ТРИЗ_2015 Горобченко СЛ КАК СВЕРНУТЬ ТРУБОПРОВОДНУЮ АРМАТУРУ ПОИСК ВЕКТОРОВ РАЗВИТИЯ

КАК "СВЕРНУТЬ" ТРУБОПРОВОДНУЮ АРМАТУРУ. ПОИСК ВЕКТОРОВ РАЗВИТИЯ

Горобченко С.Л., к.т.н.
[email protected]

Хорошее выражение, приписываемое одному из американских инженеров, гласит, что: «лучшая деталь – это та, которой нет». Всем проектантам и конструкторам приходится задумываться о том, как улучшить или, что еще важнее, - как упростить арматуру и те системы, в которые она входит. А еще точнее говоря – как повысить степень идеальности такой системы.
Рассматривая арматуру через призму основных законов развития технических систем можно выделить основные пути ее развития и спрогнозировать как ближайшие, так и перспективные изменения в ее конструкциях. На основе этих законов можно увидеть, что наиболее сильной линией идеализации и развития является «свертывание» системы. И ниже мы покажем, как эта закономерность может задать вектор развития арматуры, как технической системы в зависимости от силы влияния на нее как надсистем, так и собственных подсистем.

«СВЕРТЫВАНИЕ» АРМАТУРЫ
Во многих случаях можно заметить, что арматура «свертывается». Она свертывается внутри себя самой, (клапан, привод и позиционер становятся единым целым), внутри контура (как минимум, существенная часть информации может быть обработана внутри контура регулирования без значительного участия системы автоматизации). Происходит свертывание компонентов арматуры (например, механические детали заменяются элементами программирования, не имеющими материальных деталей) и внутри технологических схем. При проектировании многих узлов установок, в которые ранее входила арматура, она уже не предусматривается и даже не может быть предусмотрена, в связи со сложностью ее установки и обслуживания. Примером являются подводные трубопроводы, в частности газопровод «Северный поток».
В арматуре хорошо заметно свертывание ее подсистем. Входя в собственно арматурный узел, подсистемы теряют свои корпуса, крепежные элементы и уже не могут быть разделены функционально и технически от основного узла. Например, позиционер включает элементы подсистемы для работы и диагностики клапана, за счет насыщения его сенсорами, конечными выключателями, сменными элементами, например, платами, золотниками и др., рис.1. Ранее эти элементы устанавливались на клапан отдельно.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 1. Подсистемы позиционера ND9000

Или вместо двух клапанов грубого и тонкого регулирования устанавливается один с наиболее широким диапазоном регулирования, рис.2.




Рис. 2. Пример свертывания контура регулирования за счет применения клапана с широким диапазоном расходной характеристики

Общая линия свертывания - развертывания системы регулирования показана на рис.3.

Рис.3. Линия развертывания – свертывания регулирующих клапанов и системы регулирования

Одновременно начинается свертывание системы, рис.4.

Рис.4. Линия свертывания системы регулирования

Иллюстрация свертывания, включая полное, когда элементы системы клапана уже не могут существовать отдельно приведена на рис. 5.


Рис. 5. Свертывание системы клапана Источник www.metso.com

Из рис. 5 заметно, что «свертывается не только сам клапан, в частности, за счет совмещения рабочего органа (затвора) с осью потока, но и система в целом – «клапан-привод-позиционер».
Подведем итоги. Из проведенного обзора видны основные направления свертывания арматуры по некоторым основным надсистемам. Схема свертывания арматуры представлена ниже:


Рис. 6. Схема «свертывания» арматуры

Отметим, что рассмотрены не все надсистемы. Ими, в связи с появлением новых требований, могут выступать и транспортные системы (арматура приобретает специальные грузозахватные устройства, системы маркировки и отличимости); экологические системы - так, можно рассмотреть вопрос «усложнения» арматуры, с целью дальнейшего упрощения ее утилизации; более развитая система обслуживания, в частности, многие клапаны развиваются в направлении «ремонта на трубопроводе», без снятия корпуса клапана с трубопровода.
Продолжая обобщать, можно видеть, что свертывание может происходить двумя путями:
повышением числа выполняемых функций и уменьшением количества элементов. К наиболее ярким примерам первой части относится, например, появление в арматуре функций, присущих клапану с встроенными датчиками давления и перепада давлений или с расширенными возможностями диагностики, способными заменить часть функций АСУ ТП.
Уменьшение количества элементов происходит за счет внутреннего свертывания. Это легко увидеть в переходе от поршневого привода к зубчато-реечному, где два поршневых привода одностороннего действия заменяются одним приводом с подачей воздуха с двух сторон, рис.7.


Рис. 7. Свертывание в приводах. Замена поршневых приводов зубчато-реечными

Особо следует выделить увеличение доли выполнения функций за счет роста программируемой связи частей, не требующей дополнительных материальных элементов. Так, механические концевики заменяются электромеханическими и электронными, функции диагностики чаще передаются бесконтактным датчикам, цифровым контроллерам и др.
Задача свертывания по времени исполнения, например, настройки клапанов, часто встречается при монтаже и вводе в эксплуатацию. Благодаря большому количеству арматуры в технологических схемах подход к арматурному хозяйству как к системе с множеством однотипных элементов делает эффективным такие механизмы свертывания как более полное использование программируемых элементов, стандартизация программирования и более полное использование автоматически выполняемых функций. Экономия из расчета на 100 регулирующих клапанов по данным компании Метсо при этом может составить свыше 20 000 евро, а относительная стоимость позиционера ND9000 по сравнению с электропневматическим позиционером NE с учетом временных затрат на ввод в эксплуатацию уменьшается на 17-20%.
Таким образом, арматура свертывается. Свертывание происходит через уменьшение ее размеров, усилий и времени выполнения функций с переходом к все более нематериальным способам выполнения своих функций. Она свертывается как внутри себя, так и через свертывание своих подсистем или растворяется в своих надсистемах, становясь все более их интегрированной частью. Для определения особенностей развития арматуры как технической системы во всей взаимосвязи с надсистемами нам потребуется более глубокое рассмотрение.

