Автоматизация неразрушающего контроля на сложных технологических объектах

Введение3

1. Рольи место методовнеразрушающегоконтроля дляобеспечениянадёжностии долговечностисложных системс высокой ценойотказа5

1.1 Проблемывыявлениядефектов ихарактеристикиметодов НК5

1.2 Эффективностькомплексногопримененияметодов НК12

1.3 Индустриализацияпримененияметодов НК.13

2. Методологическиеаспекты обеспечениябезопасностисложных техническихобъектов вусловияхограниченныхресурсов17

2.1 Основыобеспечениябезопасностисложных объектови управленияограниченнымиресурсами21

2.1.1. Критичностьсистем21

2.1.2 Анализданных по критичнымэлементам26

2.1.3 Механизмывыявленияразличныхдефектов27

2.1.4 Планированиевосстановлениякритичныхэлементов27

2.2 ОбеспечениебезопаснойэксплуатацииАЭС в условияхограниченныхресурсов30

2.2.1 Авариии инциденты,связанные сповреждениемметалла основногооборудованияна АЭС30

2.2.2 Причиныаварий с разрушениемтрубопроводови меры по ихпредотвращению32

2.2.3 Методологияэксплуатационногоконтроля наоснове концепциириска. Основныеположения34

2.2.4 Ранжированиесегментовтрубопроводов39

2.2.5 Оценкачастот повреждениятрубопроводов40

2.2.6 Анализструктурнойнадежности41

2.2.7 Анализэксплуатационныхданных длятрубопроводов42

2.2.8 Основныемеханизмыдеградациитрубопроводов44

2.2.9 ОпытпримененияRI-ISI46

3. Моделированиецентрализованнойсистемы обеспечениябезопасностисложных технологическихобъектов48

ОписаниепрограммногокомплексаEclipse TG250

Заключение55

Литература57

Введение

Экономическаяэффективностьсложных техническихсистем (комплексов),таких как:

• космическиесистемы (космическиеаппараты, стартовыеи ракетныекомплексы);

• летательныеаппараты (самолетыразличныхтипов и назначения);

• энергетическиесистемы (ядерныеэнергетическиеустановки АЭСи системы ихэнергообеспечения,ТЭС);

• предприятиянефтегазовойпромышленности(системы магистральныхтрубопроводов,перекачкинефти и газа);

• крупные военныеобъекты

и т.д., за весьпериод ихэксплуатации,напрямую зависитот значенийих текущейнадежностии показателейдолговечности(техническогоресурса, срокаслужбы).

Проблема обеспечениямаксимальновозможногосрока службы,"замедления"старения такихсистем, продленияих сроковэксплуатации,в условияхжестко ограниченныхсредств (финансовыхвозможностей,технических,человеческихресурсов идр.), являетсяодной из актуальнейшихпроблем дляученых, экономистови техническихспециалистовразличныхстран. Последствиявозникновенияотказов, неисправностейили дефектовв таких системахмогут приводитьк последствиямвплоть дотрагических:глобальнымкатастрофам,поражениюокружающейсреды, человеческимжертвам, большимфинансовыми материальнымпотерям. Так,затраты напроведениемероприятийпо неразрушающемуконтролю (НК)и связанныхс ним работ вовремя эксплуатацииАЭС составляютне менее 50% всехзатрат, связанныхс эксплуатациейстанции [1], припотерях около675000 долларов СШАв случае простояодного блока1000 Мвт (эл) в течениеэффективныхсуток. Категоричностьтребованийобщественностио необходимостиисключениятехногенныхкатастроф,которые происходятс частотой600-700 в год с ущербомдля окружающейсреды, делаетпроблему безопасностисистем ещеболее актуальной.

Исследованияв данном направленииневозможныбез использованиясистемногоподхода, учетаразличныхмероприятийи решения задач,которые могутпривести кулучшениюсостояниясистем, гарантироватьприемлемуюнадежностьи продлениеих периодаэксплуатациис учетом экономическихкритериев иограничений.

Для систем свысокой ценойотказа оченьважным являетсяи человеческийфактор, которыйчасто играетопределяющуюроль при проведенииНК. Повышениеуровня образованияперсоналапозволяетповысить какдостоверностьконтроля, таки существенновлиять на надежностьсистемы в целом.

1. Роль и местометодов неразрушающегоконтроля дляобеспечениянадёжностии долговечностисложных системс высокой ценойотказа

1.1 Проблемывыявлениядефектов ихарактеристикиметодов НК

При проведениимониторингатехническогосостояния (ТС)сложных системи агрегатоводной из наиболееактуальныхявляется задачаобъективногосвоевременногообнаружениядефектов различнойприроды и организацияконтроля заразвитиемдефектов из-застарения элементовпри эксплуатации.

Одним из путейпредотвращениянежелательныхпоследствийот эксплуатацииизделий с дефектамиявляетсясистематичноеиспользованиеметодов НК[1-4]. Дефектом,согласнонормативно-техническойдокументации(НДТ) (ГОСТ 17-102),называетсякаждое отдельноенесоответствиепродукциитребованиям.Однако в практикеприменениясредств неразрушающегоконтроля нетполного соответствияпонятия "дефект"определениюпо ГОСТ. Обычнопод дефектомпонимают отклонениепараметра оттребованийпроектно-конструкторскойдокументации,выявленноесредстваминеразрушающегоконтроля. Связьтакого понятияс определениемпо ГОСТ устанавливаетсяпутем разделениядефектов надопустимыетребованиямНТД и недопустимые.

Обобщая, здесьи далее поддефектом будемпонимать физическоепроявлениеизмененияхарактеристикобъекта контроляс параметрами,превышающиминормативныетребования.По происхождениюдефекты подразделяютна производственно-технологические,возникающиев процессепроектированияи изготовленияизделия, егомонтажа и установки,и эксплуатационные,возникающиепосле некоторойнаработкиизделия в результатепроцессовдеградации,а также в результатенеправильнойэксплуатациии ремонтов.

В дальнейшем,говоря о дефектах,выявляемыхсредствамии методами НК,будем иметьв виду эксплуатационныеи производственно-технологическиедефекты, невыявленныепри изготовлениии сдаче системв эксплуатацию.

