwóch stacjach bunkrowania, umieszczonych po obu burtach:

• Dwa wlewy służące do przyjmowania paliwa ciężkiego (15 oraz 18)

• Dwa wlewy służące do przyjmowania paliwa lekkiego (16 oraz 17)

Za każdym wlewem jest umieszczony zgrubny filtr siatkowy 11, 12, 13, 14), którego zadaniem jest usuniecie grubych zanieczyszczeń mechanicznych, jakie mogą się znaleźć w pobieranym paliwie. Poprzez te wlewy paliwo jest dostarczane do skrzyni zaworowej (24) skąd po odpowiednim przesterowaniu zaworów (Z8, Z10, Z11, Z23, Z24, Z25, Z26) kierowane jest do odpowiednich zbiorników, które mogą być napełniane jednocześnie lub kolejno.

Instalacja jednego rodzaju paliwa posiada własną pompę transportową, przy czym główna pompa transportowa jednego rodzaju paliwa jest pompą rezerwową dla drugiego rodzaju paliwa.

Pompy transportowe zasysają paliwo poprzez filtry zgrubnego oczyszczania (21, 23), ze zbiorników zapasowych (3, 4, 5) i tłoczą je do odpowiednich zbiorników osadowych (6, 7, 8). W instalacji obsługującej paliwo lekkie, istnieje możliwość bezpośredniego transportu paliwa ze zbiornika zapasowego do zbiornika rozchodowego (9) z pominięciem systemu wirowania paliwa, jednak w praktyce eksploatacyjnej możliwość ta nie była wykorzystywana.

Pompy transportowe służą także do osuszania:

• Zbiornika ściekowego paliwa lekkiego oraz ciężkiego (1)

• Zbiornika przelewowego (2)

Paliwo z tych zbiorników, dostarczane jest do zbiornika osadowego paliwa lekkiego lub ciężkiego. W zasadzie jednak, transportowano je jedynie do zbiornika osadowego paliwa ciężkiego, aby nie zanieczyścić instalacji paliwa lekkiego paliwem ciężkim)

Paliwo w zbiorniku rozchodowym (10) agregatu awaryjnego uzupełnia się ze zbiornika rozchodowego paliwa lekkiego (9) transportując je ręczną pompą skrzydełkową (19).

Opis elementów rysunku 2.1 oraz 2.2

1- zbiornik ściekowy, 2- zbiornik przelewowy, 3- zbiornik zapasowy paliwa lekkiego 4, 5-Zbiorniki zapasowe paliwa ciężkiego, 6, 8- zbiorniki osadowe paliwa ciężkiego, 7- zbiornik osadowy paliwa lekkiego, 9- zbiornik rozchodowy paliwa lekkiego, 10- zbiornik rozchodowy agregatu awaryjnego, 11, 12, 13, 14- filtry stacji bunkrowania paliw, 15, 18- stacje bunkrowania paliwa ciężkiego, 16,17- stacje bunkrowania paliwa lekkiego, 19- ręczna pompa paliwowa, 20, 22- pompy transportowe, 21, 23- filtry zgrubnego oczyszczania, Z16, Z20, Z21, Z23, Z24, Z25, Z26- zawory czybkoodcinające,




Rysunek 2.1 Instalacja transportu paliw




Rysunek 2.2 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji transportu paliwa

1. Instalacja oczyszczania paliw

1. Instalacja oczyszczania paliwa ciężkiego

Instalacją oczyszczania paliwa ciężkiego przedstawiono na rysunku: 2.3

W skład instalacji wchodzą :

• wirówki MITSUBISHI SELFJECTOR 3000 (7, 8)

• zbiorniki osadowe (2, 4) rozchodowy (1) odpadów z wirówki (3)

• podgrzewacze parowe (5, 6)

• armatura

Paliwo zasysane jest pompą (9, 11) podwieszoną na wirówce, ze zbiornika osadowego (2, 4). Przepływa przez zawór szybko odcinający (Z18 lub Z19), skąd kierowane jest do odpowiedniej wirówki paliwowej. Wirówka pompuje paliwo poprzez podgrzewacz parowy i dalej do zaworu trójdrożnego (Z1, Z2) skąd paliwo może być kierowane na ssanie pompy lub do wirówki, skąd po procesie puryfikacji jest podane pompą hydrokinetyczną do zbiornika rozchodowego (1)

Paliwo nie było wirowane ciągle, w związku z tym jedna wirówka była wirówką rezerwową drugiej. Pracowały one naprzemiennie przez okres czasu około jednego miesiąca.

Opis elementów rysunków 2.3 oraz 2.4

1- zbiornik rozchodowy. 2, 4-zbiorniki osadowe, 3- zbiornik odpadów z wirówek, 5, 6- podgrzewacze parowe, 7, 8-wirówki SELFJECTOR 3000, 9, 11-pompy paliwowe, 10, 12-pompy hydrokinetyczne, Z1, Z2-zawory trójdrożne




Rysunek 2.3 Instalacja wirowania paliwa ciężkiego




Rysunek 2.4 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji wirowania paliwa ciężkiego

1. Instalacja oczyszczania paliwa lekkiego

Instalację oczyszczania paliwa lekkiego przedstawiono na rysunku : 2.5

W skład instalacji wchodzą :

• wirówki MITSUBISHI SELFJECTOR 3000 (7)

• zbiornik osadowy (3) rozchodowy (1) odpadów z wirówki (4)

• armatura

• zawory łączące z zaślepkami (z1, z7, z8, z9)

Paliwo zasysane jest pompą (10) podwieszoną na wirówce, ze zbiornika osadowego (3). Przepływa przez zawór szybko odcinający (z23), pompą (10) i dochodzi do zaworu (22), jest to zawór sterowany ręcznie. Z tego zaworu paliwo może być kierowane z powrotem na ssanie pompy (10) lub do wirówki (7). Skąd po procesie puryfikacji jest podane pompą hydrokinetyczną do zbiornika rozchodowego (1)

Rezerwową wirówką paliwa lekkiego jest wirówką oleju smarowego, przedstawiona na rysunku nr 2.15. Podłączenie systemu paliwowego do systemu olejowego odbywa się poprzez zawory (Z1, Z7, Z8, Z9) po uprzednim zdemontowaniu zaślepek umieszczonych za kołnierzami zaworów.

Proces sedymentacji grawitacyjnej, wirowania paliwa, przechowywania paliwa w zbiorniku rozchodowym odbywa się w temperaturze powietrza w siłowni, która wynosiła w naszym rejonie pływania około 40 ^oC.

Opis elementów rysunków 2.5 oraz 2.6

1- zbiornik rozchodowy, 3- zbiornik osadowy, 4- zbiornik odpadów z wirówek, 7- wirówka paliwa MITSUBISHI SELFJECTOR 3000, 10- pompa paliwowa, Z2- zawór trójdrożny




Rysunek 2.5 Instalacja wirowania paliwa lekkiego




Rysunek 2.6 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji wirowania paliwa lekkiego

1. Instalacja zasilania paliwem silnika głównego

Instalacja zasilania paliwem silnika głównego przedstawiona jest na rysunku 2.7. W skład tej instalacji wchodzą:

• zbiorniki rozchodowe;

• zbiornik mieszalnikowy;

• przepływomierze;

• filtry;

• pompy podające HEISHIN MA-2B;

• podgrzewacz parowy;

• wiskostatu;

• zbiornika ściekowego;

• armatury;

Ze zbiornika rozchodowego(2, 3), przechodząc poprzez filtry zgrubnego oczyszczania (14, 16) jest tłoczone przez pompy podające (14, 16), na podgrzewacz parowy (11) a z niego na filtry dokładnego oczyszczania (8) i na pompy wtryskowe. Pompy wtryskowe w odpowiednim momencie cyklu pracy danego układu dozują paliwo do wtryskiwaczy, których zadaniem jest odpowiednie rozpylenie paliwa w komorze spalania. Lepkość paliwa regulowana jest temperaturą jego podgrzewu. Za podgrzewaczem parowym włączony jest do systemu wiskozymetr (9) sterujący otwarciem zaworu dolotowego pary na podgrzewacz.

System zasilania paliwem silnika głównego jest tak skonstruowany, aby istniała możliwość podawania na silnik paliwa lekkiego. Rozruch i odstawienie przeprowadza się na paliwie lekkim. Również przy dużej ilości gwałtownych manewrów silnik jest opalany paliwem lekkim. Przestawienie systemu na wybrany rodzaj paliwa uzyskiwane jest przy pomocy zaworu trójdrożnego (Z5) umieszczonym za zbiornikami rozchodowymi paliwa. Instalacja jest wyposażona dodatkowo w przepływomierze (4, 5), służące do kontroli zużycia paliwa przez silnik główny.

Opis elementów rysunków 2.7 oraz 2.8

1- zbiornik mieszalnikowy, 2, 3-zbiorniki rozchodowe paliwa, 4, 5- przepływomierze, 6- zbiornik ściekowy, 7- silnik główny, 8- filtr dokładnego oczyszczania, 9- wiskozymetr, 11- podgrzewacz parowy, 14, 16- filtry zgrubnego oczyszczania, 13, 15- pompy podające




Rysunek 2.7 Instalacja przygotowania i podania paliwa do silnika głównego




Rysunek 2.8 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji przygotowania i podania paliwa do silnika głównego

1. Instalacja zasilania paliwem kotłów pomocniczych

Instalacje zasilania kotła w paliwo przedstawiono na rysunku 2.9. W skład tej instalacji wchodzą:

• pompy paliwowe (5.16)

• filtry paliwowe (3.17)

• podgrzewacz paliwa(6)

• zbiorniki rozchodowe paliwa lekkiego (1), ciężkiego (2)

• palnik (7)

• zawory szybkoodcinające 10,11,12)

• armatura

Proces rozpalania kotła odbywa się na paliwie lekkim. Paliwo zasysane jest pompą (16), ze zbiornika (1) i dalej jest tłoczona poprzez filtr (17) elektromagnetyczny zawór sterujący (9) i dostarczonej do dyszy rozpalającej palnika (7)

Podczas normalnej pracy kotła (gałąź między zaworem (z11), a palnikiem (7) jest nieczynna), kocił może pracować na paliwie lekkim lub ciężkim. Paliwo zasysane jest ze zbiornika (1 lub 2) pompą (5), przechodząc po drodze przez filtr (3) i odpowietrzacz (4), w którym następuje mieszanie paliwa z paliwem powracającym z palnika (7). Następnie pompa (5) tłoczy paliwo poprzez podgrzewacz elektryczny (6) i dostarcza do dyszy palnika (7).

Podczas normalnej pracy, paliwo podawane jest do dyszy rozpylacza za pomocą odpowiedniej pracy zaworu elektromagnetycznego (8). Gdy zawór (8) jest otwarty, to ciśnienie w rozpylaczu jest mniejsze niż nastawa sprężyny palnika. Z chwilą zamknięcia zaworu (8), odcięta jest jedna z dróg przelewowych co powoduje wzrost ciśnienia paliwa w palniku. Gdy ciśnienie wzrośnie powyżej napięcia sprężyny nastąpi otwarcie rozpylacza i paliwo zostanie dostarczone do kotła.

Opis elementów rysunków 2.9 oraz 2.10.

1, 2- zbiorniki rozchodowe paliwa, 3, 17-filtry paliwowe, 4- odgazowywacz, 5, 16- pompa podająca paliwo, 6- podgrzewacz elektryczny, 7- palnik, 8, 9-zawory elektromagnetyczne, 10, 11, 12- zawory szybkoodcinające




Rysunek 2.9 Instalacja zasilania kotła w paliwo




Rysunek 2.10 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji zasilania kotła w paliwo

1. Instalacja oleju smarowego

1. Instalacja smarowania silnika głównego

Instalacja smarowania silnika głównego przedstawiona jest na rysunku nr 2.11. instalację tą można podzielić na dwa systemy:

• instalację obiegowo - ciśnieniową

• instalację przepływowo - kroplową

1. Instalacja obiegowo - ciśnieniowa

W skład instalacji wchodzą:

• pompy obiegowe HEISHIN M 65 B;

• filtr magnetyczny dokładnego oczyszczania;

• chodnicy oleju smarnego;

• zaworu trójdrożnego;

• filtrów filtrowania wstępnego;

• zbiorników;

• armatury;

Ze zbiornika obiegowego, jedna z pomp obiegowych podaje olej poprzez chłodnicę oleju, magnetyczny filtr dokładnego oczyszczania do silnika głównego, gdzie ma za zadanie smarować i chłodzić: łożyska główne, łożyska korbowe, wał krzywkowy, i inne elementy konstrukcji silnika.

