Timofeeva_S_S_Nadezhnost_tekhnicheskikh_sistem_i_tekhnogenny_risk_uchebn_posobie_Irkutsk_Izd-vo_IRNITU_2015_Ch_1_141

С.С. Тимофеева

Надежность технических систем

и техногенный риск

Учебное пособие Издательство

Иркутского национального исследовательского технического университета

УДК 658.345

Т 41

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ИРНИТУ

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент кафедры автотехнической экспертизы ВСИ МВД России

Д.В. Седов;

канд. техн. наук, доцент кафедры экологии и БЖД ИрГУПС С.Е. Съемщиков

Тимофеева С.С. Надежность технических систем и техногенный риск :

учебн. пособие.– Иркутск : Изд-во ИРНИТУ, 2015. – Ч. 1. – 141 с.

Пособие соответствует требованиям ФГОС ВО УГС 20.03.01«Техносферная безопасность» для бакалавров.

В пособии предлагаются практические работы по методикам расчета надежности технических систем, методам и технологиям оценки производственных рисков. Отражены современные достижения в области оценки рисков. Рассмотрены теоретические и практические сведения об надежности. Представлен перечень действующих нормативно - правовых документов по оценке рисков.

Предназначено для студентов технических университетов, обучающимися по направлению бакалавриата «Техносферная безопасность», также слушателями курсов повышения квалификации и профессиональной переподготовки кадров, специалистов по охране труда промышленных предприятий и широкого круга заинтересованных читателей.

©Тимофеева С.С., 2015

©ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Надежность является одним из самых важных показателей современной техники. От нее зависят такие показатели как качество, эффективность, безопасность, риск, готовность, живучесть. Техника может быть эффективной только при условии, если она имеет высокую надежность.

Надежность техники определяется при ее проектировании и производстве. Чтобы создать техническую систему, удовлетворяющую требованиям надежности, необходимо уметь рассчитывать ее надежность в процессе проектирования и эксплуатации, знать методы обеспечения надежности и способы их технической реализации. Необходимо также доказать экспериментально, что показатели надежности спроектированной системы не ниже заданных. Однако и это еще не все. Нужно также разработать методы, обеспечивающие высокую безотказность техники в процессе эксплуатации. Все это невозможно реализовать, если не владеть основами теории надежности.

На современном этапе развития общества главным критерием является обеспечение безопасности человека. Безопасность является желаемым состоянием человека или желаемым свойством объекта, от которого исходит (или может исходить) опасность. Опасность исходит от техники, технологических процессов, ошибок и неправильных действий человека. Критерием опасности служит риск. Приемлемость риска, т. е. не превышение его расчетной величиной допустимых значений, может быть подтверждением достаточности уровня безопасности. Необходимость знания теории надежности и техногенного риска обусловлена необходимостью обеспечения безопасности.

Теория надежности – это наука, изучающая закономерности отказов технических объектов. Она изучает:

–критерии и показатели надежности различных видов технических объектов;

–методы анализа и синтеза техники по критериям надежности;

–методы обеспечения и повышения надежности техники;

–научные методы эксплуатации, обеспечивающие ее эксплуатационную надежность.

Теория вновь формируемой науки – рискологии находится в стадии разработки. Однако теория вероятностей и математическая статистика, составляющие основу математического аппарата теории надежности, а также основные свойства и показатели надежности имеют большое значение и широко используются в методологии оценки и анализа риска.

Специалисты по направлению подготовки «Техносферная безопасность» должны владеть теорией надежности и использовать их при оценки надежности оборудования, эксплуатируемого на промышленных объектах и уметь просчитывать, а главное минимизировать риски возникновения аварийных ситуаций для снижения экономических потерь.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены основные аспекты теории надежности и риска и представлены практические работы и задачи, выполняя которые бакалавр сможет освоить данную дисциплину.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ

Необходимость расчета надежности технических устройств и систем существовала с момента использования их человеком. Например, в начале 1900-х годов существовала задача оценки среднего времени горения газовых фонарей, а в середине 1930-х, благодаря работам шведского ученого В. Вейбулла (Waloddi Weibull), получила известность задача описания среднего времени наработки электронной лампы до ее выхода из строя (распределение Вейбулла).

