Введення

Економічна ефективність складних технічних систем (комплексів), таких як:

• космічні системи (космічні апарати, стартові і ракетні комплекси);

• літальні апарати (літаки різних типів і призначення);

• енергетичні системи (ядерні енергетичні установки АЕС та системи їх енергозабезпечення, ТЕС);

• підприємства нафтогазової промисловості (системи магістральних трубопроводів, перекачування нафти і газу);

• великі військові об'єкти

і т.д., за весь період їх експлуатації, безпосередньо залежить від значень їх поточної надійності і показників довговічності (технічного ресурсу, терміну служби).

Проблема забезпечення максимально можливого терміну служби, "уповільнення" старіння таких систем, продовження їх строків експлуатації, в умовах жорстко обмежених коштів (фінансових можливостей, технічних, людських ресурсів та ін), є однією з найактуальніших проблем для вчених, економістів і технічних фахівців різних країн. Наслідки виникнення відмов, несправностей або дефектів у таких системах можуть призводити до наслідків аж до трагічних: глобальних катастроф, ураження навколишнього середовища, людських жертв, великих фінансових та матеріальних втрат. Так, витрати на проведення заходів з неруйнівного контролю (НК) і пов'язаних з ним робіт під час експлуатації АЕС складають не менше 50% всіх витрат, пов'язаних з експлуатацією станції [1], при втратах близько 675000 доларів США в разі простою одного блоку 1000 Мвт (ел) протягом ефективних діб. Категоричність вимог громадськості про необхідність виключення техногенних катастроф, які відбуваються з частотою 600-700 на рік зі шкодою для навколишнього середовища, робить проблему безпеки систем ще більш актуальною.

Дослідження в даному напрямку неможливі без використання системного підходу, врахування різних заходів і вирішення завдань, які можуть призвести до покращення стану систем, гарантувати прийнятну надійність та продовження їх періоду експлуатації з урахуванням економічних критеріїв і обмежень.

Для систем з високою ціною відмови дуже важливим є і людський фактор, який часто грає визначальну роль при проведенні НК. Підвищення рівня освіти персоналу дозволяє підвищити як достовірність контролю, так і суттєво впливати на надійність системи в цілому.

1. Роль і місце методів неруйнівного контролю для забезпечення надійності і довговічності складних систем з високою ціною відмови

1.1 Проблеми виявлення дефектів і характеристики методів НК

При проведенні моніторингу технічного стану (ТС) складних систем і агрегатів однією з найбільш актуальних є завдання об'єктивного своєчасного виявлення дефектів різної природи та організація контролю за розвитком дефектів через старіння елементів при експлуатації.

Одним із шляхів запобігання небажаних наслідків від експлуатації виробів з дефектами є систематичне використання методів НК [1-4]. Дефектом, відповідно до нормативно-технічної документації (НДТ) (ГОСТ 17-102), називається кожне окреме невідповідність продукції вимогам. Однак у практиці застосування засобів неруйнівного контролю немає повної відповідності поняття "дефект" визначенню згідно з ГОСТ. Зазвичай під дефектом розуміють відхилення параметра від вимог проектно-конструкторської документації, виявлене засобами неруйнівного контролю. Зв'язок такого поняття з визначенням по ГОСТ встановлюється шляхом поділу дефектів на допустимі вимогам НТД та неприпустимі.

Узагальнюючи, тут і далі під дефектом будемо розуміти фізичне прояв зміни характеристик об'єкта контролю з параметрами, що перевищують нормативні вимоги. За походженням дефекти поділяють на виробничо-технологічні, що виникають у процесі проектування та виготовлення виробу, його монтажу та установки, і експлуатаційні, що виникають після деякого напрацювання вироби в результаті процесів деградації, а також в результаті неправильної експлуатації і ремонтів.

Надалі, кажучи про дефекти, що виявляються засобами і методами НК, будемо мати на увазі експлуатаційні та виробничо-технологічні дефекти, не виявлені при виготовленні і здачі систем в експлуатацію.

Так, наприклад, (в залежності від об'єкта) вся сукупність об'єктів і систем може бути розбита на групи, для яких характерні однотипні дефекти:

- Силові металоконструкції (стріли вантажопідіймальних машин, установників, що несуть формені конструкції, силові елементи агрегатів обслуговування);

- Посудини, теплообмінні апарати, трубопроводи (судини і ємності, влагомасло-віддільники і холодильники компресорних установок, теплообмінні апарати, камери нейтралізації, магістралі газів і рідин тощо);

- Механізми та машинне обладнання (гідроприводи, редуктори, насоси, компресори, вентилятори й приводні електродвигуни, дизельні електро станції);

- Трубопроводи, корпуси систем під тиском, парогенератори, системи рідко-постачання;

- Контрольно-вимірювальні прилади (КВП) і автоматика, устаткування систем управління;

- Кабельне обладнання (силові кабелі, вимірювальні кабелі, кабелі систем управління, кабелі зв'язку);

- Електронне устаткування;

- Обладнання електропостачання (трансформатори, комутаційна апаратура);

- Об'єкти, що містять радіоактивні речовини, активність яких визначається без руйнування вихідних матриць;

- Конструкції будівельних споруд.

Розглянемо деякі найбільш характерні дефекти наведених систем.