Olej obiegowy ściekający grawitacyjnie z silnika do zbiornika oleju obiegowego. Stąd pompa zasilająca wirówkę zasysa go i podaje na wirówkę. Oczyszczony w ten sposób olej tłoczony jest z powrotem do zbiornika oleju obiegowego, skąd po wymieszaniu z pozostałym olejem w zbiorniku używany jest ponownie do smarowania silnika

1. Instalacja przepływowo - kroplowa

Zadaniem instalacji przepływowo - kroplowej jest smarowanie gładzi tulei cylindrowej, utrzymywanie gładzi w czystości, neutralizacja kwaśnych produktów spalania i inne. W skład tej instalacji wchodzą:

• zbiornik oleju cylindrowego

• praski smarowe

• armatura

Ze zbiornika oleju cylindrowego, olej ścieka grawitacyjnie do prasek smarowych, które „kroplowo” tłoczą olej przez sztucery na poszczególne tuleje cylindrowe. Ścieki z lubrykatorów trafiają grawitacyjnie do zbiornika ściekowego. Przepracowany olej cylindrowy zgarniany jest z gładzi cylindrowych za pomocą pierścieni olejowych a następnie grawitacyjnie ścieka do zbiornika ściekowego.

Zapas oleju cylindrowego uzupełniany był ręcznie za pomocą specjalnie do tego przystosowanego wiadra. Olejem cylindrowym był taki sam olej jak w instalacji obiegowo - ciśnieniowej. Zużycie oleju cylindrowego kształtowało się na poziomie 12 kilogramów dziennie.




Rysunek 2.11 Instalacja smarowania silnika głównego




Rysunek 2.12 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji smarowania silnika głównego

Opis elementów rysunków 2.11 oraz 2.12

1- zbiornik przelewowy, 2- zbiornik obiegowy, 3- zbiornik zapasowy, 4- zbiornik cylindrowego, 5- silnik główny, 6- praski smarowe, 7, 8- pompy obiegowe, 9, 10- filtry zgrubnego oczyszczania, 11- chłodnica oleju, 12- filtr dokładnego oczyszczania, Z1- zawór trójdrożny, Z7, Z8- zawory zaporowo-zwrotne

1. Instalacja transportu oleju smarowego

Instalację oleju smarowego można podzielić na dwa podsystemy:

• system transportu odpadów olejopochodnych,

• system transportu oleju smarowego.

Oba systemy przedstawiono na rysunku 2.13. Opisu systemu transportu olejowego dokonam według tego podziału.

1. System transportu odpadów olejopochodnych

W skład tego systemu wchodzą:

• pompa transportu odpadów olejowych - FRANK MOHN S 07;

• filtr siatkowy;

• stacja zdawania odpadów olejowych;

• zbiorniki: odpadów z wirówek paliwowych i olejowych, odpadów z odolejacza;

• armatury;

Instalacja ta ma za zadanie gromadzenie, przechowywanie odpadów z wirówek w zbiornikach i oraz oddanie tych odpadów na ląd. Oddawanie odpadów na ląd odbywa się poprzez króciec (17). Do tego króćca odpady podawane są pompą transportu odpadów olejowych (8) po uprzednim przejściu przez zgrubny filtr siatkowy (10). Przed przystąpieniem do transportu należy podgrzać odpady znajdujące się w zbiornikach. Instalacja ta także przewiduje możliwość zgromadzenia odpadów ze zbiorników odpadów z wirówek (2 i 4) w zbiorniku odpadów z odolejacza (1).

1. System transportu oleju smarowego.

W sklad tego systemu wchodzą:

• pompa transportowa oleju smarowego - FRANK MOHN S 07;

• filtr siatkowy;

• stacja zdawania oleju smarowego;

• stacja przyjmowania oleju smarowego

• pompy obiegowe oleju smarowego HEISHIN M 65 B

• filtry siatkowe dokładnego oczyszczania;

• zbiorniki;

• armatura;

Instalacja ta ma za zadanie przyjmowanie, przechowywanie, utrzymywanie odpowiedniego poziomu oleju smarowego w zbiorniku obiegowym oraz oddawani oleju na ląd. W celu oddania oleju na ląd należy podać go pompą transportową (9), zabezpieczoną zgrubnym filtrem siatkowym (11) do stacji zdawania oleju (17). Pompa ta może również odpompować nadmiar oleju ze zbiornika obiegowego (6) lub przelewowego (5) i umieścić go w zbiorniku oleju brudnego (3) lub w zbiorniku zapasowym oleju smarnego (7). Pobieranie oleju odbywa się ze stacji przyjmowania oleju smarnego (18), skąd jest dostarczany bezpośrednio do zbiornika zapasowego oleju smarnego. Uzupełnianie ubytków oleju w zbiorniku obiegowym oleju smarnego odbywa się grawitacyjnie. Ze zbiornika zapasowego oleju smarowego przez zawór Z 19 do zbiornika obiegowego.




Rysunek 2.13 Instalacja transportu oleju smarnego




Rysunek 2.14 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji transportu oleju smarnego

Opis elementów rysunków 2.13 oraz 2.14

1- zbiornik odpadów odolejacza, 2- zbiornik odpadów z wirówek paliwa lekkiego i oleju smarnego 3- zbiornik oleju brudnego, 4 zbiornik odpadów z wirówek paliwa ciężkiego, 5 zbiornik przelewowy, 6- zbiornik obiegowy, 7- zbiornik zapasowy, 8- pompa transportowa odpadów olejowych, 9- pompa transportowa oleju smarnego, 10, 11- filtry zgrubnego oczyszczania, 12,13- pompy obiegowe oleju smarnego, 14,15- filtry dokładnego oczyszczania, 16- przeziernik, 17- stacje zdawania oleju i odpadów olejowych, 18- stacja przyjmowania oleju smarnego Z14, Z15- zawory zaporowo-zwrotne

1. Instalacja wirowania oleju smarowego

Instalacją oczyszczania oleju smarnego przedstawiono na rysunku : 2.15

W skład instalacji wchodzą :

• wirówka MITSUBISHI SELFJECTOR 3000 (8)

• zbiorniki odpadów z wirówek(1), przelewowy (2), obiegowy (3), zapasowy (4)

• podgrzewacz parowy (9)

• armatura

Olej w systemie obiegowym jest oczyszczany w procesie ciągłym w wirówce. Jest on zasysany pompą (7) podwieszoną na wirówce. W procesie wirowania można oczyszczać olej ze zbiornika obiegowego (2) lub przelewowego (2,). Pompa wirówki pompuje olej poprzez podgrzewacz parowy (9) i dalej do zaworu trójdrożnego (Z13) skąd olej może być kierowane na ssanie pompy lub do wirówki, skąd po procesie wirowania może być podawany do zbiornika obiegowego (3), lub do zbiornika zapasowego (4).




Rysunek 2.15 Instalacja wirowania oleju smarowego




Rysunek 2.16 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji wirowania oleju smarowego

Opis elementów rysunków 2.15 oraz 2.16.

1- zbiornik odpadów z wirówek, 2- zbiornik przelewowy 3- zbiornik obiegowy, 4- zbiornik zapasowy, 5- wlew 6- przeziernik, 7- pompa olejowa, 8- wirówka MITSUBISHI SELFJECTOR 3000, 9- podgrzewacz parowy, Z1, Z2, Z3, Z4- podłączenie do instalacji paliwa lekkiego

1. Instalacja wody morskiej

1. Instalacja chłodzenia wodą morską

Na rysunku 2.17. przedstawiono schemat instalacji chłodzenia wodą morską.

System chłodzenia wodą morską w omawianej siłowni jest systemem otwartym. Woda morska jest zasysana przez jedną z pomp systemu z dwóch kingstonów: burtowego i dennego. Kingston burtowy używany jest zazwyczaj na płytkich wodach np. w basenie portowym, aby nie zasysać wody zanieczyszczonej mułem z dna. W systemie chłodzenia układu napędowego (silnik główny, śruba nastawna, linia wałów) są dwie pompy główne aby w przypadku awarii jednej z nich system mógł nadal funkcjonować. Wodą morską chłodzi się kilka urządzeń siłowni więc jej strumień podawany przez pompę rozgałęzia się. W czasie ruchu silnika głównego wodą morską zasila się głównie: chłodnicę wody słodkiej chłodzącej cylindry silnika, chłodnicę powietrza doładowującego, chłodnicę oleju obiegowego, łożyska wału napędowego, chłodnice oleju hydraulicznego mechanizmu śruby nastawnej.

Pozostałe użądzenia w siłowni wymagałące chłodzenia wodą morską posiadają własne pompy obiegowe wody morskiej. W silnikach pomocniczych wodą morską chłodzi się: powietrze doładowujące, olej smarny, wodę słodką chłodzącą cylindry. Kolejnymi urządzeniami zasilanym wodą morską są wyparownik i chłodnice systemu klimatyzacji kabin i klimatyzacji centrali manewrowo - kontrolnej. Woda morska tłoczona przez pompy po przejściu przez wszystkie urządzenia które zasila odprowadzana jest za burtę w skrzyni wylewowej. Na pompy woda trafia z kingstonów po przejściu przez kosze z siatkami służącymi do zatrzymywania zanieczyszczeń stałych mogących powodować uszkodzenie wirnika pompy. Kosze stosuje się też w celu zapobiegania odkładaniu się zanieczyszczeń w rurociągach i urządzeniach siłowni a szczególnie zapychania rurek chłodnic co powoduje zwiększenie oporów przepływu i w konsekwencji spadek wydajności cieplnej wymiennika.

Istnieje możliwość chłodzenia wszystkich systemów nie związanych z napędem statku poprzez pompę wody morskiej użytku ogólnego

Opis elementów rysunków 2.17 oraz 2.18.

1, 7-kingstony, 2, 3, 5, 6- filtry wody morskiej, 4- kolektor chłodzenia awaryjnego, 8, 10- pompy chłodzenia silników zespołów prądotwórczych, 9, 11-silniki zespołów prądotwórczych, 12- pompa wody morskiej chłodzącej skraplacz klimatyzacji statkowej, 13 pompa wody morskiej chłodzącej skraplacze klimatyzacji CMK oraz chłodni prowiantowej, 14- pompa wody morskiej chłodzącej skraplacz parowy oraz sprężarki powietrza rozruchowego, 15, 16- pompy wody morskiej chłodzącej chłodnice chłodzące: chłodnicę oleju smarnego (29), chłodnicę powietrza doładowującego (30), chłodnicę wody słodkiej chłodzącej cylindry (31), skraplacz wyparownika (35A), chłodnicę oleju smarnego przekładni prądnicy wałowej (32), chłodnicę oleju hydraulicznego mechanizmu śruby nastawnej (33, 34), łożysk wału napędowego (18), 17- pompa zasilająca ejektory wyparownika, 20- chłodnica skraplacza klimatyzacji statkowej, 21- chłodnica skraplacza klimatyzacji CMK, 22- chłodnica skraplacza systemu chłodzenia chłodni prowiantowej, 23- chłodnica skraplacza parowego, 25, 26- sprężarki powietrza rozruchowego, 27, 28- chłodnice powietrza rozruchowego, 35- wyparownik




Rysunek 2.17 Instalacja chłodzenia wodą morską




Rysunek 2.18 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji chłodzenia wodą morską

2. Instalacja zęzowo - balastowa

1. Zasady bezpiecznej obsługi instalacji zęzowo - balastowej

Nie można podczas normalnej eksploatacji dopuścić, aby instalacja balastowa pompowane były jakiekolwiek ścieki zaolejone z siłowni lub innych pomieszczeń maszynowych. Takie działanie dopuszczalne jest tylko w sytuacjach awaryjnych zagrażające życie ludzkie i bezpieczeństwo statku, a może być podjęte wyłącznie za zgodą kapitana statku. Z tego powodu wszystkie awaryjne zawory łączące zęzy siłowni z systemem balastowym są oznaczone kolorem czerwonym, zamknięte i zaplombowane.

Pompowanie zęz z ładowni uwarunkowane jest od rodzaju przewożonego ładunku i w przypadku ładunków niebezpiecznych osuszanie ładowni za burtę jest dopuszczalna tylko za zgodą kapitana.

Wszelkie ścieki zaolejone z siłowni powinny być gromadzone w specjalnie do tego celu przeznaczonym zbiorniku, a ich zrzut za burtę jest dozwolony wyłącznie poprzez sprawną sygnalizację alarmową. Zrzutów można dokonywać tylko podczas ruchu statku w odległości co najmniej 12 mil morskich od brzegu. W obszarach specjalnych maksymalna zawartość oleju w wodzie zrzucanej może wynosić 15ppm. Poza obszarami specjalnymi dopuszcza się 100ppm.

Podczas pompowania balastów ważna jest kolejność pompowania zbiorników podawana przez oficera pokładowego. Należy również dobrać wydajność pomp, aby balastowanie trwało krótko.

2. Instalacja zęzowa

Instalację zęzową przedstawiono na rysunku 2-19. W skład tej instalacji wchodzą:

• odolejacz wód zęzowych;

• pompa zęzowa;

• pompa balastowa;

• kosze ssące;

• filtry;

• armatura;

Zadaniem instalacji zęzowej jest zapewnienie możliwości skutecznego usuwania wody i ścieków z wszystkich przedziałów wodoszczelnych statku. Instalacja ta jest powiązana funkcjonalnie z instalacją balastową. Główną pompa zęzową jest pompa (2), która jest pompą zasilająca odolejacz wód zęzowych, natomiast pompą rezerwowa jest pompa balastowa (16).podczas normalnej pracy zasysane były wody zęzowe jedynie z rufy statku poprzez kosz ssący (17), filtr (18) przez pompę (2) i były transportowane do odolejacza. Po przepłynięciu przez odolejacz woda oddawana była za burtę, natomiast odpady olejowe gromadzone były w zbiorniku odpadów z odolejacza (15). Zassanie wód zęzowych z pozostałych miejsc w siłowni możliwe było poprzez kosze ssące (10, 11, 12, 13, 14) lecz nie było to praktykowane ze względu na fakt iż powodowało to zanieczyszczenie części instalacji zęz z ładowni oraz balastowej.