СВЕРТЫВАНИЕ - РАЗВЕРТЫВАНИЕ АРМАТУРЫ КАК ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Можно утверждать, что линии развития арматуры сопровождаются сначала усложнением с развертыванием подсистем с повышением удельной эффективности, принятия на себя функций надсистемы и улучшения связей с внешней средой. Объединение происходит путем функционального объединения подсистем.
Повышение эффективности арматуры как технической системы на всех этапах жизненного цикла достигается тем, что она вбирает в себя такие сопряженные функции как безопасность, защита окружающей среды, облегчение монтажных – демонтажных работ, обслуживания и ремонта, утилизации, транспортирования, хранения и сбыта.
Свертывание арматуры как технической системы соответствует в большей степени закону повышения идеальности, чем другим законам развития технических систем. Арматура сначала развертывается с образованием все новых подсистем, а потом должна свернуться в «идеальное» вещество. Это вещество способно заменить собой и детали (которые можно не делать) или рабочие процессы (которые будет выполнять идеальное вещество). Путь, по которому идет «свертывание» - «развертывание» арматуры заключается в том, что происходит объединение подсистем – систем арматуры по линии, рис.8:

Рис. 8. «Цикл» развития подсистем арматуры

Найти условия для свертываемости подсистем арматуры является одной из наших задач. По сути, одна из основных линий свертывания – это линия "удешевления" арматуры, в частности, ее можно определить как удельное количество функций на величину затрат\подсистем арматуры. Свертываемость определяет наши пути в выборе рациональных технических решений для совершенствования арматуры.
Первым выводом является понимание того, как синтезировать арматуру дальше, т.е. какими системными свойствами должна обладать арматура, с какими подсистемами объединяться в первую очередь, на каком уровне иерархии и пр. В связи с этим рассмотрим, как арматура развертывается как техническая система. При проведении функционально-стоимостного анализа или анализе основных узлов арматуры наиболее часто выделяются основные участки арматуры как автономного узла, близкого к «машинному», рис.9:

Рис. 9. Арматура с автоматическим управлением как техническая система

Если принять за арматуру только собственно «железную часть» арматуры, то это рассмотрение будет неполным, поскольку такая система не способна работать автономно. В процессе усложнения и «соединения» узлов в один арматурный блок эти простые системы объединились. Только в этом случае можно рассматривать арматуру как минимально работоспособную техническую систему.
Первым этапом создания полноценного арматурного узла, включающего все основные элементы простой технической системы, стало, таким образом, выделение границ новой системы арматуры и сбора разных отдельных узлов арматуры в единый блок, обеспечивающих минимальную работоспособность ее как узла, где функциональным центром выступает собственно узел седла - затвора. Одновременно вокруг этого узла начинается процесс развертывания - свертывания, в результате чего происходит наращивание дополнительных подсистем. Каждый элемент арматурного узла так или иначе остается связанным с функциональным центром.
Можно выделить несколько направлений появления дополнительных подсистем, которые связаны с несколькими направлениями развития арматуры как технической системы. Во-первых, при усложнении арматуры достигается повышение эффективности выполнения функций уже существующих подсистем за счет их развертывания в более сложные, но и более эффективные системы. Это не приводит к появлению новых функций арматуры. Например, развитие уплотнений арматуры было связано с повышением эффективности собственно седел арматуры. Они в настоящее время прошли путь от простых «мягких» резиновых уплотнений к все более сложным, способным расширять диапазон рабочих температур, в них появились «губы», (тип седла «Flexible leaps»), узел уплотнения получил возможности стандартизации и замены седел одного типа на другие. При этом функция узла осталась первоначальной. Но эффективность узла уплотнения затвора возросла за счет его развертывания в более сложную систему.
Второй частью развития арматуры как системы стало развитие связей с надсистемными требованиями. Связь собственно арматуры со своей надсистемой, легко читается в появлении дополнительных подсистем. Так, конструктивный элемент «фланец» возник в арматуре для согласования ее с надсистемой «трубопровод».
Эта задача арматуры как системы – вбирание в себя элементов надсистемы или элементов, способных улучшить связь с надсистемой, или передавать свои функции надсистеме также легко видеть в конструкции арматуры. Пример: диагностику арматуры проводит программное обеспечение Field Assessor (компания Метсо), установленное в системе автоматизации АСУ ТП цеха и не являющееся частью арматуры или ее программного обеспечения. Самыми важными связями арматурного узла с надсистемой являются связи с наиболее часто встречающимися особенностями окружающей среды, характерной именно для этой системы.
Арматура как техническая система предназначена для выполнения своей главной функции – регулирования или герметичного перекрытия потока. Вместе с тем, регулирование или перекрытие потока является всего одной из операций над «обрабатываемым» потоком, в то время как для обеспечения полной работоспособности надсистемы, куда арматура входит как часть, требуется значительно больше операций или выполнения разнообразных требований надсистемы. Сама арматура должна иметь множество дополнительных функций, не относящихся напрямую к ее главной функции. Она должна соответствовать требованиям по строительным длинам, весогабаритным характеристикам, ее нужно хранить, перевозить, монтировать, проверять и обслуживать, ремонтировать и пр.
Множество окружающих и воздействующих на арматуру надсистем, а мы видели, что их может быть для арматуры множество, могут вредным образом воздействовать на арматуру, подвергаться воздействиям с ее стороны, но чаще от арматуры требуется большое количество согласованных действий с надсистемой или другими техническими системами арматурного узла. Действия, которые требуют согласования, по нашему мнению, и являются первостепенными для анализа. Они подскажут, какие подсистемы должны быть включены в арматуру, и начат процесс ее одновременного усложнения и затем свертывания.
Выход за пределы собственной минимальной работоспособности заключается во включении в подсистемы арматуры нескольких новых функций. Ими могут стать:
- подсистемы, усиливающие «обработку» потока (регулирование или обеспечение герметичности),
- подсистемы поддержания работоспособности арматуры на разных этапах жизненного цикла, например, подсистемы обслуживания, монтажа-демонтажа, калибровки, диагностики, ремонта,
- подсистемы, обеспечивающие связь с надсистемой, например, ими может стать развитие подсистем, согласующих требования арматуры как элемента системы с надсистемой,
- подсистемы, обеспечивающие «позитивное» действие или предотвращающее вредное взаимодействие и негативную связь с внешней средой. К ним в первую очередь можно отнести системы безопасности, аварийного срабатывания, где появился свой собственный класс арматуры, сертифицируемый по категориям безопасности SIL.
Остановимся на последнем пункте более подробно. В случае несрабатывания арматуры последствия могут быть катастрофическими. Однако это также означает, что должна рассматриваться опасность арматуры не только в период функционирования, но и при конструировании для оценки потенциальной опасности рисков. Для этих целей в арматуре могут появляться все новые и новые подсистемы, идентифицирующее их действие в опасных ситуациях и служащие индикатором состояния системы. Пример: в клапанах систем безопасности ESD имеются разработанные подсистемы акустических сенсоров или газоанализаторов.
Арматура воздействует и на окружающую среду. В тоже время развивается давление на предприятия все новых и новых экологических норм, в нашем определении – усиливается действие экологической надсистемы. Не этим ли давлением вызвано развитие сертификации арматуры по выбросам в окружающую среду по сальниковому узлу, развитие систем испытаний для соответствия этим требованиям и пр.? Пример: арматура всегда должна иметь указатель направления «открыто» - «закрыто» для избежания катастрофических последствий при неправильных действиях оператора.
Появление подсистем, выполняющих функции снижения или устранения вредного воздействия арматурного узла на внешнюю среду, является отражением тенденции роста давления экологической и других надсистем. Пример: появление различных вариантов исполнения фланца для различных применений в арматуре во многом было связано с безопасностью эксплуатации узла для различных сред: токсичных, легковскипающих, кислотных, высокого давления или способствующих коррозии, термодеформации и пр.
Можно сказать, что многие подсистемы усложняют выполнение или ухудшают эффективность выполнения главных функций арматуры. Каждый из этих элементов вносит существенную долю в повышение стоимости арматурного узла, увеличение его веса и др. Но такие затраты оправданы на уровне надсистемы. При включении таких подсистем существенно снижаются потери от рассогласования работы арматуры и ее надсистем.
