Малкин надежность технических систем и техногенный риск. Надежность технических систем и техногенный риск

Эффективная предпринимательская деятельность во многих случаях связана с освоением новой техники и технологий, повышением уровня производительности труда. Однако внедрение новой техники и технологий сопряжено с возникновением техногенных катастроф, которые наносят урон окружающей среде, средствам производства, а также жизни и здоровью людей. Всё это порождает технический риск .

Технический риск – это риск, обусловленный техническими факторами. Технический риск представляет собой комплексный показатель надежности элементов техносферы и выражает вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Технический риск определяется степенью организации производства, проведением превентивных мероприятий (регулярной профилактики оборудования, мер безопасности), возможностью проведения ремонта оборудования собственными силами предприятия.

К техническим рискам относится вероятность потерь:

• вследствие отрицательных результатов научно-исследовательских работ;
• в результате недостижения запланированных технических параметров в ходе конструкторских и технологических разработок;
• в результате низких технологических возможностей производства, что не позволяет осваивать новые разработки;
• в результате возникновения при использовании новых технологий и продуктов побочных или отсроченных во времени проблем;
• в результате сбоев и поломки оборудования и т.д.

Одной из разновидностей данного риска является технологический риск – риск того, что в результате технологических изменений существующие системы производства и сбыта устареют и тем самым окажут негативное воздействие на уровень капитализации компании и ограничат её возможности по получению прибыли. В то же время, модернизация и усовершенствование (усложнение) технических средств, увеличение числа технических элементов также способствует снижению их надёжности и, соответственно, возрастанию риска.

В любой новой технологической и конструктивной разработке присутствует технический риск, т.е. вероятность того, что разработанная технология или конструкция окажется неудачной и потребуется иное техническое решение или доработка, доводка. Особенно трудоемкой является такая доводка в тех случаях, когда автоматическая линия является уникальной, технология её работы и большинство конструкторских решений являются оригинальными, не имеющими близких хорошо изученных прототипов.

Технические риски возникают из-за:

• ошибок в проектировании;
• недостатков технологии и неправильного выбора оборудования;
• ошибочного определения мощности;
• недостатков в управлении;
• нехватки квалифицированной рабочей силы;
• отсутствия опыта работы с новым оборудованием;
• срыва поставок сырья, стройматериалов, комплектующих;
• срыва сроков строительных работ подрядчиками (субподрядчиками);
• повышения цен на сырье, энергию и комплектующие;
• увеличения стоимости оборудования;
• роста расходов на заработную плату.

Исследования безопасности технических объектов свидетельствуют, что опасность свойственна любым системам и операциям. Практически достичь абсолютной безопасности с технической точки зрения нереально, а с экономической – нецелесообразно. Это связано с тем, что надёжность технических систем не может быть абсолютной. Риски связанные с ненадёжность систем можно снизить в результате испытаний и доработок оборудования с целью повышения его качества и надёжности.

Кроме того, технические риски сопровождают строительство новых объектов и их последующую эксплуатацию. Среди них выделяют строительно-монтажные и эксплуатационные риски . К строительно-монтажным принадлежат такие риски:

• потеря или повреждение строительных материалов и оборудования вследствие неблагоприятных событий – стихийных бедствий, пожаров, взрывов, преступных действий третьих лиц и т.п.;
• нарушение функционирования объекта вследствие ошибок при его проектировании и монтаже;
• получение физических увечий персоналом, задействованным в строительстве объекта.

Технический риск относится к группе внутренних рисков, поскольку предприятие может оказывать на данные риски непосредственное влияние и их возникновение, как правило, зависит от деятельности самого предприятия.

В связи с развитием научно-технического прогресса, ростом капиталоемкости производства, увеличением в производственном процессе удельного веса технологического оборудования, а также в связи с увеличением объёма строительно-монтажных работ существенно увеличилось негативное воздействие технических рисков, что, в свою очередь, способствовало зарождению отдельной отрасли страхования ( , и т.п.).

Настоящая книга опирается на подходы, результаты исследований и рекомендации известных ученых - А. Н. Колмогорова, А. И. Костогрызова, А. А. Маркова и ряда других. В данном учебнике авторами предпринят обобщенный подход к оценке надежности технических систем и техногенного риска. Изложены вопросы, относящиеся к надежности технических систем, составляющих основу современной техники, и их безопасности, оцениваемой по критериям риска на основе теории статистических решений. Показаны пути создания моделей надежности и технологического риска. Авторами проведена систематизация моделей в информационном, физическом и геометрическом пространствах с совокупностью математических операторов, составляющих суть аксиоматической теории надежности, ранее предложенной авторами. Учебник содержит большое число практических примеров, вопросы и задания для самостоятельной работы.

Шаг 1. Выбирайте книги в каталоге и нажимаете кнопку «Купить»;

Шаг 2. Переходите в раздел «Корзина»;

Шаг 3. Укажите необходимое количество, заполните данные в блоках Получатель и Доставка;

Шаг 4. Нажимаете кнопку «Перейти к оплате».

На данный момент приобрести печатные книги, электронные доступы или книги в подарок библиотеке на сайте ЭБС возможно только по стопроцентной предварительной оплате. После оплаты Вам будет предоставлен доступ к полному тексту учебника в рамках Электронной библиотеки или мы начинаем готовить для Вас заказ в типографии.

Внимание! Просим не менять способ оплаты по заказам. Если Вы уже выбрали какой-либо способ оплаты и не удалось совершить платеж, необходимо переоформить заказ заново и оплатить его другим удобным способом.

Оплатить заказ можно одним из предложенных способов:

1. Безналичный способ:
   • Банковская карта: необходимо заполнить все поля формы. Некоторые банки просят подтвердить оплату – для этого на Ваш номер телефона придет смс-код.
   • Онлайн-банкинг: банки, сотрудничающие с платежным сервисом, предложат свою форму для заполнения. Просим корректно ввести данные во все поля.
     Например, для " class="text-primary">Сбербанк Онлайн требуются номер мобильного телефона и электронная почта. Для " class="text-primary">Альфа-банка потребуются логин в сервисе Альфа-Клик и электронная почта.
   • Электронный кошелек: если у Вас есть Яндекс-кошелек или Qiwi Wallet, Вы можете оплатить заказ через них. Для этого выберите соответствующий способ оплаты и заполните предложенные поля, затем система перенаправит Вас на страницу для подтверждения выставленного счета.

по дисциплине «Расчёт и проектирование систем безопасности»

на тему: Надёжность и риск. Основные понятия.