W instalacji zęzowej w siłowni przewidziane było awaryjne opróżnianie zęz w siłowni poprzez kosz ssący (19) pompą balastową (16), jednakże jest to możliwe do wykonania tylko w przypadku bezpośredniego zagrożenia bezpieczeństwa statku oraz życiu ludzi.

Zęzy z ładowni odpompowywane były pompą balastową poprzez kolektory zbiorcze (4, 5). W kolektorach tych, poprzez otwarcie odpowiedniego zaworu istniała możliwość wyboru odpompowywania odpowiedniej ładowni

Opis elementów rysunków 2.19 oraz 2.20.

1- odolejacz, 2- pompa zęzowa, 3, 6, 7, 8, 9-filtry, 10, 11, 12, 13, 14-kosze ssące, 4, 5- skrzynie zaworowe, 15 zbiornik odpadów z odolejacza




Rysunek 2.19 Instalacja zęzowa




Rysunek 2.20 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji zęzowej

1. Instalacja balastowa

Instalację balastową przedstawiono na rysunku 2-21. w skład tej instalacji wchodzą:

• pompa balastowa;

• pompa wody morskiej użytku ogólnego;

• pompa pożarowa;

• kingstony;

• armatura;

Zadaniem instalacji balastowej jest napełmianie bądź opróżnianie zbiorników balastowych oraz w sytuacjach awaryjnych, awaryjnego osuszania zęz siłowni. Statek balastuje się w celu wyrównania przegłębień i przechyłów statku, czy też zwiększenia jego zanurzenia, gdy jest bez ładunku, trzeba zapełniać bądź opróżniać zbiorniki denne, skrzydłowe bądź skrajnika dziobowego lub rufowego. Odgałęzienia poszczególnych zbiorników balastowych prowdzone są w dnie podwójnym statku i dopiero w siłowni wyprowadzane są ponad dno - do skrzynek zaworowych. Te same rurociągi służą do napełniania i opróżniania zbiorników balastowych.

Wszystkie3 zbiorniki zalewane były tylko i wyłącznie przy użyciu pomp. Główną pompą balastową była pompa balastowa (1) FRANK MOHN VH 200/150, rezerwową pompą była pompa wody morskiej użytku ogólnego (7) FRANK MOHN BM 5166. w instalacji tej możliwe było także pompowanie balastów przy użyciu pompy pożarowej (10) FRANK MOHN 4 VF-1.

Wadą tej instalacji było to, że nie przewidziano możliwości bezpośredniego przepompowywania balastu ze skrajnika dziobowego do rufowego celem wytrymowania statku. Obsługa zaworów instalacji balastowej odbywała się z pomieszczenia siłowni z wyjątkiem zaworów odcinających dopływ do zbiorników skrzydłowych, który sterowane były z pokładu

• Napełnianie zbiorników balastowych

Podczas normalnego napełniania zbiorników balastowych należy otworzyć zawory (Z14, Z36, Z35, Z18, Z19) po to aby woda morska dotarła do skrzyń zaworowych. Woda morska zasysana jest z kingstonu (18) przez pompę balastową (1) i następnie tłoczona do skrzyń zaworowych wyboru strony napełniania (20, 21). Ze skrzyń zaworowych woda kierowana jest do odpowiednich zbiorników po uprzednim przesterowaniu zaworów skrzyni balastowej. Kontrola stopnia napełnienia napełnienia zbiorników balastowych odbywa się poprzez ciągłe sondowanie zbiorników.

W celu awaryjnego napełniania zbiorników (gdy pompa balastowa jest uszkodzona) należy zamknąć linią zawartą między zaworami Z14 a Z35.awaryjne napełnianie zbiorników odbywa się za pomocą pompy wody morskiej użytku ogólnego (7). W związku z tym należy otworzyć zawór (Z26) ssania wody morskiej z magistrali wody morskiej, następmie zawór (Z47) na skrzyni zaworowej (5). Następnie woda morska popłynie poprzez filtr (8) zawór (Z49), pompę (7) do skrzyni zaworowej (4) skąd poprzez zawór (Z44) kierowana jest do skrzyń zaworowych wyboru strony napełniania.

• Opróżnianie zbiorników balastowych

Podczas normalnego opróżniania zbiorników balastowych należy otworzyć zawory ssania z odpowiedniego zbiornika balastowego następnie zawór (Z37). Pompa balastowa będzie tłoczyła wtedy wodę z balastów poprzez zawory (Z17) i (Z16) za burtę.

Awaryjne opróżnianie zbiorników balastowych odbywa się z wykorzystaniem pompy wody morskiej użytku ogólnego. Pompa (7) będzie zasysała wodę z odpowiedniego zbiornika balastowego po czym po przejściu przez zawór (Z46), skrzynię zaworową (5) będzie tłoczona za burtę poprzez skrzynię zaworową (4), zawór (Z43) oraz (Z60).

Opis elementów rysunków 2.21 oraz 2.22.

1- pompa balastowa, 2, 8, 11, 12, 13- filtry, 3-kosz ssący ssania awaryjnego, 4, 5, 6, 20, 21- skrzynie zaworowe





Rysunek 2.21 Instalacja balastowa




Rysunek 2.22 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji balastowej

1. Instalacja wody słodkiej

1. Instalacja słodkiej wody chłodzącej

Instalację wody chłodzącej przedstawiono na rysunku 2-23. W skład tej instalacji wchodzą:

• zbiornik ekspansyjny;

• chłodnica;

• wyparownik;

• pompy HEISHIN VK - 22 0E;

• zawór trójdrożny;

• armatura;

Chłodzenie silnika wynika z potrzeby utrzymania temperatury elementów tworzących komorę spalania - głowicy, tłoka, tulei cylindrowej na poziomie gwarantującym poprawne ich działanie, niezawodność i trwałość. Pobrane z silnika ciepło woda słodka oraz olej smarny oddają w chłodnicach wodzie zaburtowej.

Chłodzenie silnika jest systemem pośrednim - obiegowym. Pompa wody chłodzącej słodkiej (6, 7) tłoczy wodę do silnika (3), gdzie chłodząc jego elementy ogrzewa się. Następnie woda ta schładzana jest w chłodnicy (4) przy czym stałą temperaturę wody słodkiej utrzymuje regulator temperatury sterujący zaworem trójdrożnym (Z5). Zawór (Z5) reguluje ilość wody słodkiej przepływającej przez chłodnicę.

Zbiornik wyrównawczy (1) umożliwia zmiany objętości wody wraz ze zmianą jej temperatury i uzupełnia jej ubytki w instalacji. Zbiornik ten jest wyposażony także w wężownicę parową służącą do grzania wody chłodzącej przed uruchomieniem silnika. Wtedy woda chłodząca ma za zadanie podgrzanie silnika.

Strumień wody chłodzącej przed silnikiem ulega rozdziałowi na chłodzenie poszczególnych układów silnika oraz na chłodzenie turbosprężarki. Woda chłodzi blok cylindrowy, tuleję, głowice cylindrową po czym ulega ponownie rozdzieleniu i chłodzi wtryskiwacze (10) oraz zawory wylotowe (11). Woda wypływając z zaworów wylotowych wpływa do kolektora zbiorczego skąd jest zasysana przez pompę.

Strumień wody chłodzącej turbosprężarkę (2) po wypłynięciu z niej łączy się w osobnym kolektorze, który łączy się z kolektorem wody chłodzącej silnik. Z kolektora zbiorczego wody chłodzącej turbosprężarkę poprzez zawór (Z14) wyprowadzony jest przewód odpowietrzający instalację wody chłodzącej oraz silnik.

W instalację tą wkomponowany jest także wyparownik, który ma za zadanie odzyskać cześć energii traconej w trakcie chłodzenia silnik. Woda zasilająca baterię wrzenia pobierana jest sprzed chłodnicy, ponieważ w tym miejscu posiada ona najwyższą temperaturę. Ponadto wyparownik może pełnić role chłodnicy awaryjnej w przypadku awarii głównej chłodnicy wody słodkiej.

Woda chodząca wypływająca z wtryskiwaczy nie łączy się we wspólny kolektor lecz płynie osobnymi przewodami do zbiornika obserwacyjnego, w którym można zaobserwować czy w którymś z wtryskiwaczy nie nastąpił przeciek paliwa do systemu wody chłodzącej.

Woda chłodząca ma także za zadanie chłodzenie pompy recyrkulacyjnej wody kotłowej, w celu zabezpieczenia jej przed nadmiernym nagrzaniem, co mogłoby spowodować zniszczenie uszczelnień pompy. Woda ta ma także za zadanie utrzymywanie wysokiej temperatury pompy recyrkulacyjnej będącej w rezerwie, aby mogła ona w razie konieczności natychmiast przejąć pracę bez obawy wystąpienia nadmiernych naprężeń termicznych.

Opis elementów rysunków 2.23 oraz 2.24.

1- zbiornik wyrównawczy, 2- turbosprężarka, 3- silnik główny, 4- chłodnica, 5- wyparownik, 6, 7- pompy obiegowe, 8, 9- pompy recyrkulacyjne, 10- zbiornik obserwacyjny




Rysunek 2.23 Instalacja słodkiej wody chłodzącej




Rysunek 2.24 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji słodkiej wody chłodzącej

1. Instalacja parowa

1. Instalacja wytwarzania pary

Instalację wytwarzania pary przedstawiono na rysunku 2-25. w skład tej instalacji wchodzą:

• skrzynia cieplna;

• skraplacz;

• kocioł opalany;

• kocioł utylizacyjny;

• pompy uzupełniające wodę w kotle;

• pompy recyrkulacyjne;

• armatura.

Podczas postoju tatku w porcie para wytwarzana jest w kotle opalanym MIURA VWS 800 E. Podczas podróży parę wytwarza kocioł utylizacyjny MIURA KS-45-1-530. W przypadku pracy kotła utylizacyjnego, kocioł opalany pracuje jedynie jako separator pary, z którego to para jest pobierana na poszczególne odbiory. Wszystkie skropliny powracające z systemu trafiają do skrzyni cieplnej (1). W zbiorniku obserwacyjnym kontrolujemy czystość skroplin, które w przypadku nieszczelności na dowolnej wężownicy mogą być zanieczyszczone paliwem lub olejem. Poziom wody w skrzyni cieplnej uzupełniany jest z hydroforu wody technicznej poprzez zawory (Z19, Z20). Pompy zasilające pracując „w automacie” uzupełniają okresowo wodę w kotłach.

Opis elementów rysunków 2.25 oraz 2.26.

1- skrzynia cieplna, 2- skraplacz, 3- kocioł opalany, 4- kocioł utylizacyjny, 5- wskażniki poziomu wody w kotle, 6, 7- pompy uzupełniające wodę w kotle, 8, 9- pompy recyrkulacyjne, 10- wdmuchiwacz sadzy




Rysunek 2.25 Instalacja wytwarzania pary




Rysunek 2.26 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji wytwarzania pary

1. Instalacja rozdziału pary grzewczej

W czasie pracy morskiej parę wytwarza kocioł utylizacyjny, w porcie - kocioł opalany. Para wytworzona w kotle podawana jest na główną magistralę parową. Z głównej magistrali parowej para kierowana jest na odbiory:

• grzanie zbiorników paliwowych i olejowych,

• grzanie zbiornika ekspansyjnego,

• stację klimatu,

• magistralę grzania rurociągów paliwowych,

• główne podgrzewacze paliwa,

• grzanie filtrów,

• podgrzewacze paliwa i oleju przed wirówkami,

• zbiornik oleju brudnego SP,

• zbiornik ścieków spod wirówek,

• kingstonów,

• chłodnicy oleju,

• pralni do grzania pralki oraz suszarki.

Niektóre zbiorniki mają możliwość „parowania” w celu czyszczenia (normalnie zaślepione). Ze wszystkich wężownic para trafia na gestry i w postaci skroplin trafia do skrzyni cieplnej.

Opis elementów rysunków 2.27 oraz 2.28.

1- zbiornik rozchodowy, 2, 3- zbiorniki zapasowe, 4, 5-zbiorniki osadowe, 6- pralka. 6A- suszarka, 7, 9, 10- kolektory, 8- podgrzewacz paliwa, 11- zbiornik ekspansyjny, 12- stacja klimatyzacyjna, 13- filtr paliwowy dokładnego oczyszczania, 14- filtry paliwowe, 15- silnik główny, 16- zbiornik odpadów z wirówek paliwa lekkiego, 17- zbiornik odpadów z wirówek paliwa ciężkiego, 18- zbiornik odpadów z odolejacza, 19- zbiornik przelewowy paliwa, 20- zbiornik ściekowy paliwa, 21, 22, 23- kingstony, 24- podgrzewacz oleju do wirówek, 25, 26- podgrzewacz paliwa ciężkiego do wirówek, 27- chłodnica oleju, 28- zbiornik mieszalnikowy, Gn- gestry




Rysunek 2.27 Instalacja rozdziału pary grzewczej




Rysunek 2.28 Struktura funkcjonalna przepływu czynnika w instalacji rozdziału pary grzewczej

• Niezawodność i bezpieczeństwo

1. Zaobserwowane uszkodzenia w wybranych systemach siłowni okrętowej

Rozdział ten poświęcony jest uszkodzeniom w wybranych instalacjach siłowni okrętowej przedstawionych w formie tabel, które przedstawiają nam rodzaj uszkodzonego elementu, miejsce uszkodzenia, rodzaj zużycia i sposób usunięcia uszkodzenia.

