Вместо предисловия или философские излияния автора

Зачем люди пишут научно-технические монографии? Наверное, затем, чтобы осчастливить человечество новой информацией, новыми идеями и представлениями, полезными и подчас необходимыми в деле созидания, предложить читателю навыки и методы, новый взгляд на проблему, позволяющий решать практически важные задачи.

Вторая причина - систематизация знаний. До монографии знания по какому-то предмету представляли собой эдакую кучу, калейдоскоп, в котором одни и те же цветные стекляшки образуют то одну, то другую картинку. Монография же – это уже мозаичная картина со своей композицией, сюжетом, цветовой гаммой. При взгляде издалека на такую мозаику виден смысл, идея автора, появляются знакомые ассоциации, начинают возникать те чувства, эмоции, которые хотел вызвать автор. Если же подойти к мозаике совсем близко, то видны лишь одноцветные пластинки. Каждая из них – снова какие-то детали и подробности, которые автору неизвестны, а потому одноцветны.

Само слово «надежность» происходит от слова «надежда», а оно от слова «ждать». Созидая что-то, принимая какое-то решение, мы ждем определенного результата. Ожидая этот результат, мы подсознательно понимаем некую неопределенность, понимаем, что не все учли, не все познали, что исходная информация не полна и сама слишком низкого качества.

Если посмотреть на историю культур многих народов, этносов глазами специалиста по надежности («надежника»), то нельзя не увидеть, что люди только надежностью и занимаются. Если шаман, колдун или старейшина не ошибается с определением срока сева хлеба, то осенью племя имеет хороший урожай, дети здоровы, старики живы, а молодежь играет свадьбы. Если ошибается, да еще 2-3 года подряд – племя вымирает. Надежность предсказаний здесь тождественна жизни.

Когда люди осознали, что убить и отнять много эффективнее собственного каждодневного, мучительного труда землепашца, скотовода или ремесленника, то они стали воевать и делают это до сих пор. Сразу встала проблема надежности воинов, их физической, моральной и нравственной подготовки. Сразу встала проблема надежности полководца. И, конечно, - надежности оружия, доспехов и снаряжения. Например, английские лучники, которых славословят западные историки, в сырую погоду и дождь не могли стрелять. Знаменитый Робин Гуд в дождь был безоружен. Зато сложный славянский лук был «всепогоден», а штатный пехотинец в славянском войске держал в воздухе 5-7 стрел с разным прицелом, и точность попадания была великолепна. И здесь надежность эквивалентна жизни, результатам намерений и стремлений.

Метафору «надежность» применяют и к людям: заказчику и исполнителю, компаньону, товарищу и другу, руководителю, депутату, мужу, жене и сыну. Эту же метафору применяют к организациям: НИИ и проектным институтам, заводам-заказчикам, школам и учебным институтам, министерствам, мафиям, коммерческим банкам, фракциям депутатов и партиям. У разработчиков новых производств, установок, технологий существует объективный и достаточный критерий надежности химического завода, потенциального заказчика разработок. Приехав на завод и отметив командировочные удостоверения, мы дружно шли в туалет цеха или заводоуправления. Если туалет находился в безобразном состоянии, как на вокзале в послевоенные годы, то мы уезжали, даже не заходя к заводскому начальству. На таком заводе администрация наверняка небрежна и необязательна при выполнении договорных и финансовых условий, а обслуживающий персонал дик и невежественен. Новое производство будет плохо работать, а виноватить в малой надежности будут только нас.

Наконец, слово «надежность» широко используют применительно к техническим объектам, промышленному оборудованию, технологическим системам и производствам.

Каков же смысл и содержание слова «надежность»? По-видимому, оно ассоциируется с понятием функционировать, с исполнением предназначенных действий и достижениемопределенных результатов. Здесь невольно привносится категория времени. Мы хотим функционирования в некотором масштабе времени. Для деталей, узлов, систем и процессов в разгонных ступенях космической ракеты этот масштаб времени – минуты. Для промышленной установки производства какого-то продукта – это время потребительной ценности для покупателя или время возврата кредита на создание промышленной установки.

Понятие «надежность» неизбежно связано с понятием устойчивости: после малых воздействий извне система самавозвращается в нормальное состояние. Если нет устойчивости, то нет и надежности. Например, рыночная экономика предельно неустойчива, а потому ненадежна для бытия страны, нации, этноса, человечества. Капитал, полученный из ресурсов планеты, страны, региона просто и примитивно проедается или превращается в сокровища, вместо того, чтобы вкладываться в будущие поколения и благоустройство природы.