Так,например, (взависимостиот объекта) всясовокупностьобъектов исистем можетбыть разбитана группы, длякоторых характерныоднотипныедефекты:

- силовыеметаллоконструкции(стрелы грузоподъемныхмашин, установщиков,несущие форменныеконструкции,силовые элементыагрегатовобслуживания);

- сосуды, теплообменныеаппараты,трубопроводы(сосуды и емкости,влагомасло-отделителии холодильникикомпрессорныхустановок,теплообменныеаппараты, камерынейтрализации,магистралигазов и жидкостейи др.);

- механизмыи машинноеоборудование(гидроприводы,редукторы,насосы, компрессоры,вентиляторыи приводныеэлектродвигатели,дизельныеэлектро станции);

- трубопроводы,корпуса системпод давлением,парогенераторы,системы жидко-снабжения;

- контрольно-измерительныеприборы (КИП)и автоматика,оборудованиесистем управления;

- кабельноеоборудование(силовые кабели,измерительныекабели, кабелисистем управления,кабели связи);

- электронноеоборудование;

- оборудованиеэлектроснабжения(трансформаторы,коммутационнаяаппаратура);

- объекты, содержащиерадиоактивныевещества,активностькоторых определяетсябез разрушенияисходных матриц;

- конструкциистроительныхсооружений.

Рассмотримнекоторыенаиболее характерныедефекты приведенныхсистем.

Для силовыхметаллоконструкцийхарактернылитейные дефекты(рыхлота, пористость,ликвационныезоны, дендритнаяликвация, зональнаяликвация,подусадочнаяликвация, газовыепузыри илираковины, песчаныеи шлаковыераковины),металлическиеи неметаллическиевключения,утяжины, плены,спаи, горячие,холодные итермическиетрещины); дефектыпрокатанногои кованогометалла (трещины,флокены, волосовины,расслоения,внутренниеразрывы, рванины,закаты и заковы,плены); дефектысварных соединений(трещины внаплавленномметалле, холодныетрещины, микротрещиныв шве, надрывы,трещины, образующиесяпри термообработке,рихтовочныетрещины, непровары,поры и раковины,шлаковые включения),дефекты, возникающиепри обработкедеталей (закалочныеи шлифовочныетрещины, надрывы);дефекты, возникающиепри эксплуатацииизделий (усталостныетрещины, коррозионныеповреждения,трещины, образующиесяв результатеоднократноприложенныхвысоких механическихнапряжений,механическиеповрежденияповерхности).

Для сосудов,теплообменныхаппаратов,трубопроводовхарактерныпроизводственно-технологическиеи эксплуатационныедефекты, аналогичносиловымметаллоконструкциям.Помимо этогодля даннойгруппы оборудованияхарактернынегерметичностисоединений,приводящиек утечкам рабочихсред, уменьшениепроходныхсечений в результатеотложений настенках продуктовкоррозии инакипи. Важнейшимпараметром,определяющимдолговечностьи надежностьэксплуатациинефтегазовыхтруб различныхдиаметров,является толщинаантикоррозийноготрехслойногополиэтиленовогопокрытия.

Для механизмови машинногооборудованияхарактерныизнос и поломкадеталей, повреждениеуплотнений,сопровождающиесяутечкой рабочихжидкостей,местным аномальнымнагревом частейоборудования,постороннимшумом, повышеннойвибрацией.

Для КИП и автоматики,оборудованиясистем управленияхарактернывыход из строяотдельныхблоков и приборов,нарушениеэлектрическогоконтакта, уменьшениесопротивленияи пробой изоляции.

Для кабельногооборудованияхарактерныуменьшениесопротивленияизоляции, старениеизоляции, обрывжил кабеля,возгораниеизоляции и др.

Для электронногооборудованияхарактернывыход из строяблоков и отдельныхэлементов.

Для оборудованияэлектроснабженияхарактернызалипанияконтактов,выход из строяконцевых выключателейи приводовмежсекционныхвыключателей.

Для конструкцийстроительныхсооруженийхарактернытакие дефекты,как трещины,раковины,несплошностибетона, дефектыармированиябетона, разрушениефундаментови основанийи т.д.

Для объектовс радиоактивнымивеществамипод дефектамиможно пониматьуровни активности,превышающиедопустимыенормы. Такимобразом, длякаждой из группоборудованияможно составитьперечень методовНК и переченьприборов итехнологийих применениядля реализацииэтих методов.

Выбор методаНК должен бытьоснован помимоаприорногознания о характередефекта натаких факторах,как:

• условия работыизделия;

• форма и размерыизделия;

• физическиесвойства материаладеталей изделия;

• условия контроляи наличие подходовк проверяемомуобъекту;

• техническиеусловия наизделия, содержащиеколичественныекритериинедопустимостидефектов изачастую нормирующиеприменениеметодов контроляна конкретномизделии;

-чувствительностьметодов.

Достоверностьрезультатовопределяетсячувствительностьюметодов НК,выявляемостьюи повторяемостьюрезультатови основана натщательнойкалибровке.

Чувствительностьметода контроляявляется важнойего характеристикой.В табл. 1приведеначувствительностьдля различныхметодов определениянесплошностейв материалеизделий. Аналитическийвид кривойвыявляемостидефектов приведенв [1]:

(1)

где Х₀ - граничныйнаименьшийразмер выявляемогодефекта, которыйзависит отчувствительностиметода контроля;X - константа.Вероятностьпропуска дефектас учетом ошибокоператораопределяетсякак:

(2)
где е и у -постоянные,f = 0.005 экспериментальнополученнаявеличина.

Таблица 1.

Чувствительностьметодов неразрушающегоконтроля приопределениинесплошностейв металле

Метод	Минимальныеразмеры выявляемыхнесплошностей,мкм
	Ширина раскрытия	Глубина	Протяжённость
Визуально-оптический Цветной Люминесцентный Магнитопорошковый Вихретоковый Ультразвуковой Радиографический	5...100 1...2 1...2 1 0,5...1 1...30 100	- 10...30 10...30 10...50 150...200 - 2...3% толщиныизделия	100 100...300 100...300 30 600...2000 - -

Применениекаждого изметодов в каждомконкретномслучае характеризуетсявероятностьювыявлениядефектов. Навероятностьвыявлениядефектов влияютчувствительностьметода, а такжеусловия проведенияпроцедурыконтроля. Определениевероятностивыявлениядефектов являетсядостаточносложной задачей,которая ещеболее усложняется,если для повышениядостоверностиопределениядефектов приходитсякомбинироватьметоды контроля.Комбинированиеметодов подразумеваетне толькоиспользованиенесколькихметодов, но ичередованиеих в определеннойпоследовательности(технологии).Вместе с тем,стоимостьпримененияметода контроляили их совокупностидолжна бытьпо возможностиниже. Такимобразом, выборстратегиипримененияметодов контроляосновываетсяна стремлении,с одной стороны,повысить вероятностьвыявлениядефектов и, сдругой стороны,снизить различныетехнико-экономическиезатраты напроведениеконтроля.