Obserwację uszkodzeń we wszystkich omawianych systemach prowadzono w okresie od 25-05-1999 do 25-11 1999.

2. Zestawienie tabelaryczne uszkodzeń w instalacjach siłowni okrętowej.

Tabela 3-1 Uszkodzenia w instalacji chłodzenia wodą morską

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-06-15	Pompa wody morskiej	Wody morskiej	Zużycie dławic	Przepakowanie dławic
99-07-14	Chłodnica wody słodkiej	Wody morskiej	Zabrudzone rurki strony wody słodkiej	Czyszczenie chłodnicy
99-07-24	Chłodnica oleju smarnego	Wody morskiej	Zabrudzone rurki strony wody morskiej	Czyszczenie chłodnicy
99-09-04	Silnik elektryczny napędzający pompę wody morskiej	Wody morskiej	Zniszczone łożyska kulkowe w silniku elektrycznym	Wymiana łożysk
99-10-15	Zasuwa przed pompą wody morskiej	Wody morskiej	Zerwane serce	Wymiana zasuwy, regeneracja starej zasuwy na warsztacie
99-10-15	Pompa wody morskiej	Wody morskiej	Łożysko wału pionowego	Wymiana łożyska
99-10-15	Pompa wody morskiej	Wody morskiej	Zużyta tuleja prowadząca dławice	Wymiana tuleji oraz przepakowanie dławic
99-10-29	Rurociąg zasilający ejektory wyparownika	Wody morskiej	Pęknięcie rurociągu	Zaspawanie pęknięcia

Tabela 3-2 Uszkodzenia w instalacji chłodzenia wodą słodką

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-06-16	Pompa obiegowa słodkiej wody chłodzącej	Wody słodkiej	Spalony sznur teflonowy dławicy pompy	Wymiana sznura
99-07-14	Chłodnica wody słodkiej	Wody słodkiej	Zabrudzone rurki strony wody słodkiej	Czyszczenie chłodnicy
99-07-15	Pompa wody morskiej	Wody słodkiej	Zużyta tuleja prowadząca dławice	Wymiana tuleji oraz przepakowanie dławic
99-09-03	Szkło na korpusie wyparownika	Wody słodkiej	Utrata szczelności, spadek próżni w wyparowniku	Wymiana uszczelki
99-09-29	Rurociąg odprowadzający wodę chłodzącą z zaworu wylotowego	Wody słodkiej	Pęknięty przewód	Zaspawanie pęknięcia

Tabela 3-3 Uszkodzenia w instalacji paliwowej

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-05-29	Przewód przelewowy z pompy wtryskowej	Paliwowa	Pęknięcie przewodu	Zaspawanie pęknięcia
99-06-08	Wtryskiwacz	Paliwowa	Przeciek paliwa do instalacji chłodzącej wtryskiwacze	Wymiana wtryskiwacza
99-07-09	Zawór szybkoodcinający dolot paliwa ze zbiorników dennych	Paliwowa	Pęknięta śruba mocująca mechanizm szybkiego zamykania	Wymiana śruby
99-07-22	Sprzęgło pompy podającej paliwo do wirówki paliwa ciężkiego	Paliwowa	Pęknięty klin sprzęgła napędu pompy	Wymiana klina sprzęgającego
99-08-24	Pompa transportu paliwa ciężkiego	Paliwowa	Uszkodzenie dławicy grafitowej	Wymiana dławicy
99-08-24	Pompa transportu paliwa ciężkiego	Paliwowa	Nieprawidłowy luz między kołami zębatymi pompy	Regulacja luzu
99-09-17	Palnik kotła opalanego	Paliwowa	Zapchana końcówka dyszy kotła	Wyczyszczenie końcowki
99-09-27	Wtryskiwacz	Paliwowa	Przeciek paliwa do instalacji chłodzącej wtryskiwacze	Wymiana wtryskiwacza
99-10-16	Sprzęgło pompy podającej paliwo do wirówki paliwa ciężkiego	Paliwowa	Pęknięty klin sprzęgła napędu pompy	Wymiana klina sprzęgającego
99-10-18	Podgrzewacz paliwowy	Paliwowa	Zabrudzenie podgrzewacza	Wyczyszczenie strony parowej i paliwowej podgrzewacza
99-11-03	Przewód wtryskowy	Paliwowa	Pęknięcie przewodu	Wymiana przewodu

Tabela 3-4 Uszkodzenia w instalacji oleju smarnego

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-07-24	Chłodnica oleju smarnego	Oleju smarnego	Zabrudzone rurki strony wody morskiej	Czyszczenie chłodnicy
99-08-02	Sprzęgło pompy podającej olej do wirówki olejowej	Oleju smarnego	Pęknięty klin sprzęgła napędu pompy	Wymiana klina sprzęgającego
99-11-03	Pompa transportu oleju smarnego	Oleju smarnego	Uszkodzona tulejka ślizgowa koła napędzanego	Wymiana tulejki
99-11-03	Rurociąg ssący przed pompą transportową	Oleju smarnego	Pęknięty przewód do manometru podciśnienia	Zaspawanie pęknięcia

Tabela 3-5 Uszkodzenia w instalacji parowej

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-05-29	Zawór odcinający rozdział pary w pralni	Parowa	Przecieki pary na dławnicy, zużyty grzybek zaworu	Wymiana uszczelnienia, dotarcie grzybka
99-06-18	Pompa recyrkulacyjna	Parowa	Przecieki wody na dławicy	Wymiana uszczelnienia
99-07-11	Kocioł opalany	Parowa	Rozszczelnienie szkła wodowskazu	Wymiana uszczelnienia
99-08-03	Główny zawór parowy	Parowa	Przecieki pary na dławnicy	Wymiana uszczelnienia
99-08-03	Zawór odcinający podgrzewacza paliwa wirówek oleju	Parowa	Zużyty grzybek zaworu	Dotarcie grzybka
99-08-04	Zawór odcinający grzanie zbiornika odpadów z wirówek paliwa ciężkiego	Parowa	Przecieki pary na dławnicy, zużyty grzybek zaworu	Wymiana uszczelnienia, dotarcie grzybka
99-08-25	Sondy kontroli poziomu wody w kotle	Parowa	Zabrudzenie sond kamieniem kotłowym	Wyczyszczenie sond
99-10-06	Pływak zaworu regulacji poziomu wody w skrzyni cieplnej	Parowa	Pęknięcie i zatopienie pływaka	Wymiana pływaka
99-11-06	Pompa uzupełniania wody w kotle	Parowa	Przecieki pary na dławnicy	Wymiana uszczelnienia

Tabela 3-6 Uszkodzenia w instalacji sprężonego powietrza

Data	Nazwa uszkodzonego elementu	Miejsce uszkodzenia (instalacja)	Opis rodzaju uszkodzenia	Sposób usunięcia uszkodzenia	Uwagi
99-09-15	Sprężarka powietrza rozruchowego	Sprężonego powietrza	Pęknięcie zawleczek zabezpieczających, samoodkręcenie śrub mocujących łożysko korbowodowe	Remont sprężarki
99-10-01	Sprężarka powietrza rozruchowego	Sprężonego powietrza	Wyrobienie klina mocującego koło zamachowe	Wymiana klina
99-06-12	Zawór zwrotny przed butlą sprężonego powietrza	Sprężonego powietrza	Nieszczelny zawór	Dotarcie zaworu
99-06-12	Zbyt niskie ciśnienie tłoczenia	Sprężonego powietrza	Nieszczelny zawór	Wymiana zaworów

3. Definicje i miary niezawodności

1. Opisowa definicja pojęcia niezawodności

Pojęcie niezawodności definiowane jest w piśmiennictwie światowym w rozmaity sposób. W piśmiennictwie zachodnim dominuje definicja: niezawodność jest to zdolność urządzenia do pracy bez uszkodzeń. Według tego określenia pojęcie niezawodności pokrywa się z pojęciem bezawaryjności i nie uwzględnia takiej cechy obiektu jak odnawialność (naprawialność). W piśmiennictwie amerykańskim spotkać można i inne definicje, na przykład takie: niezawodność to zdolność obiektu do pełnienia zadanych funkcji i utrzymywania swoich wskaźników eksploatacyjnych w zadanych przedziałach przy zadanych warunkach eksploatacji w ciągu wymaganego czasu lub wymaganej ilości pracy wykonanej przez obiekt; niezawodność obiektu jest to jego zdolność do spełniania określonych wymagań w określonym przedziale czasu i w określonych warunkach eksploatacji. W ostatniej definicji pokazano, że procesy prowadzące do niesprawności zależą nie tylko od obiektu (początkowego stanu technicznego e_o) i zadania Za, ale również od czasu eksploatacji i warunków eksploatacji (stanu otoczenia Ot i sposobu eksploatacji U, decydujących wraz z zadaniem Za o poziomie oddziaływań zewnętrznych G_a(t)).

Jak wynika z tego krótkiego przeglądu definicji niezawodności stosowanych w piśmiennictwie z tego zakresu, brak jest w tym względzie jednolitości poglądów. Zasadniczą przyczyną tego są duże różnice w klasie zadań, do których wykonania są, wykorzystywane obiekty techniczne. A zadania te (Za), a także, choć w mniejszym stopniu, stan otoczenia (Ot) i sposób eksploatacji (U), wywierają duży wpływ na określenie pojęcia niezawodności. Można więc oczekiwać nieco innej definicji niezawodności samolotu od którego wymaga się ze względu na bezpieczeństwo pasażerów, aby czas wykonywania zadania przelotu nie uległ on niesprawności, a nieco innej definicji niezawodności obrabiarki, od której wymaga się, aby straty ekonomiczne wywoływane jej niesprawnościami (związane z postojami, naprawa itd.) były jak najmniejsze.

Mimo to wydaje się, że najlepiej sformułowaną definicją jest:

Niezawodność obiektu jest to jego zdolność do spełniania wymagań

Sformułowana w pracy „Holografia podstawy fizyczne, teoria i zastosowanie” autorstwa M. Pluty.

Konkretyzując ogólny zwrot "wymagania", można z tej definicji tworzyć wszelkie inne mniej ogólne definicje niezawodności.

Jeśli na przykład wymagania stawiane obiektowi polegają na wykonywaniu przewidzianych funkcji w określonych warunkach eksploatacji bez niesprawności, to definicja ta jest następująca:

Niezawodność obiektu jest to jego zdolność do pełnienia w określonych warunkach eksploatacji przewidzianych dla niego funkcji, czyli zdolność do prawidłowego funkcjonowania, bez niesprawności.

Jeśli żąda się spełnienia wymagań w określonym przedziale czasu, ta definicja jest jeszcze węższa od przytoczonej powyżej. Niech na przykład wymagania postawione obiektowi polegają na nieprzerwanym pozostawaniu w stanie zdatności w określonym przedziale czasu użytkowania. Wtedy niezawodność obiektu można określić jako jego zdolność do zachowania zdolności w określonym przedziale czasu użytkowania.

W tej i poprzedniej definicji niezawodność jest charakteryzowana za pomocą pojęcia nieuszkadzalności. Nieuszkadzalność jest to zdolność obiektu do poprawnego wykonywania zadań bez wymuszonych przerw powodowanych niesprawnościami. Nieuszkadzalność można określić inaczej jako zdolność obiektu do nieprzerwanego pozostawania w stanie zdatności w czasie eksploatacji. To pojęcie szczególnie dobrze charakteryzuje niezawodność obiektów, których niesprawność prowadzić może do szczególnie dużych strat ekonomicznych, społecznych lub innych. Przykładami takich obiektów mogą być: samolot, statek kosmiczny, system energetyczny itd., a także ich elementy.

Obiekt odnawiany może znajdować się w stanie zdatności lub w stanie niezdatności. Jeśli przebywa w stanie zdatności, to funkcjonuje lub ma przewidzianą przerwę w pracy. Jeśli jest w stanie niezdatności, to podlega odnowie (np. naprawie) lub na nią czeka.

Jeśli od obiektu wymaga się, aby w dowolnej chwili eksploatacji pozostawał on w stanie zdatności, czyli był gotowy do wykonywania przewidzianych funkcji, to na podstawie podanej ogólnej definicji niezawodności można utworzyć definicję następującą: niezawodność obiektu jest to jego zdolność do przebywania w stanie zdatności w dowolnej chwili eksploatacji.

W tej definicji niezawodność jest charakteryzowana za pomocą pojęcia gotowości. Gotowość jest to zdolność obiektu do przebywania w stanie zdatności w dowolnej chwili eksploatacji. Gotowość dobrze charakteryzuje niezawodność obiektów odnawianych wówczas, gdy czasy odnawiania są znaczące w porównaniu z długością czasów funkcjonowania.