Для обеспечения работы собственно арматурного узла, арматура должна иметь возможность «защищаться» от вредных воздействий. Для этих целей появляются специальные подсистемы. Пример: все электрические устройства арматуры заземляются.
Можно отметить, что чем опаснее условия работы арматуры, тем больше подсистем должно в ней находиться, чтобы снизить эту опасность. Однако, как мы уже видели ранее, это может приводить к снижению «уровня свертываемости» арматуры и часто к ухудшению эффективности выполнения основной функции. Пример: седловой клапан имеет значительно худшую собственную и установленную расходную характеристику по сравнению с поворотной арматурой. Однако, отсутствие большого изгибающего момента и возможность работы при больших перепадах давления приводит к тому, что он по-прежнему находит большое применение в энергетике.
Противоречие между введением новых подсистем и требованием их одновременного уменьшения должно устраняться за счет повышения уровня свертывания. Так, одна система должна выполнять больше функций, например, и обеспечивать герметичность, и иметь возможность регулирования.
Переход от только одного типа воздействия на среду к многофункциональному воздействию на среду должно стать одним из главных направлений развития арматуры и ее подсистем. Должны появляться подсистемы, которые выполняют и смежные функции по отношению к основному объекту воздействия. Такие подсистемы арматуры должны повышать эффективность обработки среды арматурой. Пример: электронные блоки для электроприводов многофункциональны. Они используют многоэтапную обработку электрического сигнала: фильтрацию, усиление, модуляцию, сравнение и др.
Дальнейшее развитие свертывания арматуры может происходить по двум направлениям: воздействие на разные части или классы среды или объектов надсистемы и выполнение нескольких функций при обработке одного объекта. Основой выступает сходство операций. Для этих целей в арматуре могут появиться дополнительные подсистемы, способные специализировать ее для выполнения таких операций. Пример: новые клапаны способны иметь в одном корпусе до 11 штоков, рассчитанных на выполнение требований точного регулирования при различных уровнях пропускной способности.
Основным вопросом, определяющим возможность включения в арматуру той или иной подсистемы с целью ее большей функциональности при большей свернутости, может быть степень сочетания универсальности и специализированности. Ведь универсальная система предназначена для обработки многих объектов, а эффективность специализированности определяется наборами специальных подсистем для выполнения специализированных функций.
Существуют и другие важные для поддержания работоспособности арматуры надсистемы. К ним можно отнести системы обслуживания, хранения, транспортировки, утилизации и др. Со временем арматура как техническая система приобретает некоторые подсистемы, облегчающие выполнение дополнительных функций. Пример: модульность позиционера послужила важным критерием для возможности его быстрой обновляемости в связи с очень динамичным и частым совершенствованием электронных плат.
По нашему мнению, в связи с большим количеством однотипных единиц арматуры и для повышения ее транспортной обслуживаемости следует ожидать появления хотя бы минимальных подсистем, позволяющих доставлять их к месту монтажа. За такими обычными элементами, как устройства для облегчения транспортировки, например, специальными лапами для крепления к днищу тары, рым-болтов для строповки могут последовать более сложные и способствующие «переходу на микроуровень» устройств транспортировки. В частности, это могут быть чипы для мобильной идентификации арматуры, приспособления для транспортировки между цехами, для доставки на монтажную площадку, устройства облегчения монтажа, являющимися конструктивными элементами арматуры и пр.
При хранении арматуры также есть ряд задач, которые необходимо решать в связи с ее большим количеством. Так, могут предусматриваться способы минимизации мест хранения, удобство хранения, предохранение от коррозии. Для всех этих целей необходимы хотя бы минимальные подсистемы в самой арматуре. Развитием приемов эффективного хранения и транспортировки наиболее часто должны заниматься маркетинговые, сбытовые и логистические подразделения компаний.
Эксплуатация по нашему мнению является наиболее важной частью для развития подсистем арматуры. В арматуре появляются подсистемы, принимающие на себя ряд функций, которые напрямую не относятся к главной функции. Они механизируют или автоматизируют функции, ранее выполнявшиеся вручную или другими сопряженными отдельными узлами, не входящими ранее в арматуру. Самый простой пример – рост автоматически действующей арматуры. Такие способы, уже применяемые в других областях, как автоматическая смена инструмента (в нашем случае, затвора, седла, сальника и пр.) по нашему мнению еще впереди. Свертывание хорошо видно на механических устройствах, например, редуктора электропривода, где от сменных шестерен перешли к плавному регулированию на основе частотного электропривода.
В эксплуатации наиболее важным участком можно считать после собственно работоспособности арматуры – ее обслуживание. Именно оно обеспечивает длительную эксплуатационную пригодность арматуры. Для поддержания ее в работоспособном состоянии требуется выполнение множества видов работ. К ним относятся наиболее типичные для арматуры работы по подтяжке сальника, регулировке, замене расходуемых материалов, изнашиваемых частей и пр. В арматуре должны появляться подсистемы, выполняющие эти операции или облегчающие их выполнение. Пример: цифровой позиционер «умеет» сам находить точку «ноль», чем обеспечивается простая калибровка и в дальнейшем регулировка. Это в свою очередь позволяет резко снизить затраты на пуско-наладочные работы, особенно при массовом использовании позиционеров.
В настоящее время достаточно новым является учет требований утилизации арматуры. Иногда в конструкции арматуры, ее подсистемах или в специальных коммерческих программах производителя арматуры могут быть предусмотрены специальные способы утилизации арматуры. Пример: Производители качественной арматуры учитывают в цене возможность дальнейшей продажи брендовой арматуры на рынке секонд хенд. При этом часто можно получить до 50-70% от первоначальной стоимости.
Закладывание в конструкцию технических решений, облегчающих утилизацию (идентификацию арматуры, возвратность, вторичное использование, переделку и модернизацию) способствуют включению этих достаточно новых приемов «свертываемости» арматуры по полноте ее жизненного цикла. Технические решения с включением элементов, способствующих утилизации отвечают большему соответствию арматуры одному из ведущих факторов современного развития – повышению экологичности арматуры. Такие подсистемы, которые направлены не только на ликвидацию отрицательного воздействия, но и на возобновление ресурсов, будут получать большее и часто приоритетное развитие. Хотя система усложняется по сравнению с «одноразовым» использованием арматуры, однако, многократность ее применения или переработки составляет основу свертываемости и повышения идеальности арматуры в этом направлении.