Для силових металоконструкцій характерні ливарні дефекти (рихлоти, пористість, Лікваційне зони, дендритная ізоляція, зональна ізоляція, подусадочная ізоляція, газові міхури або раковини, піщані і шлакові раковини), металеві і неметалеві включення, утяжин, полони, спаї, гарячі, холодні і термічні тріщини); дефекти Прокачаний і кованого металу (тріщини, флок, волосовини, розшарування, внутрішні розриви, рваніни, захід сонця і Заков, полони); дефекти зварних з'єднань (тріщини в наплавленном металі, холодні тріщини, мікротріщини у шві, надриви, тріщини, які утворюються при термообробці, рихтувальні тріщини, непровари, пори і раковини, шлакові включення), дефекти, що виникають при обробці деталей (гартівні і шліфувальні тріщини, надриви); дефекти, що виникають при експлуатації виробів (втомні тріщини, корозійні пошкодження, тріщини, що утворюються в результаті одноразово прикладених високих механічних напружень, механічні пошкодження поверхні).

Для судин, теплообмінних апаратів, трубопроводів характерні виробничо-технологічні та експлуатаційні дефекти, аналогічно силовим металлоконструкциям. Крім цього для даної групи обладнання характерні негерметичності сполук, що призводять до витоку робочих середовищ, зменшення прохідних перетинів у результаті відкладень на стінках продуктів корозії і накипу. Найважливішим параметром, що визначає довговічність і надійність експлуатації нафтогазових труб різних діаметрів, є товщина антикорозійного тришарового поліетиленового покриття.

Для механізмів і машинного обладнання характерні знос і поломка деталей, пошкодження ущільнень, що супроводжуються витоком робочих рідин, місцевим аномальним нагріванням частин обладнання, стороннім шумом, підвищеною вібрацією.

Для КВП і автоматики, устаткування систем управління характерні вихід з ладу окремих блоків і приладів, порушення електричного контакту, зменшення опору і пробою ізоляції.

Для кабельного обладнання характерні зменшення опору ізоляції, старіння ізоляції, обрив жил кабелю, загоряння ізоляції та ін

Для електронного устаткування характерні вихід з ладу блоків та окремих елементів.

Для обладнання електропостачання характерні залипання контактів, вихід з ладу кінцевих вимикачів і приводів міжсекційних вимикачів.

Для конструкцій будівельних споруд характерні такі дефекти, як тріщини, раковини, несуцільності бетону, дефекти армування бетону, руйнування фундаментів і підстав і т.д.

Для об'єктів з радіоактивними речовинами під дефектами можна розуміти рівні активності, що перевищують допустимі норми. Таким чином, для кожної з груп устаткування можна скласти перелік методів НК та перелік приладів та технологій їх застосування для реалізації цих методів.

Вибір методу НК повинен бути заснований крім апріорного знання про характер дефекту на таких факторах, як:

• умови роботи виробу;

• форма та розміри виробу;

• фізичні властивості матеріалу деталей виробу;

• умови контролю та наявність підходів до перевіряється об'єкту;

• технічні умови на вироби, що містять кількісні критерії неприпустимість дефектів і часто нормуючі застосування методів контролю на конкретному виробі;

- Чутливість методів.

Достовірність результатів визначається чутливістю методів НК, виявленням і повторюваністю результатів і заснована на ретельній калібруванні.

Чутливість методу контролю є важливою його характеристикою. У табл. 1 наведена чутливість для різних методів визначення несплошностей в матеріалі виробів. Аналітичний вигляд кривої виявляємості дефектів наведено в [1]:

(1)

де Х ₀ - граничний найменший розмір що виявляється дефекту, який залежить від чутливості методу контролю; X - константа. Імовірність пропуску дефекту з урахуванням помилок оператора визначається як:

(2)
де е і в - постійні, f = 0.005 експериментально отримана величина.

Таблиця 1.

Чутливість методів неруйнівного контролю при визначенні несплошностей в металі

Застосування кожного з методів в кожному конкретному випадку характеризується ймовірністю виявлення дефектів. На ймовірність виявлення дефектів впливають чутливість методу, а також умови проведення процедури контролю. Визначення ймовірності виявлення дефектів є досить складним завданням, яке ще більше ускладнюється, якщо для підвищення достовірності визначення дефектів доводиться комбінувати методи контролю. Комбінування методів має на увазі не тільки використання декількох методів, але і чергування їх у певній послідовності (технології). Разом з тим, вартість застосування методу контролю або їх сукупності повинна бути по можливості нижче. Таким чином, вибір стратегії застосування методів контролю грунтується на прагненні, з одного боку, підвищити ймовірність виявлення дефектів і, з іншого боку, знизити різні техніко-економічні витрати на проведення контролю.

Наприклад, імовірність виявлення дефектів у зварних з'єднаннях наведена в табл.2 [5]. Частота виявлення дефектів різного типу наведена детально в роботі [1]. Як відзначається в [1] на АЕС у Росії використовують норми дефектів для виготовлення. Тому обсяги ремонту на АЕС у 10 разів і більше перевищують необхідний рівень для забезпечення безпечної експлуатації. Введення на діючих АЕС економічно обгрунтованих і оптимальних норм дефектів дозволить скоротити в 10 і більше разів трудовитрати і раціонально перерозподілити кошти для підвищення безпеки і продовження залишкового ресурсу.