Gotowość obiektu zależy między innymi od przysposobienia obiektu do zabiegów odnowy, czyli od tzw. (niektórzy autorzy używają nazwy naprawialności). W ogólnym przypadku odnawialność jest właściwością nie tylko obiektu (głównie jego konstrukcji), ale również sposobu eksploatacji U (np. organizacji i wyposażenia służb naprawczych, wyszkolenia obsługi itd.). Im większa odnawialność obiektu, tym mniejszy jest potrzebny wkład pracy obsługi przy odnowie po wystąpieniu niesprawności, a więc mniejszy jest zarazem koszt odnowy. Odnawialność jest bardzo istotną właściwością obiektu i sposobu eksploatacji, gdyż w dużym stopniu od niej zależy wielkość strat wywoływanych niesprawnościami. Traktuje się ją zwykle jako jedną z pośrednich charakterystyk niezawodności, czasami jednak jako odrębną właściwość obiektu oraz sposobu eksploatacji i wymienia się obok właściwości niezawodności.

Prócz podanych przykładowo kilku definicji niezawodności, utworzonych na podstawie ogólnej definicji przedstawionej powyżej, możliwe są i inne. Ich treść zależy od rodzaju wymagań, jakie stawia się obiektowi. Wymagania zaś zależą bezpośrednio od wielkości strat, jakie wywołać może niesprawność obiektu - strat ekonomicznych, społecznych i innych, związanych z niewykonaniem zadania, z postojem, z naprawi itd.

Jeśli na przykład powstanie niesprawności obiektu może być przyczyn utraty życia ludzkiego lub bardzo dużych strat ekonomicznych, to niezawodność takiego obiektu może być szczególnie dobrze charakteryzowana za pomocy pojęcia nieuszkadzalności.

Jeśli nie przewiduje się tak poważnych skutków niesprawności obiektu, to właściwym wymaganiem wydaje się być wymaganie odpowiednio wysokiej gotowości i dodatkowo - odpowiednio wysokich nieuszkadzalności lub odnawialności (dokładniej można to sprecyzować na podstawie analizy wielkości strat wywoływanych niesprawnościami).

Stawiane obiektowi wymagania zależą od wielkości strat, te zaś zależ przede wszystkim od przewidzianych zadań Za, a także od warunków eksploatacji (Ot i U), konstrukcji obiektu itd.

2. Podstawowe miary niezawodności.

Ilościowej oceny niezawodności dokonuje się za pomocą pewnych miar określanych przez normatywne definicje niezawodności. Miary te w piśmiennictwie polskim nazywane są wskaźnikami niezawodności lub miarami niezawodności.

Wielkością, która dobrze charakteryzuje zdolność obiektu do spełnienia wymagań, jest prawdopodobieństwo spełnienia wymagań. Ogólna normatywna definicja niezawodności brzmi więc w tym przypadku następująco:

Niezawodność obiektu jest to prawdopodobieństwo spełnienia przez, obiekt stawianych mu wymagań.

W zależności od tego, jak są sformułowane wymagania, można z tej ogólnej definicji utworzyć wiele innych mniej ogólnych normatywnych definicji niezawodności, a więc i różne miary niezawodności. Ważniejsze z nich, najczęściej używane, zostaną przedstawione i opisane w dalszej części tekstu.

Jeśli oprzeć się na ostatniej definicji niezawodności, to za wielkość, która dobrze charakteryzuje zdolność obiektu do prawidłowego funkcjonowania bez niesprawności, można przyjąć prawdopodobieństwo spełnienia takiego wymagania. Miarę tę oznacza się zwykle symbolem R(t), podkreślając przy tym, że jest ona funkcji czasu. Prawidłowe funkcjonowanie bez niesprawności jest możliwe wówczas, gdy obiekt znajduje się w stanie zdatności, a więc gdy są spełnione warunki (1.4). Miarę R(t) można więc przedstawić za pomocy wyrażenia:

R(t) = P {[Z_1d ≤ Z₁(t) ≤ Z_lg] ∩ [Z_2d ≤ Z₂(t) ≤ Z_2g] ∩ *** ∩ [Z_nd ≤ Z_n(t) ≤ Z_ng]} (3.1)

Występujący w tym wyrażeniu czas t może być, w zależności od umowy czasem kalendarzowym lub czasem użytkowania obiektu (czasem funkcjonowania). Przyjmijmy dalej, że t jest czasem użytkowania.

Funkcję R(t) nazywa się funkcją niezawodności. Do określenia tej funkcji na podstawie relacji (3.1) konieczna jest znajomość wielowymiarowego procesu losowego Z(t) o składowych Z_ν(t), ν = 1, 2, ..., n. Do określenia wartości funkcji R(t) dla danej chwili t konieczna jest znajomość na przykład n - wymiarowej dystrybuanty

F(Z₁, Z₂, ...Z_n; t) = P {Z₁(t) < Z_1, Z₂(t) < Z₂ ... Z_n(t) < Z_n} (3.2)

która opisuje stan wszystkich cech zdatności obiektu w chwili t. Jak wynika z relacji (1.2) i (1.3) każda ze składowych procesu losowego Z(t) jest zależna od oddziaływań zewnętrznych Ga(τ) i od początkowego stanu technicznego obiektu e_o. W praktyce na ogół nie jest znany dla tej samej populacji obiektów proces losowy Ga(τ) oraz zmienna losowa e_o, a także postać zależności Z(t) od tych wielkości. Zasadniczymi przyczyni tego jest brak dostatecznego zasobu danych eksperymentalnych, które pozwoliłyby w pełni określić wielkości i te zależności. Na ogół więc procesy losowe (3.1) nie są znane i dlatego w większości przypadków nie można skorzystać z zależności (R(t)) do określenia funkcji niezawodności R(t).

W zdecydowanej większości przypadków funkcję R(t) wyznacza się więc na podstawie znajomości zmiennej losowej T oznaczającej chwilę, w której warunki (1.4) przestają być spełnione, tzn. chwilę powstania niesprawności obiektu. Zwykle zmienna losowa T jest określana na podstawie badań eksperymentalnych. Ten sposób określenia funkcji niezawodności (także i innych miar niezawodności) jest znacznie prostszy i wymaga znacznie mniej danych eksperymentalnych (i łatwiejszych do uzyskania), jednakże nie daje to możliwości badania wpływu na niezawodność takich czynników, jak oddziaływanie zewnętrzne, stan początkowy itd. Funkcję niezawodności, przedstawioną relacją (3.1), można w tym przypadku wyrazić także następującym związkiem:

R(t) = P{T > t} (3.3)

Funkcja niezawodności jest funkcją nierosnącą o wartościach z przedziału [0,1]. Przyjmijmy, że w chwili początku liczenia czasu, tzn. dla t = 0, wartość funkcji niezawodności

R(0) ≡ R_o = 1 (3.4)

Oznacza to, że przed rozpoczęciem funkcjonowania, obiekt jest sprawdzany.

Zdarzenia T > t i T < t są zdarzeniami przeciwnymi i tworzą zupełny układ zdarzeń:

P {T > t} + P{T ≤ t} = 1 (3.5)

Prawdopodobieństwo

P { T < t} ≡ Q(t) (3.6)

jest dystrybuantą zmiennej losowej T. Ze związków (3.5) i (3.6) wynika, że·

R(t) = 1 - Q(t) (3.7)

Załóżmy że istnieje funkcja gęstości prawdopodobieństwa zmiennej T równa:


(3.8)

Wówczas


(3.9)

Wielkości R(t), Q(t) i f(t) są przedstawione na rys. 3.1












Rysunek 3.1 Graficzne przedstawie­nie funkcji niezawodności

Gdy czas funkcjonowania bez niesprawności ma na przykład rozkład wykładniczy, to:


(3.10)

gdzie λ - stały parametr

Jeśli jest znana gęstość f(t), to można wyznaczyć prawdopodobieństwo R(t, t+Δt) a priori funkcjonowania obiektu bez niesprawności w przedziale czasu (t, t+Δt). Jak wynika z definicji dystrybuanty, prawdopodobieństwo wystąpienia niesprawności w tym przedziale jest równe


(3.11)

Wprowadzając oznaczenie P {t ≤ T ≤ t+Δt } ≡ Q(t, t+Δt), otrzymuje się na podstawie tej relacji następujące wyrażenie:

Q (t, t+Δt) = Q(t+Δt) - Q(t) (3.12)

Co jest przedstawione graficznie na rys. 3.2. na podstawie relacji (3.12) i (3.7) otrzymuje się wówczas:

R (t, t+Δt) = 1+R(t+Δt) - R(t) (3.13)












Rysunek 3.2 Prawdopodobieństwo wystąpienia niesprawności w określonym przedziale czasu

Równie interesująca może być ocena prawdopodobieństwa R_w(t, t + Δt ) funkcjonowania obiektu bez niesprawności w tym samym przedziale czasu, ale dokonywana nie w chwili początkowej, lecz w chwili t przy informacji, że w chwili tej obiekt jest zdatny do funkcjonowania. Jest to prawdopodobieństwo warunkowe, a warunkiem jest relacja T > t. Oczywiście

R_w(t, t + Δt) = 1 - Q_w(t, t + Δt) (3.14)

Gdzie


(3.15)

ostatecznie można otrzymać, że:




Z porównania relacji (3.12) i (3.16) wynika, że prawdopodobieństwo Q_w(t, t+Δt) wystąpienia niesprawności, oceniane w chwili t > 0, jest większe od prawdopodobieństwa Q(t, t+Δt) wystąpienia niesprawności, ocenianego w chwili t = 0.

Drugą miarą niezawodności, równie popularną jak funkcja niezawodności, jest tzw. intensywność niesprawności (uszkodzeń). Wyrażenie przedstawiające tę wielkość można otrzymać, dzieląc obie strony równości (3.16) przez Δt i przechodząc do granicy dla Δt→0. po przekształceniach otrzymuje się:


(3.18)

lewa strona tego wyrażenia, oznaczana zwykle za pomocą symbolu λ(t), jest nazywana intensywności niesprawności. Czyli:


(3.19)

Korzystając z definicji gęstości prawdopodobieństwa, można stwierdzić; że λ(t) jest równa warunkowej gęstości prawdopodobieństwa fw(t), przy czym warunkiem jest niezajście niesprawności do chwili t. Słuszne są także następujące relacje:




To ostatnie wyrażenie, po scałkowaniu obustronnym względem czasu w granicach od 0 do t, przybiera postać


(3.22)

Widać, że między R(t) i λ(t) istnieje ścisły związek funkcyjny. W przypadku szczególnym, gdy intensywność niesprawności jest stała w czasie (rozkład zmiennej losowej T jest wykładniczy), funkcja niezawodności jest równa:


(3.23)

Odpowiednikiem wielkości probabilistycznej λ(t) jest liczba niesprawności, jakie pojawiły się w jednostce czasu, odniesiona do liczby obiektów (z odpowiednio dużego ich zbioru), które nie uległy niesprawnościom do chwili t. Funkcja λ(t) określa więc prędkość malenia zbioru obiektów wskutek występowania niesprawności tych obiektów. Stad nazwa tej wielkości.

Jak wynika z zależności (3.7), (3.20) i (3.22), wszystkie wielkości: R(t), Q(t), f(t) i λ(t) są wzajemnie ze sobą powiązane. Znajomość wielkości Q(E), f (t) lub λ(t) jednoznacznie określa więc funkcję niezawodności R(t), która jest podstawową miarą niezawodności. Często zamiast funkcji niezawodności jako miary niezawodności używa się intensywności niesprawności λ(t).

Dane eksperymentalne wskazuj, że przebieg funkcji λ(t) w czasie jest charakterystyczny dla większości obiektów technicznych, również i mechanicznych. Przebieg ten jest pokazany na rys. 3.3. Sens i przebieg tej funkcji są bardzo podobne do sensu i przebiegu znanej z demografii funkcji intensywności śmierci ludzi. Przykładowy przebieg takiej funkcji przedstawiono na rys. 3.4, opracowanym na podstawie danych zawartych w Roczniku Staystycznym 1979.









Rysunek 3.3 Typowy przebieg funkcji intensywności niesprawności obiektu technicznego










Rysunek 3.4 Przebieg funkcji intensywności śmierci mężczyzn i kobiet w Polsce (w 1978 roku)

Na rysunku tym, miarą intensywności śmierci jest prawdopodobieństwo śmierci w następnym roku życia pod warunkiem dożycia do określonego wieku. Przy okazji tego porównania warto zwrócić uwagę na to, że chwila wystąpienia niesprawności obiektu nieodnawialnego jest kresem jego życia, określającym czas trwania życia, a używając języka technicznego - trwałość tego obiektu.

Z rysunku 3.3 widać, że w całym przedziale czasu użytkowania obiektu (czasu funkcjonowania) można wyróżnić trzy okresy.