Ярким примером поиска методов расчета надежности является история создания ракетных комплексов Фау-1 и Фау-2 Вернером фон Брауном. В лаборатории Брауна работал немецкий математик Эрик Пьеружка (Eric Pieruschka), который доказал, что надежность ракеты равна произведению надежности всех компонент, а не надежности самого ненадежного элемента, как считал Браун. Позднее вместе в Брауном в середине 50-х годов в США работал талантливый немецкий инженер Роберт Луссер (Robert Lusser), который сформулировал основные теоретические положения будущей теории надежности. Его формула для расчета надежности системы с последовательным соединением элементов стала известна как «Закон Луссера» (Lusser's law).

Первые работы в области надежности относятся к теории надежности механических систем и принадлежат Н.Ф.Хоциалову (СССР) и Г. Майеру (Германия). Эти работы появились в 1929–1931 гг. и были посвящены применению теоретико-вероятностных методов к расчету прочности объектов. В 30–40 гг. Н.С. Стрелецким и А.Р. Ржаницыным разработаны статистические методы строительной механики. Было показано, что вследствие вероятностного характера свойств материалов и внешних нагрузок расчеты элементов конструкций на прочность имеют статистический характер.

В развитии современной теории надежности можно выделить три периода. Первый период – период становления (конец 40-х — начало 60-х годов) – характеризуется оценкой надежности по числу зафиксированных отказов. Расчет надежности производился по интенсивностям отказов, входящих в систему элементов, полученных по статистике отказов. Такой подход развивался в связи с решением проблемы надежности в радиоэлектронике и автоматике. В этом направлении первые работы по вопросам надежности в нашей стране были выполнены A.M. Бергом, Н.Г. Бруевичем, В.И. Сифоровым, A.M. Половко, Г.В. Дружининым, Н.А. Шишонком и др. С начала 60-х годов интенсивно развивались математические вопросы теории надежности (Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев). За рубежом в развитие методов теории надежности большой вклад внесли Дж. Нейман, К. Шеннон, А. Пирс.

Во втором периоде – периоде бурного развития теории надежности (60-е годы)

– при оценке надежности объектов стали учитывать влияние функциональных связей между элементами системы, влияние режимов работы (внутренних факторов) и факторов окружающей среды – температуры, влажности, давления,

вибраций, излучений и т. п. (внешних факторов). В этот период расчеты и оптимизация надежности объектов получили распространение во всех отраслях техники (Я.К. Барлоу, С. Прошан, В.В. Болотин и др.). Многие вопросы надежности были стандартизованы. Большое внимание было уделено физике отказов (Б.С. Сотсков).

Со второй половины 70-х годов наблюдается рост числа исследований, связанных с решением задач прогнозирования надежности объектов и оценки надежности сложных систем. Этот третий период разработки теории надежности характерен дальнейшим углубленным изучением физикохимических и статистических закономерностей появления отказов как в простых, так и в сложных системах.

К настоящему времени в ряде городов нашей страны (Москве, СанктПетербурге, Нижнем Новгороде, Перми, Обнинске, Сургуте и др.) сформировались научные школы, разрабатывающие различные направления в теории и практике надежности. При этом большое внимание уделяется решению проблемы надежности в приборостроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники.

Математическим аппаратом теории надежности являются теория вероятности, математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, теория информации, математическая логика, теория планирования эксперимента и другие математические дисциплины.

Внастоящее время обеспечению надежности машин, аппаратов, технологических объектов, систем АСУТП уделяется очень серьезное внимание. Это объясняется тем, что отказ современных технических систем независимо от их сложности и характера использования может привести к очень серьезным финансовым потерям, экологическому ущербу и даже человеческим жертвам.