Таблиця 2

Відносна виявлення дефектів зварювання різними методами дефектоскопії у% від загального числа дефектів

Однак, незважаючи на значні успіхи в розвитку методів НК і вживані заходи з контролю ТЗ різних систем, окремі дефекти залишаються не виявленими і стають причинами та результатами аварійних ситуацій і великих катастроф. Так, методи і засоби НК, що застосовуються на стадіях виробництва і передексплуатаційний контролю на АЕС, далекі від досконалості і в результаті їх застосування не виявляється значне число дефектів технологічної природи [1].

1.2 Ефективність комплексного застосування методів НК

Об'єктивний аналіз застосування різних методів привів до доцільності застосування комплексних систем контролю, які використовують різні за фізичну природу методи дослідження, що, у свою чергу, дозволить виключити недоліки одного методу, взаємодоповнюючи методи і реалізувати тим самим принцип "надмірності" для підвищення надійності контролю систем і агрегатів.

Різні методи НК характеризується різними значеннями техніко-економічних параметрів: чутливістю, умовами застосування, типами контрольованих об'єктів і т.д. Тому при формуванні комплексу методів НК різної фізичної природи виникає проблема оптимізації складу комплексу з урахуванням критеріїв їх ефективності та витрат ресурсів.

Комплексне використання найбільш чутливих методів не означає, що показники достовірності будуть відповідно найбільшими, а в свою чергу, облік першочерговості технічних показників може призвести до суперечностей з економічними критеріями, такими як трудовитрати, вартість, час контролю і т.д., що, в свою чергу, може призвести до того, що обраний комплекс методів НК може виявитися з економічної точки зору неефективним.

Для реалізації різних методів НК розроблені різні прилади: дефектоскопи, тепловізори для різних дефектів (тріщин, негерметична), електронне обладнання (для знаходження ослаблення електричних контактів), механічне обладнання, яке має різні техніко-економічні характеристики і технології використання для різних типів дефектів та ін

З аналізу наявних характеристик випливає необхідність вирішення задачі вибору складу (комплексу) методів НК як завдання в оптимізаційної постановці.

Комплексне застосування методів НК для діагностики та виявлення дефектів в агрегатах і системах направлено на забезпечення збільшення ефективності і достовірності контролю, продовження працездатності та ресурсу.

Завдання формування комплексу різних методів НК для виявлення сукупності можливих (найбільш небезпечних дефектів) у системі може бути сформульована як оптимізаційна багаторівнева однокритерійним (багатокритеріальна) завдання дискретного програмування [7].

Рішення завдання - оптимальне поєднання різних методів НК, застосування яких найбільш ефективно при експлуатації та аналізі ресурсу дорогих систем.

Актуальними при проведенні НК є також завдання оптимального розподілу обсягів контролю на всіх етапах життєвого циклу об'єкта, оптимізації місць і параметрів контролю, планування технічного обслуговування системи з урахуванням економічних показників.

1.3 Індустріалізація застосування методів НК.

Удосконалення досвіду в галузі системного аналізу, розвиток науково-методичної бази та накопичення статистичної інформації дозволили підійти до формулювання та обгрунтування концепції "абсолютної надійності" відповідальних систем, яка базується на результатах використання імовірнісних методів аналізу безпеки і міцності, аналізу критичності та оптимального резервування, вдосконалення та широкого застосування методів НК, автоматизованих систем НК, кількісного обліку впливу НК на міцність і довговічність систем, комп'ютерному аналізі та оцінці результатів розрахунків і вимірювань.

Великі обсяги проведення робіт з виявлення дефектів у системах і катастрофічні наслідки, які можуть бути причиною неякісного його проведення, ставлять завдання по індустріалізації застосування методів НК з використанням математичних моделей, методів і сучасних інформаційних технологій для організації моніторингу при експлуатації систем.

Індустріалізація застосування методів НК і організації робіт на відповідальних об'єктах і системах вимагають великих матеріальних і тимчасових витрат, порівнянних з усіма іншими витратами на експлуатацію об'єкта.

При проведенні моніторингу, дослідження систем (елементів) та застосування методів НК з метою продовження ресурсу важливими є дані, одержувані в результаті рішення задач:

- Прогнозування ймовірності безвідмовної роботи (ВБР) елементів і систем. Прогнозування може здійснюється окремо за поступовим і раптовим відмовам, з використанням моделей поліноміальної регресії, моделей аналізу цензурованих вибірок;

- Складання (або використання готової) узагальненої структурної схеми надійності системи і її вузлів та елементів. Узагальнена структурна схема надійності може містити крім основних і резервних елементів, елементи зі складу ЗІПа. Структурна схема надійності являє собою таку сукупність функціонально подібних основних і резервних елементів, відмова яких викликає непереборний відмову всієї системи;

- Формування критеріїв граничного стану для системи. Граничним станом елемента є його непереборний відмову. Відмова елемента неустраним, якщо, наприклад, вичерпаний резерв і ЗІП. Непереборний відмова елемента, який викликає відмова системи, означає перехід системи в її граничний стан;

- Прогнозування залишкового ресурсу вузлів і системи в цілому. Показники залишкового ресурсу визначаються за емпіричної залежності ВБР вузла (по відношенню до непереборних відмов) від напрацювання. Залишковий ресурс системи може прогнозуватися двома способами: за результуючої залежності ВБР системи від напрацювання, що розраховується на основі аналогічних функцій вузлів, або за залишковим ресурсу найбільш "слабкого" в сенсі довговічності вузла. Як кількісних оцінок показників залишкового ресурсу використовуються середній і гамма-процентний залишкові ресурси.