Выше мы уже показывали направленность развития подсистем арматуры в область свертывания с надсистемными функциями. Арматура часто принимает на себя функции надсистемы. Часто они весьма далеки от первоначального, непосредственного назначения арматуры. К тому же часто требования различных надсистем, которые должны быть реализованы в арматуре, противоречат друг другу. В зависимости от того, для каких условий, какая надсистема обладает большей силой, арматура снабжается теми или иными функциями. Пример: эстетическая функция арматуры не является ее главной функцией. Однако, она очень важна для сантехнической арматуры.
Такие требования со стороны имеющихся или рождающихся надсистем определяют, будет ли настоятельной необходимость создания в арматуре соответствующих подсистем, и позволяют спрогнозировать ее ближайшее и перспективное развитие, поскольку именно новые требования обуславливают превращение общего вида арматуры в новый специализированный подвид.
Арматура в рамках надсистемы должна эффективно взаимодействовать с другими входящими в эту надсистему техническими системами. Потому, входя в состав надсистемы, арматура очень часто приобретает подсистемы, необходимые для взаимодействия с другими подсистемами. Как мы уже видели ранее, они чаще всего выполняют роль согласования арматуры с требованиями надсистемы. К примеру - это устройство оптического совмещения оси арматуры с трубопроводом.
Для усиления свертывания в арматуре могут быть применены различные способы. Одним из направлений должен быть поиск внутренних резервов или ресурсов, которые есть в самой арматуре, ее подсистемах и надсистемах. Пример: затворы с разгрузкой по давлению уже стали состоявшейся частью подсистем арматуры.
Определенной тенденцией выступает не только использование имеющихся ресурсов, как в примерах, показанных выше, но и создание новых подсистем, реализующих функции ближайшей надсистемы. Пример: совместная настройка золотника и пружины противодавления в пневмоприводе вместо пневмодемпфера.
Развитие арматуры в этом направлении предполагает детальный анализ потребностей технологической схемы и устранения вредных воздействий, которые индуцируются в надсистеме. Пример: высокий уровень контакта среды с элементами затвора потока, и наличие своеобразного теплового мостика в виде арматуры, возможно, в будущем приведет к объединению этих двух подсистем и созданию управляемого теплообменного устройства, одновременно реализующего регулирование и стабилизирующего температуру по сечению потока. Уже сейчас рассматриваются модели нового устройства Q-trim с полыми охлаждаемыми или нагреваемыми пластинами. Кроме всего прочего, подогрев и равномерность нагрева в процессе регулирования позволяет раздвинуть границы расчетной зоны кавитации, по сравнению с простыми механическими элементами. Таким образом, соединение двух полей при некотором усложнении системы приводит к резкому повышению эффективности выполнения главной функции – регулированию, и соответствует требованиям надсистемы надежности – устраняется кавитация.
Можно видеть, что использование внутренних неосвоенных ресурсов арматуры, таких как использование элементов конструкции для новых применений, или как нового применения в части приобретения функций части надсистемы позволяет «задешево» получить новые функции без значительного усложнения арматуры. Это в значительной степени соответствует «правильному» свертыванию арматуры и повышению ее идеальности.
Наш обзор показывает, что арматура как система может свертываться различными путями: или повышением количества выполняемых функций при том же количестве подсистем арматуры или уменьшением количества подсистем арматуры при неизменном количестве функций. Обычно при развитии конструкций, используется и тот и другой путь. Однако при рассмотрении различных классов арматуры можно видеть, что различные компании используют различные способы повышения идеальности арматуры. Так, представители общепромышленной арматуры тяготеют к снижению затрат и уменьшению количества подсистем, применяя в основном методы, применимые для массового и серийного производства. Количество функций арматуры, как правило, остается неизменным. В частности значительное внимание уделяется новым способам изготовления уже освоенных типов арматуры. Общим является и стратегия свертывания арматуры как технической системы: часть подсистем арматуры исчезает вместе с частью своих функций, а оставшиеся передаются другим подсистемам или элементам подсистемы.
Представители специальной арматуры значительно больше внимания уделяют функциональности арматуры и в меньшей степени привязывают свои решения к цене. Повышение согласованности с надсистемными требованиями выступает часто как двигатель появления новых классов арматуры. Для решения своих задач представители специальной арматуры должны в значительно большей степени учитывать закономерности появления новых функций, которые могут быть востребованы для удовлетворения потребителей арматуры или надсистемных требований к арматуре.
Так, обычно новую функцию выполняет своя собственная специально разрабатываемая подсистема. Понятно, что количество элементов и ее сложность в этом случае возрастает, показатели соотношения количества элементов и количества функций несколько ухудшается. Чтобы этого не происходило, введение новых подсистем должно ограничиваться и проверяться на возможность свертывания, т.е. на возможность выполнения новой функции уже имеющимися подсистемами. Общим критерием может выступать степень повышения уникальности и конкурентоспособности изделия в выполнении своих функций по сравнению с аналогами.
Важную роль в прогнозировании новых функций, которые будет способна включить в себя арматура, должен играть анализ степени исчерпанности возможностей надсистем, как движителя развития потребности в новых арматурных решениях. Например, степень готовности к автоматизации ранее часто связывалась с исчерпанием возможности человека выполнять какую-либо функцию, невозможностью непрерывного выполнения функций, недостатком мускульных возможностей, ошибками при переключении сложно действующих устройств. Часто для арматуры новыми условиями выступают категорийность зон по опасности (токсичности, взрывоопасности и пр.), где присутствие человека невозможно. Выходом является введение новых подсистем в арматуру. Пример: появление интеллектуальных позиционеров безопасности, способных выполнять диагностику по типу «неполного хода» со снятием параметров и передачей данных в операторскую, находящуюся в неопасной зоне, или в зоне, доступной для обслуживания, обусловлено большими затратами и небезопасностью подобных действий для персонала.