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ:

Поломошнов Александр

Список использованных источников 32

Введение

В современном обществе промышленное производство играет важную роль по удовлетворению материальных и духовных потребностей, что влечёт за собой увеличение масштабов производства. В результате чего промышленное производство стало постоянным источником возникновения несчастных случаев, аварий и катастроф. В наибольшей степени аварийность свойственна угольной, горнорудной, химической, нефтегазовой и металлургической отраслям промышленности, транспорту. Проблема предупреждения происшествий приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химической промышленности, при эксплуатации военной техники, где используются и обращаются мощные источники энергии, высокотоксичные и агрессивные вещества. Решение проблемы, обеспечения безопасности развития общества связано, в том числе и с развитием теории надёжности технологического оборудования и оценка рисков производства. В настоящем реферате рассмотрена концепция надёжности технических систем и производственной безопасности как составной части техногенной безопасности. Приведены основные термины и понятия надёжности технических систем и технологического риска.

Понятие риска Специалисты различных отраслей промышленности в своих сообщениях и докладах постоянно оперируют не только определением "опасность", но и таким термином, как "риск".

В научной литературе встречается весьма различная трактовка термина "риск" и в него иногда вкладываются отличающиеся друг от друга содержания. Общим во всех представлениях является то, что риск включает неуверенность, произойдет ли нежелательное событие и возникнет ли неблагоприятное состояние. Заметим, что в соответствии с современными взглядами риск обычно интерпретируется как вероятностная мера возникновения техногенных или природных явлений, сопровождающихся возникновением, формированием и действием опасностей, и нанесенного при этом социального, экономического, экологического и других видов ущерба и вреда.

Под риском следует понимать ожидаемую частоту или вероятность возникновения опасностей определенного класса, или же размер возможного ущерба (потерь, вреда) от нежелательного события, или же некоторую комбинацию этих величин. Применение понятия риск, таким образом, позволяет переводить опасность в разряд измеряемых категорий. Риск, фактически, есть мера опасности. Часто используют понятие "степень риска" (Level of risk), по сути не отличающееся от понятия риск, но лишь подчеркивающее, что речь идет об измеряемой величине. Все названные (или подобные) интерпретации термина "риск" используются в настоящее время при анализе опасностей и управлении безопасностью (риском) технологических процессов и производств в целом. Точное понимание употребляемого термина станет ясным после дальнейшего ознакомления с содержанием настоящей главы. Формирование опасных и чрезвычайных ситуаций - результат определенной совокупности факторов риска, порождаемых соответствующими источниками. Применительно к проблеме безопасности жизнедеятельности таким событием может быть ухудшение здоровья или смерть человека, авария или катастрофа технической системы или устройства, загрязнения или разрушение экологической системы, гибель группы людей или возрастания смертности населения, материальный ущерб от реализовавшихся опасностей или увеличения затрат на безопасность. Каждое нежелательное событие может возникнуть по отношению к определенной жертве - объекту риска. Соотношение объектов риска и нежелательных событий позволяет различать индивидуальный, технический, экологический, социальный и экономический риск. Каждый вид его обусловливают характерные источники и факторы риска, классификация и характеристика которого приведены в табл. 2.1.1. Таблица 2.1.1 Классификация и характеристика видов риска Индивидуальный риск обусловлен вероятностью реализации потенциальных опасностей при возникновении опасных ситуаций. Его можно определить по числу реализовавшихся факторов риска: где Rи - индивидуальный риск; P - число пострадавших (погибших) в единицу времени t от определенного фактора риска f; L - число людей, подверженных соответствующему фактору риска f в единицу времени t. Источники и факторы индивидуального риска приведены в табл. 2.1.2. Таблица 2.1.2 Источники и факторы индивидуального риска
Индивидуальный риск может быть добровольным, если он обусловлен деятельностью человека на добровольной основе, и вынужденным, если человек подвергается риску в составе части общества (например, проживание в экологически неблагоприятных регионах, вблизи источников повышенной опасности). Технический риск - комплексный показатель надежности элементов техносферы. Он выражает вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений: где Rт - технический риск; T - число аварий в единицу времени t на идентичных технических системах и объектах; T - число идентичных технических систем и объектов, подверженных общему фактору риска f. Источники и факторы технического риска приведены в табл. 2.1.3. Таблица 2.1.3 Источники и факторы технического риска Экологический риск выражает вероятность экологического бедствия, катастрофы, нарушения дальнейшего нормального функционирования и существования экологических систем и объектов в результате антропогенного вмешательства в природную среду или стихийного бедствия. Нежелательные события экологического риска могут проявляться как непосредственно в зонах вмешательства, так и за их пределами:

Где R О - экологический риск; O - число антропогенных экологических катастроф и стихийных бедствий в единицу времени t; O - число потенциальных источников экологических разрушений на рассматриваемой территории. Масштабы экологического риска оцениваются процентным соотношением площади кризисных или катастрофических территорий S к общей площади рассматриваемого биогеоценоза S:

.

Дополнительным косвенным критерием экологического риска может служить интегральный показатель экологичности территории предприятия, соотносимой с динамикой плотности населения (численности работающих): ,

где О T - уровень экологичности территории; L - динамика плотности населения (работающих); S - площадь исследуемой территорий; M - динамика прироста численности населения (работающих) в течение периода наблюдения t: M = G+F - U- V, где G,F,U,V - соответственно численность родившихся за наблюдаемый период, прибывших в данную местность на постоянное местожительство, умерших и погибших, выехавших в другую местность на постоянное местожительство (уволившихся). В этой формуле разность GU характеризует естественный, а FV - миграционный прирост населения на территории (текучесть кадров). Положительные значения уровней экологичности позволяют разделять территории по степени экологического благополучия и, наоборот, отрицательные значения уровней - по степени экологического бедствия. Кроме того, динамика уровня экологичности территории позволяет судить об изменении экологической ситуации на ней за длительные промежутки времени, определить зоны экологического бедствия (демографического кризиса) или благополучия. Источники и факторы экологического риска приведены в табл. 2.1.4. Таблица 2.1.4 Источники и факторы экологического риска
Социальный риск характеризует масштабы и тяжесть негативных последствий чрезвычайных ситуаций, а также различного рода явлений и преобразований, снижающих качество жизни людей. По существу - это риск для группы или сообщества людей. Оценить его можно, например, по динамике смертности, рассчитанной на 1000 человек соответствующей группы: , где R С - социальный риск; C 1 - число умерших в единицу времени t (смертность) в исследуемой группе в начале периода наблюдения, например до развития чрезвычайных событий; C 2 - смертность в той же группе людей в конце периода наблюдения, например на стадии затухания чрезвычайной ситуации; L - общая численность исследуемой группы. Источники и наиболее распространенные факторы социального риска приведены в табл. 2.1.5. Таблица 2.1.5 Источники и факторы социального риска
Экономический риск определяется соотношением пользы и вреда, получаемых обществом от рассматриваемого вида деятельности: , где R Э - экономический риск, %; В - вред обществу от рассматриваемого вида деятельности; П - польза. В общем виде В= З б +У, где З б - затраты на достижение данного уровня безопасности; У - ущерб, обусловленный недостаточной защищенностью чело­века и среды его обитания от опасностей. Чистая польза, т.е. сумма всех выгод (в стоимостном выражении), получаемых обществом от рассматриваемого вида деятельности: П=Д - З б - В>0 или П=Д - З п - З б - У>0, где Д - общий доход, получаемый от рассматриваемого вида деятельности; З п - основные производственные затраты. Формула экономически обоснованной безопасности жизнедеятельности имеет вид У < Д - (З п + З б).