Для ефективного вирішення завдань прогнозування ТЗ і залишкового ресурсу систем, підвищення їх довговічності актуальними є:

- Вдосконалення приладового контролю, підвищення точності, застосування передових методів контролю технічного стану та методів НК;

- Автоматизація збору обробки і зберігання експлуатаційної інформації на базі універсальних вимірювальних апаратно-програмних комплексів, розробка та ведення бази даних моніторингу ТС систем, розробка форм експлуатаційних документів для збору даних, необхідних для прогнозування залишкового ресурсу систем, формування переліку критичних з точки зору надійності елементів досліджуваних систем для контролю;

- Детальне опрацювання переліку контрольованих параметрів, місць, методів і технологій вимірювань, приладів для контролю та їх клас точності, періодичність контролю.

В якості базового засоби вимірювання при моніторингу ТЗ необхідно використовувати апаратно-програмні комплекси по збору та обробці вимірювальної інформації на базі персональних комп'ютерів, які дають високу точність і оперативність вимірів, надають широкі можливості при обробці і зберіганню результатів, багатофункціональність, високу мобільність, відносно низьку вартість (у порівнянні з загальною вартістю замінних приладів).

Результати застосування НК можуть бути корисними при обгрунтуванні оптимальних обсягів ремонтно-відновлювальних робіт, що забезпечують заданий (або максимально можливе при виділеному кількості коштів на ремонт) продовження технічного ресурсу аналізованих систем.

2. Методологічні аспекти забезпечення безпеки складних технічних об'єктів в умовах обмежених ресурсів

Складні технічні системи в своєму розвитку - від первісної ідеї замовника і генерального конструктора, до її монтажу, або виведення з експлуатації (списання), проходять ряд етапів: кілька стадій і циклів проектування, виготовлення дослідних агрегатів і зразків систем, експлуатація в різних режимах і зовнішніх умовах. Неминуче накопичення інженерних або проектних помилок, технологічних відхилень, шлюбу і фізичних дефектів в елементах конструкцій і систем можуть скорочувати запланований період нормального функціонування та експлуатації, а також знижувати безвідмовність функціонування. Порівняльні оцінки витрат на усунення дефектів, які виявляються на різних стадіях проектування, виготовлення і експлуатації системи зростають приблизно в десять разів при збереженні не виявленого дефекту в системі, при переході з однієї стадії життєвого циклу в іншу. У роботі [1] відзначаються помилки у звіті з безпеки ядерних реакторів WASH-1400, які виникли на етапі проектування однієї з систем. Помилка була виявлена ​​в дереві відмов, хоча документи з даними графічними матеріалами багаторазово перевірялися і перевірялися. Багаторічна практика експлуатації складних систем показує, що важливим завданням при підтримці об'єктів у стані працездатності є організація та проведення технічного обслуговування і різних видів ремонтів (відновлення) елементів систем. Організація "уповільнення" процесів старіння дорогих систем та забезпечення їх безпеки вимагає перегляду існуючих методик та підходів, а також розробки якісно нового підходу - застосування

Виділяються дві категорії сегментів трубопроводів [22]:

1. сегменти, важливі для безпеки;

2) сегменти, не важливі для безпеки.

При цьому кожна з категорій ранжирується за вкладом в частоту проплавлення активної зони, яка і є прийнятою оцінкою ризику системи в цілому.

Етап 3 пов'язаний з проведенням оцінок ризику окремих сегментів трубопроводів. Послідовність кроків при оцінці ризику окремого сегменту трубопроводу наведена на рис.3.

Високий рівень наслідків пов'язаний з порушенням меж контуру тиску, який веде до істотного внеску в сумарний ризик АЕС. Середній - визначає події, не пов'язані з високому або низькому рівням наслідків. Низький - порушення кордонів контуру тиску, що приводить до очікуваних експлуатаційним подіям і не погіршує можливості АЕС з ослаблення наслідків відмов.

Одна з "сильних" сторін розглянутого Rl - ISI підходу полягає в тому, що його застосування неможливе без детального вивчення і розуміння механізмів деградації трубопроводів.

2.2.5 Оцінка частот пошкодження трубопроводів

Задача оцінки частот пошкодження трубопроводів є витратною з точки зору як трудових, так і фінансових ресурсів. Говорячи про оцінку частот, необхідно відійти від імовірнісних пошкоджень трубопроводів і використовувати частотні характеристики, які, особливо для рідкісних подій, є більш повними з точки зору їх використання при розрахунку ризику. Для оцінки частот пошкодження трубопроводів використовується два підходи:

Рис. 3. Послідовність етапів при оцінці ризику окремого сегменту трубопроводу.

1. аналіз структурної надійності;

2) аналіз експлуатаційних даних.

2.2.6 Аналіз структурної надійності

Цей підхід має на увазі використання імовірнісних оцінок на основі техніки механіки руйнувань для розрахунку ймовірностей відмови / руйнування ділянки трубопроводу як функції часу, включаючи такі параметри, як частота проведення контролю і вірогідність виявлення дефекту.