0kres I charakteryzuje się dużą i szybko zmniejszającą się intensywnością niesprawności. Ta duża wartość λ(t) w początkowym okresie jest związana z ujawnianiem w populacji obiektów wad konstrukcyjnych, materiałowych i produkcyjnych oraz z niedostateczną wprawą obsługi. Obiekty z wadami eliminowane są z populacji wkrótce po rozpoczęciu pracy, a personel obsługujący nabiera wprawy, w wyniku czego intensywność niesprawności szybko maleje. Pod koniec pierwszego okresu λ(t) osiąga swoją najmniejszą wartość. Ten okres użytkowania jest nazywany w piśmiennictwie polskim okresem wczesnych niesprawności (uszkodzeń) lub okresem usuwania wadliwych obiektów. W przypadku obiektów odpowiedzialnych, od których wymaga się dużej niezawodności, okres usuwania wadliwych obiektów może być zupełnie wyeliminowany (lub intensywność niesprawności znacznie zmniejszona) przez dokładną kontrolę we wszystkich fazach powstawania obiektu oraz przez wstępną eksploatację w specjalnych warunkach.

Okres II użytkowania obiektu odznacza się stała lub nieco wzrastającą intensywnością niesprawności. Występujące niesprawności, zwane niesprawnościami nieoczekiwanymi lub przypadkowymi, wynikają zwykle z nagłych wyskoków zewnętrznych oddziaływań. W przypadku obiektów mechanicznych mogą to być nagłe i nieprzewidziane wyskoki obciążeń zewnętrznych powstające wskutek brutalnego sterowania przez człowieka, niedotrzymaniem przewidzianych warunków eksploatacji, ekstremalne oddziaływania środowiska, uderzenia w przeszkody itd. W przypadku człowieka przyczynami niesprawności mogą być na przykład jego błędy i zasłabnięcia. Wszystkie tego rodzaju niesprawności zaliczyć należy do niesprawności nagłych, gdyż przekroczenia przez cechy zdatności granicy obszaru zdatności maje charakter skokowy. Te nieoczekiwane niesprawności występuje również w pozostałych dwóch okresach użytkowania obiektu, dodając się w okresie I do niesprawności początkowych, a w okresie III - do niesprawności starzeniowych.

Wzrost zużycia obiektu w II okresie, zwłaszcza w przypadku obiektów mechanicznych, powoduje pogorszenie jego stanu technicznego i może być przyczyną powolnego wzrostu λ(t) w tym okresie. Jednakże wzrost ten zwykle nie jest duży i często można przyjąć, że intensywność niesprawności jest stała i równa na przykład średniej z jej wartości na początku i na końcu okresu.

Jeśli:

λ(t) ≡ λ = const (3.24)

to funkcja niezawodności R(t) może być wyrażona bardzo prostym związkiem (3.23), powszechnie stosowanym w elektronice. Czas T do chwili wystąpienia niesprawności ma wówczas rozkład wykładniczy i gęstość prawdopodobieństwa


(3.25)

W tym przypadku warunkowa funkcja niezawodności obiektu dla określonego przedziału czasu (t, t +Δ(t)) nie zależy od wielkości czasu t dotychczasowego funkcjonowania, ale jedynie od wielkości przedziału Δt, tzn.


(3.26)

Łatwo to uzasadnić, opierając się na związku (3.17). Jeśli więc obiekt w chwili t jest w stanie zdatności, to przyszłe jego zachowanie nie zależy od przeszłości. Obiekty podlegające wykładniczemu prawu niezawodności są więc obiektami nie starzejącymi się. Przyczyni tego jest fakt powstawania tych nagłych niesprawności nie wskutek stopniowej zmiany stanu technicznego obiektu, lecz wskutek zewnętrznych oddziaływań nieoczekiwanych o wartościach przekraczających wartości krytyczne. Dopóki więc wartość intensywności niesprawności (w II okresie) ma wartość stałą lub prawie stałą profilaktyczna wymiana obiektu na nowy traci sens. Jedynymi sposobami zwiększenia niezawodności w tym okresie jest ulepszenie konstrukcji obiektu i zmniejszenie działających obciążeń.

Pod wpływem oddziaływań zewnętrznych przebiegają w obiekcie nieodwracalne fizykochemiczne procesy zmieniające jego stan techniczny, takie jak np. korozja, pełzanie, zmęczenie powierzchniowe i objętościowe, ścieranie itd. Procesy te nazywane są ogólnie starzeniem. Wskutek pogarszania się stanu technicznego prócz niesprawności nieoczekiwanych, charakterystycznych dla drugiego okresu użytkowania, zaczynają się pojawiać tzw. niesprawności starzeniowe. Są to niesprawności na ogół stopniowe, ale również i mieszane, tzn. takie, dla których stopniowa zmiana cech zdatności (stopniowe starzenie obiektu) występuje w obszarze zdatności od pewnej chwili, od której przejście ich poza granicę obszaru zdatności ma charakter nagły. Przykładem niesprawności mieszanej może być zmęczeniowe pęknięcie elementu obiektu mechanicznego. W II okresie użytkowania obiektu niesprawności starzeniowe występuje rzadko, gdyż prędkość przebiegu procesów starzeniowych jest skończona i w dużym przedziale czasu użytkowania obiektu mechanicznego - mała (przy założeniu, że obiekty z wadami zostały wyeliminowane przed wstępną eksploatacją lub w I okresie użytkowania). Przykładem mogą być uszkodzenia zmęczeniowe. Wskutek dużego zaawansowania procesów starzeniowych i znacznego pogorszenia stanu technicznego obiektu niesprawności starzeniowe są dominującymi niesprawnościami w III okresie użytkowania obiektu. One są też przyczyni szybkiego wzrostu intensywności niesprawności w tym okresie. Dlatego obiekty odpowiedzialne po stwierdzeniu zaawansowanych procesów starzeniowych (czemu służy odpowiednia diagnostyka) wycofuje się z eksploatacji lub poddaje profilaktycznym zabiegom odnawiania.

Przyczyny zwiększonej w tym okresie intensywności niesprawności człowieka są podobne - zmęczenie fizyczne lub psychiczne wskutek długotrwałej pracy.

0kres III użytkowania obiektu nosi nazwę okresu starzenia lub okresu zużycia. Przestaje tu obowiązywać wykładnicze prawo niezawodności (jeśli w ogóle obowiązywało), gdyż λ(t) ≠ const. Chwile wystąpień niesprawności starzeniowych, jak wskazują dane eksperymentalne, maje zwykle rozkłady: normalny lub logarytmo - normalny (np. chwile uszkodzeń zmęczeniowych elementów maszyn), Weibulla (np. chwile uszkodzeń łożysk tocznych) itp. Gęstości prawdopodobieństwa chwil T dla tych rozkładów są następujące:

• rozkład normalny


(3.27)

gdzie:

m = ET, σ =( D²T)^-0,5,

• rozkład logarytmowo - normalny


(3.28)

gdzie:

m = E(log T), σ = [D²(log T)]^-0,5

• rozkład Weibulla


(3.29)

gdzie parametry β > 0 i γ > 0.

Na podstawie zależności (3.20) i (3.9) można dla tych rozkładów znaleźć wyrażenia na funkcję intensywności niesprawności λ(t), np. dla rozkładu normalnego


(3.30)

gdzie φ - symbol dystrybuanty standaryzowanego rozkładu normalnego.

Po przeanalizowaniu przebiegu funkcji φ(t) w tych trzech okresach użytkowania obiektu można funkcję niezawodności R(t) przedstawić w nieco innej postaci niż (3.22). Zróbmy w tym celu upraszczające założenie, że niesprawności początkowe (charakterystyczne dla I okresu) o intensywności λ_p(t), niesprawności nieoczekiwane (charakterystyczne dla II okresu) o intensywności λ_n(t), i niesprawności starzeniowe (charakterystyczne dla III okresu) o intensywności λ_s(t), powstaje wzajemnie niezależnie. Opierając się na związku (3.22), można wtedy uzasadnić, że funkcja intensywności niesprawności λ(t), i funkcja niezawodności R(t) obiektu dla dowolnej chwili t są równe:

λ(t) = λ_p(t) + λ_n(t) + λ_s(t), (3.31)


(3.32)

W zależnościach tych można zwykle przyjąć, że w I okresie użytkowania obiektu λ_s(t), jest pomijalnie małe, w II okresie λ_p(t), i λ_s(t), są pomijalnie małe, w III okresie λ_p(t), jest pomijalnie małe, a we wszystkich okresach

λ_n(t) ≈ λ_n = const (3.33)

ta ostatnia relacja jest spełniona dla wszystkich okresów użytkowania obiektu, jeśli oddziaływania zewnętrzne G_a(t) (np. proces obciążeń zewnętrznych obiektu mechanicznego, właściwości oleju itd.) są procesem losowym stacjonarnym ergodycznym.

Z przedstawionych rozważań na temat funkcji intensywności niesprawności λ(t),wynika, że jej dokładniejsza znajomość może być bardzo pożyteczna i dla konstruktora i dla eksploatatora obiektu. Jej znajomość pozwala bowiem m.in. na:

• określenie innych miar niezawodności obiektu, np. funkcji niezawodności R(t);

• wprowadzenie takich zmian technicznych (konstrukcyjnych, technologicznych) elementów i ich powiązań, a także struktury funkcjonalnej obiektu, które prowadzi do wydłużenia drugiego okresu funkcjonowania obiektu i jego elementów, a więc do zwiększenia niezawodności;

• racjonalne ustalenie chwil profilaktycznych wymian elementów w procesie eksploatacji obiektu;

• racjonalne ustalenie chwili przeznaczenia obiektu do kapitalnego remontu lub wycofania z eksploatacji;

• racjonalny wybór technicznego rozwiązania obiektu (w fazie konstruowania i w fazie eksploatacji), itd.

Przedstawmy teraz przebieg innych (niż λ) miar niezawodności, np. R(t) i f(t), w tych trzech charakterystycznych okresach użytkowania obiektu. Zrealizowano to na rys. 3.5.














Rysunek 3.5 Typowy przebieg kilku miar niezawodności obiektu nieodnawialnego

Prócz podstawowej miary niezawodności obiektu nieodnawialnego, a więc R(t) lub λ(t), często używana jest jeszcze jedna, dodatkowa. Jest nią wartość oczekiwana czasu funkcjonowania bez niesprawności


(3.34)

po scałkowaniu przez części otrzymuje się inną postać tej zależności:


(3.35)

Z ostatniej zależności widać, że geometrycznie ET oznacza pole ograniczone osiami współrzędnych i krzywą R(t) (rys. 3.6 a).





















Rysunek 3.6 Dwa przypadki zmian w czasie funkcji niezawodności (a) i gęstości prawdopodobieństwa czasu funkcjonowania bez niesprawności (b)

Z zależności (3.35), a także z poglądowego rys. 3.6, wynika, że dla oceny efektywności obiektu (jego dobroci) nie wystarczy znajomość wartości funkcji niezawodności (lub innej miary niezawodności) dla przewidywanego czasu t_k użytkowania obiektu. Na, rysunku 3.6 przedstawione są w charakterze przykładu wykresy funkcji niezawodności (rys. 3.6 a) i gęstości prawdopodobieństwa czasu funkcjonowania bez niesprawności (rys. 3.6 b) dla dwóch obiektów, które są przeznaczone do wykonania tych samych funkcji w tych samych warunkach eksploatacji. Wartości funkcji niezawodności dla przewidywanego czasu t_k użytkowania są w przypadku obu obiektów jednakowe, natomiast przebiegi w czasie funkcji niezawodności R(t) i gęstości f (t) są w obu przypadkach różne. Przyczyni takich różnic może być na przykład przeprowadzenie eksploatacji wstępnej (w celu usunięcia wadliwych obiektów z populacji) jedynie dla obiektów typu 1, w wyniku czego intensywność niesprawności w początkowym okresie jest dla tych obiektów znacznie mniejsza niż dla obiektów typu 2. Wartość oczekiwana czasu funkcjonowania bez niesprawności jest więc dla tych obiektów większa niż dla obiektów typu 2, a więc i ich efektywność (dobroć) może być większa (bo większa wartość zadań wykonanych przy użyciu grupy obiektów typu 1).

Do oceny efektywności obiektu konieczne jest więc rozpatrzenie przebiegu funkcji niezawodności (lub innej miary niezawodności) w czasie dla całego przewidywanego okresu użytkowania obiektu.

1. Miary niezawodności charakterystyczne dla obiektów odnawianych

Wymaganiem, jakie często stawia się obiektom odnowionym, jest wymaganie odpowiednio wysokiej gotowości, a zagadnienia te zalicza się do zagadnień z obszaru nauki o niezawodności. Gotowość jest ważną cechą różnego rodzaju systemów, przeznaczonych do działania w sytuacjach dużego zagrożenia, np. systemów ratownictwa przeciwpożarowego, systemów ratownictwa morskiego. W tym przypadku opisowa definicja niezawodności może brzmieć tak jak to podano w p. 3.3.1, a mianowicie:

Niezawodność obiektu jest to jego zdolność do przebywania w stanie zdatności w dowolnej chwili eksploatacji.

Normalna zaś definicja niezawodności, utworzona na podstawie ogólnej normatywnej definicji jest następująca:

Niezawodność obiektu jest t prawdopodobieństwo K(t) jego przebywanie w stanie zdatności w określonej chwili t eksploatacji.