В условиях хозяйственной деятельности необходим поиск оптимального отношения затрат на безопасность и возможного ущерба от недостаточной защищенности. Найти его можно, если задаться некоторым значением реально достижимого уровня безопасности производства К бп. Эту задачу можно решить методом оптимизации. Использование рассматриваемых видов риска позволяет выполнять поиск оптимальных решений по обеспечению безопасности, как на уровне предприятия, так и на макроуровнях в масштабах инфраструктур. Для этого необходимо выбирать значения приемлемого риска. Приемлемый риск сочетает в себе технические, экологические, социальные аспекты и представляет некоторый компромисс между приемлемым уровнем безопасности и экономическими возможностями его достижения, т.е. можно говорить о снижении индивидуального, технического или экологического риска, но нельзя забывать о том, сколько за это придется заплатить и каким в результате окажется социальный риск.

Основные понятия теории надёжности Предварительные замечания В основу перечня положен ГОСТ 27.002-89 , формулирующий применяемые в науке и технике термины и определения в области надежности. Однако не все термины охватываются указанным ГОСТом, поэтому в отдельных пунктах введены дополнительные термины, отмеченные "звездочкой" (*). Объект, элемент, система В теории надежности используют понятия объект, элемент, система. Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали. Элемент системы - объект, представляющий отдельную часть системы. Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов. Понятия система и элемент выражены друг через друга, поскольку одно из них следовало бы принять в качестве исходного, постулировать. Понятия эти относительны: объект, считавшийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба. Кроме того, само деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональные, конструктивные, схемные или оперативные элементы), от требуемой точности проводимого исследования, от уровня наших представлений, от объекта в целом. Человек -оператор также представляет собой одно из звеньев системы человек-машина. Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, связанных между собой определенными отношениями и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции. Признаком системности является структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. Системы функционируют в пространстве и времени. Состояние объекта Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). Неисправность - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НТД. Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НТД. Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач и устанавливаются в нормативно-технической документации. Неработоспособность - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД. Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект в отличие от исправного удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование при выполнении поставленных задач. Работоспособность и неработоспособность в общем случае могут быть полными или частичными. Полностью работоспособный объект обеспечивает в определенных условиях максимальную эффективность его применения. Эффективность применения в этих же условиях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значения ее показателей при этом еще находятся в пределах, установленных для такого функционирования, которое считается нормальным. Частично неработоспособный объект может функционировать, но уровень эффективности при этом ниже допускаемого. Полностью неработоспособный объект применять по назначению невозможно. Понятия частичной работоспособности и частичной неработоспособности применяют главным образом к сложным системам, для которых характерна возможность нахождения в нескольких состояниях. Эти состояния различаются уровнями эффективности функционирования системы. Работоспособность и неработоспособность некоторых объектов могут быть полными, т.е. они могут иметь только два состояния. Работоспособный объект в отличие от исправного обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. При этом он может не удовлетворять, например, эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его нормальному (эффективному) функционированию. Очевидно, что работоспособный объект может быть неисправным, однако отклонения от требований НТД при этом не настолько существенны, чтобы нарушалось нормальное функционирование. Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого отклонения заданных параметров за установленные пределы, недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта. Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются НТД на данный объект. Невосстанавливаемый объект достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельно допустимого значения срока службы или суммарной наработки, устанавливаемых из соображений безопасности эксплуатации в связи с необратимым снижением эффективности использования ниже допустимой или в связи с увеличением интенсивности отказов, закономерным для объектов данного типа после установленного периода эксплуатации. Для восстанавливаемых объектов переход в предельное состояние определяется наступлением момента, когда дальнейшая эксплуатация невозможна или нецелесообразна вследствие следующих причин: - становится невозможным поддержание его безопасности, безотказности или эффективности на минимально допустимом уровне; - в результате изнашивания и (или) старения объект пришел в такое состояние, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени восстановления исправности или ресурса. Для некоторых восстанавливаемых объектов предельным состоянием считается такое, когда необходимое восстановление исправности может быть осуществлено только с помощью капитального ремонта. Режимная управляемость* - свойство объекта поддерживать нормальный режим посредством управления с целью сохранения или восстановления нормального режима его работы. Переход объекта в различные состояния Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Критерий отказа - отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт отказа. Признаки (критерии) отказов устанавливаются НТД на данный объект. Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности). Восстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях. Невосстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях. При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. Например, аппаратура метеоспутника на этапе хранения относится к восстанавливаемой, а во время полета в космосе - невосстанавливаемой. Более того, даже один и тот же объект можно отнести к тому или иному типу в зависимости от назначения: ЭВМ, используемая для неоперативных вычислений, является объектом восстанавливаемым, так как в случае отказа любая операция может быть повторена, а та же ЭВМ, управляющая сложным технологическим процессом в химии, является объектом невосстанавливаемым, так как отказ или сбой приводит к непоправимым последствиям. Авария* - событие, заключающееся в переходе объекта с одного уровня работоспособности или относительного уровня функционирования на другой, существенно более низкий, с крупным нарушением режима работы объекта. Авария может привести к частичному или полному разрушению объекта, созданию опасных условий для человека и окружающей среды. Временные характеристики объекта Наработка - продолжительность или объем работы объекта. Объект может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае учитывается суммарная наработка. Наработка может измеряться в единицах времени, циклах, единицах выработки и др. единицах. В процессе эксплуатации различают суточную, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т.