К примеру,вероятностьобнаружениядефектов всварных соединенияхприведена втабл.2 [5]. Частотавыявлениядефектов различноготипа приведенадетально вработе [1]. Какотмечаетсяв [1] на АЭС в Россиииспользуютнормы дефектовдля изготовления.Поэтому объемыремонта на АЭСв 10 раз и болеепревышаютнеобходимыйуровень дляобеспечениябезопаснойэксплуатации.Введение надействующихАЭС экономическиобоснованныхи оптимальныхнорм дефектовпозволит сократитьв 10 и более разтрудозатратыи рациональноперераспределитьсредства дляповышениябезопасностии продленияостаточногоресурса.

Таблица 2

Относительнаявыявляемостьдефектов сваркиразличнымиметодамидефектоскопиив % от общегочисла дефектов

Метод контроля	Поверхностные трещины	Неметаллические включения	Раковины	Непровары
				по скосам	в корне шва
Просвечивание рентгеновское Просвечивание гамма-лучами Ультразвуковой Магнитопорошковый Капиллярный(цветной)	2 0 10 98 100	100 85 45 0 0	100 90 85 0 0	65 28 95 0 0	65 30 45 0 0

Однако, несмотряна значительныеуспехи в развитииметодов НК иприменяемыемеры по контролюТС различныхсистем, отдельныедефекты остаютсяне выявленнымии становятсяпричинами ирезультатамиаварийныхситуаций ибольших катастроф.Так, методы исредства НК,применяемыена стадияхпроизводстваи предэксплуатационногоконтроля наАЭС, далеки отсовершенстваи в результатеих примененияне выявляетсязначительноечисло дефектовтехнологическойприроды [1].

1.2 Эффективностькомплексногопримененияметодов НК

Объективныйанализ примененияразличныхметодов привелк целесообразностиприменениякомплексныхсистем контроля,которые используютразные по физическойприроде методыисследования,что, в свою очередь,позволит исключитьнедостаткиодного метода,взаимодополнитьметоды и реализоватьтем самым принцип"избыточности"для повышениянадежностиконтроля системи агрегатов.

Различныеметоды НКхарактеризуетсяразными значениямитехнико-экономическихпараметров:чувствительностью,условиямиприменения,типами контролируемыхобъектов и т.д.Поэтому приформированиикомплексаметодов НКразной физическойприроды возникаетпроблема оптимизациисостава комплексас учетом критериевих эффективностии затрат ресурсов.

Комплексноеиспользованиенаиболеечувствительныхметодов неозначает, чтопоказателидостоверностибудут соответственнонаибольшими,а в свою очередь,учет первоочередноститехническихпоказателейможет привестик противоречиямс экономическимикритериями,такими кактрудозатраты,стоимость,время контроляи т.д., что, в своюочередь, можетпривести ктому, что выбранныйкомплекс методовНК может оказатьсяс экономическойточки зрениянеэффективным.

Для реализацииразличныхметодов НКразработаныразличныеприборы: дефектоскопы,толщиномеры,тепловизорыдля разныхдефектов (трещин,негерметичностей),электронноеоборудование(для нахожденияослабленияэлектрическихконтактов),механическоеоборудование,которое имеетразличныетехнико-экономическиехарактеристикии технологиииспользованиядля различныхтипов дефектови др.

Из анализаимеющихсяхарактеристиквытекаетнеобходимостьрешения задачивыбора состава(комплекса)методов НК какзадачи в оптимизационнойпостановке.

Комплексноеприменениеметодов НК длядиагностикии обнаружениядефектов вагрегатах исистемах направленона обеспечениеувеличенияэффективностии достоверностиконтроля, продленияработоспособностии ресурса.

Задача формированиякомплексаразличныхметодов НК дляобнаружениясовокупностивозможных(наиболее опасныхдефектов) всистеме можетбыть сформулированакак оптимизационнаямногоуровневаяоднокритериальная(многокритериальная)задача дискретногопрограммирования[7].

Решение задачи- оптимальноесочетаниеразличныхметодов НК,применениекоторых наиболееэффективнопри эксплуатациии анализе ресурсадорогостоящихсистем.

Актуальнымипри проведенииНК являютсятакже задачиоптимальногораспределенияобъемов контроляна всех этапахжизненногоцикла объекта,оптимизациимест и параметровконтроля,планированиятехническогообслуживаниясистемы с учетомэкономическихпоказателей.

1.3 Индустриализацияпримененияметодов НК.

Совершенствованиеопыта в областисистемногоанализа, развитиенаучно-методическойбазы и накоплениестатистическойинформациипозволилиподойти кформулировкеи обоснованиюконцепции"абсолютнойнадежности"ответственныхсистем, котораябазируетсяна результатахиспользованиявероятностныхметодов анализабезопасностии прочности,анализа критичностии оптимальногорезервирования,совершенствованияи широкогопримененияметодов НК,автоматизированныхсистем НК,количественногоучета влиянияНК на прочностьи долговечностьсистем, компьютерноманализе и оценкерезультатоврасчетов иизмерений.

Большие объемыпроведенияработ по выявлениюдефектов всистемах икатастрофическиепоследствия,которые могутбыть причинойнекачественногоего проведения,ставят задачупо индустриализациипримененияметодов НК сиспользованиемматематическихмоделей, методови современныхинформационныхтехнологийдля организациимониторингапри эксплуатациисистем.

Индустриализацияпримененияметодов НК иорганизацииработ на ответственныхобъектах исистемах требуютбольших материальныхи временныхзатрат, сравнимыхсо всеми остальнымирасходами наэксплуатациюобъекта.

