Надежность технических систем и техногенный риск

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

Тема: «Невосстанавливаемые и восстанавливаемые объекты.

Характеристика отказов, оценка показателей надежности»

 

Новосибирск

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….3

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

3. ОПИСАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ……………….…….7

4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Общие теоретические сведения………………………………….10

4.2 Задание на практическую работу………………………………...17

5. МАТЕРИАЛЬНО –ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ……………

6. КОНТРОЛЬНЫ ВОПРОСЫ…………………………………………20

7. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………21

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Одним из важных условий надежного функционирования технических систем и исследования техногенного риска является получение студентами знаний о надежности как комплексном свойстве технического объекта. Показатели надежности – это способности технических систем выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики в установленных пределах при определенных условиях эксплуатации. Факторы риска, анализ, прогнозирование и оценка ущерба от техногенного риска, основы управления рисками – основное содержание дисциплины.

В ходе выполнения практической работы особое внимание необходимо уделять характеристикам отказов. Необходимо использовать показатели надежности системы и требования на надежность, уметь оценивать надежность технических.

Особенностью выполнения практической работы является определение способов и методов надежного функционирования технических объектов (приборов, устройств, машин, систем), а также анализ и нормирование техногенного риска.

 

 

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

2.1. Общая установка.

 

В ходе выполнения практической работы особое внимание необходимо уделять вопросам обеспечения надежности технических систем, безотказной работе ТС, анализу возможных отказов и их характеристикам.

 

2.2. Отличительные особенности подготовки к проведению.

Выполняя практическую работу, следует обратить внимание на определение характеристик невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов и технических систем, определение характеристик отказов и оценке показателей надежности

2.3 Рекомендации по подготовке технических средств и оборудования к работе.

Для выполнения практической работы рекомендуется использование компьютерного обеспечения: электронных пакетов документов по законодательной и нормативной базе; справочные таблицы, методические рекомендации по идентификации опасных производств, электронные слайды по программе исследования надежности технических систем и техногенного риска.

2.4 Указания по по технике безопасности.

В ходе выполнения практической работы следует соблюдать правила работы с персональным ЭВМ, электро и пожарной безопасности и эргономические основы безопасности жизнедеятельности.

 

3 ОПИСАНИЕ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Время: 2 часа

ТЕМА 2: «Невосстанавливаемые и восстанавливаемые объекты. Характеристика отказов, оценка показателей надежности».

Учебные вопросы:

1. Исследование невосстанавливаемых объектов и технических систем.

2. Исследование восстанавливаемых объектов и технических систем.

3. Определение характеристик отказов, оценка показателей надежности

Цель работы:

Исследование невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов и технических систем. Определение характеристик отказов, оценка показателей надежности

 

Задачи работы:

1. Определение характеристик невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов и технических систем.

2. Определение характеристик отказов.

3. Оценка показателей надежности.

4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Общие теоретические сведения.

Показатели надежности восстанавливаемых систем.

Все состояния системы S можно разделить на подмножества:

SK S – подмножество состояний j = , в которых система работоспособна;

S_M S – подмножество состояний z = , в которых система неработоспособна.

S = S_K S_M,

S_K S_M = 0.

1. Функция готовности Г(t) системыопределяет вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии в момент t

где Pj(t) – вероятность нахождения системы в работоспособном j -м состоянии;

Pz(t) – вероятность нахождения системы в неработоспособном z -м состоянии.

2. Функция простоя П(t) системы

 

 

3. Коэффициент готовности kг.с. системыопределяется при установившемся режиме эксплуатации (при t ). При t устанавливается предельный стационарный режим, в ходе которого система переходит из состояния в состояние, но вероятности состояний уже не меняются

Коэффициент готовности kг.с. можно рассчитать по системе (2) дифференциальных уравнений, приравнивая нулю их левые части dP_i(t)/dt = 0, т.к. P_i = const при t . Тогда система уравнений (2) превращается в систему алгебраических уравнений вида:

(3)

и коэффициент готовности:

есть предельное значение функции готовности при установившемся режиме t .

4. Параметр потока отказов системы

(4)

где _jz – интенсивности (обобщенное обозначение) переходов из работоспособного состояния в неработоспособное.

5. Функция потока отказов

(5)

 

6. Средняя наработка между отказами на интервале t

(6)

На рис. приведено изменение вероятности нахождения объекта в работоспособном состоянии.

 

 

Рис. 1

Анализ изменения P₀(t) позволяет сделать выводы:

1) При мгновенном (автоматическом) восстановлении работоспособности ( = )

/ = 0 и P0(t) = 1.

2) При отсутствии восстановления ( = 0)

/ = и P0(t) = e^{- t},

и вероятность работоспособного состояния объекта равна ВБР невосстанавливаемого элемента.

Некоторые дополнения по применению метода дифференциальных уравнений для оценки надежности.

Метод дифференциальных уравнений может быть использован для расчета показателей надежности и невосстанавливаемых объектов (систем).

В этом случае неработоспособные состояния системы являются «поглощающими» и интенсивности выхода из этих состояний исключаются.

Для невосстанавливаемого объекта граф состояний имеет вид:

 

Система дифференциальных уравнений:

Начальные условия: P₀ (0) = 1; P₁(0) = 0.

Изображение по Лапласу первого уравнения системы:

После группировки:

откуда

Используя обратное преобразование Лапласа, оригинал вероятности нахождения в работоспособном состоянии, т. е. ВБР к наработке t:

1. ВОССТАНАВЛИВАЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ

Под восстановлением объекта понимается не только ремонт той или иной его части, но в ряде случаев и полная его замена или замена частей. Действительно, для пользователя, заинтересованного в выполнении определенных заданных функ­ций, совершенно неважно, восстанавливается работоспособность непосредственно ремонтом объекта или заменой его на совершенно другое работоспособное. (В ка­честве примера можно привести использование транспортного средства из общего парка аналогичных средств для выполнения регулярных рейсов по определенно­му маршруту.)

Для показателей надежности приводятся две формы представления: вероят­ностная и статистическая. Вероятностная форма обычно бывает удобнее при апри­орных аналитических расчетах надежности, статистическая — при эксперимен­тальном исследовании надежности технических объектов. Кроме того, оказывает­ся, что одни показатели лучше интерпретируются в вероятностных терминах, а другие — в статистических.

Для простоты пояснения статистических показателей надежности невосстанав­ливаемых объектов будем рассматривать только такую схему испытаний или эксп­луатации этих объектов, при которой несколько образцов работают до отказа. В этом случае статистические показатели допускают простое частотное толкова­ние. Кроме того, с ростом числа испытываемых объектов статистические показате­ли будут сходиться в пределе (по вероятности) к аналогичным вероятностным по­казателям.

Процесс эксплуатации объекта с восстановлением можно представить как по­следовательность интервалов работоспособности £_г, чередующихся с интервалами простоя y\i, т. е. Ј_lt -гц, £₂> Л2. ••• Математической моделью процесса эксплуата­ции объекта может явиться соответствующий случайный процесс.

Для объектов с восстановлением характерен специфический вид случайного процесса, описывающего функционирование их во время эксплуатации. Ос­новная особенность этого случайного процесса заключается в том, что в общем случае распределения Р_г (t), F₂ (t)_t... 'соответствующих случайных величин Ј_lf £₂,... могут быть отличны друг от друга. Это объясняется тем, что в очередной мо­мент начала работы после восстановления объект характеризуется вполне опреде­ленным начальным состоянием. В дальнейшем рассматривают в основном либо характеристики объектов до первого отказа, либо стационарные характеристики. Под стационарными характеристиками будем понимать характеристики соответст­вующих стационарных случайных процессов. В этом случае начальные состояния оказываются одинаковыми в вероятностном смысле, т. е. случайные величины £_л, £ь₊₁ и т. д. имеют для всех k одинаковые распределения F_h (t) — F (i). Аналогич­но и случайные величины г^, т|₂,... могут иметь различные распределения, однако всюду (если это не будет оговорено особо) будем полагать их эквивалентными слу­чайными величинами с распределением G (/). (Через g (t) будем обозначать плот­ность распределения G (/), если она существует.)

Практически во всех случаях будем полагать, что чередующиеся величины £/ и t\i взаимно независимы, а распределение каждой из них не зависит от номера i, т. е. будем изучать случайный процесс {£, т)}, который в теории восстановле­ния носит название альтернирующего.

Для восстанавливаемых объектов приводятся только дополнительные пока­затели надежности. Все показатели для невосстанавливаемых объектов также могут быть применимы для характеристики восстанавливаемых объектов, повтор­но они не приводятся.

Введем дополнительные обозначения: g (t) — плотность распределения G (t); G (t) = Р {к\ < /} — распределение времени восстановления; п (t, t') — число объектов, неработоспособных в момент / или отказавших хотя бы один раз в интервале [/, /']; п_в (t) — число объектов, восстановление которых длилось меньше t', N (t, t') — число объектов, работоспособных в момент t и не прора­ботавших безотказно до /'; Л/„ (t) — число объектов, восстановление которых длилось больше /; t^ — произвольный «достаточно удаленный» момент времени, соответствующий стационарному режиму случайного процесса; Дп„ (/, t') — число объектов, восстановление которых длилось больше /, но меньше t'; Ј_ft — случайное время работы (случайная наработка) объекта перед /г-м отказом (пос­ле (k — 1)-го восстановления); ^ — реализация £/, для 1-го объекта; т)_Л — случайное время восстановления (простоя) объекта после /г-го отказа; т]⁽'> — i-я реализация времени восстановления.

1. Средняя наработка между отказами.

а. Вероятностное определение

т. е. Т — математическое ожидание предельного значения наработки между отказами для стационарного процесса.

Здесь.7\ — средняя наработка объекта от момента окончания (k —1)-го восстановления до /г-го отказа, определяемая как

т. е. T_h — математическое ожидание (среднее значение) наработки объекта от момента окончания (k — 1)-го отказа, б. Статистическое определение

4.2 Задание на практическую работу.

 

1. Изучить теоретический курс лекционных занятий и предлагаемую учебную литературу.

2. Методические рекомендации по исследованию основных свойств надежности и техногенного риска.

3. Провести исследование по определению основных свойств надежности и техногенного риска, используяпризнаки опасности объекта.

4. Выполнить практическую работу, используя вариант задания и справочную литературу.

5. Разработать мероприятия по эффективности использования основных показателей надежности и техногенного риска.

6. Сделать выводы по полученным исследованиям, сформулировать предложения.

7. Подготовить отчет по выполненной работе. Форма отчетности – письменная, согласно требованиям методических рекомендаций по выполнения практической работы.

8. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

9. Осуществить самоконтроль.

10. Защитить практическую работу с первого раза в течение 15 минут.4. Варианты задания.

 

Поряд-ковый номер	Номер варианта	Группы причины отказов	Характе-ристика отказов
		А	Б
		Д	В
		С	А
		И	Г
		К	Д
		Л	А
		Ж	Б
		О	В
		В	А
		Б	В
		Г	Б
		З	Д
		Н	Б
		А	Г
		В	Г
		Б	В
		Д	А
		В	Г
		И	Д
		Л	А
		М	Б
		Н	Д
		О	В
		П	А
		Р	Б
		В	Д
		А	В
		Б	Б
		Г	В
		Д	А

 

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НАДЕЖНОСТИ

1. Какие характеристики надежности относятся к состоянию объекта?

2. Какие характеристики (всего их пять) и события (всего их 4) влияют на переход объекта в различные состояния?

- Авария - Катастрофа - Стихийное бедствие - Повреждение -Неисправность - Предельное состояние - Живучесть - Безопасность – Срок службы - Долговечность - Ремонтопригодность - Коэффициент сохранения эффективности - Ресурс - Резервирование – Чрезвычайная ситуация - Уход параметров - Риск - Интенсивность отказов.

3. В теории надежности существует классификация отказов – заполните правую часть таблицы, выбирая виды отказа из предложенных вариантов (возможно комбинирование отдельных отказов).

Классификация отказов

 

	Признак классификации	Вид отказа
	· Характер изменения основного параметра объек­та до момента возникновения отказа · Возможность последующего использования объ­екта после возникновения его отказа · Связь между отказами · Устойчивость неработоспособности · Наличие внешних проявлений отказа · Причина возникновения отказа: при конструировании (ошибка конструктора, не­совершенство принятых методов конструирова­ния) при изготовлении (ошибка при изготовлении — нарушение принятой технологии, несовершенство технологии) при эксплуатации (нарушение правил эксплуата­ции, внешние воздействия, не свойственные нор­мальной эксплуатации) · Природа происхождения

 

ВИДЫ ОТКАЗОВ: Производственный, Внезапный, Полный, Вызванный слиянием внешних условий, Конструкционный, Естественный, Зависимый, Частичный, Постепенный, Очевидный, Независимый, Устойчивый, Искусственный, Эксплуатационный, Вызываемый намеренно, Технологический,

4. Показателями надежности являются: Безотказность, Ремонтопригодность, Долговечность, Сохраняемость. В отдельных случаях показатели надежности объединяются: Безотказность – Ремонтопригодность; Долговечность – Сохраняемость.

Определить показатели надежности, характерные для группы:

А. Безотказность – Ремонтопригодность Б. Долговечность – Сохраняемость.

1. 1.

2. 2.

..

Показатели надежности: Средний срок службы до капитального ремонта, Коэффициент простоя, Вероятность восстановления, Среднее время восстановления, Средний ресурс, Наработка до отказа, Заданная наработка, Средний ресурс до списания, Средняя наработка между отказами, Средняя наработка на отказ, Назначенный ресурс, Средний срок сохранения, Средняя наработка до отказа, Средний срок службы.

Решение задач оценки риска и выработки рекомендаций по управлению риском позволяет говорить о необходимости использования следующих классов моделей:

- модели надежности, которые строятся на основе структурных и функциональных схем технологических узлов с учетом специфики технологического процесса и предназначены для анализа показателей надежности функциональных узлов,

- модели безопасности, которые строятся на основе структурных и функциональных схем систем противоаварийной защиты и предназначены для анализа надежности систем противоаварийной защиты и безопасности технологических блоков и систем,

- модели аварий, которые строятся на основе структурных и функциональных схем технологического оборудования, описаний технологического процесса и систем защиты, а также на основе сценариев аварий. Модели аварий предназначены для оценки вероятности возникновения аварии, оценки возможных масштабов выбросов опасных веществ; выявления возможных последствий аварии,

- модели оценки последствий аварий, которые строятся на основе моделей развития опасных факторов (взрыв, пожар, заражение местности и др.) и предназначены для пространственного моделирования зон действия опасных и поражающих факторов, а также оценки ущерба (разрушений, потерь и т.п.), вызываемых этими факторами,

- модели поиска решений по управлению риском, которые предназначены для выработки заключений об уровне опасности анализируемого объекта и его компонентов и предложений по снижению рисков аварий и повышению безопасности анализируемого объекта.

На рис. 9 показана взаимосвязь указанных классов моделей.

Рисунок 9 - Схема анализа риска аварий при эксплуатации опасных объектов химических производств

 

Процедура анализа риска основана на использовании комплекса моделей и включает в себя шесть этапов:

1) Анализ надежности основного технологического оборудования.

2) Анализ надежности системы противоаварийной защиты.

3) Анализ сценариев развития аварии.

4) Оценка последствий аварии.

5) Расчет значений показателей риска.

6) Выработка рекомендаций по управлению риском.

Процесс анализа риска, в общем случае, является многоитерационной процедурой, в которой на каждом этапе анализа учитываются результаты полученные на каждом из предыдущих этапов. Реализация (планирование) мероприятий по управлению риском приводит к изменению структуры и характеристик основного оборудования и систем защиты.

Рассмотрим содержание указанных этапов анализа риска.

I. Анализ надежности основного технологического оборудования

Данный этап предполагает обследование объекта и создание системы моделей, описывающих функционирование технологического оборудования в штатных режимах использования.

Источником данных для разработки моделей являются:

- описание технологического процесса блока/установки,

- структурные, функциональные и технологические схемы блока/установки,

- сведения о режимах работы, надежностных и иных характеристиках основного и вспомогательного технологического оборудования.

Целью этапа является анализ надежности технологического оборудования, включая основное и вспомогательное оборудование, а также трубопроводы и кабельные связи, направленное на выявление «слабых» мест и оценку вероятности возникновения опасных ситуаций вследствие отказов оборудования.

Функции управления риском заключаются в организации технического обслуживания и ремонт, позволяющего исключить отказы оборудования в период между регламентными работами и повысить надежность оборудования.

Оценка остаточного ресурса источников при воздействии внутреннего давления

. Внутреннее давление радиогенного гелия в капсулированных источниках может быть определено по формуле:

P_г = A.k.T ^. K ^. [1 – exp(1 - l ^. t)]/(V ^. l), (2) [1]

где P_г - давление радиогенного гелия, Па;

A - активность радионуклида на момент изготовления источника, Бк;

k - постоянная Планка, равная 1,3807.10^-23 Дж/К;

T - максимальная рабочая температура источника, K;

K - коэффициент выхода радиогенного гелия из материала активной

части;

l - постоянная распада радионуклида, с^-1;

t - время от момента герметизации капсулы источника, с;

V - свободный объем внутренней полости капсулы, м³.

 

4.3. Оформление и представление результатов.

Оформление и представление результатов.

- Титульный лист

- Содержание

- Нормативные ссылки (в практической работе)

- Определения

- Обозначения и сокращения

- Введение

- Основная часть

- Заключение

- Список использованных источников

- Приложения

5 МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

 

1. Методика по идентификации опасных производственных объектов РД 03-260-99.

2. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей РД 03-409-01.

3. Методика заражения СДЯВ (АХОВ) при авариях на химически опасных объектах и транспорте.

4. Плакаты, видеофильмы, электронные плакаты.

 

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение понятиям в области надежности?

2. Дать определение основным свойствам надежности?

3. Что представляют задания требований на надежность?

4. Дать определение безопасности - как свойству надежности?

5. Типы оцениваемых показателей надежности?

6. Выбор показателей надежности?

7. Специальные показатели надежности?

8. Показатели надежности: безотказность и ремонтопригодность?

9. Показатели надежности: долговечность и сохраняемость?

10. Отказ системы. Критерий отказа.

7. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

7.1 Основная литература:

1. Надежность технических систем и техногенный риск / Под ред. М.И. Фалеева. – М: Деловой экспресс, 2002. – 368 c.

2. Воскобоев В.Ф. Надежность технических систем и техногенный риск / В.Ф. Воскобоев. – М: Альянс, Путь, 2008. – 200 c.

3. Гуськов А.В. Надежность технических систем и техногенный риск / А.В. Гуськов, К.Е. Милевский. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2007. – 427 c.

4. Костерев В.В. Надежность технических систем и управление риском / В.В. Костерев. – М: Издательство МИФИ, 2008. – 280 c.

5. Малкин В.С. Надежность технических систем и техногенный риск / В.С. Малкин. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2010. – 432 c.

6. Шишмарев В.Ю Надежность технических систем / В.Ю Шишмарев. – М: Академия, 2010. – 304 c.

7. Арсеньев Ю.Н., Сулла М.Б. Управление риском при авариях. – М.: Высшая школа, 2008. – 386 с.

8. Порфирьев В.Н. Управление в чрезвычайных ситуациях. – М.: Знание, 2000 г.

9. Мастрюков Б.Н. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. – М.: 2000 г.

10. Потапов Б.В., Радаев Н.Н. Экономика природного и техногенного рисков. М.: Деловой экспресс, 2001. – 514 с.

11. Новиков, В.Д.Чрезвычайные ситуации [Текст]: научно-технический сборник ГНТП. - 2005г.

12. Постановление Правительства РФ от 30.12.2003г. №794. О единой государственной системе предупреждения и ликвидации ЧС [Текст]. – Измен. 2005 – 27 – 05 №335

13. Елохин, А.Н., Анализ и управление риском [Текст]: теория и практика.-М.: Лукойл, 2006. – 185 с.

 

7.2 Рекомендуемая литература:

1. Арсеньев Ю.Н., Минаев В.С. Управление рисками. – М.: Высшая школа, 1997. – 420 с.

2. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К. Математические методы в теории надежности. – М.: Наука, 1965. – 524 с.

3. Першин В.В., Баранов Г.П., Надежность технологических систем. М.: Недра, 1992.

4. Аварии и катастрофы. Под редакцией В.А. Котляревского и А.В. Забегаева. Издательство Ассоциации строительных ВУЗов. – М.: 1998. – в 4 –х книгах.