д. Если объект эксплуатируется в различных режимах нагрузки, то, например, наработка в облегченном режиме может быть выделена и учитываться отдельно от наработки при номинальной нагрузке. Технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния. Обычно указывается, какой именно технический ресурс имеется в виду: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего и т.п. Если конкретного указания не содержится, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех (средних и капитальных) ремонтов, т.е. до списания по техническому состоянию. Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния. Под эксплуатацией объекта понимается стадия его существования в распоряжении потребителя при условии применения объекта по назначению, что может чередоваться с хранением, транспортированием, техническим обслуживанием и ремонтом, если это осуществляется потребителем. Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения установленных показателей (в том числе и показателей надежности) в заданных пределах. Определение надежности Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью (рис. 4.1.1), под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы выполнять при ее создании определенные задачи.
Рис. 4.1.1. Основные свойства технических систем В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Таким образом: 1. Надежность - свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции. Например: для электродвигателя - обеспечивать требуемые момент на валу и скорость; для системы электроснабжения - обеспечивать электроприемники энергией требуемого качества. 2. Выполнение требуемых функций должно происходить при значениях параметров в установленных пределах. Например: для электродвигателя - обеспечивать требуемые момент и скорость при температуре двигателя, не превышающей определенного предела, отсутствии выделения источника взрыва, пожара и т.д. 3. Способность выполнять требуемые функции должна сохраняться в заданных режимах (например, в повторно-кратковременном режиме работы); в заданных условиях (например, в условиях запыленности, вибрации и т.д.). 4. Объект должен обладать свойством сохранять способность выполнять требуемые функции в различные фазы его жизни: при рабочей эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте, хранении и транспортировке. Надежность - важный показатель качества объекта. Его нельзя ни противопоставлять, ни смешивать с другими показателями качества. Явно недостаточной, например, будет информация о качестве очистительной установки, если известно только то, что она обладает определенной производительностью и некоторым коэффициентом очистки, но неизвестно, насколько устойчиво сохраняются эти характеристики при ее работе. Бесполезна также информация о том, что установка устойчиво сохраняет присущие ей характеристики, но неизвестны значения этих характеристик. Вот почему в определение понятия надежности входит выполнение заданных функций и сохранение этого свойства при использовании объекта по назначению. В зависимости от назначения объекта оно может включать в себя в различных сочетаниях безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Например, для невосстанавливаемого объекта, не предназначенного для хранения, надежность определяется его безотказностью при использовании по назначению. Информация о безотказности восстанавливаемого изделия, длительное время находящегося в состоянии хранения и транспортировки, не в полной мере определяет его надежность (при этом необходимо знать и о ремонтопригодности, и сохраняемости). В ряде случаев очень важное значение приобретает свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (снятие с эксплуатации, передача в средний или капитальный ремонт), т.е. необходима информация не только о безотказности объекта, но и о его долговечности. Техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность объекта именуется показатель надежности. Он количественно характеризует, в какой степени данному объекту или данной группе объектов присущи определенные свойства, обусловливающие надежность. Показатель надежности может иметь размерность (например, среднее время восстановления) или не иметь ее (например, вероятность безотказной работы). Надежность в общем случае - комплексное свойство, включающее такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени. Ремонтопригодность - свойство объекта быть приспособленным к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности и исправности в процессе технического обслуживания и ремонта. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимым прерыванием для технического обслуживания и ремонтов. Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение (и после) хранения и (или) транспортировки. Для показателей надежности используются две формы представления: вероятностная и статистическая. Вероятностная форма обычно бывает удобнее при априорных аналитических расчетах надежности, статистическая - при экспериментальном исследовании надежности технических систем. Кроме того, оказывается, что одни показатели лучше интерпретируются в вероятностных терминах, а другие - в статистических. Показатели безотказности и ремонтопригодности Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в начальный момент времени). Для режимов хранения и транспортировки может применяться аналогично определяемый термин "вероятность возникновения отказа". Средняя наработка до отказа - математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа. Средняя наработка между отказами - математическое ожидание случайной наработки объекта между отказами. Обычно этот показатель относится к установившемуся процессу эксплуатации. В принципе средняя наработка между отказами объектов, состоящих из стареющих во времени элементов, зависит от номера предыдущего отказа. Однако с ростом номера отказа (т.е. с увеличением длительности эксплуатации) эта величина стремится к некоторой постоянной, или, как говорят, к своему стационарному значению. Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки. Этим термином можно назвать кратко среднюю наработку до отказа и среднюю наработку между отказами, когда оба показателя совпадают. Для совпадения последних необходимо, чтобы после каждого отказа объект восстанавливался до первоначального состояния. Заданная наработка - наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций. Среднее время простоя - математическое ожидание случайного времени вынужденного нерегламентированного пребывания объекта в состоянии неработоспособности. Среднее время восстановления - математическое ожидание случайной продолжительности восстановления работоспособности (собственно ремонта). Вероятность восстановления - вероятность того, что фактическая продолжительность восстановления работоспособности объекта не превысит заданной. Показатель технической эффективности функционирования - мера качества собственно функционирования объекта или целесообразности использования объекта для выполнения заданных функций. Этот показатель определяется количественно как математическое ожидание выходного эффекта объекта, т.е. в зависимости от назначения системы принимает конкретное выражение. Часто показатель эффективности функционирования определяется как полная вероятность выполнения объектом задачи с учетом возможного снижения качества его работы из-за возникновения частичных отказов. Коэффициент сохранения эффективности - показатель, характеризующий влияние степени надежности к максимально возможному значению этого показателя (т.