СВЕРТЫВАНИЕ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ В "ВЕЩЕСТВО"
В развитии трубопроводной арматуры все чаще проявляется закономерность свертывания в вещество и использования идеальных веществ. Это в наибольшей степени начало проявляться в движителях арматуры - приводах. На сегодня большая часть приводов является сложными механическими изделиями. Проблемой при этом является то, что даже на малую арматуру требуется несоизмеримый по размерам привод. Он может в несколько раз превышать размеры и весогабаритные характеристики самого клапана, т.е. подсистема (привод) обладает несравнимо худшими показателями, чем сам главный функциональный центр арматурного узла – собственно арматура. Решение свертываемости было найдено институтом НИКИЭТ в разработке нового привода на основе активируемого биметаллического элемента, зависящего от характеристик среды. Привод сразу стал сравнимым по размерам с малой арматурой, а при применении в арматуре большого диаметра он стал практически незаметным. Общая линия свертываемости на примере пневмоприводов показана ниже:

Моно система – Один привод на клапане.
Би-система. Два привода позволяет получить большую мощность привода, используя всего лишь увеличение количества однотипных элементов и обеспечивая их разнонаправленное движение.
Би-система со сдвинутыми характеристиками. Разнесение усилий двух приводов для снижения неравномерности усилий и обеспечения равномерности поворотного момента по ходу штока.
Частичное сворачивание би-системы. Два привода теряют свой корпус и становятся частями одного движения в пневмоприводах на основе зубчато-реечной передачи.
Полисистема. Включение новых элементов, например, части гидропривода и образование неоднородной полисистемы (пневмогидропривод) для обеспечения большей мощности. Свертывание в моно систему на основе вещества. Уход от механического привода (электро-пневмо) и переход к реализации привода на основе сплавов с памятью формы.