В 2005 году по Москве разместили большие рекламные щиты с лозунгом «Бери от жизни все!». Какая уж тут устойчивость и, следовательно, надежность общества. Слава Богу, власти застеснялись своей явной дури, эти щиты провисели всего 1-2 недели. Но ведь кто-то с примитивной, животной психикой наверняка принял этот лозунг к руководству своих действий.

Первопричиной появления этой монографии и, вообще, занятий автора надежностью систем оказался эмоциональный стресс во время пуско-наладочных работ одной довольно сложной и капризной установки. Автор участвовал в ее разработке, проводил теплофизические и процессные расчеты, выдавал конструкторам эскизные проекты оригинального оборудования, плотно сотрудничал с этими конструкторами, с проектировщиками. И вот установка смонтирована в отдельном здании, стоит эдакая красавица, как елочная игрушка, вся блестит алюминиевой фольгой теплоизоляции, трубопроводы, вентили и задвижки покрашены в яркие цвета. Красота! И чувство гордости: это сделали мы!

Сначала приступили к «холодному» пуску. Сразу «полетел» насос подачи раствора в форсунку. Оказалось, что в емкости лежит слой грязи и огрызков электродов, которые монтажники-электросварщики разбрасывают во все стороны. Пришлось три дня убирать мусор из емкостей «под метелку». Снова запускаем питательный насос, подаем воду в форсунку гранулятора. Здесь оказалось, что из 4-х форсунок одна просто льет воду, а не распыливает. Разобрали форсунку, оказалось, что завод-изготовитель не выполнил требований рабочей документации, а конструктор, ведущий авторский надзор за изготовлением, - «прошляпил». Снова стоим, а нужную деталь форсунки пришлось изготавливать за тридевять земель. Опять неделя прошла бестолку.

Далее при монтаже, оказалось, не была сделана статическая и динамическая центровка огромного вентилятора производительностью 120000 нм³/час. При включении вентилятора все здание цеха начинало трястись, и к вентилятору было страшно подойти. Снова неделю ждем, пока найдут наладчика, и пока он отцентрует систему вентилятор-двигатель.

Арматура доставила много хлопот: то не откроешь, то не закроешь, то течет из всех щелей. Большую часть задвижек и вентилей на трубопроводах подачи раствора в реактор пришлось перебрать, подогнать поверхности, смазать, набить новые сальники.

Для отладки гидродинамики во всей установке понадобилось установить множество штуцеров в газоходах для размещения датчиков. И вот варварски сдирается теплоизоляция, газосварщик вваривает штуцера, а члены пусковой бригады устанавливают датчики и вторичную измерительную аппаратуру. А вот заранее, в проекте предусмотреть установку множества штуцеров – мозгов, точнее опыта, не хватило.

При «горячих» пусках в трубопроводе диаметром 300 мм. вдруг началась кристаллизация одного из компонент раствора. Образовывалась пробка длиной 2-3 метра. Эту часть трубопровода просто вырезали, вваривали новый кусок трубы, снова запускаем, снова – пробка. А оказалось, что сырьевой цех не контролировал концентрации компонент раствора, пришлось на ходу и «на коленках» делать систему контроля и регулирования концентраций. Опять неделя прошла.

При первом «холодном» пуске проверяли режим псевдоожижения в грануляторе установки. Обнаружили, что слой зернистого материала не «закипает». Мал расход воздуха. При этом вентилятор исправно работает, шибер полностью открыт, а расход мал. Вварили штуцер недалеко от вентилятора, измерили напор, он оказался больше номинального. Причем высоковольтный двигатель вентилятора медленно нагревается, величина тока тоже велика. Ох, сожжем двигатель! Пришлось разбалчивать воздухопровод в разных местах и по-пластунски ползать в газоходе, благо его размер 800 мм. И, конечно, в самом неудобном месте обнаружили кучу мусора, кусков бетона, досок, арматуры. Все это перемешано с драными рукавицами и армировано старой грязной сальной телогрейкой. Слышали бы монтажники, что и как о них говорили пускачи! Господин Лимонов просто бы позавидовал!