При проведениимониторинга,исследованиясистем (элементов)и примененияметодов НК сцелью продленияресурса важнымиявляются данные,получаемыев результатерешения задач:

- прогнозированиявероятностибезотказнойработы (ВБР)элементов исистем. Прогнозированиеможет осуществляетсяраздельно попостепенными внезапнымотказам, сиспользованиеммоделей полиномиальнойрегрессии,моделей анализацензурированныхвыборок;

- составление(или использованиеготовой) обобщеннойструктурнойсхемы надежностисистемы и ееузлов и элементов.Обобщеннаяструктурнаясхема надежностиможет содержатьпомимо основныхи резервныхэлементов,элементы изсостава ЗИПа.Структурнаясхема надежностипредставляетсобой такуюсовокупностьфункциональноподобных основныхи резервныхэлементов,отказ которыхвызывает неустранимыйотказ всейсистемы;

- формированиекритериевпредельногосостояния длясистемы. Предельнымсостояниемэлемента являетсяего неустранимыйотказ. Отказэлемента неустраним,если, например,исчерпан резерви ЗИП. Неустранимыйотказ элемента,который вызываетотказ системы,означает переходсистемы в еепредельноесостояние;

- прогнозированиеостаточногоресурса узлови системы вцелом. Показателиостаточногоресурса определяютсяпо эмпирическойзависимостиВБР узла (поотношению кнеустранимымотказам) отнаработки.Остаточныйресурс системыможет прогнозироватьсядвумя способами:по результирующейзависимостиВБР системыот наработки,рассчитываемойна основе аналогичныхфункций узлов,либо по остаточномуресурсу наиболее"слабого" всмысле долговечностиузла. В качествеколичественныхоценок показателейостаточногоресурса используютсясредний игамма-процентныйостаточныересурсы.

Для эффективногорешения задачпрогнозированияТС и остаточногоресурса систем,повышения ихдолговечностиактуальнымиявляются:

- совершенствованиеприборногоконтроля, повышениеточности, применениепередовыхметодов контролятехническогосостояния иметодов НК;

- автоматизациясбора обработкии храненияэксплуатационнойинформациина базе универсальныхизмерительныхаппаратно-программныхкомплексов,разработкаи ведение базыданных мониторингаТС систем, разработкаформ эксплуатационныхдокументовдля сбора данных,необходимыхдля прогнозированияостаточногоресурса систем,формированиеперечня критичныхс точки зрениянадежностиэлементовисследуемыхсистем дляконтроля;

- детальнаяпроработкаперечня контролируемыхпараметров,мест, методови технологийизмерений,приборов дляконтроля и ихкласс точности,периодичностьконтроля.

В качествебазового средстваизмерения примониторингеТС необходимоиспользоватьаппаратно-программныекомплексы посбору и обработкеизмерительнойинформациина базе персональныхкомпьютеров,которые даютвысокую точностьи оперативностьизмерений,предоставляютширокие возможностипри обработкеи хранениюрезультатов,многофункциональность,высокую мобильность,относительнонизкую стоимость(по сравнениюс общей стоимостьюзаменяемыхприборов).

РезультатыпримененияНК могут бытьполезными приобоснованииоптимальныхобъемовремонтно-восстановительныхработ, обеспечивающихзаданное (илимаксимальновозможное привыделенномколичествесредств наремонт) продлениетехническогоресурса анализируемыхсистем.

2. Методологическиеаспекты обеспечениябезопасностисложных техническихобъектов вусловиях ограниченныхресурсов

Сложные техническиесистемы в своемразвитии - отпервоначальнойидеи заказчикаи генеральногоконструктора,до ее монтажа,или вывода изэксплуатации(списания), проходятряд этапов:несколькостадий и цикловпроектирования,изготовлениеопытных агрегатови образцовсистем, эксплуатацияв различныхрежимах и внешнихусловиях. Неизбежноенакоплениеинженерныхили проектныхошибок, технологическихотклонений,брака и физическихдефектов вэлементахконструкцийи систем могутсокращатьзапланированныйпериод нормальногофункционированияи эксплуатации,а также снижатьбезотказностьфункционирования.Сравнительныеоценки затратна устранениядефектов, которыеобнаруживаютсяна различныхстадиях проектирования,изготовленияи эксплуатациисистемы возрастаютпримерно вдесять раз присохранениине выявленногодефекта в системе,при переходеиз одной стадиижизненногоцикла в другую.В работе [1] отмечаютсяошибки в отчетепо безопасностиядерных реакторовWASH-1400, которые возниклина этапе проектированияодной из систем.Ошибка былаобнаруженав дереве отказов,хотя документыс даннымиграфическимиматериаламимногократнопроверялисьи перепроверялись.Многолетняяпрактика эксплуатациисложных системпоказывает,что важнойзадачей приподдержанииобъектов всостоянииработоспособностиявляется организацияи проведениетехническогообслуживанияи различныхвидов ремонтов(восстановления)элементовсистем. Организация"замедления"процессовстарениядорогостоящихсистем и обеспечениеих безопасноститребует пересмотрасуществующихметодик и подходов,а также разработкикачественнонового подхода- применения

моделей и методовсистемногоанализа, процедурпринятия решенийдля эффективногопланированиятехническогообслуживания(ТО), выявлениянеисправностейи дефектов,планомернойорганизациизамен.

Всегда присутствующийнедостатокматериальныхи финансовыхресурсов привелк необходимостипроведенияисследованийпроблемы поддержкитехническогоресурса ибезопасностисистем с цельювыявлениявозможныхрезервов кактехнического,так и организационногоплана, анализаи совершенствованияне всегдарациональныхподходов ипланированияпродленияресурсов агрегатови систем.

Основная идеяпо использованиюсуществующихрезервов ресурсныхи финансовыхвозможностейсостоит в том,чтобы к оцениваниютехническогосостояниясистем, планированиюих техническогосостояния,планированиювосстановленияи ремонта элементови систем, подойтиизбирательно(индивидуально),оценивая состояниеотдельногоэлемента, узла,системы.

Анализ сведений(данных об отказахоборудования)по эксплуатациисложных системпоказывает,что с течениемвремени (старением)доля отказовэлементов иагрегатоввозрастает,приводя кзначительномуросту затратна организациюи проведениеконтроля систем.Избирательныйподход такжеважен для уменьшениязатрат ресурсовпри организацииконтроля.

Проблема продленияресурса стареющихсистем с учетомкритерия безопасностиявляется комплекснойи состоит впроведенииряда этапов.На рис.1 представленасхема взаимосвязейразличныхфункциональныхзадач, которыевносят наибольшийвклад в обеспечениебезопасностисложных объектов.