Точность изготовления для привода с памятью формы уже не является одним из главных критериев изготовления, не требуется множество сопрягаемых деталей и посадочных мест. Резкий скачок достигается в создании мощных усилий при минимальной массе привода. Так, усилие в 1,5-3,5 т достигается при массе привода 0,6-1,6 кг. Пневмопривод на такие усилия весил бы свыше 100 кг, имея объем в 6-15 раз превышающие объем клапана, который он призван обслуживать. Хотя этот путь – перехода к использованию идеального вещества является наиболее перспективным, он практически не освоен арматуростроителями.

МЕХАНИЗМЫ СВЕРТЫВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ
Свертывание означает выполнение системой своих функций меньшим числом элементов, чем это обычно принято. Как можно увеличить степень свертывания? Это, как уже говорилось, можно сделать либо увеличением количества новых функций, которые выполняет система, либо уменьшением количества подсистем, которыми пользуется арматура для выполнения своих функций.
Для выполнения функций при снижении количества искусственно вводимых элементов можно использовать элементы, которые уже имеются в системе. Ими могут являться различные элементы и способы воздействия из внешней среды или собственные ресурсы арматуры. Пример: большой вес литья часто служит положительным элементом для трубопроводов, испытывающих пульсацию, поскольку большая инертная масса способна определенным образом снизить вибрации.
Можно находить ресурсы в самой системе арматуры. Пример: изготовление штока арматуры из сплавов с высоким электрическим сопротивлением, при использовании их для горячих сред, где один из концов со стороны штока является горячим, а со стороны привода – холодным, позволяет снимать термоЭДС, достаточное для управляющего питания позиционера.
Использование некоторых вредных явлений, образующихся в процессе обработки потока, также могло бы помочь свертыванию арматуры. Пример: в настоящее время образующуюся кавитацию пока не используют для одновременного снижения газонасыщенности потока при дросселировании через регулирующие клапаны.
Использование внешних воздействий, которые традиционно считаются вредными, могут сэкономить достаточно много ресурсов. Пример: создание «искусственной» снежной шубы на открытой газовой арматуре ГРП ГРЭС позволило бы устранить излишний теплоотвод, появляющийся при больших ветровых нагрузках и приводящих к нестабильной температуре и, следовательно, к нестабильному расходу газа.
Резервы могут быть найдены при использовании ресурсов от ближайших подсистем арматуры. Пример: волокна истирающегося сальника в поворотной арматуре, в которой используется узел «нагружения на весь срок эксплуатации», позволяют лучше уплотнять круговые бороздки износа, характерные при износе поворотной арматуры.
Можно искать ресурсы, которые сами формируются в арматуре. Пример: при перекачке известкового молочка с большим количеством извести используют сегментные дисковые затворы даже с классом герметичности менее V по ANSI (ниже класса А). Формирующийся в обратной полусфере сегментного затвора обратный ток предотвращает его от прямого удара известковых частиц, а при закрытии затвора известковые частицы налипают одна на другую, тут же достаточно герметично забутовывая щель.
Использование различных эффектов, связанных с изменением собственно обрабатываемого потока, например, изменение направления потока внутри арматуры, как мы видели в примере с известковым молочком, может считаться также одним из ресурсов. При этом активизируется и изменяется в основном поток, а не арматура. Основным способом, как правило, выступает разделение потока на две или несколько частей, взаимодействующих друг с другом. Пример: способ снижения износа наружной газовой арматуры в зимнее время, заключающийся в том, что на внутренних проточных частях арматуры может быть наморожен защитный слой с пылью, присутствующей в газе и защищающий арматуру от износа.
Деление внутренней проточной части на участки в зависимости от условий протекания среды во многом позволяет избежать неприятных сюрпризов. Пример: повышение температуры потока или выход в рабочее состояние вызывает термическое расширение уплотнения и способствует лучшей герметизации затвора.
Для увеличения числа выполняемых функций – второго пути свертывания арматуры могут быть применены следующие механизмы:
- Увеличение выполнения функций, как в процессе работы, так и при простоях. Пример: методика диагностики «неполным ходом», реализованная в интеллектуальных позиционерах безопасности позволяет резко снизить число остановов технологической линии на ППР и обслуживание.
- Использование дешевых внутренних или внешних ресурсов позволяет также увеличивать число функций арматуры. Пример: введение простой возвратной пружины в воздушник, пробоотборник и другую ручную арматуру увеличивает скорость работы оператора многих технологических линий, с большим количеством арматуры, перекрываемой или открываемой по требованиям технологического процесса в достаточно короткое время.
Ресурсы лежат также и в возможности использования уже имеющихся подсистем для реализации дополнительных функций. Пример: уплотнение по седлу в шаровом клапане с плавающим затвором проводят за счет давления среды.
Эффективен поиск ресурсов в используемых материалах или использование «микро» эффектов. Пример: седло X-treme шаровых клапанов и поворотных заслонок компании Jamesbury имеет весьма малое тепловое расширение во всем диапазоне эксплуатационных температур от -273оС до +260оС. Это позволяет резко уменьшить мощность привода и предлагать заказчикам приводы меньшей мощности и, соответственно, более дешевые.
Один и тот же элемент позволяет заменить собой несколько и обеспечивать внутреннее свертывание. Пример: в диафрагмовом приводе серии Quadra Power компании Jamesbury гибкая диафрагма, соединенная со штоком заменила собой собственно поршень и поверхность скольжения, как это было в поршневых пневмоприводах.
Наше исследование показывает, что арматура как система обладает достаточно большим количеством доступных ресурсов, позволяющих применить эффективные механизмы свертывания. Отталкиваясь от них легко найти способы поиска наиболее эффективных линий развития арматуры.