В целом пришлось менять оборудование, обвязку газоходов и трубопроводов, заменять сгоревшие двигатели на более мощные. Все время «капризничала» система КИП и А, бестолку срабатывала блокировка и ее в конце концов просто отключили. Когда приехали проектировщики, то они просто не узнали свое детище. Все не так, все изменено, оборудование работает совсем другое. Но почему-то такая ситуация считается нормальной, лишь бы установка работала.

А вот с этим «лишь бы установка работала» возникли серьезные проблемы. Установка оказалась процессно-непредсказуемой, настолько мало было научно-исследовательской информации или она была низкого качества по точности и широте охвата изменяемых параметров.

Устойчивое состояние равновесия при первых «горячих» пусках – «козел»: весь псевдоожиженный слой, в который распыливался горячий раствор, кристаллизовался, становился монолитом весом 8 т. И вот «варим» козлов, а сроки сдачи в эксплуатацию давно прошли, заводчане уже на нас махнули рукой: «Ох, уж эта наука!» Наше состояние можно охарактеризовать двумя словами: позор и горечь поражения! А сколько денег истрачено, времени, сколько организаций работало на нас – и все втуне.

А тут еще оскорбленная гордость взыграла: как же так, я такой весь из себя ученый, много всяких дипломов, весь такой научно-беленький и пушистый, а эта куча железа меня не слушается!

Из общения с коллегами других организаций и ведомств с удивлением узнаю, что ни одна промышленная установка просто и сразу не запускалась, что картина пусковых работ, описанная выше, - типична, что пусковая бригада, как правило, наощупь ищет хоть какой-нибудь устойчивый режим работы новой установки, даже если он далек от проектного, номинального. Даже тиражируемые установки требуют своей траектории пуска, своих методов и подходов, настолько они разные.

Следовательно, качество разработки и создания технологических систем определяется экспериментально, процесс пусковых работ происходит по плотницкому методу: «Подтяшем – лягеть». А вот заранее, на бумаге (а не в «железе») оценивать качество разработки промышленных систем никто не умеет. И, вообще, что такое качество разработки, это что-то гуманитарное, метафорическое или это физическая величина, характеризуемая отвлеченным числом и наименованием?

Получив доступ к министерской статистической информации, обнаруживаем, что эксплуатация новых производств характерна частыми внезапными остановками и последующими длительными простоями. Причем это происходит до того, как существенно изменились механические, прочностные свойства деталей и узлов. Практически внезапная остановка – дело рук операторов или блокировок из-за того, что какой-то показатель, параметрпроцесса принял недопустимое значение. Например, число оборотов газовой турбины в установке стало уменьшаться и приближаться сверху к критическому. Вот-вот турбину разнесет в клочья. Приходится совершать аварийный останов, а потом мучительно разбираться в причинах.

Таким образом, автор этой монографии попал в поток событий, явлений, информации, различений Вседержителя. И этот поток показывает, что процесс разработки и создания технологических систем архинесовершенен, уродлив, что это уродство ведет к растранжириванию всех и всяких ресурсов, особенно людского потенциала созидания. Ну, а всякое несовершенство заповедано человеку ликвидировать. Потому и пришлось заниматься надежностью систем.

Если спустя много лет попробовать осознать ключевые моменты перестройки мышления, если угодно, мировоззрения, миропонимания автора, то главным можно признать осознание системности окружающего мира. В научной литературе существует много определений понятия системы. Автор остановился на следующем:системой называется совокупность взаимодействующих частей. Здесь ключевое слово – «взаимодействующих».

Мудрые люди говорят, что существует три грамотности человечества: книжная, компьютерная и системная. Правда, самые умные предрекают необходимость четвертой – организационные технологии, но этим заниматься пока не будем. Третьей грамотностью, кажется, владели только древнеегипетские жрецы и потому могли успешно управлять своими народами тысячелетиями. А сегодня системное мышление далеко не всех освятило, глядя на цели и методы управления государствами в текущий исторический период.

Казалось бы, все просто: есть человек, затем семья, фирма, где он работает и зарабатывает на жизнь, есть совокупность фирм (что-то вроде холдинга), далее государство, нация, этнос, человечество. Чем отличаются, разнятся эти системы? Масштабом рассмотрения, видения. Иными словами, они разнятся числом элементов и характером взаимодействия этих элементов, частей. Но и этого мало: каждая система обязательно вложена в какую-то макросистему и последняя навязывает подсистеме свои воздействия, свои свойства, которых нет у подсистем.