2.1 Основы обеспечениябезопасностисложных объектови управленияограниченнымиресурсами

2.1.1. Критичностьсистем

При анализебезопасностисложных объектовзначительноевнимание уделяетсявопросам определениякритичностиузлов и агрегатовсистем. Проблемавыявлениякритичныхэлементовособенно актуальнапри анализебезопасностисистем в условияхограниченныхресурсов. Посколькусистемы содержатбольшое количествоэлементов, тов условияхжестко ограниченныхресурсов обеспечитьповышениенадежностипутем улучшениякачества одновременновсех элементовне представляетсявозможным.

Однако разныеподсистемы,агрегаты илисистемы играютпри функционированииобъекта далеконе одинаковуюроль и отказыразных компонентовмогут приводитьк разным последствиям.Поэтому необходимососредоточитьусилия насовершенствованииузлов, критичныхэлементов,играющих вобеспечениибезотказностинаиболее важную(ключевую) роль.

Вывод о возможностиремонта илизамены толькочасти элементовсистемы безнеобходимостипроведенияремонтов другихэлементовбазируетсяна методикеанализа иранжированиянаиболее критичныхэлементов всоставе системы.

Проблема ранжированияэлементовсистемы можетрешаться различнымиспособами исостоит вцеленаправленномвыявлениикритичныхэлементов,подлежащихисследованиюи выявлениюдефектов наданном периодевосстановления.

Критичностьсистемы (элемента)есть свойствоэлемента, отражающеевозможностьвозникновенияотказа и определяющеестепень влиянияна работоспособностьсистемы в целомдля данногоранга последствий.

Критичностьне может бытьопределенатолько однимисвойствамиэлемента, адолжна определятьсяв рамках всеготехническогообъекта, егофункциональнойструктуры.Наиболеераспространеннымипоказателями,характеризующимикритичность,являются структурнаяважность иважность всмысле надежности[1,2].

Часто в инженернойпрактике прианализе системразличногофункциональногоназначения(космическихсистем, энергетическихустановок,трубопроводов,электрическихкабелей и т.д.)критичностьрассматриваетсякак более широкоепонятие - векторноесвойство. Выделяютсятри общих основныхсоставляющихкритичности[2]:

1. надежность(безопасность);

2. последствияотказа;

3. возможностьуменьшениявероятностивозникновенияи тяжестипоследствий.

Пусть K=(K₁...,K_j,...K_j*)(3) -
векторныйпоказателькритичности,где K_j - j-й частныйпоказатель,который отражаетнекоторую однучастную сторону,одну из характеристикобъекта. Различныесистемы могутхарактеризоватьсяразличныминаборами частныхпоказателейкритичности.Эти частныепоказателихарактеризуютсякак количественнымипоказателями,так и могутприниматьзначения каклингвистическиепеременные.

Набор показателейK_j, принадлежащихК, может бытьследующим:

• резервирование;

• возможностьотказа;

• тяжесть последствийотказа;

• устойчивостьэлемента квоздействиювнешних неблагоприятныхфакторов среды;

• контролируемостьсостоянияэлементов входе эксплуатации;

• продолжительностьприсутствияриска вследствиеотказа;

• возможностьлокализацииотказа и др.

Частные значенияпоказателейкритичностиопределяютсяразличнымивидами шкал[2]. Пример частныхпоказателейкритичностии их шкалы приведенв табл.1

Таблица 3. Частныепоказателикритичностии лингвистическиешкалы оценивания

Показатели	Порядковыешкалы
Тяжестьпоследствий	1. Отказ приводитк катастрофическойситуации 2. Врезультатеотказа возникаетнеобходимостьв принятииэкстренныхмер для предотвращениякатастрофическойситуации 3.Отказ приводитк потере некоторыхэксплуатационныхсвойств. Врезультатечего времяэксплуатацииможет сократиться 4.Отказ приводитк потере некоторыхэксплуатационныхсвойств, невлияющих напродолжительностьэксплуатации 5.Отказ изменяетрежимы работызависимыхэлементов,что увеличиваетвероятностиих отказов
Резервирование	Резервированиеневозможно Резервированиевозможно, ноотсутствует 3. Однократноерезервированиебез контролясостояниярезерва Однократноерезервированиеи состояниерезерва контролируется Двукратноеи более резервированиебез контролясостояниярезерва 6. Двукратноеи более резервирование,состояниерезерва контролируется
Вероятностьотказа	1. Элемент обладаетотносительновысокой вероятностьюотказа в течениеэксплуатации 2.Отказ считаетсявозможным ивероятным(конструкцияпрошла достаточныйобъем испытаний,обеспечивающийприемлемыйуровень вероятностибезотказнойработы) 3. Отказсчитаетсявозможным,но маловероятным(отказов данногоэлемента напредшествующиханалогах ненаблюдалось) 4.Отказ возможен,но крайнемаловероятен(при проектированииприняты мерыдля исключенияотказа, обеспеченвысокий показательбезотказности,достигнутастабильностьхарактеристик,отсутствуютпредельныетемпературные,радиационные,вибрационныенагрузки ит.д. 5. Отказсчитаетсяневозможным(отсутствуютлогическиеусловия длявозникновенияотказа)
Устойчивостьк воздействиювнешних неблагоприятныхфакторов	1. Из опыта эксплуатацииизвестно, чтов условияхвоздействиявнешних факторовресурс меньше,чем проектный 2.Опыт эксплуатациив условияхвоздействиявнешних факторовотсутствует,но анализпредсказывает,что ресурсменьше проектного 3.Фактическийресурс в реальныхусловияхэксплуатацииблизок к проектному. 4.Известно, чтореальный ресурсбольше проектного 5.Отсутствуютнеблагоприятныефакторы внешнеговоздействияв период эксплуатации
Контрольсостоянияэлемента	1. Состояниеэлемента неконтролируется 2.Предусмотренконтроль безпрогнозирования 3.Предусмотренпрогнозирующийконтроль
Контрольсостоянияэлемента	Риск существуетот началафункционированиядо: 1) окончанияэксплуатации 2)завершениявторого этапафункционирования 3)завершенияпервого этапафункционирования
Возможностьлокализации	1. Локализациянужна, но техническиневозможнав данной конструкции 2.Предусмотренымеры к локализацииотказа 3. Специальныемеры к локализацииотказа не нужны

Операция ранжированияэлементов постепени критичностиможет осуществлятьсяна различныхуровнях структурированияобъектов систем,агрегатов иузлов, частейконструкцийи отдельныхэлементов наоснове анализаморфологическихблоков и структурныхвзаимосвязей[З]. Чем большевес элемента,тем он важнеедля обеспечениябезопасностиобъекта.