ВРоссии существует система стандартов, в которых определены основные термины и определения теории надежности, методы обеспечения надежности, методы сбора и обработки исходных данных для определения основных показателей надежности. Эта система постоянно пополняется и совершенствуется.

К первым работам по расчету надежности в России можно отнести статью инженера Б.М. Якуба «Показатели и методы расчета надежности в энергетическом хозяйстве», опубликованную в журнале «Электричество», № 18, 1934 г., и статью профессора В.И. Сифорова «О методах расчета надежности работы систем, содержащих большое число элементов» (Известия Академии наук СССР. Отделение технических наук. № 6, 1954 г.) Независимо от закрытых работ немецких ученых, в указанных статьях надежность систем с последовательным соединением рассчитывалась как произведение надежности элементов.

В 1958 г. состоялась Первая Всесоюзная конференция по надежности. К тому времени уже сформировалась группа специалистов (в основном военных из Академии Жуковского), которые возглавили работы в Москве: Б.В. Васильев, Г.В. Дружинин, В.А. Кузнецов, Б.Р. Левин, И.И. Морозов, М.А. Синица, К.Ф.

Цветаев. Уже в 1959 г. в первом отечественном отделе надежности (в одном из Ленинградских НИИ Судпрома) была выпущена первая книга всего на 139 стр. – «Основы теории и расчета надежности (авторы книги – основоположники ленинградской школы надежности: И.М. Маликов, А.М. Половко, Н.А. Романов и П.А. Чукреев)

Цели и задачи надежности

Решение вопросов надежности и безопасности современных структурносложных технических систем и объектов осуществляется на всех стадиях жизненного цикла, от проектирования и создания, производства, до эксплуатации, использования и утилизации. При этом могут преследоваться следующие цели:

·обоснование количественных требований к надежности объекта или его составным частям;

·сравнительный анализ надежности вариантов схемно-конструктивного построения объекта и обоснование выбора рационального варианта, в том числе по стоимостному критерию;

·определение достигнутого (ожидаемого) уровня надежности объекта и/или его составных частей, в том числе расчетное определение показателей надежности или параметров распределения характеристик надежности составных частей объекта в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом;

·обоснование и проверку эффективности предлагаемых (реализованных) мер по доработкам конструкции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и ремонта объекта, направленных на повышение его надежности;

·решение различных оптимизационных задач, в которых показатели надежности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий, в том числе таких, как оптимизация структуры объекта, распределение требований по надежности между показателями отдельных составляющих надежности (например, безотказности и ремонтопригодности), расчет комплектов ЗИП, оптимизация систем технического обслуживания и ремонта, обоснование гарантийных сроков и назначенных сроков службы (ресурса) объекта и др.;

·проверку соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня надежности объекта установленным требованиям (контроль надежности), если прямое экспериментальное подтверждение их уровня надежности невозможно технически или нецелесообразно экономически.

На этапе проектирования технических систем выполняется проектный расчет надежности.

Проектный расчет надежности – процедура определения значений показателей надежности объекта на этапе проектирования с использованием методов, основанных на их вычислении по справочным и другим данным о надежности элементов объекта, имеющихся к моменту расчета.

Проектный расчет надежности входит в состав обязательных работ по обеспечению надежности любой автоматизированной системы и выполняется на основе требований нормативно-технической документации (ГОСТ 27.002–89,

ГОСТ 27.301–95, ГОСТ 24.701–86).

На этапе испытаний и эксплуатации расчет надежности проводится для оценки количественных показателей надежности спроектированной системы.

Основные условия обеспечения надежности состоят в строгом выполнении правила, называемого триадой надежности: надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении и поддерживается в эксплуатации. Без строгого выполнения этого правила нельзя решить задачу создания высоконадежных изделий и систем путем компенсации недоработок предыдущего этапа на последующем.

Если в процессе проектирования должным образом не решены все вопросы создания устройства или системы с заданным уровнем надежности и не заложены конструктивные и схемные решения, обеспечивающие безотказное функционирование всех элементов системы, то эти недостатки порой невозможно устранить в процессе производства и их последствия приведут к низкой надежности системы в эксплуатации. В процессе создания системы должны быть в полном объеме реализованы все решения, разработки и указания конструктора (проектировщика).