ПОИСК ЛИНИЙ РАЗВИТИЯ АРМАТУРЫ
Может быть предложен порядок поиска вероятных линий развития арматуры на основе технологий свертывания:
1. Анализируется связь арматуры с различными развивающимися надсистемами. Проводится поиск вредных воздействий, которые оказываются на персонал и окружающую среду, и которые способна устранять арматура на всех этапах жизненного цикла. Анализируются потенциальные аварии, вредные воздействия и пр. На основе найденных вероятных проблем, формируются требования к новым подсистемам арматуры и разрабатываются новые конструкции. После этого анализируются возможности свертывания новой функции и выполнения ее имеющимися подсистемами арматуры.
2. Анализируются вероятные вредные воздействия собственно регулируемой или запираемой среды на выполнение арматурой своих функций. Изыскиваются способы специализации арматуры и введения новых элементов и подсистем, устраняющих вредные воздействия. Пример: использование поворотного дискового затвора, как вносящего минимальные возмущения для регулирования потока перед напорным ящиком бумагоделательной машины. Чтобы чистая готовая масса не образовывала узелков, в дисковом затворе использована проточная часть с максимальной гидравлической гладкостью и полированной поверхностью. Развитие использования новых, как правило, агрессивных сред часто приводит к появлению новых классов арматуры. Новые классы арматуры появляются при появлении новых участков технологических схем и исчезают вместе с их исчезновением. Пример: вакуумная, кислородная, газовая, хлорно-щелочная, криогенная арматура, арматура для цистерн и арматура для перекиси водорода стали новыми классами арматуры с развитием участков технологических схем, на которых не могла использоваться арматура общего применения.
3. Анализируются собственно операции, которые выполняются с арматурой при транспортировке, хранении, эксплуатации, обслуживании и утилизации. Изыскиваются пути упрощения и «свертывания» этих функций. Примером может быть анализ цепочки ценности операций при проведении ремонта. Операции демонтажа, разборки, транспортировки в цех, и пр. являются вспомогательными, не отвечающими главной функции арматуры. Они должны быть «свернуты».
4. Анализируется характер воздействия арматуры на основную функцию запирания или регулирования. Изыскиваются новые виды операций, которые должна выполнять арматура или новые условия работы арматуры в имеющейся технологической схеме. Интересно отметить, что арматура для высокоцикличных процессов, например, получения газов методом абсорбции возникла недавно, благодаря именно развитию этого нового способа обработки газов. Она плавно вобрала в себя достижения дисковых затворов в части быстрого открытия-закрытия арматуры, применения «инварных» материалов, т.е. не имеющих термического расширения и седел на их основе типа Х-treme. Как видно, новые функции арматуры связаны с новыми типами операций, направленных на работу с новыми классами сред, применением в новых типах технологических процессов, а также дополнительными смежными операциями обработки среды.
5. Анализируются новые рождающиеся типы надсистем, в которых может работать арматура, готовится перечень дополнительных операций, необходимых для эффективного функционирования арматуры в новых надсистемах. Анализ проводится по следующим критериям:
- последовательность исполнения (возможность свертывания и использования смежных операций). Пример: регулирование скорости закрытия запорной арматуры для избежания проблем с кавитацией и гидравлическим ударом. При этом анализируется последовательность нарастания давления, и ход закрытия разбивается на участки, регулируемые отдельно.
- однотипность операций. Выполнение одних и тех же операций одним элементом арматуры позволяет эффективно свернуть количество требуемых подсистем. Пример: высокая цикличность арматуры в млн. циклов приводит к большой специализации такой арматуры. В ней применяются неистираемые седла, не подверженные мало-многоцикловой усталости и механо-термодеструкции,
- специальные требования. Они в основном определяются потребителем и содержатся в технических условиях. Пример: уникальные клапаны MAPAG разработаны специально для условий работы в условиях замедленного коксования и включают в себя множество подсистем, обеспечивающих работу именно этого узла. К ним относятся паровая очистка уплотнений в процессе работы, огнезащитные седла, возможность работы в условиях циклического сжигания закоксованного слоя в трубопроводе недалеко от арматуры и пр.
Дополнительные функции, как правило, проявляются из этих трех основных элементов. Наибольшую вероятность быть реализованными за исключением специальных требований приобретают функции, для которых можно использовать уже имеющуюся подсистему.
6. Анализируются ближайшие узлы, с которыми может эффективно работать или объединяться арматура. Формируются условия согласования их между собой. Пример: цифровой позиционер, имеющий встроенный протокол полевой шины Profibus обеспечивает работу арматурного узла в разных системах автоматизации большинства известных производителей и системных интеграторов.
7. Анализируются возможности пользования уже существующих ресурсов арматуры. Пример: при установке тензорных датчиков на корпус, он может служить для анализа действующих напряжений на арматуру и создавать индикаторы для ограничений вибрации и сейсмических напряжений, предотвращая вероятность внезапного накопления повреждений, трещин и аварий.
8. Анализируются различные связи арматуры с надсистемными требованиями. Определяя список доступных ресурсов, можно получить новые возможные функции, которые способна будет выполнить арматура без значительного усложнения и введения новых подсистем. Как будут вводиться новые подсистемы в арматуру? Хочется отметить, что для каждого класса арматуры наиболее выражены только определенные функции, которые и должны обслуживаться с максимальной эффективностью подсистемами арматуры. Например, развитие пневмоприводной арматуры для АЭС стало возможным в последнее время, благодаря развитию систем пассивной безопасности. Однако это может быть несущественно для других отраслей. Критерием введения тех или иных подсистем может служить вероятность значительных потерь или катастрофических последствий. Противоречивость вводимых подсистем между собой во многом ограничивает их включение в арматуру. В целом любая специализация противоречит универсальности. Критерием включения разнородных подсистем в арматуру может служить анализ их на совместимость.
Стоимостной анализ арматуры, предназначенной для низкобюджетных отраслей, или общепромышленного сектора позволит также оценить возможность включения тех или иных подсистем в арматуру. Если количество функций остается практически неизменным или новые функции не добавляют ценности арматуре, а затраты несоизмеримо возрастают, то по этому критерию введение новой подсистемы диагностики в общепромышленную арматуру для неответственных участков можно признать сомнительным.
Поиск возможных дополнительных функций можно осуществлять и по целому классу арматуры для одного технологического процесса. Интересным примером выступает разработка компанией Метсо отделением Jamesbury пакета предложений для общепромышленных участков, вспомогательных участков и участков специализированных (по среде, давлению, герметичности и пр.) на основе концепции «одной платформы». Унификация по большинству типов используемой арматуры для различных участков применения создает значительные возможности по снижению стоимости и свертыванию арматуры в рамках целой проектной спецификации. Совпадение главной функции, которой обладает арматура для разных участков применения, и создает эти уникальные возможности. Формулирование новых дополнительных функций арматуры как технической системы на основе системного анализа и определение наиболее вероятных будущих подсистем на основе критериев свертываемости позволяет создать базу для дальнейшего прогнозирования развития арматуры.
Развитие потребностей технологических схем и других надсистем выступает главным двигателем к анализу вероятных изменений в функциях арматуры и включению или исключению разных подсистем. Информационные надсистемы, связанные с интеллектуализацией арматуры, и экологические надсистемы, определяющие новые требования к сертификации арматуры и ее утилизации, также можно считать весомыми. Они создают большое давление на потребителей арматуры и далее по цепочке на разработчиков арматуры. Как можно видеть многие из приведенных факторов относятся в большой степени к человеко-машинной надсистеме и определяются возможностями вытеснения человека из системы.
Массовость применения арматуры в настоящее время позволяет предположить, что тенденции к использованию технологий массового обслуживания, которые могут быть взяты из таких областей, как ритейл, продажа авиабилетов и пр., также будут развиваться. Пример: многие сайты компаний общепромышленной арматуры уже строятся как «автоматическое обслуживание» потребителей. При регистрации вы можете сделать заказ, в течение нескольких минут получить проектный расчет арматуры, узнать, есть ли она на складе, или, если уже сделали заказ, узнать, в каком он состоянии.
Качество применения того или иного решения, внедрения той или иной подсистемы или изменения конструкции арматуры будет определяться во многом, насколько она удовлетворяет потребностям потребителей. Эти потребности часто можно определить не через субъективное мнение потребителей, а на основе отражения движения и изменения потребностей через закономерности повышения идеальности и свертывания арматуры как технической системы.
Если потребность уже определена, то задачей становится выбор типа подсистемы из множества вариантов. Так, выбор типа арматуры или фильтра-регулятора или типа пневмопривода может составить непростую задачу. Одна и та же функция может выполняться разными типами подсистем арматуры. Критерием выбора будет степень свернутости решения, использования уже существующих подсистем и доступных внутренних ресурсов в арматуре. Обеспечение минимальных изменений в подсистемах арматуры, но при этом максимально эффективное выполнение главной функции и функций, обеспечивающих работоспособность арматуры можно назвать основной задачей при формировании новых подсистем. Тип доступных ресурсов подскажет, как можно решать задачу.
Введение новых элементов в арматуру для обеспечения выполнения новых функций или установка уже существующих технических устройств представляет из себя отдельный блок задач. В этом случае, как правило, не используются уже существующие подсистемы. Критерий свертывания в данном случае выполняется, если учесть при анализе, насколько свернута система. В анализе нужно учитывать экономические (стоимость комплектующих и переделки имеющихся подсистем арматуры), организационные, функциональные и потребительские качества новых подсистем в арматуре.
В заключение можно сделать некоторые обобщения. При проектировании технологических схем или разработке арматуры, необходимо рассматривать перспективные конструкции арматуры, соответствующие закономерностям развития технических систем. В долгосрочном плане такая арматура даст большую отдачу по сравнению с устаревшими техническими решениями.
Наиболее важными линиями развития, особенно запорной арматуры, по нашему мнению являются линии ее свертывания по размерам, усилиям и времени. Из наиболее сильных влияющих надсистем в настоящее время можно отметить усиление влияния надсистемы автоматизации. Использование доступных ресурсов, имеющихся в технической системе арматуры, позволяет применить наиболее эффективные механизмы свертывания.
Генеральной линией при рассмотрении возможных новых подсистем в арматуре должно стать понимание, что реализация функций должна происходить не за счет увеличения новых подсистем, а за счет использования механизмов свертывания.









13 PAGE \* MERGEFORMAT 14115





































































Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3dђ Заголовок 4dђ Заголовок 5dђ Заголовок 6dђ Заголовок 715

Приложенные файлы

  • doc 6881049
    Размер файла: 661 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий