Автоматизация неразрушающего контроля на сложных технологических объектах

Введение 3

1. Роль и место методов неразрушающего контроля для обеспечения надёжности и долговечности сложных систем с высокой ценой отказа 5

1.1 Проблемы выявления дефектов и характеристики методов НК 5

1.2 Эффективность комплексного применения методов НК 12

1.3 Индустриализация применения методов НК. 13

2. Методологические аспекты обеспечения безопасности сложных технических объектов в условиях ограниченных ресурсов 17

2.1 Основы обеспечения безопасности сложных объектов и управления ограниченными ресурсами 21

2.1.1. Критичность систем 21

2.1.2 Анализ данных по критичным элементам 26

2.1.3 Механизмы выявления различных дефектов 27

2.1.4 Планирование восстановления критичных элементов 27

2.2 Обеспечение безопасной эксплуатации АЭС в условиях ограниченных ресурсов 30

2.2.1 Аварии и инциденты, связанные с повреждением металла основного оборудования на АЭС 30

2.2.2 Причины аварий с разрушением трубопроводов и меры по их предотвращению 32

2.2.3 Методология эксплуатационного контроля на основе концепции риска. Основные положения 34

2.2.4 Ранжирование сегментов трубопроводов 39

2.2.5 Оценка частот повреждения трубопроводов 40

2.2.6 Анализ структурной надежности 41

2.2.7 Анализ эксплуатационных данных для трубопроводов 42

2.2.8 Основные механизмы деградации трубопроводов 44

2.2.9 Опыт применения RI-ISI 46

3. Моделирование централизованной системы обеспечения безопасности сложных технологических объектов 48

Описание программного комплекса Eclipse TG2 50

Заключение 55

Литература 57

Введение

Экономическая эффективность сложных технических систем (комплексов), таких как:

космические системы (космические аппараты, стартовые и ракетные комплексы);
летательные аппараты (самолеты различных типов и назначения);
энергетические системы (ядерные энергетические установки АЭС и системы их энергообеспечения, ТЭС);
предприятия нефтегазовой промышленности (системы магистральных трубопроводов, перекачки нефти и газа);
крупные военные объекты

и т.д., за весь период их эксплуатации, напрямую зависит от значений их текущей надежности и показателей долговечности (технического ресурса, срока службы).

Проблема обеспечения максимально возможного срока службы, "замедления" старения таких систем, продления их сроков эксплуатации, в условиях жестко ограниченных средств (финансовых возможностей, технических, человеческих ресурсов и др.), является одной из актуальнейших проблем для ученых, экономистов и технических специалистов различных стран. Последствия возникновения отказов, неисправностей или дефектов в таких системах могут приводить к последствиям вплоть до трагических: глобальным катастрофам, поражению окружающей среды, человеческим жертвам, большим финансовым и материальным потерям. Так, затраты на проведение мероприятий по неразрушающему контролю (НК) и связанных с ним работ во время эксплуатации АЭС составляют не менее 50% всех затрат, связанных с эксплуатацией станции [1], при потерях около 675000 долларов США в случае простоя одного блока 1000 Мвт (эл) в течение эффективных суток. Категоричность требований общественности о необходимости исключения техногенных катастроф, которые происходят с частотой 600-700 в год с ущербом для окружающей среды, делает проблему безопасности систем еще более актуальной.

Исследования в данном направлении невозможны без использования системного подхода, учета различных мероприятий и решения задач, которые могут привести к улучшению состояния систем, гарантировать приемлемую надежность и продление их периода эксплуатации с учетом экономических критериев и ограничений.

Для систем с высокой ценой отказа очень важным является и человеческий фактор, который часто играет определяющую роль при проведении НК. Повышение уровня образования персонала позволяет повысить как достоверность контроля, так и существенно влиять на надежность системы в целом.

1. Роль и место методов неразрушающего контроля для обеспечения надёжности и долговечности сложных систем с высокой ценой отказа

1.1 Проблемы выявления дефектов и характеристики методов НК

При проведении мониторинга технического состояния (ТС) сложных систем и агрегатов одной из наиболее актуальных является задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природы и организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов при эксплуатации.

Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методов НК [1-4]. Дефектом, согласно нормативно-технической документации (НДТ) (ГОСТ 17-102), называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям. Однако в практике применения средств неразрушающего контроля нет полного соответствия понятия "дефект" определению по ГОСТ. Обычно под дефектом понимают отклонение параметра от требований проектно-конструкторской документации, выявленное средствами неразрушающего контроля. Связь такого понятия с определением по ГОСТ устанавливается путем разделения дефектов на допустимые требованиям НТД и недопустимые.

Обобщая, здесь и далее под дефектом будем понимать физическое проявление изменения характеристик объекта контроля с параметрами, превышающими нормативные требования. По происхождению дефекты подразделяют на производственно-технологические, возникающие в процессе проектирования и изготовления изделия, его монтажа и установки, и эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате процессов деградации, а также в результате неправильной эксплуатации и ремонтов.

В дальнейшем, говоря о дефектах, выявляемых средствами и методами НК, будем иметь в виду эксплуатационные и производственно-технологические дефекты, не выявленные при изготовлении и сдаче систем в эксплуатацию.

Так, например, (в зависимости от объекта) вся совокупность объектов и систем может быть разбита на группы, для которых характерны однотипные дефекты:

- силовые металлоконструкции (стрелы грузоподъемных машин, установщиков, несущие форменные конструкции, силовые элементы агрегатов обслуживания);

- сосуды, теплообменные аппараты, трубопроводы (сосуды и емкости, влагомасло-отделители и холодильники компрессорных установок, теплообменные аппараты, камеры нейтрализации, магистрали газов и жидкостей и др.);

- механизмы и машинное оборудование (гидроприводы, редукторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и приводные электродвигатели, дизельные электро станции);

- трубопроводы, корпуса систем под давлением, парогенераторы, системы жидко-снабжения;

- контрольно-измерительные приборы (КИП) и автоматика, оборудование систем управления;

- кабельное оборудование (силовые кабели, измерительные кабели, кабели систем управления, кабели связи);

- электронное оборудование;

- оборудование электроснабжения (трансформаторы, коммутационная аппаратура);

- объекты, содержащие радиоактивные вещества, активность которых определяется без разрушения исходных матриц;

- конструкции строительных сооружений.

Рассмотрим некоторые наиболее характерные дефекты приведенных систем.

Для силовых металлоконструкций характерны литейные дефекты (рыхлота, пористость, ликвационные зоны, дендритная ликвация, зональная ликвация, подусадочная ликвация, газовые пузыри или раковины, песчаные и шлаковые раковины), металлические и неметаллические включения, утяжины, плены, спаи, горячие, холодные и термические трещины); дефекты прокатанного и кованого металла (трещины, флокены, волосовины, расслоения, внутренние разрывы, рванины, закаты и заковы, плены); дефекты сварных соединений (трещины в наплавленном металле, холодные трещины, микротрещины в шве, надрывы, трещины, образующиеся при термообработке, рихтовочные трещины, непровары, поры и раковины, шлаковые включения), дефекты, возникающие при обработке деталей (закалочные и шлифовочные трещины, надрывы); дефекты, возникающие при эксплуатации изделий (усталостные трещины, коррозионные повреждения, трещины, образующиеся в результате однократно приложенных высоких механических напряжений, механические повреждения поверхности).

Для сосудов, теплообменных аппаратов, трубопроводов характерны производственно-технологические и эксплуатационные дефекты, аналогично силовым металлоконструкциям. Помимо этого для данной группы оборудования характерны негерметичности соединений, приводящие к утечкам рабочих сред, уменьшение проходных сечений в результате отложений на стенках продуктов коррозии и накипи. Важнейшим параметром, определяющим долговечность и надежность эксплуатации нефтегазовых труб различных диаметров, является толщина антикоррозийного трехслойного полиэтиленового покрытия.

Для механизмов и машинного оборудования характерны износ и поломка деталей, повреждение уплотнений, сопровождающиеся утечкой рабочих жидкостей, местным аномальным нагревом частей оборудования, посторонним шумом, повышенной вибрацией.

Для КИП и автоматики, оборудования систем управления характерны выход из строя отдельных блоков и приборов, нарушение электрического контакта, уменьшение сопротивления и пробой изоляции.

Для кабельного оборудования характерны уменьшение сопротивления изоляции, старение изоляции, обрыв жил кабеля, возгорание изоляции и др.

Для электронного оборудования характерны выход из строя блоков и отдельных элементов.

Для оборудования электроснабжения характерны залипания контактов, выход из строя концевых выключателей и приводов межсекционных выключателей.

Для конструкций строительных сооружений характерны такие дефекты, как трещины, раковины, несплошности бетона, дефекты армирования бетона, разрушение фундаментов и оснований и т.д.

Для объектов с радиоактивными веществами под дефектами можно понимать уровни активности, превышающие допустимые нормы. Таким образом, для каждой из групп оборудования можно составить перечень методов НК и перечень приборов и технологий их применения для реализации этих методов.

Выбор метода НК должен быть основан помимо априорного знания о характере дефекта на таких факторах, как:

условия работы изделия;
форма и размеры изделия;
физические свойства материала деталей изделия;
условия контроля и наличие подходов к проверяемому объекту;
технические условия на изделия, содержащие количественные критерии недопустимости дефектов и зачастую нормирующие применение методов контроля на конкретном изделии;

- чувствительность методов.

Достоверность результатов определяется чувствительностью методов НК, выявляемостью и повторяемостью результатов и основана на тщательной калибровке.

Чувствительность метода контроля является важной его характеристикой. В табл. 1 приведена чувствительность для различных методов определения несплошностей в материале изделий. Аналитический вид кривой выявляемости дефектов приведен в [1]:

(1)

где Х₀ - граничный наименьший размер выявляемого дефекта, который зависит от чувствительности метода контроля; X - константа. Вероятность пропуска дефекта с учетом ошибок оператора определяется как:

(2)
где е и у - постоянные, f = 0.005 экспериментально полученная величина.

Таблица 1.

Чувствительность методов неразрушающего контроля при определении несплошностей в металле

Метод	Минимальные размеры выявляемых несплошностей, 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% толщины изделия	100 100...300 100...300 30 600...2000 - -

Применение каждого из методов в каждом конкретном случае характеризуется вероятностью выявления дефектов. На вероятность выявления дефектов влияют чувствительность метода, а также условия проведения процедуры контроля. Определение вероятности выявления дефектов является достаточно сложной задачей, которая еще более усложняется, если для повышения достоверности определения дефектов приходится комбинировать методы контроля. Комбинирование методов подразумевает не только использование нескольких методов, но и чередование их в определенной последовательности (технологии). Вместе с тем, стоимость применения метода контроля или их совокупности должна быть по возможности ниже. Таким образом, выбор стратегии применения методов контроля основывается на стремлении, с одной стороны, повысить вероятность выявления дефектов и, с другой стороны, снизить различные технико-экономические затраты на проведение контроля.

К примеру, вероятность обнаружения дефектов в сварных соединениях приведена в табл.2 [5]. Частота выявления дефектов различного типа приведена детально в работе [1]. Как отмечается в [1] на АЭС в России используют нормы дефектов для изготовления. Поэтому объемы ремонта на АЭС в 10 раз и более превышают необходимый уровень для обеспечения безопасной эксплуатации. Введение на действующих АЭС экономически обоснованных и оптимальных норм дефектов позволит сократить в 10 и более раз трудозатраты и рационально перераспределить средства для повышения безопасности и продления остаточного ресурса.