Використання методу Монте-Карло дозволяє моделювати виникнення і розвиток тріщин, а також оцінювати, яка їх частина не буде продетектированного і відремонтовано до моменту відмови трубопроводів. При цьому вірогідність відмови заснована на повторюваному застосуванні детерміністських моделей росту тріщин.

Реалізовані алгоритми включають в себе, також, частоту проведення контролю і вірогідність виявлення дефектів неруйнівними методами.

Програмне забезпечення для реалізації такої ймовірнісної моделі є в користуванні далеко не всім внаслідок складності алгоритму. Окремо необхідно згадати про похибки і невизначеності, оцінка яких - далеко не проста процедура [30]. Опубліковані результати за оцінками, отриманими в рамках аналізу структурної надійності, містять оцінки частот відмов трубопроводів, які занадто малі для їх верифікації, але повинні бути в згоді з даними по досвіду експлуатації.

2.2.7 Аналіз експлуатаційних даних для трубопроводів

Альтернативний метод оцінки частот пошкодження трубопроводів полягає в розробці моделей на основі досвіду експлуатації. Цей досвід становить кілька тисяч реакторо-років експлуатації і є безцінним джерелом інформації щодо найбільш вірогідних причин великої кількості течі трубопроводів і щодо малого, до цих пір, кількості великих теч і розривів трубопроводів.

Розроблено цілий ряд моделей для оцінки кореляцій частот пошкодження трубопроводів та фізичних характеристик самих механізмів, що викликають пошкодження трубопроводів. Як правило, механізми пошкодження трубопроводів досить повно враховують умови і режими експлуатації, а також механізми деградації, які або прямо ведуть до пошкодження трубопроводів, або суттєво зменшують можливості трубопроводів протистояти різних умов перехідних процесів. Тому досвід експлуатації може бути використаний практично при розгляді потенційних відмов трубопроводів за допомогою ідентифікації характерних механізмів деградації, або їх комбінацій, а також експлуатаційних параметрів і умов. Виходячи з аналізу даних, отриманих при експлуатації трубопроводів, можна, створивши відповідну базу даних, на основі розуміння характерних механізмів відмови запровадити процедуру ранжування потенційних відмов сегментів трубопроводів по їх значущості як:

- Висока; - середня; - мала.

Оскільки на даному рівні деталізації умовне розбиття потенційних відмов на три категорії є прийнятним, то тут не обговорюються похибки при оцінці чисельних величин частот, які були б актуальні при необхідності роботи з їх абсолютними значеннями.

На підставі баз даних відмови трубопроводів можуть бути класифіковані по наступних режимах відмов [24]:

• тріщини / протікання: дефекти, проникаючі по товщині трубопроводів і призводять до видимими ознаками (відкладення борної кислоти, поява крапель і т.д.);

• течі: дефекти, для яких характерне руйнування трубопроводу, що виявляється в обмежених, але легко виявляються протечках. Діапазон характерних протікання: від витоків із мікроотворів до декількох літрів за хвилину;

• пошкодження: дефекти, для яких характерні швидкості протікання з параметрами, які вище встановлених технічних вимог. Як правило, цей тип ушкоджень з характерними швидкостями протікання виявляється системою виявлення протечек (на західних АЕС);

• розрив, руйнування, гільйотинний розрив: трубопровід руйнується або значною мірою по перерізу трубопроводу, або аж до двостороннього відриву частини трубопроводу по повному перетину. Для такого типу дефектів немає надійних оцінок за оцінкою швидкості витікання, але зазвичай ця величина визначається витратою системи підживлення.

2.2.8 Основні механізми деградації трубопроводів

Найбільш характерні механізми деградації визначаються особливостями реакторної установки, матеріалами, умовами експлуатації і т.д.

До основних механізмів деградації належать [24]:

- Термічна втома (ТУ);
- Корозійне розтріскування (КР);
- Корозійне розтріскування під напругою (КРН) (межкристаллитная корозія, транскрісталлітная корозія і т.д.);
- Щілинна корозія і локальне корозійний вплив (ЛК) (мікробна корозія, піттінговая корозія тощо);
- Ерозія при кавітації (Е-К);
- Ерозійна корозія (Е / К);
- Вібраційна втома (ВУ);
- Гідроудар (ГУ).

Визначення частот відмов / ушкоджень розривів трубопроводів на основі наявних даних по конкретних механізмів деградації є предметом окремого напрямку при моделюванні процесів і оцінкою самих частот [24, 29]. Нижче, в табл. 6, наведені типові величини частот, розраховані за даними експлуатаційного досвіду США.

Таблиця 6. Характерні механізми деградації та їх частоти

*- Точкова оцінка - нуль, якщо не спостерігаються розриви; верхня оцінка дана в припущенні одного відмови для кожного механізму деградації.

Величини частот для потенційних розривів трубопроводів внаслідок специфічних механізмів деградації дозволяють виділити найбільш важливі з них і проранжувати їх за трьома раніше введеним категоріям.

У табл. 7 наведено розбиття механізмів деградації за категоріями ризику для оцінки потенційних розривів трубопроводів в рамках матриці ризику.

Таблиця 7. Категорії механізмів деградації при оцінці потенційного ризику для трубопроводів

Елементи етапу 4 розглянуті в [18].

2.2.9 Досвід застосування RI-ISI

Говорячи про останній, 5 етапі, необхідно відзначити, що в США методологія Rl - ISI вже знайшла застосування у вигляді двох підходів: А і В, розроблених, відповідно, компанією Westinghouse і EPRI - електроенергетичним дослідним інститутом. Виконання Rl - ISI за методом А завершено для:

- АЕС Millstone, блок 3; - АЕС Surry, блок 1;
за методом В для:

- АЕС ANO, блок 1; - АЕС ANO, блок 2.

Всі реактори - легководні під тиском від різних виробників.

Результати виконання програми Rl - ISI для системи охолодження реактора наведено в табл. 8.

Результати є дуже вражаючими: обсяг контролю на АЕС Millstone скоротився в 5 разів, при цьому рівень безпеки та надійності залишився таким самим.

Таблиця 8 - Результати виконання програм Rl - ISI в США

3. Моделювання централізованої системи забезпечення безпеки складних технологічних об'єктів

У

... ...

SQL - запити

SQL - запити

SQL - запити

ЛСХД

ЦСХД

Портативні прилади НК

Стаціонарні комплекси НК

Рис. 4 Структурна схема СВБ

На першому рівні системи знаходяться апаратні комплекси виконують безпосередню оцінку технічного стану отказоопасних вузлів об'єкта методами неруйнівного контролю. В якості структурних елементів цього рівня можуть виступати всілякі портативні прилади, такі як УЗК і вихретокові, дефектоскопи, тепловізори, дозиметри і т.п, а так само різні стаціонарні комплекси НК. Аналіз ефективності застосовуваних на сьогоднішній день методів НК для різних груп об'єктів, а так само чинники, що впливають на формування комплексу методів НК які можуть бути застосовані до того чи іншого об'єкту, розглянуті в п.1 моєї роботи.

Інформація про об'єкт, отримана на першому рівні СВБ, надходить до бази даних локальних систем зберігання даних (ЛСХД), що утворюють другий рівень СВБ. Більшість ЛСХД можуть бути побудовані на базі звичайних настільних ПК, оснащених відповідними інтерфейсними платами, ПЗ, при необхідності можуть бути використані мобільні ПК. Даних з портативних приладів НК заносяться в ЛСХД вручну, але частіше для цього використовується RS 232 - інтерфейс. Стаціонарні комплекси НК з'єднуються з ЛСХД допомогою різних мережевих протоколів. Оскільки більшість подібних комплексів будуються на базі ПК, то для зв'язку з ЛСХД можуть застосовуватися стандартні протоколи ЛВС (локальних обчислювальних мереж), але можуть використовуватися і спеціальні промислові протоколи, наприклад, HART - протокол.

Третім рівнем СВБ є централізована система зберігання та аналізу даних (ЦСХД) зібраних на перших двох рівнях СВБ. У залежності від масштабів системи це може бути один або декілька комп'ютерів, на яких знаходиться розподілена база даних і програмний комплекс аналізу й обробки всієї одержуваної інформації. Саме ЦСХД виконує функцію інтегрування, перетворюючи численні с-ми НК в цілісну систему забезпечення безпеки об'єкта. У ЦСХД закладені результати численних випробувань з метою визначення застосовності оцінок стану тих чи інших контрольованих елементів на основі концепції ризику. Резюмуючи викладене в п.2 нашої роботи, варто пояснити алгоритм дії і завдання покладені на ЦСХД: На основі теоретичних і експлуатаційних даних виділяється ряд отказоопасних елементів і вузлів контрольованої системи. Потім, на основі концепції ризику, проводиться оцінка та ранжування виділених елементів по тяжкості наслідків у разі їх відмови, за механізмами виникнення відмов і за ступенем ризику виникнення відмов. Т.ч. для кожного елемента системи визначається ряд гранично допустимих параметрів і ступінь ризику для працездатності системи в цілому, у випадку відхилення від цих параметрів.

Одночасно з цим, для кожного типу контрольованих елементів, на основі концепцій докладно розглянутих у П. 1.1-1.2 моєї роботи, визначається спектр методів НК (тобто структурний склад першого рівня СВБ) для контролю цих параметрів. Ведення з допомогою бази даних дефектоскопічну паспорта, дозволяє проводити об'єктивний аналіз тенденції деградації для кожного з контрольованих елементів. Постійне порівняння поточних параметрів контрольованих елементів з їх критичним значенням дозволяє достовірно оцінити технічний стан контрольованого об'єкта. Використання подібної СВБ дає можливість досягти оптимального балансу між безпекою та отказоустойчивостью всього об'єкта в цілому і рівнем матеріальних вкладень для підтримки працездатності об'єкта. Як показала практика впровадження подібних систем на деяких АЕС США, їх застосування дозволило знизити експлуатаційні витрати в 5-8 і більше разів.

Опис програмного комплексу Eclipse TG2

Для ілюстрації наведених принципів побудови СВБ, мною була написана програма Eclipse TG2. У структурній ієрархії СВБ дана програма є ЛСХД з елементами ЦСХД. Програма призначена для зчитування даних тестування з УЗК дефектоскопів і товщиномірів компанії NDT Systems. Дефектоскопи серії Quantum і товщиноміри серії Nova і Eclipse, цієї компанії, є багатофункціональними приладами призначеними для широкого спектру дефектоскопічних досліджень. Прилади мають подібний протокол передачі даних на ПК через інтерфейс RS-232, тому програма може працювати з приладами всіх зазначених серій. У своїй роботі я використовував товщиномір моделі Eclipse TG2.