Пусть в результатеоцениваниякритичностиэлементоввыделено множествокритичныхэлементов

E={e_j,j ЄJ},J={1,...,n}, (4)

на надежностькоторых следуетобратить особоевнимание прирешении задачиобеспечениябезопасностиобъекта.

Формальнозадача ранжированияэлементов постепени критичностис учетом одногоили совокупностикритериевотносится кклассу задачопределенияпредпочтениймногомерныхальтернатив[4, 5, 6]. Ее решениев каждом конкретномслучае зависитот типов систем,выбранныхчастных показателейкритичности,экспертнойинформациии т.д.

2.1.2 Анализ данныхпо критичнымэлементам

Для организациинормативно-техническогообеспеченияи сопровожденияданными критичныхэлементов наразличныхэтапах восстановлениянеобходимосоздание иведение базданных о дефектахи их положениях,размерах, результатахиспытаний идиагностики,проблемахвосстановления,структурныхсхемах системи деревьяхотказов и т.д.Эти данныеявляются важнымикак для оценкивероятностипроявлениядефектов, таки для болеетщательногоих изучения.Ведение "информационногопаспорта"исследуемыхкритичныхэлементов сданными отехнико-экономическихпоказателяхи операциях,которые выполнялисьс элементамина предыдущихпериодахвосстановления,позволяютреализоватьнаиболее рациональныепути и способыустранениядефектов.

На основе анализаинформационногопаспорта элементадля различныхпериодоввосстановленияможно говорить:о контроле надразвитиемдефекта, сравниватьобнаруженныедефекты сопределеннымиэталонами дляих ранжирования,проводитьклассификационныйанализ, принимаяк вниманиюаспекты связанныес безотказностьюи ресурсамидля системы.Информационныйпаспорт элементовэто также основадля выбора ипостроенияпринциповконтроля сучетом техническиххарактеристики экономическихпоказателей.

Отсутствиеэксплуатационныхданных и материаловдиагностикии контроля непозволяетрациональноорганизовыватьэксплуатациюсистем такимобразом, чтобырасходоватьтехническийресурс какможно дольше,не снижая приэтом уровеньнадежностив целом.

2.1.3 Механизмывыявленияразличныхдефектов

Проблемарациональногоиспользованиятехническогоресурса дляотдельныхэлементов иагрегатовсистемы ставитзадачи исследованиямоделей и механизмовдеградацииэлементовсистем. Построениемоделей длямоделированияразвития дефектовразличноготипа для различныхтипов элементов(кабели, трубы,двигатели ит.д.) с учетомразличныхвнешних условий(окружающейсреды) и возмущенийявляется актуальнойзадачей.

Отметим такжезадачу выбораметода (инструментов)или комплексаметодов неразрушающегоконтроля (НК)для проведениядиагностикитехническогосостояния какотдельныхэлементов, таки их совокупностис учетомтехнико-экономическихпоказателей.Инженернаяпрактика выдвигаетряд требований,которым должныудовлетворятьметоды, преждевсего, например,возможностьвизуализациидефектов, высокаявыявляемоестьдефектов,чувствительностьприборов,компактностьи практичностьоборудования.Для различныхработ применяютсякак отдельныеметоды НК, таки их комбинации(комплекты).Однако их совместноесочетание(например, визуальныйи вихретоковый)позволяютполучить болеедостовернуюинформациюо качествеметаллоизделий,например, вкосмосе [3].

В работах [8, 9, 10,11] рассмотреныроль и местометодов НК дляобеспечениянадежностии долговечностисистем с высокойценой отказа,а также рассматриваютсямодели и способыкомплексированияразличных посвоей природеи затратамресурсов методовНК.

2.1.4 Планированиевосстановлениякритичныхэлементов

Прирешении задачвосстановленияактуальнымиявляются моделии методы планированиявосстановленияэлементовсистем, которыеучитываютвозможностисовмещенияотдельныхопераций ТО,ремонта итехнологическихпроцессов,методы совершенствованиярасписанийобслуживанияс учетом различныхкритериев ит.д. Для подготовкиТО критичныхэлементовнеобходимотакже планироватьобеспечениеих различногорода ресурсамии разработатьмодели расходованияресурсов наоснове теорииуправлениязапасами. Важнымиявляются задачипланированияобъемов и сроковпроведенияТО, разработкиоптимальныхстратегийремонтов поразличнымпоказателямготовности,стоимости ит.д. Основаниемдля назначениятого или иноговида ремонтаявляется выработкатехнологическимоборудованиемтехническогоресурса, прикотором создаетсяугроза безопасностиобъекта.

Приразработкетаких моделейнеобходимоформироватьпоказателикритериев иучесть ограниченияна потреблениеразличногорода ресурсов(численностьспециалистов,участвующихв проведенииэксплуатационныхпроцессов),оборудования,финансовыхзатрат, временныхограниченийна восстановление.

Рассмотримодну из задачпринятия решенийпо выбору способоввосстановленияэлементовсистем.

Предположим,что для фиксированногопериода времениТ в результатепроведенияисследованиятехническогосостояниявыделенныхкритичныхэлементов иобработкирезультатовэкспериментовпо диагностикеэлементов(отдельныхагрегатов илисистем) с применениемкомплексаметодов НКопределенывозможныеспособы восстановленияэлементов изаданы ограниченияпо технико-экономическимпоказателямна проведениеработ.

Обозначимчерез Е={e_j,j Є J), J={1,...,n}, (5)

- множествоэлементов(агрегатов), укоторых наданный периодвосстановленияТ необходимопроводитькомплекс мероприятий,(ТО различногоуровня), восстановление(профилактику,замену и т.д.).Объемы ремонтно-профи-лактмческихработ для каждогоагрегата илисистемы зависятот экспертнойинформациио величине егоостаточногоресурса, интенсивностиотказов, результатовконтроля систем,выделенныхресурсов и т.д.

Реализациявосстановленияработоспособностиэлемента е_jможет осуществлятьсяразличнымитехнологическимиспособами

x_jkЄ X_j ={х_j1,х_j2,...,x_jk*} (6)

Тогдах = (х_1k1,...х_1kj,...,х_nkn) (7) - переченьспособоввосстановлениявсех критичныхэлементовсистемы.