Вторым ключевым моментом развития мышления при приближении к проблеме надежности систем является осознание того, что мерой всякой системы является ее линейный и временной натуральный масштаб. Натуральный – означает природный, естественный, характеристический.Под натуральным масштабом (линейным или временным)предлагаем понимать такую протяженность этих физических величин, на которой искомые функции, параметры, свойства системы меняются существенно. Что такое существенно? Давайте договариваться: физики считают существенным, если изменение искомой величины произошло в 2-3 раза по сравнению с начальной. Математики более суровы: для них изменение в 10 и более раз существенно, а менее – нет.

Интересно, что для математиков совершенно все равно, чему равна величина дифференциала искомой функции или аргумента. Для них это просто что-то малое. А для физика, для теплофизика, процесщика мера дифференциала имеет вполне определенное и обозримое значение.

Из определения понятия натурального масштаба получаем два следствия.

1. Изменения системы (т.е. ее параметров) на протяженностях в 10 раз меньших натурального масштаба – не существенны. Отсюда получаем меру физически малой линейной протяженности dx и времени dτ.

2. На протяженностях в 10 раз больших натурального масштаба процесс изменения системы завершится во всей своей потенциальной полноте. Система или придет в состояние равновесия, статики, или начнется новый цикл изменения.

Для увеличения интереса читателя к монографии приведем «пульсационные циклы колебательной системы «дыхания Космоса»» [1]:

1. Зодиакальный цикл перехода оси прецессии планеты Земля с одного знака на другой. Знаков Зодиака – 12. Скорость прохождения одного градуса знака – 72 года. Продолжительность цикла – 2160 лет. Продолжительность перехода границы из знака в знак – 11 лет.

2. Цикл этногенеза Л.Н. Гумилева – 1512 лет.

3. Китайский цикл долголетия власти – 336 лет (вспомните царей Романовых).

4. Круг Солнца – 28 лет (длительность жизни поколения людей).

5. Цикл солнечной активности А.Л. Чижевского – 11 лет.

6. Оборот Земли вокруг Солнца – 1 год.

Если из Космоса спуститься к системе «человек», то:

1. Кушать хочется 3 раза в день.

2. Сон – 8 часов.

3. Посещение туалета – 3-4 раза в день.

4. Длительность пребывания на работе – 8 часов.

5. Время нахождения в дороге, в общественном транспорте Москвы – 1,5 часа.

Полный кругооборот воды в системе земля – атмосфера равен 40 лет ± 10 лет. Следовательно, если сегодня человечество решительно очистит воздух и почву земли, то чистую воду будут пить только внуки и правнуки.

Натуральный масштаб скорости диффузии нефти в грунте – 5 м/год, а канцерогенных пластовых вод – 7 м/год.

Физики утверждают, что квант света, образующийся при синтезе гелия из водорода на солнце, вынужден бродить в объеме солнца примерно 20000 лет из-за притяжения огромной массы солнца. Следовательно, сегодня наша Земля освещается светом, кванты которого образовались 20000 лет назад.

Если ввести новое понятие – время между принятием решения и его реализацией, то получаем новый масштаб времени поведения человека. У детей и homo с животной психикой это минуты, в крайнем случае, час. У современных российских бизнесменов и бизнесвумен – это неделя, максимум месяц. У мудрых и ответственных перед народом управителей – это хотя бы 2-3 поколения или сотня лет.

Сейчас президента в России «избирают» на 4 года, за этот короткий срок самый мудрый правитель не может поставить и реализовать ни одной долгосрочной программы, никакой преемственности нет. Зато за эти 4 года вполне можно сделать преступления против своего народа (Афганистан, перестройка, Чечня, прихватизация, Беловежская Пуща).

Древние славяне избирали вождя, князя сроком на 12 лет. Интересно, что кандидат в князья яростно сопротивлялся своему избранию. Это ведь такая обуза и морока, такая ОТВЕТСТВЕННОСТЬ за жизнь и благополучие, за праведное развитие княжества. Выборщики подчас в ногах валялись у кандидата в князья, требуя его согласия. Некоторые так и не соглашались: народ в племени дик и невежественен; а кто будет заведовать казной и сбором налогов так, чтобы народное не прилипало к потным ручонкам; кто будет командовать ФСБ, чтобы укротить бандитов, лихоимцев; кто будет судьей; кто будет …. ? Если уж кого-то выбрали и он замечательно правил (войны успешные, казна полна, бандиты повешены, воры в тюрьмах, а обыватель мирно работает и легко платит небольшие налоги), то про такого князя говорили, что он сдюжил и выбирали его снова. Может быть, отсюда появилось слово дюжина, как мера, масштаб времени и количества.