е. соответствующему состоянию полной работоспособности всех элементов объекта). Нестационарный коэффициент готовности - вероятность того, что объект окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного момента времени), для которого известно начальное состояние этого объекта. Средний коэффициент готовности - усредненное на заданном интервале времени значение нестационарного коэффициента готовности. Стационарный коэффициент готовности (коэффициент готовности) - вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. (Коэффициент готовности может быть определен и как отношение времени, в течение которого объект находится в работоспособном состоянии, к общей длительности рассматриваемого периода. Предполагается, что рассматривается установившийся процесс эксплуатации, математической моделью которого является стационарный случайный процесс. Коэффициент готовности является предельным значением, к которому стремятся и нестационарный, и средний коэффициенты готовности с ростом рассматриваемого интервала времени. Часто используются показатели, характеризующие простой объект, - так называемые коэффициенты простоя соответствующего типа. Каждому коэффициенту готовности можно поставить в соответствие определенный коэффициент простоя, численно равный дополнению соответствующего коэффициента готовности до единицы. В соответствующих определениях работоспособность следует заменить на неработоспособность. Нестационарный коэффициент оперативной готовности - вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного времени), и начиная с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного времени. Средний коэффициент оперативной готовности - усредненное на заданном интервале значение нестационарного коэффициента оперативной готовности. Стационарный коэффициент оперативной готовности (коэффициент оперативной готовности) - вероятность того, что восстанавливаемый элемент окажется работоспособным в произвольный момент времени, и с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного интервала времени. Предполагается, что рассматривается установившийся процесс эксплуатации, которому соответствуют в качестве математической модели стационарный случайный процесс. Коэффициент технического использования - отношение средней наработки объекта в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме средних значений наработки, времени простоя, обусловленного техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации. Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени. Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов. Интенсивность восстановления - условная плотность вероятности восстановления работоспособности объекта, определенная для рассматриваемого момента времени, при условии, что до этого момента восстановление не было завершено. Показатели долговечности и сохраняемости Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью 1- ?. Средний ресурс - математическое ожидание ресурса. Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. Средний ремонтный ресурс - средний ресурс между смежными капитальными ремонтами объекта. Средний ресурс до списания - средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания. Средний ресурс до капитального ремонта - средний ресурс от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта. Гамма-процентный срок службы - срок службы, в течение которого объект не достигает предельного состояния с вероятностью 1- ?. Средний срок службы - математическое ожидание срока службы. Средний межремонтный срок службы - средний срок службы между смежными капитальными ремонтами объекта. Средний срок службы до капитального ремонта - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта. Средний срок службы до списания - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его списания. Гамма-процентный срок сохраняемости - продолжительность хранения, в течение которой у объекта сохраняются установленные показатели с заданной вероятностью 1- ?. Средний срок сохраняемости - математическое ожидание срока сохраняемости. Виды надежности Многоцелевое назначение оборудования и систем приводит к необходимости исследовать те или другие стороны надежности с учетом причин, формирующих надежностные свойства объектов. Это приводит к необходимости подразделения надежности на виды. Различают: - аппаратурную надежность, обусловленную состоянием аппаратов; в свою очередь она может подразделяться на надежность конструктивную, схемную, производственно-технологическую; - функциональную надежность, связанную с выполнением некоторой функции (либо комплекса функций), возлагаемых на объект, систему; - эксплуатационную надежность, обусловленную качеством использования и обслуживания; - программную надежность, обусловленную качеством программного обеспечения (программ, алгоритмов действий, инструкций и т.д.); - надежность системы "человек-машина", зависящую от качества обслуживания объекта человеком-оператором. Характеристики отказов Одним из основных понятий теории надежности является понятие отказа (объекта, элемента, системы). Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности. По причинам возникновения отказов в данном месте различают: отказы из-за конструктивных дефектов; отказы из-за технологических дефектов; отказы из-за эксплуатационных дефектов; отказы из-за постепенного старения (износа). Отказы вследствие конструктивных дефектов возникают как следствие несовершенства конструкции из-за "промахов" при конструировании. В этом случае наиболее распространенными являются недоучет "пиковых" нагрузок, применение материалов с низкими потребительскими свойствами, схемные "промахи" и др. Отказы этой группы сказываются на всех экземплярах изделия, объекта, системы. Отказы из-за технологических дефектов возникают как следствие нарушения принятой технологии изготовления изделий (например, выход отдельных характеристик за установленные пределы). Отказы этой группы характерны для отдельных партий изделий, при изготовлении которых наблюдались нарушения технологии изготовления. Отказы из-за эксплуатационных дефектов возникают по причине несоответствия требуемых условий эксплуатации, правил обслуживания действительным. Отказы этой группы характерны для отдельных экземпляров изделий. Отказы из-за постепенного старения (износа) вследствие накопления необратимых изменений в материалах, приводящих к нарушению прочности (механической, электрической), взаимодействия частей объекта. Отказы по причинным схемам возникновения подразделяются на следующие группы: отказы с мгновенной схемой возникновения; отказы с постепенной схемой возникновения; отказы с релаксационной схемой возникновения; отказы с комбинированными схемами возникновения. Отказы с мгновенной схемой возникновения характеризуются тем, что время наступления отказа не зависит от времени предшествующей эксплуатации и состояния объекта, момент отказа наступает случайно, внезапно. Примерами реализации такой схемы могут служить отказы изделий под действием пиковых нагрузок в электрической сети, механическое разрушение посторонним внешним воздействием и т.п. Отказы с постепенной схемой возникновения происходят за счет постепенного накопления вследствие физико-химических изменений в материалах повреждений. При этом значения некоторых "решающих" параметров выходят за допустимые границы и объект (система) не способен выполнять заданные функции. Примерами реализации постепенной схемы возникновения могут служить отказы вследствие снижения сопротивления изоляции, электрической эрозии контактов и т.