Таблица 2

Относительная выявляемость дефектов сварки различными методами дефектоскопии в % от общего числа 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, несмотря на значительные успехи в развитии методов НК и применяемые меры по контролю ТС различных систем, отдельные дефекты остаются не выявленными и становятся причинами и результатами аварийных ситуаций и больших катастроф. Так, методы и средства НК, применяемые на стадиях производства и предэксплуатационного контроля на АЭС, далеки от совершенства и в результате их применения не выявляется значительное число дефектов технологической природы [1].

1.2 Эффективность комплексного применения методов НК

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Индустриализация применения методов НК.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.1 Основы обеспечения безопасности сложных объектов и управления ограниченными ресурсами

2.1.1. Критичность систем

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

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

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

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

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

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

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

надежность (безопасность);
последствия отказа;
возможность уменьшения вероятности возникновения и тяжести последствий.

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

Набор показателей K_j, принадлежащих К, может быть следующим:

резервирование;
возможность отказа;
тяжесть последствий отказа;
устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов среды;
контролируемость состояния элементов в ходе эксплуатации;
продолжительность присутствия риска вследствие отказа;
возможность локализации отказа и др.

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

Таблица 3. Частные показатели критичности и лингвистические шкалы оценивания

Показатели	Порядковые шкалы
Тяжесть последствий	1. Отказ приводит к катастрофической ситуации 2. В результате отказа возникает необходимость в принятии экстренных мер для предотвращения катастрофической ситуации 3. Отказ приводит к потере некоторых эксплуатационных свойств. В результате чего время эксплуатации может сократиться 4. Отказ приводит к потере некоторых эксплуатационных свойств, не влияющих на продолжительность эксплуатации 5. Отказ изменяет режимы работы зависимых элементов, что увеличивает вероятности их отказов
Резервирование	Резервирование невозможно Резервирование возможно, но отсутствует 3. Однократное резервирование без контроля состояния резерва Однократное резервирование и состояние резерва контролируется Двукратное и более резервирование без контроля состояния резерва 6. Двукратное и более резервирование, состояние резерва контролируется
Вероятность отказа	1. Элемент обладает относительно высокой вероятностью отказа в течение эксплуатации 2. Отказ считается возможным и вероятным (конструкция прошла достаточный объем испытаний, обеспечивающий приемлемый уровень вероятности безотказной работы) 3. Отказ считается возможным, но маловероятным (отказов данного элемента на предшествующих аналогах не наблюдалось) 4. Отказ возможен, но крайне маловероятен (при проектировании приняты меры для исключения отказа, обеспечен высокий показатель безотказности, достигнута стабильность характеристик, отсутствуют предельные температурные, радиационные, вибрационные нагрузки и т.д. 5. Отказ считается невозможным (отсутствуют логические условия для возникновения отказа)
Устойчивость к воздействию внешних неблагоприятных факторов	1. Из опыта эксплуатации известно, что в условиях воздействия внешних факторов ресурс меньше, чем проектный 2. Опыт эксплуатации в условиях воздействия внешних факторов отсутствует, но анализ предсказывает, что ресурс меньше проектного 3. Фактический ресурс в реальных условиях эксплуатации близок к проектному. 4. Известно, что реальный ресурс больше проектного 5. Отсутствуют неблагоприятные факторы внешнего воздействия в период эксплуатации
Контроль состояния элемента	1. Состояние элемента не контролируется 2. Предусмотрен контроль без прогнозирования 3. Предусмотрен прогнозирующий контроль
Контроль состояния элемента	Риск существует от начала функционирования до: 1) окончания эксплуатации 2) завершения второго этапа функционирования 3) завершения первого этапа функционирования
Возможность локализации	1. Локализация нужна, но технически невозможна в данной конструкции 2. Предусмотрены меры к локализации отказа 3. Специальные меры к локализации отказа не нужны

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

Пусть в результате оценивания критичности элементов выделено множество критичных элементов

E={e_j, j ЄJ},J={1,...,n}, (4)

на надежность которых следует обратить особое внимание при решении задачи обеспечения безопасности объекта.