Рис. 5 Програма Eclipse TG2 - вікно даних

Програма має базу даних в яку заноситься інформація про тестованому об'єкті, така як: назва об'єкта, кількість і розташування точок для яких виконується контроль товщини, поточне лічене значення товщини і його критичне значення, а так само дата проведення тестування, дата наступного тестування та ім'я дефектоскопіста виконав тестування (малюнок 5).

При запуску програма видає вікно зі списком усіх контрольованих об'єктів, інформація про які є в базі. З випадного списку можна вибрати об'єкт, і для нього буде виведено кількість контрольованих точок, дата останнього тестування і ступінь деградації в кожній з цих точок. На графіку внизу вікна відображається динаміка зміни товщини.

Рис. 6 Програма Eclipse TG2 - панель управління

При зменшенні товщини до критичного значення, графік стає червоного кольору і видається вікно з попередженням (малюнок 6).

Дані тестування зберігаються в базі даних в форматі MS Access 2000. Була зроблена HTML-сторінка на яку запроваджено об'єкт пов'язаний з базою даних. Якщо помістити таку сторінку на веб-сервер працює під управлінням Windows, то програма Eclipse TG2 перетворюється на повноцінні комплекс ЛСХД, що виконує функції збору, зберігання і передачі в ЦСХД даних отриманих від приладів УЗК контролю

Детальний опис програми знаходиться у додатку 1.

Висновок

Продовження термінів експлуатації та підтримання значень показників довговічності, надійності і безпеки складних дорогих систем може бути досягнуте за рахунок використання оптимального поєднання різних за своєю природою методів НК. Проблема забезпечення безпеки при експлуатації систем підрозділяється на блоки взаімосвязних функціональних завдань, вирішення яких дозволяє реалізувати на практиці конкретний механізм підтримки безпеки складних об'єктів з урахуванням жорстко обмежених і доступних ресурсів.

. Ефективність застосування методів НК залежить від схем організації контролю, його планування, використання сучасних інформаційних технологій та обчислювальної техніки, персоналу.

Рішення завдання виявлення дефектів дозволяє, крім вироблення рекомендацій з розподілу коштів, обгрунтувати з економічної точки зору вимоги до виробів по довговічності (виявити залежності збільшення ресурсу, терміну служби виробу від додатково вкладаються в нього коштів), а такі оцінити достатність коштів, що виділяються для створення ефективної ( в сенсі вибраного критерію) системи експлуатації виробів.

Для ефективної реалізації заходів за доцільне створення груп НК, побудова системи навчання і сертифікації експлуатаційного персоналу [17,18] методам прогнозуючого контролю та ведення бази даних з контролю ТЗ систем для організації науково-методичного супроводу експлуатованих систем в ході всіх етапів контролю ТЗ і прогнозування залишкового ресурсу.

При цьому розроблені програми дозволяють здійснювати ефективне управління цілісністю контрольованих систем, а також включати і розроблені процедури, і конкретні результати в повномасштабну систему управління (менеджменту) складним технологічним об'єктом.

З точки ж зору нових напрямів, які можуть успішно розвиватися на основі методології Rl - ISI, можна виділити наступні:

- Розвиток поглибленого розуміння процесів / механізмів деградації трубопроводів;

- Ефективне застосування ресурсів, які мають обмеження за кількома параметрами;

- Розробка методів неруйнівного контролю, призначених для виявлення конкретних механізмів деградації та отримання чисельних оцінок швидкості деградації;

- Розвиток підходів для прогнозування швидкостей зносу ресурсу відповідного обладнання і подальшої розробки графіків та обсягів ремонтів з урахуванням методів оптимізації;

- Розвиток культури безпеки і підвищений рівня експлуатації складного технічного об'єкта, засноване на впровадженні нових, але досить апробованих технологій у практику експлуатації.

Література

1. ГетьманА.Ф., Козин Ю. М. Неруйнівний контроль і безпека експлуатації посудин і трубопроводів тиску-М.: Вища школа, 1997 .-- 288с.

2. Клюєв В. В. Прилади для неруйнівного контролю матеріалів і виробів. -М. : Машинобудування .- 1986.-488с.

3. Лопаткін В. І. Методи неруйнівного контролю за рубежем / / Проблеми безпеки польотів -1986. № 6. 58-65С.

4. Випробувальна техніка: Довідник. У 2-х кн. / За заг. ред. Клюєва В.В. - М.: Машинобудування, 1982.

5. Зварювання та різання в промисловому будівництві. У 2-х т., Т.2. / Под ред. Малишева Б.Д. -3-е вид. перераб. і доп .- М.: Стройиздат, 1989.-400с.

6. ГОСТ 26-2044-83. Шви стикових і кутових зварних з'єднань судин і апаратів, що працюють під тиском. Методика ультразвукового контролю.

7. Волкович В.Л., Волошин О. Ф., Заславський В. А., Ушаков І. А. Моделі та алгоритми оптимізації надійності складних систем .- Київ: Наукова Думка.-1993.-312с.

8. ASNT Central Certification Program (ACCP) / / The American Soiciety for Nondestructive Testing, Inc. Revision 3 (November, 1997)

9. European Standart norme, EN 473:1993, January, 1993.-36p.

10. Хенлі Е., Кумамото X. Надійність технічних систем і оцінка ризику: Пер. з англ. В. С. Сиромятникова, Г.С.Деміной.-М.: Машинобудування, 1984.-528 с.