п. Отказы с релаксационной схемой возникновения характеризуются первоначальным постепенным накоплением повреждений, которые создают условия для скачкообразного (резкого) изменения состояния объекта, после которого возникает отказное состояние. Примерами реализации релаксационной схемы возникновения отказов могут служить пробой изоляции кабеля вследствие коррозионного разрушения брони. Отказы с комбинированными схемами возникновения характерны для ситуаций, когда одновременно действуют несколько причинных схем. Примером, реализующим эту схему, может служить отказ двигателя в результате короткого замыкания по причинам снижения сопротивления изоляции обмоток и перегрева. При анализе надежности необходимо выявлять преобладающие причины отказов и лишь затем, если в этом есть необходимость, учитывать влияние остальных причин. По временному аспекту и степени предсказуемости отказы подразделяются на внезапные и постепенные. По характеру устранения с течением времени различают устойчивые (окончательные) и самоустраняющиеся (кратковременные) отказы. Кратковременный отказ называется сбоем. Характерный признак сбоя - то, что восстановление работоспособности после его возникновения не требует ремонта аппаратуры. Примером может служить кратковременно действующая помеха при приеме сигнала, дефекты программы и т.п. Для целей анализа и исследования надежности причинные схемы отказов можно представить в виде статистических моделей, которые вследствие вероятностного возникновения повреждений описываются вероятностными законами. Виды отказов и причинные связи Отказы элементов систем являются основными предметами исследования при анализе причинных связей. Как показано во внутреннем кольце (рис.4.1.2), расположенном вокруг "отказа элементов", отказы могут возникать в результате: 1) первичных отказов; 2) вторичных отказов; 3) ошибочных команд (инициированные отказы). Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины, приведенные в наружном кольце. Когда точный вид отказов определен и данные по ним получены, а конечное событие является критическим, то они рассматриваются как исходные отказы. Первичный отказ элемента определяют как нерабочее состояние этого элемента, причиной которого является он сам, и необходимо выполнить ремонтные работы для возвращения элемента в рабочее состояние. Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значение которых находится в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а отказы объясняются естественным старением элементов. Разрыв резервуара вследствие старения (усталости) материала служит примером первичного отказа. Вторичный отказ - такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных напряжений на элементы. Амплитуда, частота, продолжительность действия этих напряжений могут выходить за пределы допусков или иметь обратную полярность и вызываются различными источниками энергии: термической, механической, электрической, химической, магнитной, радиоактивной и т.п. Эти напряжения вызываются соседними элементами или окружающей средой, например - метеорологическими (ливень, ветровая нагрузка), геологическими условиями (оползни, просадка грунтов), а также воздействием со стороны других технических систем.
Рис. 4.1.2. Характеристики отказов элементов Примером вторичных отказов служит "срабатывание предохранителя от повышенного электрического тока", "повреждение емкостей для хранения при землетрясении". Следует отметить, что устранение источников повышенных напряжений не гарантирует возвращение элемента в рабочее состояние, так как предыдущая перегрузка могла вызвать необратимое повреждение в элементе, требующее в этом случае ремонта. Инициированные отказы (ошибочные команды). Люди, например, операторы и обслуживающий технический персонал, также являются возможными источниками вторичных отказов, если их действия приводят к выходу элементов из строя. Ошибочные команды представляются в виде элемента, находящегося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех (при этом лишь иногда требуется ремонт для возвращения данного элемента в рабочее состояние). Самопроизвольные сигналы управления или помехи часто не оставляют последствий (повреждений), и в нормальных последующих режимах элементы работают в соответствии с заданными требованиями. Типичными примерами ошибочных команд являются: "напряжение приложено самопроизвольно к обмотке реле", "переключатель случайно не разомкнулся из-за помех", "помехи на входе контрольного прибора в системе безопасности вызвали ложный сигнал на остановку", "оператор не нажал на аварийную кнопку" (ошибочная команда от аварийной кнопки). Множественный отказ (отказы общего характера) есть событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены следующие: - конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные на стадии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости между электрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной системы); - ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулировка или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т. п.); - воздействие окружающей среды (влага, пыль, грязь, температура, вибрация, а также экстремальные режимы нормальной эксплуатации); - внешние катастрофические воздействия (естественные внешние явления, такие, как наводнение, землетрясение, пожар, ураган); - общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, поставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные или производственные дефекты. Например, производственные дефекты могут быть вызваны неправильным выбором материала, ошибками в системах монтажа, некачественной пайкой и т. п.); - общий внешний источник питания (общий источник питания для основного и резервного оборудования, резервируемых подсистем и элементов); - неправильное функционирование (неверно выбранный комплекс измерительных приборов или неудовлетворительно спланированные меры защиты). Известен целый ряд примеров множественных отказов: так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одновременно и их отказы были вызваны общей причиной; вследствие неправильного расцепления муфт при техническом обслуживании два клапана оказались установлены в неправильное положение; из-за разрушения паропровода имели место сразу несколько отказов коммутационного щита. В некоторых случаях общая причина вызывает не полный отказ резервированной системы (одновременный отказ нескольких узлов, т.е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводит к повышению вероятности совместного отказа узлов систем. Такое явление наблюдается в случае исключительно неблагоприятных окружающих условий, когда ухудшение характеристик приводит к отказу резервного узла. Наличие общих неблагоприятных внешних условий приводит к тому, что отказ второго узла зависит от отказа первого и спарен с ним. Для каждой общей причины необходимо определить все вызываемые ею исходные события. При этом определяют сферу действия каждой общей причины, а также место расположения элементов и время происшествия. Некоторые общие причины имеют лишь ограниченную сферу действия. Например, утечка жидкости может ограничиваться одним помещением, и электрические установки, их элементы в других помещениях не будут повреждены вследствие утечек, если только эти помещения не сообщаются друг с другом. Отказ считают по сравнению с другим более критичным, если его предпочтительнее рассматривать в первую очередь при разработке вопросов надежности и безопасности. При сравнительной оценке критичности отказов учитывают последствия отказа, вероятность возникновения, возможность обнаружения, локализации и т.д. Указанные выше свойства технических объектов и промышленная безопасность - взаимосвязаны. Так, при неудовлетворительной надежности объекта вряд ли следует ожидать хороших показателей по его безопасности. В то же время, перечисленные свойства имеют свои самостоятельные функции. Если при анализе надежности изучается способность объекта выполнять заданные функции (при определенных условиях эксплуатации) в установленных пределах, то при оценке промышленной безопасности выявляют причинно-следственные связи возникновения и развития аварий и других нарушений с всесторонним анализом последствий этих нарушений.