Формально задача ранжирования элементов по степени критичности с учетом одного или совокупности критериев относится к классу задач определения предпочтений многомерных альтернатив [4, 5, 6]. Ее решение в каждом конкретном случае зависит от типов систем, выбранных частных показателей критичности, экспертной информации и т.д.

2.1.2 Анализ данных по критичным элементам

Для организации нормативно-технического обеспечения и сопровождения данными критичных элементов на различных этапах восстановления необходимо создание и ведение баз данных о дефектах и их положениях, размерах, результатах испытаний и диагностики, проблемах восстановления, структурных схемах систем и деревьях отказов и т.д. Эти данные являются важными как для оценки вероятности проявления дефектов, так и для более тщательного их изучения. Ведение "информационного паспорта" исследуемых критичных элементов с данными о технико-экономических показателях и операциях, которые выполнялись с элементами на предыдущих периодах восстановления, позволяют реализовать наиболее рациональные пути и способы устранения дефектов.

На основе анализа информационного паспорта элемента для различных периодов восстановления можно говорить: о контроле над развитием дефекта, сравнивать обнаруженные дефекты с определенными эталонами для их ранжирования, проводить классификационный анализ, принимая к вниманию аспекты связанные с безотказностью и ресурсами для системы. Информационный паспорт элементов это также основа для выбора и построения принципов контроля с учетом технических характеристик и экономических показателей.

Отсутствие эксплуатационных данных и материалов диагностики и контроля не позволяет рационально организовывать эксплуатацию систем таким образом, чтобы расходовать технический ресурс как можно дольше, не снижая при этом уровень надежности в целом.

2.1.3 Механизмы выявления различных дефектов

Проблема рационального использования технического ресурса для отдельных элементов и агрегатов системы ставит задачи исследования моделей и механизмов деградации элементов систем. Построение моделей для моделирования развития дефектов различного типа для различных типов элементов (кабели, трубы, двигатели и т.д.) с учетом различных внешних условий (окружающей среды) и возмущений является актуальной задачей.

Отметим также задачу выбора метода (инструментов) или комплекса методов неразрушающего контроля (НК) для проведения диагностики технического состояния как отдельных элементов, так и их совокупности с учетом технико-экономических показателей. Инженерная практика выдвигает ряд требований, которым должны удовлетворять методы, прежде всего, например, возможность визуализации дефектов, высокая выявляемоесть дефектов, чувствительность приборов, компактность и практичность оборудования. Для различных работ применяются как отдельные методы НК, так и их комбинации (комплекты). Однако их совместное сочетание (например, визуальный и вихретоковый) позволяют получить более достоверную информацию о качестве металлоизделий, например, в космосе [3].

В работах [8, 9, 10, 11] рассмотрены роль и место методов НК для обеспечения надежности и долговечности систем с высокой ценой отказа, а также рассматриваются модели и способы комплексирования различных по своей природе и затратам ресурсов методов НК.

2.1.4 Планирование восстановления критичных элементов

При решении задач восстановления актуальными являются модели и методы планирования восстановления элементов систем, которые учитывают возможности совмещения отдельных операций ТО, ремонта и технологических процессов, методы совершенствования расписаний обслуживания с учетом различных критериев и т.д. Для подготовки ТО критичных элементов необходимо также планировать обеспечение их различного рода ресурсами и разработать модели расходования ресурсов на основе теории управления запасами. Важными являются задачи планирования объемов и сроков проведения ТО, разработки оптимальных стратегий ремонтов по различным показателям готовности, стоимости и т.д. Основанием для назначения того или иного вида ремонта является выработка технологическим оборудованием технического ресурса, при котором создается угроза безопасности объекта.

При разработке таких моделей необходимо формировать показатели критериев и учесть ограничения на потребление различного рода ресурсов (численность специалистов, участвующих в проведении эксплуатационных процессов), оборудования, финансовых затрат, временных ограничений на восстановление.

Рассмотрим одну из задач принятия решений по выбору способов восстановления элементов систем.