Важное значение в поддержании, а точнее в реализации необходимого уровня надежности имеет эксплуатация. При эксплуатации должны выполняться установленные инструкциями условия и правила применения устройств, к примеру, электроустановок; своевременно приниматься меры по изучению и устранению причин выявленных дефектов и неисправностей; анализироваться и обобщаться опыт использования устройств. На каждом предприятии разрабатывается и реализуется программа обеспечения надежности для каждого этапа жизненного цикла устройства (системы).

Специалистам направления подготовки «Техносферная безопасность» необходимо усвоить основные понятия теории надежности и научиться выполнять расчеты надежности различными методами.

Применительно к опасным промышленным и транспортным объектам целесообразно рассматривать проблемы безопасности как проблемы надежности сложных человеко-машинных систем по отношению к здоровью и жизни людей, состоянию окружающей среды.

Во-первых, при определенных условиях эти понятия тесно связаны (например, когда нарушение работоспособного состояния технических элементов системы может привести к аварийным или катастрофическим последствиям).

Во-вторых, такой подход позволяет использовать количественные показатели безопасности, подобные в математическом отношении принятым показателям теории надежности, методы которой разработаны достаточно полно и широко используются на практике.

При этом вводится понятие «технический риск» (или функция риска) как дополнение до единицы функции безопасности, определяемой по аналогии с функцией надежности как вероятность безопасной работы. Технический риск не включает измерение размеров потерь или ущерба, эта характеристика позволяет оценивать вероятность критического (опасного) отказа.

Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью (рис. 1.1), под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы выполнять определенные задачи.

Работа любой технической системы обязательно должна характеризоваться безопасностью, мерой которой является техногенный риск.

Рис. 1.1. Основные свойства технических систем

Рассмотрим основные понятия и определения теории надежности и риска.

Основные понятия и определения надежности

К основным понятиям и терминам при расчете и анализе надежности машин и агрегатов относят термины, содержащиеся в ГОСТ 21623–76, ГОСТ 18322–78,

ГОСТ 16504–81 и ГОСТ 27.002–89

Изделие – это единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т. д., например резистор, тиристор, фланец, подшипник, колонна.

Элемент – простейшая при данном рассмотрении составная часть объекта. Элемент в узком смысле – это резистор, интегральная микросхема, реле, тумблер и т. д. Элементом в широком смысле, или структурным элементом, называют любой объект, внутренняя структура которого на данном этапе анализа надежности не учитывается. В расчетах надежности такой элемент рассматривается как единое и неделимое целое. В технической кибернетике есть термин, близкий по смыслу к термину «структурный элемент», а именно –

«черный ящик». При построении моделей структурный элемент иногда называют еще элементом расчета надежности.

Под системой понимают совокупность взаимодействующих элементов с определенными связями между ними, предназначенных для выполнения общей задачи. Система в узком смысле – это компьютер, вычислительная сеть, автопилот, электростанция и пр. В зависимости от конструктивного исполнения и функционального назначения системы могут подразделяться на модули, блоки, приборы, агрегаты, устройства.

Системой в широком смысле называют совокупность элементов, соединенных между собой тем или иным способом. В зависимости от этапа анализа надежности и степени его детальности один и тот же объект может рассматриваться и как элемент, и как система. Употребление термина «элемент» (в широком смысле) по отношению к техническому изделию вовсе не означает, что оно простое и содержит небольшое количество элементов в узком смысле. Элементом в широком смысле может быть не только резистор, диод, микросхема, но и логическая плата, системный блок компьютера, компьютер в целом, вычислительный комплекс. С другой стороны, система не обязательно должна содержать большое количество аппаратуры. Она может состоять из нескольких или даже одного элемента. Так, резистор может рассматриваться как система, состоящая из подложки, изолирующего слоя, напыления, выводов и пр. По степени сложности системы можно подразделять на простые и сложные. Отличительные особенности сложной системы таковы: любое количество элементов, сложный характер связей между ними, многообразие выполняемых функций, наличие элементов самоорганизации, сложность поведения при изменяющихся внешних воздействиях, обусловленная наличием обратных связей, участием оперативного персонала в функционировании системы. В зависимости от факторов, учитываемых при классификации, различают структурно сложные, функционально сложные, организационно сложные и другие разновидности сложных систем.