Рассмотрена концепция надежности технических систем и производственной безопасности как составной части техногенной безопасности. Приведены основные термины и определения надежности технических систем, указаны основные опасности технических систем, обоснована актуальность проблемы безопасности с точки зрения ее социальноэкономической значимости. Рассмотрены основные положения теории надежности технических систем и техногенного риска. Приведены математические формулировки, используемые при оценке и расчете основных свойств и параметров надежности технических объектов, рассмотрены элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет, сформулированы основные методы повышения надежности и примеры использования теории надежности для оценки безопасности человеко-машинных систем. Рассмотрена методология анализа и оценки техногенного риска, приведены основные качественные и количественные методы оценки риска, методология оценки надежности, безопасности и риска с использованием логико-графических методов анализа, критерии приемлемого риска, принципы управления риском, рассмотрены примеры использования концепции риска в инженерной практике. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Инженерная экология" Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и предназначено для студентов специальности 330200 "Инженерная защита окружающей среды". Оно может быть использовано при подготовке студентов других инженерных специальностей, изучающих дисциплину "Безопасность жизнедеятельности".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.

Министерство образования Российской Федерации ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА А.Г.Ветошкин НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕНННЫЙ РИСК Учебное пособие Пенза 2003 УДК 621.192 ББК 30.14я2 Ветошкин А.Г. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК. – Пенза: Изд-во ПГУАиС, 2003. - с.: ил., 24 библиогр. Рассмотрена концепция надежности технических систем и производственной безопас- ности как составной части техногенной безопасности. Приведены основные термины и опре- деления надежности технических систем, указаны основные опасности технических систем, обоснована актуальность проблемы безопасности с точки зрения ее социально- экономической значимости. Рассмотрены основные положения теории надежности техниче- ских систем и техногенного риска. Приведены математические формулировки, используе- мые при оценке и расчете основных свойств и параметров надежности технических объек- тов, рассмотрены элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет, сформулированы основные методы повышения надежности и примеры использования теории надежности для оценки безопасности человеко-машинных систем. Рассмотрена методология анализа и оценки техногенного риска, приведены основные каче- ственные и количественные методы оценки риска, методология оценки надежности, безо- пасности и риска с использованием логико-графических методов анализа, критерии прием- лемого риска, принципы управления риском, рассмотрены примеры использования концеп- ции риска в инженерной практике. Учебное пособие подготовлено на кафедре «Инженерная экология» Пензенского го- сударственного университета архитектуры и строительства и предназначено для студентов специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды». Оно может быть исполь- зовано при подготовке студентов других инженерных специальностей, изучающих дисцип- лину «Безопасность жизнедеятельности». Рецензенты: Кафедра «Инженерная экология» Пензенского технологического института (зав. ка- федрой кандидат технических наук, доцент, член-корр. Нью-Йоркской академии наук К.Р.Таранцева). Кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ В.В. Арбузов (Пензен- ский филиал Международного независимого эколого-политологического университета). Издательство ПГУАиС А.Г.Ветошкин 3 Содержание Введение. 1. Основные понятия надежности технических систем. 2. Показатели надежности технических систем. 3. Модели распределений, используемых в теории надежности. 3.1. Закон распределения Пуассона. 3.2. Экспоненциальное распределение 3.3. Нормальный закон распределения. 3.4. Логарифмически нормальное распределение. 3.5. Распределение Вейбулла. 3.6. Гамма-распределение. 3.7. Установление функции распределения показателей надежности по данным статистической информации. 4. Математические зависимости для оценки надежности. 4.1. Функциональные зависимости надежности. 4.2. Теорема сложения вероятностей. 4.3. Теорема умножения вероятностей. 4.4. Формула полной вероятности. 5. Причины потери работоспособности технического объекта 5.1. Источники и причины изменения начальных параметров технической системы. 5.2. Процессы, снижающие работоспособность системы 5.3. Физика отказов. 5.3.1. Анализ закономерностей изменения свойств материалов 5.3.2. Законы состояния. 5.3.3. Законы старения. 5.4. Множественные отказы. 6. Основные характеристики надежности элементов и систем. 6.1. Показатели надежности невосстанавливаемого элемента. 6.2. Показатели надежности восстанавливаемого элемента. 6.3. Показатели надежности системы, состоящей из независимых элементов. 6.4. Выбор и обоснование показателей надежности технических систем. 6.5. Распределение нормируемых показателей надежности. 7. Расчет показателей надежности технических систем. 7.1. Структурные модели надежности сложных систем. 7.2. Структурная схема надежности системы с последовательным соединением элементов. 7.3. Структурные схемы надежности систем с параллельным соединением элементов. 7.4.Структурные схемы надежности систем с другими 4 видами соединения элементов. 7.5. Зависимости для расчета вероятности безотказной работы по заданному критерию. 7.6. Проектный расчет надежности технической системы. 7.7. Применение теории надежности для оценки безопасности технических систем. 7.8. Показатели надежности при оценке безопасности систем «человек – машина» (СЧМ). 7.9. Роль инженерной психологии в обеспечении надежности. 8. Логико-графические методы анализа надежности и риска. 8.1. Определения и символы, используемые при построении дерева. 8.2. Процедура анализа дерева отказов. 8.3. Построение дерева отказов. 8.4. Качественная и количественная оценка дерева отказов. 8.5. Аналитический вывод для простых схем дерева отказов. 8.6. Дерево с повторяющимися событиями. 8.7. Вероятностная оценка дерева отказов. 8.8. Преимущества и недостатки метода дерева отказов. 9.Методы обеспечения надежности сложных систем. 9.1.Конструктивные способы обеспечения надежности. 9.2.Технологические способы обеспечения надежности изделий в процессе изготовления. 9.3.Обеспечение надежности сложных технических систем в условиях эксплуатации. 9.4. Пути повышения надежности сложных технических систем при эксплуатации. 9.5. Организационно-технические методы по восстановлению и поддержанию надежности техники при эксплуатации. 10. Основы теории и практики техногенного риска. 10.1. Понятие техногенного риска. 10.2. Методология анализа и оценки риска. 10.3. Качественные методы анализа риска. 10.4. Количественная оценка риска. 10.5. Критерии приемлемого риска. 10.6. Управление риском. 10.7. Применение теории риска в технических системах. 10.8. Анализ и оценка риска при декларировании безопасности производственного объекта. 10.9. Оценка риска аварий. 5 10.10. Ионизирующее излучение как источник риска. Приложения. Таблица П.1. Значения нормальной функции распределения. Таблица П.2. Квантили χ2. Таблица П.3. Критерий Колмогорова. Таблица П.4. Классификация источников и уровней риска смерти человека в промышленно развитых странах. Таблица П.5. Сравнение методов анализа риска Таблица П.6. Показатели риска промышленного изделия Приложение П.7. Схема оценки профессионального риска Литература. 6 Введение Переход к новым механизмам хозяйствования и развитому рынку путем интенсифика- ции всех производственных процессов невозможен без более полного использования дости- жений научно- технического прогресса, эффективного использования ресурсов, снижения ущерба от аварийности и травматизма. Решение этой грандиозной задачи требует научно обоснованных подходов к организации и обеспечению безопасности всех отраслей промыш- ленности, сельского хозяйства, транспорта и энергетики. Актуальность проблемы обеспечения безопасности особенно возрастает на современ- ном этапе развития производительных сил, когда из-за трудно предсказуемых техногенных и экологических последствий чрезвычайных происшествий поставлено под сомнение само существование человеческого общества. Рассматриваемая проблема становится все более острой как неизбежное следствие происходящей научно-технической революции, т.