Предположим, что для фиксированного периода времени Т в результате проведения исследования технического состояния выделенных критичных элементов и обработки результатов экспериментов по диагностике элементов (отдельных агрегатов или систем) с применением комплекса методов НК определены возможные способы восстановления элементов и заданы ограничения по технико-экономическим показателям на проведение работ.

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

- множество элементов (агрегатов), у которых на данный период восстановления Т необходимо проводить комплекс мероприятий, (ТО различного уровня), восстановление (профилактику, замену и т.д.). Объемы ремонтно-профи-лактмческих работ для каждого агрегата или системы зависят от экспертной информации о величине его остаточного ресурса, интенсивности отказов, результатов контроля систем, выделенных ресурсов и т.д.

Реализация восстановления работоспособности элемента е_j может осуществляться различными технологическими способами

x_jk Є X_j ={х_j1, х_j2,...,x_jk* } (6)

Тогда х = (х_1k1,...х_1kj,...,х_nkn) (7) - перечень способов восстановления всех критичных элементов системы.

При проведении работ могут задействоваться: различное число бригад, ремонтных органов, оборудование различного типа и т.д., для различных элементов необходимы финансовые и ресурсные затраты. От этих затрат зависит качество и сроки проведения работ (замена узла новым или замена (восстановление) его части и т.д.), что и определяет показатель вероятности не достижения предельного состояния после их восстановления.

x_jk

- ЗАМЕНА
- ЧАСТИЧНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ
- РЕЗЕРВ

Рис.2. Возможные варианты восстановления критичных элементов систем

Определим для каждого способа восстановления x_jk показатели планируемых вероятностей не перехода в предельное состояние р_j (x_jk ) и затрат ресурсов g_j (x_jk ) (например, среднее время восстановления элементов и систем, стоимость ремонтно-профилактических работ, трудозатраты и т.д.).

Данные по ресурсам заносятся в таблицу в которой для каждого элемента фиксируются возможные способы его восстановления.

Пусть заданы ограничения b_i, i Є I = [1,..., т} по каждому ресурсу для планового периода времени Т. Тогда задача выбора способов восстановления элементов системы может быть сформулирована следующим образом:

максимизировать надежность

Р(х) = П p_j (x_jk) --> mах, (8)

при ограничениях на ресурсы восстановления

g_i (x) = SUM g_ij (x_jk) <= b_i ,i Є I

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

Результатом решения данной задачи являются фиксированные способы восстановления агрегатов или технологических систем в плановый период восстановления Т, после выполнения которых надежность системы является максимальной при выделенных ресурсах. Важно отметить, что при нахождении и интерпретации решений необходимо исследовать их корректность и адекватность. Для решения задачи могут быть использованы алгоритмы, базирующиеся на методе последовательного анализа и отсеивания вариантов [2,3].

2.2 Обеспечение безопасной эксплуатации АЭС в условиях ограниченных ресурсов

Рассмотрим конкретное воплощение указанных в предыдущем разделе методологических аспектов и концептуальных принципов на примере проблемы функциональных систем, важных для безопасности АЭС.

2.2.1 Аварии и инциденты, связанные с повреждением металла основного оборудования на АЭС

На АЭС различных стран произошел целый ряд аварий и инцидентов, связанных с различными механизмами деградации металла основного оборудования [12]:

1) 22 января 1982 г. в результате коррозионно-усталостного разрушения шпилек горячих коллекторов 1,3,4, 5-го парогенераторов блока № 1 Ровенской АЭС произошла авария, в результате которой 1100 м³ теплоносителя попало из первого контура в котловую воду парогенераторов с последующим выбросом радиоактивности за пределы блока.

2) 20 сентября 1990 г. на блоке № 1 ЮУАЭС, 15 октября 1988 г. на блоке № 1 ЗАЭС, 13 июня 1989 г. на блоке № 2 ЗАЭС были обнаружены повреждения холодных коллекторов парогенераторов, причиной