Miara K(t) nazywa się funkcją gotowości. Określamy ją bliżej przy następujących założeniach:

1. nie przewiduje się planowych przerw w czasie eksploatacji obiektu (wynikających np. ze zmianowości w pracy obsługi), a więc ciągła praca obiektu jest przerywana jedynie występującymi niesprawnościami,

2. nie są przewidziane zabiegi odnów profilaktycznych

3. wszystkie okresy zdatności  _i są zmiennymi losowymi ograniczonymi o jednakowym (niezależnym od numeru i niesprawności - rys. 4.3) rozkładzie, danym przez ciągłą gęstość f(t) = Q'(t), przy czym dystrybuanta

Q(t) = P{_i < t } (3.36)

4. wszystkie okresy odnowy θ_i są zmiennymi losowymi ograniczonymi o ograniczonym rozkładzie, danym przez ciągłą gęstość g(t) = G'(t), przy czym dystrybuanta

G(t) = P{_i < t } (3.37)

Łatwo zauważyć na podstawie rys. 4.3, że zdarzenie


(3.38)

gdzie ₀+υ₀=₀+υ₀=0, polega na tym że w chwili t eksploatacji obiekt jest w stanie zdatności po S odnowach. Ponieważ zdarzenia te wzajemnie się wyłączają i może być ich dowolnie dużo zatem


(3.39)

Przy sformułowanych powyżej założeniach można dowieść, że:


(3.40)

Występująca we wzorze (3.40) funkcja h(x) jest tzw. gęstością odnowy (odnawiania), równą:


(3.41)

Wielkość H(t) jest nazywana funkcją odnowy. Jest to wartość oczekiwana liczby niesprawności S(t), które pojawiły się do chwili t eksploatacji obiektu. Czyli:

H(t) = E[S(t)] (3.42)

Statystycznym odpowiednikiem gęstości odnowy jest średnia liczba niesprawności w jednostce czasu po chwili t.

W praktyce zwykle nie korzysta się z zależności (3.40) na funkcję gotowości, a jedynie ze stacjonarnej jej wartości zwanej współczynnikiem gotowości K równym:


(3.43)

Można udowodnić na podstawie zależności (4.44), że


(3.44)

gdzie:

ET - wartość oczekiwana czasu przebywania w stanie zdatności,

EΘ - wartość oczekiwana czasu przebywania w stanie niezdatności.

W myśl poczynionych wcześniej założeń:

ET = Eτ1 = Eτ2 =***, EΘ= Eθ1= Eθ2=*** , (3.45)

Warto zwrócić uwagę, że współczynnik gotowości K jest zarazem średnim udziałem czasu przebywania obiektu w stanie zdatności i w tym przypadku także wielkością charakteryzującą stopień wykorzystania obiektu.

Współczynnik gotowości może nie wystarczyć do scharakteryzowania niezawodności, a zwłaszcza do oceny efektywności obiektu. Dwa obiekty o jednakowej gotowości mogą znacznie różnić się między sobą. Tak na przykład dla tej samej wartości współczynnika gotowości K =0,9 jeden obiekt może mieć ET =9h i EΘ = 1 h, a drugi ET =900h i EΘ = 100h W pierwszym obiekcie niesprawności występują przeciętnie co 10 h, a w drugim co 1000 h. Dlatego w celu lepszego scharakteryzowania obiektu należy podawać dodatkowo ET lub EΘ. Obydwie te wartości podaje się czasami zamiast współczynnika gotowości i jednej z nich.

Funkcję odnowy H(t) i gęstości h(t) określa się zwykle na podstawie ich oszacowań lub zależności asymptotycznych, tzn. wyprowadzonych dla chwil t → ∞. Jednym z takich oszacowań funkcji odnowy H(t) słusznym dla dowolnej chwili t eksploatacji (przy wymienionych poprzednio założeniach) jest relacja


(3.48)

Jeśli do poprzednio wymienionych założeń 1-4 dołączyć jeszcze założenie:

5) funkcje gęstości f (t) i g(t) okresów zdatności i okresów niezdatności obiektu dążą do zera, gdy t → ∞, to gęstość odnowy:


(3.49)

Jest to jedno z podstawowych twierdzeń teorii odnowy wyrażające fakt, że z biegiem czasu proces odnowy staje się procesem stacjonarnym i jego lokalne charakterystyki przestają zależeć od czasu. Związek (3.49) przedstawia więc jedną z asymptotycznych właściwości tego procesu. Można udowodnić, że dla małych t gęstość odnowy h(t) zmienia się z czasem, oscylując na ogół wokół wartości 1/(ET + EΘ] i dążąc do niej asymptotycznie. Przedstawia to rys. 3.7.




Rysunek 3.7 Przebieg gęstości odnowy w czasie eksploatacji

Trzeba więc pamiętać, że właściwość (3.49) ma obiekt dopiero dla odpowiednio odległych chwil od początku eksploatacji. Im są one bliższe chwili początkowej, tym przybliżenie rzeczywistości związkiem (3.49) jest gorsze. Uzyskanie jednak takich związków, które byłyby słuszne dla dowolnej chwili t eksploatacji, jest możliwe, ale są one w tym przypadku bardzo złożone.

Wielkości K, H(t) i h(t) są traktowane jako miary niezawodności, charakterystyczne dla obiektów odnawianych po wystąpieniu niesprawności, i używane w przypadku takich obiektów prócz miar niezawodności przedstawionych wcześniej w p. 3.3.2.

Określmy jeszcze dla omawianego przypadku prawdopodobieństwo a priori funkcjonowania obiektu bez niesprawności w przedziale czasu eksploatacji (t, t + t), czyli funkcję niezawodności obiektu R(t, t + t) dla tego przedziału: Przy wyprowadzaniu wzoru na R(t, t + t) postępuje się analogicznie jak przy wyprowadzaniu zależności (3.40) na funkcję gotowości. Przy tych samych założeniach i oznaczeniach otrzymuje się ostatecznie:


(3.50)

W praktyce wygodniejsza jest inna postać wzoru na poszukiwaną funkcję niezawodności, otrzymana dla okresu, w którym proces odnowy staje a stacjonarny. Jest ona następująca


(3.51)

Postacie zależności na funkcje niezawodności R(t, t + t) i R(t) znacz nie upraszczają się dla przypadku obiektów złożonych z dużej liczby elementów, np. systemów maszyn (samolot, samochód, komputer i in.). Załóżmy, że proces niesprawności (strumień niesprawności) takiego obiektu jest sumą dużej liczby strumieni niesprawności elementów. Załóżmy też, że procesy tu są niezależne. Zależności między niesprawnościami pochodzącymi od tych samych elementów są słabe, ponieważ z prawdopodobieństwem bliskim jedności są one rozdzielone dużą liczby niesprawności innych elementów. Tak oczywiście jest przy założeniu, że nie ma w obiekcie elementu, którego proce odnowy miałby gęstość porównywalni z gęstością odnowy całego obiektu. Jednakże w dobrze zaprojektowanych i wykonanych obiektach to założenie jest zwykle spełnione. Z rozważań tych wynika, że przy przyjętych poprzednio założeniach proces odnowy obiektu złożonego z dużej liczby elementów ma właściwość braku następstw (wzajemna niezależność zajścia tej lub innej liczby niesprawności w nie pokrywających się przedziałach czasu) oraz właściwość pojedynczości (prawdopodobieństwo jednoczesnego pojawienia się dwóch lub więcej niesprawności jest równe zeru). Jak wiadomo z teorii procesów losowych, proces mający te właściwości jest procesem Poissona, w ogólności niestacjonarnym. Dowód na to, że proces, odnowy obiektu złożonego z dużej liczby elementów jest w przybliżeniu procesem Poissona. Prawdopodobieństwo pojawienia się S odnów w przedziale czasu eksploatacji (t, t + t) jest w rozważanym przypadku równe


(3.52)

gdzie h(x) - gęstość odnowy obiektu złożonego odniesiona (tak jak dotychczas) do czasu eksploatacji. Analogicznie, prawdopodobieństwo pojawienia się S niesprawności w tym samym przedziale czasu wyraża się tą samą zależnością (natomiast - w przybliżeniu, jeśli t jest stosunkowo małe). Wynika stąd, że jeśli w chwili t obiekt był w stanie zdatności, to warunkowe prawdopodobieństwo niepojawienia się niesprawności w przedziale czasu użytkowania (t, t + t) jest równe


(3.53)

gdzie h_u(x) - gęstość odnowy odniesiona do czasu użytkowania, a więc po pominięciu wszystkich okresów trwania zabiegów odnowy. Tak określona wielkość R_w(t, t + t) jest zarazem funkcją niezawodności obiektu w przedziale czasu (t, t + t) pod warunkiem, że w chwili t obiekt znajdował się w stanie zdatności. Ponieważ prawdopodobieństwo spełnienia warunku jest równe funkcji gotowości, poszukiwana funkcja niezawodności określona a priori, czyli R(t, t + t), jest równa


(3.54)

Gdy czas eksploatacji obiektu rośnie, proces jego odnowy ustala się, a w granicy (gdy t → ∞) staje się procesem Poissona stacjonarnym. Wtedy też na podstawie wspomnianego poprzednio twierdzenia teorii odnowy


(3.56)

W tym przypadku prawdopodobieństwo a priori funkcjonowania obiektu bez niesprawności w przedziale czasu (t, t + t) jest równe


(3.57)

Jeśli proces odnowy jest stacjonarnym procesem Poissona, to okresy zdatności _i (a więc T) mają rozkład wykładniczy o dystrybuancie

Q(t)=1-exp(-h_ut) (3.58)

gdzie t - czas liczony od chwili zakończenia ostatniego zabiegu odnowy. Łatwo to uzasadnić na przykład na podstawie zależności (3.53) i (3.56). Na podstawie zależności (3.20) można też dowieść, że intensywność niespraw­ności obiektu złożonego z dużej liczby elementów jest wtedy równa


(3.59)

Jeśli okresy zdatności T mają rozkład wykładniczy (co zachodzi w przybliżeniu w II okresie funkcjonowania obiektu - rys. 3.3), to proces odnowy (odniesiony do czasu użytkowania) jest stacjonarnym procesem Poissona, a wyrażenia na h_u (3.56), R(t) (3.57), Q(t) (wzór (4.59)) i (t) (3.59)są ściśle dla dowolnej chwili t i niezależne od liczby elementów obiektu złożonego.

Zgodnie z założeniem podanym w punkcie 1) na początku powyższych rozważań, nie są przewidziane planowe przerwy w czasie eksploatacji obiektu. A wiec czas eksploatacji t jest zarazem czasem kalendarzowym. Otrzymane wyniki są jednak słuszne i w tym przypadku, gdy przerwy planowe występują w przedstawionych założeniach jest czasem eksploatacji po odliczeniu czasu trwania tych przerw.

Przedstawione miary niezawodności obiektów odnawianych uwzględniają wpływ na niezawodność odnów nie planowanych, przeprowadzonych po wystąpieniu każdej niesprawności. Jak wiadomo (p.1.2.1), istnieje również drugi rodzaj odnów - odnowy profilaktyczne. Istnienie takich odnów nie zmienia jednak jakościowo wprowadzonych pojęć.

1. Niezawodność człowieka

Człowiek jest elementem systemu C-T-O (patrz p 1.1.), mającym szczególne właściwości. Jest elementem bardzo elastycznym, tzn.:

• potrafi wykonać różnorodne funkcje, również nowe, wcześniej nie przewidziane,

• ma zdolność przystosowania siebie i wykonywanych przez siebie funkcji do zmieniających się warunków

Najważniejsze jednak to, że człowiek w wielu systemach C-T-O jest elementem sterującym, a więc wykonującym najbardziej odpowiedzialne funkcje. Jego niesprawności mogą więc prowadzić do szczególnie dużych Człowiek jest przy tym elementem znacznie bardziej zawodnym niż element techniki. Dane statystyczne wskazuj, że błędy w działaniu

ludzi w takich systemach są przyczyną 60-80% wszystkich ich wypadków. Z wymienionych powodów wiedza o niezawodności człowieka w różnych warunkach jego funkcjonowania jest tak bardzo istotna.

Błędy człowieka to błędy popełniane przy odbiorze i przetwarzaniu informacji oraz podejmowaniu i wykonywaniu decyzji. Czynniki wywierające wpływ na poziom niezawodności człowieka przy wykonywaniu zadań można podzielić na kilka grup:

1. ergonomiczne - stopień dostosowania obiektu technicznego psychofizjologicznych możliwości człowieka,

2. stopień przygotowania zawodowego (do pracy w sytuacjach normalnych i ekstremalnych),

3. indywidualne możliwości psychofizjologiczne (cechy procesów percepcyjnych, umysłowych, wykonawczych itp.),

4. kultura bezpieczeństwa

Pierwsza grupa dotyczy warunków współdziałania człowieka i obiektu technicznego, natomiast pozostałe są związane bezpośrednio z człowiek jako elementem systemu C-T-O. Badania doświadczalne i analizy jakościowe pozwoliły na określenie charakteru wpływu tych czynników na niezawodność człowieka i sformułowanie pewnych ogólnych zasad projektowania systemów C-T-0 w celu zwiększenia niezawodności działania człowieka w takich systemach. Wynikające z tych zasad jakościowe działania, ukierunkowane bezpośrednio na człowieka, polegaj m.in. na:

• odpowiednim doborze, - kształceniu,

• treningu,

• regenerowaniu fizycznym i psychicznym ludzi współdziałających z obiektem technicznym.