е. след- ствием обострения противоречий между новыми средствами производства и традиционными способами их использования. Современная цивилизация столкнулась с грандиозной проблемой, заключающейся в том, что основа бытия общества – промышленность, сконцентрировав в себе колоссальные запасы энергии и новых материалов, стала угрожать жизни и здоровью людей, и даже ок- ружающей среде. Авария в условиях современной техносферы по своим масштабам и тяжести последст- вий стала сравнима с природными катастрофами и разрушительными последствиями воен- ных действий с применением ядерного оружия. Как свидетельствуют статистические данные последние 20 лет 20-го века принесли 56% от наиболее крупных происшествий в промыш- ленности и на транспорте. Считается, что ущерб от аварийности и травматизма достигает 10…15% от валового национального продукта промышленно развитых государств, а эколо- гическое загрязнение окружающей природной среды и несовершенная техника безопасности являются причиной преждевременной смерти 20…30% мужчин и 10…20% женщин. В 1995 году на территории РФ было зафиксировано около 1550 чрезвычайных ситуаций, из кото- рых 1150 носили техногенный характер и 400 – природный. В них пострадало 18000 чело- век, погибло свыше 1800. Сложившаяся кризисная ситуация в вопросах аварийности и травматизма объясняется не только низкой культурой безопасности и технологической недисциплинированностью персонала, но и конструктивным несовершенством используемого в РФ промышленного и транспортного оборудования. В наибольшей степени аварийность свойственна угольной, горнорудной, химической, нефтегазовой и металлургической отраслям промышленности, транспорту. Проблема преду- преждения происшествий приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химиче- ской промышленности, при эксплуатации военной техники, где используется и обращается мощные источники энергии, высокотоксичные и агрессивные вещества. Основными причинами крупных техногенных аварий являются: - отказы технических систем из-за дефектов изготовления и нарушений режимов экс- плуатации; - ошибочные действия операторов технических систем; - концентрации различных производств в промышленных зонах; - высокий энергетический уровень технических систем; - внешние негативные воздействия на объекты энергетики, транспорта и др. Безопасность – состояние защищённости отдельных лиц, общества и природной среды от чрезмерной опасности. 7 Государственная политика в области экологической и промышленной безопасности и новые концепции обеспечения безопасности и безаварийности производственных процессов на объектах экономики, диктуемые Федеральными законами «О защите населения и терри- торий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» от 11.11.94 г., «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 №116-ФЗ, Федеральным законом "О радиационной безопасности населения" от 09.01.96 г. №3-ФЗ, Фе- деральным законом "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" от 30.03.99 г. №52-ФЗ, Федеральным законом "Об использовании атомной энергии" от 21.11.95 г. №170-ФЗ, Федеральным законом "Об охране окружающей " от 10.01.02 г. №7-ФЗ, преду- сматривают организационно-правовые нормы в области защиты граждан РФ, а также окру- жающей природной среды от чрезвычайных ситуаций различного происхождения и дают возможность объективной оценки опасностей и позволяют наметить пути, средства и меро- приятия борьбы с ними. Оценка и обеспечение надежности и безопасности технических систем при их созда- нии, отработке и эксплуатации - одна из важнейших проблем в современной технике и эко- номике. Оценка опасности различных производственных объектов заключается в определении возникновения возможных чрезвычайных ситуаций, разрушительных воздействий пожаров и взрывов на эти объекты, а также воздействия опасных факторов пожаров и взрывов на лю- дей. Оценка этих опасных воздействий на стадии проектирования объектов осуществляется на основе теории надежности и нормативных требований, разработанных с учетом наиболее опасных условий протекания чрезвычайных ситуаций и проявления их негативных факторов, утечек и проливов опасных химических веществ, пожаров и взрывов, т.е. с учетом аварийной ситуации. 8 1. Основные понятия надежности технических систем Термины надежность, безопасность, опасность и риск часто смешивают, при этом их значения перекрываются. Часто термины анализ безопасности или анализ опасности ис- пользуются как равнозначные понятия. Наряду с термином анализ надежности они относят- ся к исследованию как работоспособности, отказов оборудования, потери работоспособно- сти, так и процесса их возникновения. Обеспечение надежности систем охватывает самые различные аспекты человеческой деятельности. Надежность является одной из важнейших характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации самых различных технических систем. С развитием и усложнением техники углубилась и развивалась проблема ее надежно- сти. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, кото- рым они подчиняются, разработка метода проверки надежности изделий и способов контро- ля надежности, методов расчетов и испытаний, изыскание путей и средств повышения на- дежности – являются предметом исследований надежности. Если в результате анализа требуется определить параметры, характеризующие безопас- ность, необходимо в дополнение к отказам оборудования и нарушениям работоспособности системы рассмотреть возможность повреждений самого оборудования или вызываемых ими других повреждений. Если на этой стадии анализа безопасности предполагается возмож- ность отказов в системе, то проводится анализ риска для того, чтобы определить последствия отказов в смысле ущерба, наносимого оборудованию, и последствий для людей, находящих- ся вблизи него. Наука о надежности является комплексной наукой и развивается в тесном взаимодей- ствии с другими науками, такими как физика, химия, математика и др., что особенно нагляд- но проявляется при определении надежности систем большого масштаба и сложности. При изучении вопросов надежности рассматривают самые разнообразные объекты - изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надежность изделия зависит от надежно- сти его элементов, и чем выше их надежность, тем выше надежность всего изделия. Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транс- портирования. Недостаточная надежность объекта приводит к огромным затратам на его ре- монт, простою машин, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связан- ным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человече- скими жертвами. Чем меньше надежность машин, тем большие партии их приходится изго- товлять, что приводит к перерасходу металла, росту производственных мощностей, завыше- нию расходов на ремонт и эксплуатацию. Надежность объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем пока- зателям - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по со- четанию этих свойств. Безотказность - свойство объекта сохранять работоспособность непрерывно в тече- ние некоторого времени или некоторой наработки. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей. Безотказность свойственна объекту в любом из возможных режимов его существования, в том числе, при хранении и транспортировке. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступле- ния предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ре- монта. 9 В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью рабо- ты объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его рабо- тоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании. Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуата- ция недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состоя- ния невозможно или нецелесообразно. Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения техническо- го обслуживания и ремонта. Важность ремонтопригодности технических систем определяет- ся огромными затратами на ремонт машин. Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения парамет- ров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и по- сле хранения и (или) транспортирования. Практическая роль этого свойства велика для дета- лей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запасных принадлежностей. Объекты подразделяют на невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановле- ны потребителем и подлежат замене (например, электрические лампочки, подшипники, ре- зисторы и т.д.), и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем (на- пример, телевизор, автомобиль, трактор, станок и т.д.). Надежность объекта характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправ- ное, работоспособное, неработоспособное. Исправное состояние - такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Исправное изделие обязательно работоспособно. Неисправное состояние - такое состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проект- ной) документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам. Например, повреждение окраски автомобиля означает его неисправ- ное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Работоспособным состоянием называют такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно- технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Неработоспособное изделие является одновременно неисправным. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Отказы по характеру возникновения подразделяют на случайные и неслучайные (сис- тематические). Случайные отказы вызваны непредусмотренными нагрузками, скрытыми дефектами материалов, погрешностями изготовления, ошибками обслуживающего персонала. Неслучайные отказы - это закономерные явления, вызывающие постепенное накоп- ление повреждений, связанные с влиянием среды, времени, температуры, облучения и т. п. В зависимости от возможности прогнозировать момент наступления отказа все отказы подразделяют на внезапные (поломки, заедания, отключения) и постепенные (износ, старе- ние, коррозия). По причинам возникновения отказы классифицируют на конструктивные (вызванные недостатками конструкции), производственные (вызванные нарушениями технологии изго- товления) и эксплуатационные (вызванные неправильной эксплуатацией). 2. Показатели надежности технических систем 10 Показателями надежности называют количественные характеристики одного или не- скольких свойств объекта, составляющих его надежность. К таким характеристикам относят, например, временные понятия - наработку, наработку до отказа, наработку между отказа- ми, ресурс, срок службы, время восстановления. Значения этих показателей получают по ре- зультатам испытаний или эксплуатации. По восстанавливаемости изделий показатели надежности подразделяют на показатели для восстанавливаемых изделий и показатели невосстанавливаемых изделий. Применяются также комплексные показатели. Надежность изделий, в зависимости от их назначения, можно оценивать, используя либо часть показателей надежности, либо все показатели. 11