Автоматизированные системы обработки информации и управления относятся (АСОИУ), как правило, к сложным системам, хотя многие их подсистемы являются простыми системами. АСОИУ являются многофункциональными системами, могут функционировать с пониженным качеством, имеют несколько уровней работоспособности, сложную структуру, элементы адаптивности и самоорганизации.

Технический объект (объект) – предмет, подлежащий расчету, анализу, испытанию и исследованию в процессе его проектирования, изготовления, применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования в целях обеспечения эффективности его функционального назначения.

Термины надежность, безопасность, опасность и риск часто смешивают, при этом их значения перекрываются. Часто термины анализ безопасности или анализ опасности используются как равнозначные понятия. Наряду с термином анализ надежности они относятся к исследованию как работоспособности, отказов оборудования, потери работоспособности, так и процесса их возникновения.

Наука о надежности является комплексной наукой и развивается в тесном взаимодействии с другими науками, такими как физика, химия, математика и др., что особенно наглядно проявляется при определении надежности систем большого масштаба и сложности.

При изучении вопросов надежности рассматривают самые разнообразные объекты – изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надежность изделия зависит от надежности его элементов, и чем выше их надежность, тем выше надежность всего изделия.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Недостаточная надежность объекта приводит к огромным затратам на его ремонт, простою машин, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами. Чем меньше надежность машин, тем большие партии их приходится изготовлять, что приводит к перерасходу металла, росту производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию.

Надежность объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем показателям – безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по сочетанию этих свойств.

Безотказность – свойство объекта сохранять работоспособность непрерывно в течение некоторого времени или некоторой наработки. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей. Безотказность свойственна объекту в любом из возможных режимов его существования, в том числе, при хранении и транспортировке.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. Важность ремонтопригодности технических систем определяется огромными затратами на ремонт машин.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Практическая роль этого свойства велика для деталей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запасных принадлежностей.

Выбор количественных характеристик надежности зависит от вида изделия.

Основные показатели надежности можно разбить на две группы:

-показатели, характеризующие надежность невосстанавливаемых изделий;

-показатели, характеризующие надежность восстанавливаемых изделий.

Невосстанавливаемыми называются такие изделия, для которых в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Если происходит отказ такого изделия, то выполняемая операция будет сорвана, и ее необходимо начинать вновь в том случае, если отказ можно устранить. К таким изделиям относятся изделия однократного действия, такие как ракеты, управляемые снаряды, искусственные спутники Земли, а также системы многократного действия, такие как системы управления воздушным и железнодорожным движением, системы управления химическими, металлургическими и другими ответственными производственными процессами.

Восстанавливаемыми называются такие изделия, для которых в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Если произойдет отказ такого изделия, то он вызовет прекращение функционирования изделия только на период устранения отказа. К таким изделиям относятся: телевизор, агрегат питания, локомотив, автомобиль и т. п.

Для показателей надежности используются две формы их представления: вероятностная и статистическая. Вероятностная форма обычно бывает удобнее при априорных аналитических расчетах надежности, статистическая – при экспериментальном исследовании надежности технических систем.

Многоцелевое назначение оборудования и систем приводит к необходимости исследовать те или другие стороны надежности с учетом причин, формирующих надежность объектов. Это приводит к необходимости подразделения надежности на виды.

Различают:

–аппаратурную надежность, обусловленную состоянием технических элементов сложных систем; в свою очередь она может подразделяться на надежность конструктивную, схемную, производственно-технологическую;

–функциональную надежность, связанную с выполнением некоторой функции (либо комплекса функций), возлагаемых на объект, систему;