Припроведенииработ могутзадействоваться:различное числобригад, ремонтныхорганов, оборудованиеразличноготипа и т.д., дляразличныхэлементовнеобходимыфинансовыеи ресурсныезатраты. Отэтих затратзависит качествои сроки проведенияработ (заменаузла новым илизамена (восстановление)его части ит.д.), что и определяетпоказательвероятностине достиженияпредельногосостояния послеих восстановления.

- ЗАМЕНА
- ЧАСТИЧНОЕВОССТАНОВЛЕНИЕ
-РЕЗЕРВ

Рис.2.Возможныевариантывосстановлениякритичныхэлементовсистем

Определим длякаждого способавосстановленияx_jk показателипланируемыхвероятностейне переходав предельноесостояние р_j(x_jk) и затратресурсов g_j(x_jk) (например,среднее времявосстановленияэлементов исистем, стоимостьремонтно-профилактическихработ, трудозатратыи т.д.).

Данныепо ресурсамзаносятся втаблицу в которойдля каждогоэлемента фиксируютсявозможныеспособы еговосстановления.

Пусть заданыограниченияb_i, i Є I = [1,..., т}по каждомуресурсу дляплановогопериода времениТ. Тогда задачавыбора способоввосстановленияэлементовсистемы можетбыть сформулированаследующимобразом:

максимизироватьнадежность

   Р(х) = П p_j(x_jk) --> mах, (8)

при ограниченияхна ресурсывосстановления

   g_i(x) = SUMg_ij(x_jk)_i,i Є I

x =(x_1k1,...x_jkj,...x_nkn}Є X = ПX_j (9)

Результатомрешения даннойзадачи являютсяфиксированныеспособы восстановленияагрегатов илитехнологическихсистем в плановыйпериод восстановленияТ, после выполнениякоторых надежностьсистемы являетсямаксимальнойпри выделенныхресурсах. Важноотметить, чтопри нахождениии интерпретациирешений необходимоисследоватьих корректностьи адекватность.Для решениязадачи могутбыть использованыалгоритмы,базирующиесяна методепоследовательногоанализа и отсеиваниявариантов[2,3].

2.2 ОбеспечениебезопаснойэксплуатацииАЭС в условияхограниченныхресурсов

Рассмотримконкретноевоплощениеуказанных впредыдущемразделе методологическихаспектов иконцептуальныхпринципов напримере проблемыфункциональныхсистем, важныхдля безопасностиАЭС.

2.2.1 Аварии и инциденты,связанные сповреждениемметалла основногооборудованияна АЭС

НаАЭС различныхстран произошелцелый ряд аварийи инцидентов,связанных сразличнымимеханизмамидеградацииметалла основногооборудования[12]:

1) 22 января 1982 г. врезультатекоррозионно-усталостногоразрушенияшпилек горячихколлекторов1,3,4, 5-го парогенераторовблока № 1 РовенскойАЭС произошлаавария, в результатекоторой 1100 м³теплоносителяпопало из первогоконтура в котловуюводу парогенераторовс последующимвыбросомрадиоактивностиза пределыблока.

2) 20 сентября 1990г. на блоке № 1ЮУАЭС, 15 октября1988 г. на блоке №1 ЗАЭС, 13 июня 1989г. на блоке № 2ЗАЭС были обнаруженыповрежденияхолодных коллекторовпарогенераторов,причиной которыхявилось зарождение,подрастаниеи объединениемножествакоррозионно-механическихтрещин размеромдо 800 мм.

3) 7 марта 1989 г. наблоке № 1 АЭС"Me QUIRE" (США) произошлаавария с открытиемтечи теплоносителяво второй контур.Причина - межкристаллитнаякоррозия трубчаткипарогенераторасо стороны 2-гоконтура.

4) 9 марта1985г. на АЭС "TROJAN"(США) произошлаавария, связаннаяс разрушениемнапорноготрубопроводадиаметром 355мм дренажногонасоса с выбросомпароводянойсмеси с температурой178°С на высотуоколо 14 м. Причинааварии - эрозионно-коррозионныйизнос, в результатекоторого толщинастенки трубыуменьшиласьс 9,5 до 2,5 мм.

5) 9 декабря 1986 г.На блоке № 2 АЭС"SURRY" (США) произошелгильотинныйотрыв участкатрубопроводапитательнойводы со сторонывсоса основногопитательногонасоса "А".Восемь работниковАЭС, производившихзамену теплоизоляции,попали подпоток вскипающейводы при температуре188°С. Из 8 рабочихчетверо скончалисьот полученныхожогов. Причинааварии - эрозионно-коррозионныйизнос с уменьшениемтолщины стенкитрубы с 12,7 до 6,3,а местами до1,6 мм.

Аналогичнаяавария произошлана АЭС "LOVIISA" (Финляндия)в 1990 г., связаннаяс разрушениемосновноготрубопроводапитательнойводы.

6) В1989 г. на ряде АЭСФранции быливовремя обнаруженытрещины в импульсныхтрубках компенсаторовдавления. Причина- межкристаллитноекоррозионноерастрескиваниепод напряжением.

7) 24декабря 1990 г. наблоке № 5 НововоронежскойАЭС произошелинцидент,сопровождавшийсяобразованиемтечи в местеприварки переходаДу 125 х100 к переходуДу 100 х 80 по композитномусварному шву.Наиболее вероятнойпричиной инцидентабыло коррозионно-механическоеразвитие сварочныхдефектов подвоздействиемэксплуатационныхфакторов.

2.2.2 Причины аварийс разрушениемтрубопроводови меры по ихпредотвращению

Эрозионно-коррозионныйизнос трубопроводовоказался однимиз важнейшихфакторов старенияоборудованияна всех АЭСмира. В 1986 г. проявлениеэтого процессабыло зафиксированона 34 блоках АЭССША и сталотребоватьцелевых действийпо его выявлениюи предупреждению.

Анализ ситуациина АЭС "SURRY" показал,что основнойпричиной разрушениятрубопроводовявилось эрозионноеповреждениезащитногооксидного слояиз продуктовкоррозии, котороев дальнейшемспровоцировалопрямое коррозионноевоздействиеводы на внутреннююповерхностьтрубопроводов.

Аварии способствовалатакже неоптимальнаяконструкцияТ-образногосоединениятрубопроводов,приводящаяк прямому давлениюпотока воды,движущейсясо скоростьюоколо 5 м/с, навнутреннююповерхностьколена и к появлениюеще более высоких(в 2-3 раза) локальныхскоростейтурбулентногопотока. С этойточки зренияболее выгоднымбыло бы боковоесоединениетрубопроводовпод углом 45°.

Прямыми измерениямибыло установлено,что наибольшийизнос наблюдаетсяв местах локальныхнаибольшихскоростейпотока, в частности,в коленах иТ-образныхпереходахтрубопроводов.Что касаетсякавитации, тоее влияние наразвитие авариималовероятно,хотя и не исключаетсяполностью принекоторыхрежимах эксплуатации.

Оказалосьтакже, чтоэрозионно-коррозионныйизнос являетсяслабым местомуглеродистых(мягких) сталей,использовавшихсяв качествеконструкционныхматериаловдля трубопроводов,износ которыхстановитсянаиболее существеннымкак раз вобластирабочих температуртрубопроводов2-го контура-100 - 250°С.

Изучениеальтернативныхматериаловпоказало, чтостойкостьдеталей к износузначительно(в несколькораз) повышаетсяпри наличии1 - 2% Сг и Мо в качествелегирующихэлементовстали, тогдакак разрушеннаятруба на АЭС"SURRY" отличаласьнеобычно малымсодержаниемэтих элементов(

Несомненнотакже влияниекислорода вводе и водно-химическогорежима на изнострубопроводов,который длямягких сталейвелик при рНниже 5 или между7 - 9. И хотя на АЭС"SURRY" рН поддерживалсямежду 8,8 и 9,2, локальныеколебания рНбыли, несомненно,много больше.Поэтому дляограничениявредного влияниясреды необходимогарантированноеподдержаниерН в пределах9,0-9,5.

Наиболее разумныйкомпромиссобеспечиваетсяиспользованиемпокрытия толщиной0,5 мм из нержавеющейстали длятрубопроводовдостаточнобольшого диаметра(более 100 мм) изуглеродистойстали или применениемтрубопроводовмалого диаметраиз нержавеющейстали. Такаяидеологияуспешно реализованана ряде АЭС, вчастности, вШвеции, в результатечего оказалосьдостаточнымпроводитьинспекциютрубопроводовчерез 4 года.Кроме того, приэтом значительноуменьшаетсяперенос продуктовкоррозии.

Следует, однако,отметить, чточерез 2 годапосле авариина АЭС "SURRY" выяснилось,что замененныетрубопроводыпродолжаютизнашиватьсябыстрее, чеможидалось. Врезультатена обоих блокахпотребовалосьдополнительнозаменить более100 участковтрубопроводов,и появилисьсомнения вправильномпониманиимеханизма этогоявления.

2.2.3 Методологияэксплуатационногоконтроля наоснове концепциириска. Основныеположения

В последнеевремя для повышениянадежностиотдельныхкомпонентови систем, а такжебезопасностисложных технологическихобъектов, вцелом, был предложен[22] и получилразвитие [23] подход,позволяющийприменятьконцепцию рискапри построениипрограммэксплуатационногоконтроля. Особенноактуальны такиеразработкидля ядернойотрасли, гдечасто стоитзадача эффективногоиспользованияограниченныхматериальныхи финансовыхресурсов припроведениидистанционногоили ручногонеразрушающегоконтроля,продолжительностькоторого ограниченаво времени.Развитие идеологиипримененияконцепции рискадля проведенияэксплуатационногоконтроля (RiskInformed In-Service Inspection -RI-ISI) в планевыбора методовНК и разработкипроцедур самогоконтроля меняетсяв сторонуинтегрированияНК в целостнуюпрограммууправлениясложным объектом[24], в рамках которойфундаментальными обязательнымявляется пониманиемеханизмовдеградациии повреждений,которые являютсяхарактернымидля вполнеопределенногоместа той илииной системы.При этом, конечноже, процедураНК подразумеваетиспользованиеконкретныхметодов, вероятностьобнаружениякоторыми дефектов,обусловленныходним из возможныхмеханизмовдеградации,или их совокупностью,максимальна.

Чрезвычайноинтересен вэтом плане опытСША по разработкеи применениюметодологииRI-ISI для контролятрубопроводовна АЭС [25]. Речьидет о разработкепрограммэксплуатационногоконтролятрубопроводовна основе результатоввероятностногоанализа безопасностипервого уровня(ВАБ-1) [26, 27].

Основные этапыпримененияRI-ISI методологииприведены нарис. 3.

Рис.3. МетодологияпримененияRI-ISI

Рассмотримосновные этапыее выполненияпоподробнее.

На первом этапе,необходимоопределитьсяс объемом программыRI-ISI по отношениюк системам,т.е. необходимовыбрать системыи собрать данныедля каждойсистемы порезультатамработы блоков.Другими словами,требуетсяуказать предварительныйсписок системАЭС, охватываемыхв рамках программыRl - ISI, которые включалибы:

- системы трубопроводов(в т.ч. по классам),которые составляютграницы контуровдавления;

- системы трубопроводов,рассматриваемыев ВАБ 1 -го уровня.

Результатотбора - категориисистем по степенидетализации,важной сточкизрения концепциириска.

Основные источникиданных по системамблоков

Таблица 4

ДАННЫЕ ПОСИСТЕМАМ БЛОКА
ВАБ* - анализ исходныхсобытий (уровень1) - частоты исходныхсобытий - анализаварийныхпоследовательностей -модели деревьевсобытий/деревьевотказов - базыданных покомпонентамдля ВАБ - требованияпо контролюкомпонентов -анализ возможныхзатопленийи пожаров -характеристикиоборудования,важного длябезопасностии используемогодля остановаблока	ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ - документацияпо выполнениюпрограмм контроляметаллов наАЭС - хронологиясобытий натрубопроводахАЭС - документацияпо обслуживаниюоборудованияАЭС - международныебазы данныхпо отказамна трубопроводах -данные по другимотраслямпромышленности	КОНСТРУКЦИЯСИСТЕМ - описание проектаи функционированиясистем - проектныеи эксплуатационныепараметры -системныеспецификации -чертежи оборудованияи трубопроводов -расположениеи описаниесварных соединений -результатыобхода / осмотрасистем / блока -изометрическиечертежи -существующаяпрограммаконтроля