1.2 Эффективность комплексного применения методов НК

Объективный анализ применения различных методов привел к целесообразности применения комплексных систем контроля, которые используют разные по физической природе методы исследования, что, в свою очередь, позволит исключить недостатки одного метода, взаимодополнить методы и реализовать тем самым принцип "избыточности" для повышения надежности контроля систем и агрегатов.

Различные методы НК характеризуется разными значениями технико-экономических параметров: чувствительностью, условиями применения, типами контролируемых объектов и т.д. Поэтому при формировании комплекса методов НК разной физической природы возникает проблема оптимизации состава комплекса с учетом критериев их эффективности и затрат ресурсов.

Комплексное использование наиболее чувствительных методов не означает, что показатели достоверности будут соответственно наибольшими, а в свою очередь, учет первоочередности технических показателей может привести к противоречиям с экономическими критериями, такими как трудозатраты, стоимость, время контроля и т.д., что, в свою очередь, может привести к тому, что выбранный комплекс методов НК может оказаться с экономической точки зрения неэффективным.

Для реализации различных методов НК разработаны различные приборы: дефектоскопы, толщиномеры, тепловизоры для разных дефектов (трещин, негерметичностей), электронное оборудование (для нахождения ослабления электрических контактов), механическое оборудование, которое имеет различные технико-экономические характеристики и технологии использования для различных типов дефектов и др.

Из анализа имеющихся характеристик вытекает необходимость решения задачи выбора состава (комплекса) методов НК как задачи в оптимизационной постановке.

Комплексное применение методов НК для диагностики и обнаружения дефектов в агрегатах и системах направлено на обеспечение увеличения эффективности и достоверности контроля, продления работоспособности и ресурса.

Задача формирования комплекса различных методов НК для обнаружения совокупности возможных (наиболее опасных дефектов) в системе может быть сформулирована как оптимизационная многоуровневая однокритериальная (многокритериальная) задача дискретного программирования [7].

Решение задачи - оптимальное сочетание различных методов НК, применение которых наиболее эффективно при эксплуатации и анализе ресурса дорогостоящих систем.

Актуальными при проведении НК являются также задачи оптимального распределения объемов контроля на всех этапах жизненного цикла объекта, оптимизации мест и параметров контроля, планирования технического обслуживания системы с учетом экономических показателей.

1.3 Индустриализация применения методов НК.

Совершенствование опыта в области системного анализа, развитие научно-методической базы и накопление статистической информации позволили подойти к формулировке и обоснованию концепции "абсолютной надежности" ответственных систем, которая базируется на результатах использования вероятностных методов анализа безопасности и прочности, анализа критичности и оптимального резервирования, совершенствования и широкого применения методов НК, автоматизированных систем НК, количественного учета влияния НК на прочность и долговечность систем, компьютерном анализе и оценке результатов расчетов и измерений.

Большие объемы проведения работ по выявлению дефектов в системах и катастрофические последствия, которые могут быть причиной некачественного его проведения, ставят задачу по индустриализации применения методов НК с использованием математических моделей, методов и современных информационных технологий для организации мониторинга при эксплуатации систем.

Индустриализация применения методов НК и организации работ на ответственных объектах и системах требуют больших материальных и временных затрат, сравнимых со всеми остальными расходами на эксплуатацию объекта.

При проведении мониторинга, исследования систем (элементов) и применения методов НК с целью продления ресурса важными являются данные, получаемые в результате решения задач:

- прогнозирования вероятности безотказной работы (ВБР) элементов и систем. Прогнозирование может осуществляется раздельно по постепенным и внезапным отказам, с использованием моделей полиномиальной регрессии, моделей анализа цензурированных выборок;

- составление (или использование готовой) обобщенной структурной схемы надежности системы и ее узлов и элементов. Обобщенная структурная схема надежности может содержать помимо основных и резервных элементов, элементы из состава ЗИПа. Структурная схема надежности представляет собой такую совокупность функционально подобных основных и резервных элементов, отказ которых вызывает неустранимый отказ всей системы;

- формирование критериев предельного состояния для системы. Предельным состоянием элемента является его неустранимый отказ. Отказ элемента неустраним, если, например, исчерпан резерв и ЗИП. Неустранимый отказ элемента, который вызывает отказ системы, означает переход системы в ее предельное состояние;

- прогнозирование остаточного ресурса узлов и системы в целом. Показатели остаточного ресурса определяются по эмпирической зависимости ВБР узла (по отношению к неустранимым отказам) от наработки. Остаточный ресурс системы может прогнозироваться двумя способами: по результирующей зависимости ВБР системы от наработки, рассчитываемой на основе аналогичных функций узлов, либо по остаточному ресурсу наиболее "слабого" в смысле долговечности узла. В качестве количественных оценок показателей остаточного ресурса используются средний и гамма-процентный остаточные ресурсы.

Для эффективного решения задач прогнозирования ТС и остаточного ресурса систем, повышения их долговечности актуальными являются:

- совершенствование приборного контроля, повышение точности, применение передовых методов контроля технического состояния и методов НК;

- автоматизация сбора обработки и хранения эксплуатационной информации на базе универсальных измерительных аппаратно-программных комплексов, разработка и ведение базы данных мониторинга ТС систем, разработка форм эксплуатационных документов для сбора данных, необходимых для прогнозирования остаточного ресурса систем, формирование перечня критичных с точки зрения надежности элементов исследуемых систем для контроля;

- детальная проработка перечня контролируемых параметров, мест, методов и технологий измерений, приборов для контроля и их класс точности, периодичность контроля.

В качестве базового средства измерения при мониторинге ТС необходимо использовать аппаратно-программные комплексы по сбору и обработке измерительной информации на базе персональных компьютеров, которые дают высокую точность и оперативность измерений, предоставляют широкие возможности при обработке и хранению результатов, многофункциональность, высокую мобильность, относительно низкую стоимость (по сравнению с общей стоимостью заменяемых приборов).

Результаты применения НК могут быть полезными при обосновании оптимальных объемов ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающих заданное (или максимально возможное при выделенном количестве средств на ремонт) продление технического ресурса анализируемых систем.

2. Методологические аспекты обеспечения безопасности сложных технических объектов в условиях ограниченных ресурсов

Сложные технические системы в своем развитии - от первоначальной идеи заказчика и генерального конструктора, до ее монтажа, или вывода из эксплуатации (списания), проходят ряд этапов: несколько стадий и циклов проектирования, изготовление опытных агрегатов и образцов систем, эксплуатация в различных режимах и внешних условиях. Неизбежное накопление инженерных или проектных ошибок, технологических отклонений, брака и физических дефектов в элементах конструкций и систем могут сокращать запланированный период нормального функционирования и эксплуатации, а также снижать безотказность функционирования. Сравнительные оценки затрат на устранения дефектов, которые обнаруживаются на различных стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации системы возрастают примерно в десять раз при сохранении не выявленного дефекта в системе, при переходе из одной стадии жизненного цикла в другую. В работе [1] отмечаются ошибки в отчете по безопасности ядерных реакторов WASH-1400, которые возникли на этапе проектирования одной из систем. Ошибка была обнаружена в дереве отказов, хотя документы с данными графическими материалами многократно проверялись и перепроверялись. Многолетняя практика эксплуатации сложных систем показывает, что важной задачей при поддержании объектов в состоянии работоспособности является организация и проведение технического обслуживания и различных видов ремонтов (восстановления) элементов систем. Организация "замедления" процессов старения дорогостоящих систем и обеспечение их безопасности требует пересмотра существующих методик и подходов, а также разработки качественно нового подхода - применения

моделей и методов системного анализа, процедур принятия решений для эффективного планирования технического обслуживания (ТО), выявления неисправностей и дефектов, планомерной организации замен.

Всегда присутствующий недостаток материальных и финансовых ресурсов привел к необходимости проведения исследований проблемы поддержки технического ресурса и безопасности систем с целью выявления возможных резервов как технического, так и организационного плана, анализа и совершенствования не всегда рациональных подходов и планирования продления ресурсов агрегатов и систем.

Основная идея по использованию существующих резервов ресурсных и финансовых возможностей состоит в том, чтобы к оцениванию технического состояния систем, планированию их технического состояния, планированию восстановления и ремонта элементов и систем, подойти избирательно (индивидуально), оценивая состояние отдельного элемента, узла, системы.

Анализ сведений (данных об отказах оборудования) по эксплуатации сложных систем показывает, что с течением времени (старением) доля отказов элементов и агрегатов возрастает, приводя к значительному росту затрат на организацию и проведение контроля систем. Избирательный подход также важен для уменьшения затрат ресурсов при организации контроля.

Проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критерия безопасности является комплексной и состоит в проведении ряда этапов. На рис.1 представлена схема взаимосвязей различных функциональных задач, которые вносят наибольший вклад в обеспечение безопасности сложных объектов.

2.1 Основы обеспечения безопасности сложных объектов и управления ограниченными ресурсами

2.1.1. Критичность систем

При анализе безопасности сложных объектов значительное внимание уделяется вопросам определения критичности узлов и агрегатов систем. Проблема выявления критичных элементов особенно актуальна при анализе безопасности систем в условиях ограниченных ресурсов. Поскольку системы содержат большое количество элементов, то в условиях жестко ограниченных ресурсов обеспечить повышение надежности путем улучшения качества одновременно всех элементов не представляется возможным.

Однако разные подсистемы, агрегаты или системы играют при функционировании объекта далеко не одинаковую роль и отказы разных компонентов могут приводить к разным последствиям. Поэтому необходимо сосредоточить усилия на совершенствовании узлов, критичных элементов, играющих в обеспечении безотказности наиболее важную (ключевую) роль.

Вывод о возможности ремонта или замены только части элементов системы без необходимости проведения ремонтов других элементов базируется на методике анализа и ранжирования наиболее критичных элементов в составе системы.

Проблема ранжирования элементов системы может решаться различными способами и состоит в целенаправленном выявлении критичных элементов, подлежащих исследованию и выявлению дефектов на данном периоде восстановления.

Критичность системы (элемента) есть свойство элемента, отражающее возможность возникновения отказа и определяющее степень влияния на работоспособность системы в целом для данного ранга последствий.

Критичность не может быть определена только одними свойствами элемента, а должна определяться в рамках всего технического объекта, его функциональной структуры. Наиболее распространенными показателями, характеризующими критичность, являются структурная важность и важность в смысле надежности [1,2].

Часто в инженерной практике при анализе систем различного функционального назначения (космических систем, энергетических установок, трубопроводов, электрических кабелей и т.д.) критичность рассматривается как более широкое понятие - векторное свойство. Выделяются три общих основных составляющих критичности [2]:

1. надежность (безопасность);

2. последствия отказа;

3. возможность уменьшения вероятности возникновения и тяжести последствий.

Пусть K=(K₁...,K_j,...K_j*) (3) -
векторный показатель критичности, где K_j - j-й частный показатель, который отражает некоторую одну частную сторону, одну из характеристик объекта. Различные системы могут характеризоваться различными наборами частных показателей критичности. Эти частные показатели характеризуются как количественными показателями, так и могут принимать значения как лингвистические переменные.

Набор показателей K_j, принадлежащих К, может быть следующим:

• резервирование;

• возможность отказа;

• тяжесть последствий отказа;

• устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов среды;

• контролируемость состояния элементов в ходе эксплуатации;

• продолжительность присутствия риска вследствие отказа;

• возможность локализации отказа и др.

Частные значения показателей критичности определяются различными видами шкал [2]. Пример частных показателей критичности и их шкалы приведен в табл.1

Таблица 3. Частные показатели критичности и лингвистические шкалы оценивания

Операция ранжирования элементов по степени критичности может осуществляться на различных уровнях структурирования объектов систем, агрегатов и узлов, частей конструкций и отдельных элементов на основе анализа морфологических блоков и структурных взаимосвязей [З]. Чем больше вес элемента, тем он важнее для обеспечения безопасности объекта.