Можно говорить о натуральных масштабах процессов переноса массы, количества движения и энергии потоками в химико-технологической системе. В одной промышленной установке число натуральных масштабов времени оказалось порядка 10², а спектр их величин менялся от 10³с до 10^-3с. Ну, и в каких временах «думать»? Одни процессы скоротечны, другие еле «шевелятся», а члену пусковой бригады каким процессом заниматься? Ведь невозможно заниматься всеми сразу!

Третий ключевой моментразвития мышления при постановке проблемы надежности систем – поиск инвариантов, неизменностей в поведении системы, хотя кажется, что переменно все и вся. Побудительной причиной этого поиска является то, что сегодня человек распознает действительность, системы, процессы посредством моделирования. Построить модель объекта означает осознать инварианты его поведения, формализовать их в некоторой сначала словесной, а потом в математической форме. Результаты обработки такой модели и дают количественную информацию о поведении объекта, о взаимосвязи его параметров. Модель может быть плохая или хорошая, может быть вообще карикатурой. Но здесь речь не о совершенстве модели, а об инвариантах.

Применительно к химико-технологическим системам (далее всюду ХТС), к промышленным установкам, технологическим линиям поиск инвариантов привел к следующему.

1. Все процессы в ХТС с точки зрения термодинамики – неравновесные, так как происходят при конечной разности термодинамических потенциалов взаимодействия технологического потока с внешней средой. Но тогда эти процессы необратимы и, согласно второму закону термодинамики, ХТС генерирует энтропию S_дисс. Напомним, что энтропия – термическая координата состояния термодинамической системы. Следовательно, при химических и фазовых превращениях, в процессах движения и тепло-массообмена в реакторах и трубопроводах обязательно увеличивается диссипативная энтропия. Последняя искажает направленность превращений: из сырья начинает производиться не только целевой продукт, но и побочный, всякий мусор. Стадия разделения становится громоздкой, а степень превращения сырья в целевой продукт - малой. Необходимо непрерывно отводить диссипативную энтропию из технологического потока и выбрасывать низко потенциальную теплоту в окружающую среду. И это расплата за скорость превращений, за конечную разность потенциалов. Итак, первый инвариант:

dS_дисс> 0.

Осознание этого обстоятельства приводит к новому источнику неопределенности: открытая диссипативная система с необходимостью будет как-то самоорганизовываться, и из всех вероятных траекторий своего поведения, как утверждает современная наука, будет выбирать такую, чтобы

dS_дисс/dτ=min

по множеству всех возможных траекторий. И вся беда в том, что сегодня никто не может заранее предсказать эту траекторию. Здесь прогнозу качества разработки ХТС, надежности ее наносится сильнейший удар. Может быть, поэтому при пусках сложных ХТС они ведут себя как взбесившийся мустанг.

2. Мощным источником инвариантов являются законы сохранения материи, количества движения и энергии. Формализация этих законов предоставляет тот математический аппарат, инструмент, с помощью которого можно исследовать, анализировать, прогнозировать надежность систем. Качество прогноза, опять-таки надежность его, определяются качеством физико-химико-процессно-математической модели (далее всюду просто модели), ее мерой приближения к действительности, ее адекватностью, ее степенью совершенства или карикатурности. Но здесь речь идет не об адекватности модели, а о наличии хотя бы трех инвариантов, трех законов сохранения. При этом будем помнить, что это знание совсем не достаточно для достоверного прогноза надежности систем (см. п. 1).

При поисках инвариантов нельзя не говорить о математической корректности модели. Надо озаботиться тем, чтобы решение задачи было, чтобы оно былоединственным ислабозависело от небольшого информационного шума. Только представьте себе, можно ли класть модель в основу анализа надежности ХТС, если она не имеет решений, или их много (тогда какое истинное?), или решение сильно меняется при малых изменениях параметров модели (а они всегда были и будут)?