Wpływ tych działań niezawodność człowieka w sytuacjach normalnych, a także w sytuacjach trudnych i zagrożenia, oraz uzasadnienie tych działań są przedstawione w literaturze, głównie z zakresu psychologii i ergonomii.

Stwierdzono, że w przypadku niektórych systemów C-T-0 bardzo istotne są cechy ludzi dobieranych do współdziałania z obiektem technicznym, zwłaszcza operatorów. Chodzi zarówno o cechy fizjologiczne, jak i psychiczne. Niektórzy specjaliści z zakresu psychologii inżynieryjnej uważa że są ludzie, którzy maje predyspozycje do inercyjnych form zachowania i trudno jest im przystosować się do nieoczekiwanie zmieniającej się sytuacji. Należą oni do typu pechowców, ludzi szczególnie predysponowanych do wywołania awarii. Człowiek współdziałający z obiektem technicznym w szczególności operator, nie może mieć oczywiście takiej osobowości, a powinien się cechować umiejętnością szybkiego podejmowania decyzji, zdolnością do koncentracji, przekonaniem do własnej fachowości itd.

Przy doborze człowieka do wykonywania określonych funkcji w systemie C-T-0 należy oczywiście brać pod uwagę także i inne jego cechy. Jedną z nich jest stosunek do ryzyka. Przyczyną wielu błędów człowieka jest tzw. ryzykanctwo, objawiające się demonstrowaniem "odwagi" w sytuacjach zagrożenia. Jest to jeden z czynników kultury bezpieczeństwa. Do tej grupy czynników należą również i inne, np. wynikające ze społecznych wzorców postępowania. Jednym z takich wzorców, powstałych w Polsce po II wojnie światowej z powodów społeczno-politycznych, jest omijanie lub naruszanie przepisów. Jest to jedna z bardziej poważnych przyczyn znacznie większej zawodności człowieka w Polsce i znacznie mniejszego bezpieczeństwa w różnych sferach jego działalności i życia w porównaniu z krajami zachodnioeuropejskimi.

Wykresy przedstawione na rys. 3.8 obrazuje rolę treningu jako jednego z jakościowych działań na rzecz niezawodności człowieka. Przedstawiają one wzrost efektywności działania pilota podczas awarii silnika samolotu pod wpływem treningu. Trening kształtuje nie tylko fizjologiczne


















Rysunek 3.8 W wpływ liczby ćwiczeń na czas: a) wykrywania awarii silnika, b) rozpoznawania awarii silnika

mechanizmy działania operatora, lecz także odporność psychiczni na stres, wyrabia też poczucie wiary w siebie w sytuacjach zagrożenia (niebezpiecznych). Poczucie panowania nad sytuacji jest według psychologów bardzo istotną pozytywną emocji operatora, znacznie zwiększającą niezawodność człowieka.

Jakościowe działania na rzecz niezawodności człowieka ukierunkowane na ulepszanie warunków współdziałania człowieka i obiektu technicznego polegaj na:

• racjonalizacji liczby i rozmieszczenia wskaźników, przyrządów i zabezpieczeń,

• geometrycznej i estetycznej racjonalizacji przestrzeni operowania człowieka,

• prawidłowym podziałem funkcji między człowieka i układ automatycznego sterowania, itp.

Te i inne podobne zagadnienia są rozwiązywane głównie przez psychologię inżynieryjną i ergonomię. Możliwości, jakie tkwią w niektórych działań, ilustruje wykresy zamieszczone na. rys. 3.9÷3.11.













Rysunek 3.9 Wpływ obciążenia informacyjnego na prawdopodobieństwo popełnienia pomyłki przez operat A - wypadki na autostradach wypadki przy lądowaniu samolotów cywilnych, C - wypadki przy lądowaniu na lotniskowcach

Wykres na rys. 3.9 przedstawia negatywny wpływ nadmiaru informacji potrzebnych do podjęcia decyzji, odbieranych przez operatora na przykład ze wskaźników i przez niego przetwarzanych. Na wykresie tym są również zaznaczone wyniki statystyk niektórych grup wypadków. Widać, że prawdopodobieństwo Q_o powstania wypadku z winy operatora rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem ilości informacji, które operator obiektu technicznego ma odebrać i przetworzyć przy wykonywaniu określonej czynności.

Ilość informacji, jakimi dysponuje operator, nie może być jednak zbyt mała, gdyż wówczas operator traci poczucie panowania nad sytuacją, co gwałtownie zwiększa prawdopodobieństwo popełnienia przez niego pomyłki. Przykładowi ilustracją tego może być wykres względnej liczby twardych lądowań samolotu w zależności od widzialnego segmentu ziemi WSZ (rys 3.10)


















Rysunek 3.10 Wpływ wielkości widzialnego segmentu ziemi na liczbę twardych lądowań samolotu.

Wykres na rys. 3.11 przedstawia negatywny wpływ nadmiernego zautomatyzowania pilotowania na czas (t) potrzebny pilotowi na wykrycie uszkodzenia prędkościomierza. Psychologia wyjaśnia, że nieprawidłowy podział funkcji między operatora i układ automatycznego sterowania może osłabić więź operatora ze sterowanym obiektem, zmniejszyć aktywność operatora obniżyć jego gotowość do podejmowania decyzji, a w rezultacie - obniżyć poziom niezawodności działania operatora.
















Rysunek 3.11 Wpływ stopnia zautomatyzowania pilotowania na czas wykrywania awarii prędkościomierza: a) pilotowanie częściowo zautomatyzowane, b) pilotowanie całkowicie zautomatyzowane

Przedstawione powyżej wybrane wyniki badań, oraz inne podobne, mogą być podstawą do jakościowych działań mających na celu poprawę niezawodności człowieka. Obecnie problemami niezawodności człowieka zajmuje się wiele ośrodków naukowych na świecie. Zostały opracowane i są wykorzystywane w praktyce znacznie bardziej zaawansowane metody i procedury działań na rzecz niezawodności człowieka w systemach C -T - O

Szczególnie duże znaczenie maje jednak ilościowe metody badań i oceny niezawodności człowieka, bo pozwalają one na bardziej racjonalne działania na rzecz niezawodności człowieka, już w fazie projektowania systemu C-T-0. Opieraj się one na matematycznych modelach niezawodności człowieka, tworzonych głównie na podstawie obserwacji zachowań człowieka (głównie operatora) w różnych sytuacjach. Ponieważ niezawodność człowieka zależy od wielu różnych i powiązanych ze sobą czynników, nie udało się dotychczas utworzyć uniwersalnego modelu niezawodności człowieka. Jednakże istniejące już modele dostarczają wielu ciekawych informacji o cząstkowych wpływach różnych czynników na tę niezawodność.

Jednym z pierwszych modeli tego rodzaju jest model oparty na zasadach teorii informacji. Uwzględnia on w sposób pośredni wiele z czynników, które maje wpływ na niezawodność człowieka. Według tego modelu prawdopodobieństwo Q_o popełnienia pomyłki przez operatora przy wykonywaniu określonej czynności można wyrazić następująco


(3.60)

gdzie:

p = 0,02 - prawdopodobieństwo popełnienia pomyłki przy działaniu na granicy możliwości psychofizjologicznych człowieka (przy granicznym obciążeniu informacyjnym),

s - miara obciążenia informacyjnego według dziesięciostopniowej skali ocen. Zależność ta jest zilustrowana na rys. 3.9 (linia ciągła).

W wielu współczesnych opracowaniach naukowych, są prezentowane także inne, bardziej zaawansowane, modele znane pod nazwami: THERP (ang. Technique for Human Error Rate Prediction), TESEO (wł. Tecnica Empirica Stima Errori Operatori), HCR (ang. Human Cognitive Reliabitity) i inne. Tak na przykład wg modelu TESEO prawdopodobieństwo (Q_o popełnienia błędu przez operatora podczas wykonywania określonej czynności w pomieszczeniu sterowniczym można określić za pomocą wyrażenia

Q_o = K₁ K₂ K₃ K₄ K₅ (3.61)

gdzie występujące po prawej stronie współczynniki uwzględniają odpowiednio:

• typowość wykonywanej czynności,

• możliwość pojawienia się chwilowego stresu podczas wykonywania tej czynności,

• cechy operatora zależne od poziomu wprawy i poziomu jego wiedzy,

• stan emocjonalny operatora zależny od stopnia niebezpieczeństwa związanego z wykonywam czynności,

• warunki ergonomiczne.

Wartości tych współczynników dobiera się z dość szerokich zakresów. Na przykład:

K₁ = 0,001 dla prostych, rutynowych czynności,

K₁ = 0,01 dla rutynowych czynności wymagających uwagi,

K₁ = 0,1 dla czynności nietypowych.

Zupełnie inną postać ma model HCR. Pozwala on na ocenę prawdopodobieństwa popełnienia błędu przez człowieka przy rozwiązywaniu określonego problemu i uwzględnia w sposób jawny czas. Prawdopodobieństwo wyraża się za pomocy wzoru Weibulla o postaci


(3.62)

gdzie:

t_n - czas znormalizowany określony przez wyrażenie


(3.63)

przy czym:

t - czas przeznaczony na rozwiązanie problemu (wykonanie zadania);

T_1/2 - szacowany średni czas potrzebny na rozwiązanie problemu;

a_l, a₂, a₃ - parametry, których wartości są dobierane w zależności od tego, czy działanie człowieka przy rozwiązywaniu problemu oparte jest głównie na wprawie, czy na przepisach, czy na wiedzy.

1. Wybrane charakterystyki niezawodnoścowe systemów siłowni okrętoweJ m/v „Martin P.”

1. Instalacja wody morskiej




Rysunek 3.12 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji hłodzenia wodą morską




Rysunek 3.13 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji chłodzenia wodą morską




Rysunek 3.14 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji chłodzenia wodą morską




Rysunek 3.15 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń instalacji chłodzenia wodą morską




Rysunek 3.16 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji chłodzenia wodą morską

2. Instalacja chłodzenia wodą słodką




Rysunek 3.17 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji chłodzenia wodą słodką




Rysunek 3.18 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji chłodzenia wodą słodką




Rysunek 3.19 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji chłodzenia wodą słodką




Rysunek 3.20 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń instalacji chłodzenia wodą słodką




Rysunek 3.21 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji chłodzenia wodą słodką

3. Instalacja oleju smarnego




Rysunek 3.22 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji chłodzenia oleju smarnego




Rysunek 3.23 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji chłodzenia oleju smarnego




Rysunek 3.24 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji chłodzenia oleju smarnego




Rysunek 3.25 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń intensywności chłodzenia oleju smarnego




Rysunek 3.26 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji chłodzenia oleju smarnego

4. Instalacja paliwowa




Rysunek 3.27 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji paliwowej




Rysunek 3.28 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji paliwowej




Rysunek 3.29 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji paliwowej




Rysunek 3.30 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń instalacji paliwowej




Rysunek 3.31 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji paliwowej

5. Instalacja sprężonego powietrza




Rysunek 3.32 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji sprężonego powietrza




Rysunek 3.33 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji sprężonego powietrza




Rysunek 3.34 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji sprężonego powietrza




Rysunek 3.35 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń instalacji sprężonego powietrza




Rysunek 3.36 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji sprężonego powietrza

6. Instalacja parowa




Rysunek 3.37 Przebieg oszacowania funkcji zawodności instalacji parowej




Rysunek 3.38 Przebieg oszacowania funkcji niezawodności instalacji parowej




Rysunek 3.39 Przebieg oszacowania funkcji gęstości prawdopodobieństwa długości czasu do uszkodzenia instalacji parowej




Rysunek 3.40 Przebieg oszacowania intensywności uszkodzeń instalacji parowej




Rysunek 3.41 Przebieg oszacowania wartości funkcji wiodącej do uszkodzeń instalacji parowej

• Spisy

1. Spis ilustracji

2. Spis tabel

3. Spis treści

111

_

_

_

DO systemu P. Poż

Do systemu

P.Poż

Chłodzenie

awaryjne

_

t2

t'₀=0

t'2

υ_

υ_

t3

t_n

t'1

t1

t_rw

t

t_z

_

t'₀=0

t1=t_rw

t

a)

b)

Ω_z

Z(t)

Z(t)

Z_g

T

t

t

T

Z_g

Ω_z

Z(t)

Z(t)

1

Dystrybuanta czasu wykryw. uszkodzenia

80

t_s

B

1

A

Względna liczba twardych lądowań

%

WSZ,m

WSZ

50

100

20

10

Q₀

s

Obciążenie informacyjne

A

B

C




1

3

1

3

60

6

t,s

t,s

liczba ćwiczeń

liczba ćwiczeń

a)

b)

t

t_k

1

2

1

R(t)

2

1

t_k

t

f(t)

λ(t)

R(t)

f(t)

λ(t)

f(t)

R(t)

t

I

II

III

mężczyźni

kobiety

λ(t)

wiek lata

50

0

λ(t)

t

II

III

I

f(t)

f(t)

f(t)

Q(t)

Q(t+Δt)

f(t)

Czas użytkowania

R(t)

Q(t)

f(t)

b)

a)

---