11. Проектування надійних супутників зв'язку / Афанасьєв В.Г., верхотуру В.І., Заславський В.А. та ін / під редакцією академіка М.Ф.Решетнева.-Томськ: МГП "РАСКО", 1993 .- 221 с.

12. Михалевич BC, Волкович В.Л. Обчислювальні методи дослідження і проектування складних систем .- М.: Наука, 1982.-286С.

13. Макаров І.М., Виноградська Т.М., Рубчинский АЛ, Соколов В.В. Теорія вибору та прийняття рішень. -М.: Наука, 1982.-328 с.

14. Борисов А.Н., Крумберг О.А., Федоров І.П. Прийняття рішень на основі нечітких моделей: Приклади іспользованія.-Рига: Зінатне, 1990.-184с.

15. Моделі та алгоритми оптимізації надійності складних систем / В.Л.Волковіч, А.Ф. Волошин, В.А. Заславський, ІАУшаков / Под ред. В.С.Міхалевіча.-К.: Наукова думка, 1992.-312 с.

16. Троїцький В.О., Загребельний В.І. Застосування візуального та вихрострумового методів неруйнівного контролю для оцінки дефектоскопії зварних елементів конструкцій, які експлуатуються в космосі / / Фiзічнi методи та засоби контролю середовищ, матералів та виробiв. - Киiв-Львiв: Центр "Леотест-Медум" .- 1999.-С.117-118.

17. Kadenko I., Zaslavskii V., Sakhno N. Application of the complex NDT approach for inspection of NPP power system / / Proceedings of International Symposium on Nondestructive Testing Contribution to the Infrastructure Safety Systems in the 21-st Century.-Torres, RS, 22-26 November-Brazil. 1999 .- 4 р..

18. Заславський В.А., Каденко І.М. Роль і місце методів неруйнівного контролю для забезпечення надійності і довговічності складних систем з високою ціною відмови / / Інформаційно рекламний бюлетень "Неруйнівний контроль". 1999 .- № 1.-С. 15-22.

19. Прохоповіч В.Є., Петров Г.Д. НК як інструмент для реалізації ресурсозберігаючих технологій / / Світ неруйнівного контролю. -1999. - № 4. - С. 10 -13.

20. Остап О.П., Учанін В.М., Андрейко IM, Маковійчук IP Технічна діагностика i ресурс конструкцій після довготрівалої експлуатації / / Фізічні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та віробів. - Київ - Львів: Центр "Леотест - Медіум". -1999.-С.3-8.

21. Аварії й інциденти на атомних електростанціях. Навчальний посібник з курсів "Атомна електростанція", "Надійність та безпечність АЕС". Під ред. Соловйова С. П. - К.: ІАЕ ,1992-299с.

22. Risk - Informed Inservice Inspection Evaluation Procedures. EPRITR-106706, 1996.

23. Technical Elements of Risk - Informed Inservice Inspection Programs for Piping. NUREG 1661. Draft Repoit-1999.

24. Gosselin S., Fleming K. Evaluation of Pipe Failure Potential via Degradation Mechanism Assessment / / Proceedings of ICON 5: 5th International Conference on Nuclear Engineering. Poster 2641-1997.10 p.

25. Джосселін С., Гор Б. Оптимізація порядку проведення контролю трубопроводів і устаткування на підставі концепції ризику. Передача методики контролю на АЕС України.-1999 .- 87 с.

26. BickelJ., MoieniP. Probabilistic Risk Assessment. PRA1-Concepts and Principles. -1996.

27. Everline С. Probabilistic Risk Assessment Examples from the South Ukraine NPP In-Depth Safety Assessment. -1998.

28. Самойлов О.Б., Усинін Г.Б., Бахметьєв А.М.. Безпека ядерних енергетіческіхустановок.-М.: Енергоатоміздаг, 1989-280 с.

29. Правила ядерної безпеки реакторних установок атомних станцій. ПБЯ РУ АС-89 / / Атомна енергія.-1990.-т.69, вип.б. - с.409-422.

30. Pendala M., Hornet P., Mohamed A., Lemaire M. Uncertainties arising in the assessment of structural reliability / / Probabalistic and Environmental aspects of facture and fatigue. ASME 1999. - PVP-Vol. 386.-P. 63-69.

31. Bush S. A review of Nuclear Piping Falures at their use in Establishing the reliability of Piping Systems / / Service Experience in Fossil and Nuclear Power Plants. ASME 1999. - PVP - Vol. 392.-P. 137-155.

Міністерство освіти Російської федерації

Кемеровський державний університет

Фізичний факультет

Кафедра експериментальної фізики

Алексєєв Олександр Сергійович

"АВТОМАТИЗАЦІЯ НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ НА СКЛАДНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТАХ"

дипломна робота

Науковий керівник:

к.ф.-м.н., доцент

Дзюбенко Ф.А.

Робота допущена до захисту Робота захищена

«___»____________ 2002р. «___»____________ 2002р.

Зав. КЕФ д.ф.-м.н., професор з оцінкою ___________

Колесніков Л.В.

________________ Голова ДАК

____________________

Члени ГАК__________

____________________

____________________

____________________

____________________

____________________

КЕМЕРОВО 2002