ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2011
ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 614.84
© 2011 г. Махутов Н.А., Резников Д.О.
СОПОСТАВИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА НОРМАТИВНОГО И ОСНОВАННОГО НА УПРАВЛЕНИИ РИСКОМ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ЗАЩИЩЕННОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ1
Рассмотрено нормативное обеспечение защищенности сложных технических систем, основанное на назначении запасов по основным механизмам достижения предельных состояний. Представлен расчетный подход к обеспечению защищенности, основанный на управлении риском, и, предполагающий последовательное снижение угроз, которым подвергается техническая система, уязвимости по отношению к действующим угрозам и ущербов при авариях в сложных технических системах.
Защищенность сложных технических систем (СТС), определяется их способностью противостоять возникновению и развитию неблагоприятных ситуаций в штатных и нештатных условиях. Оценку защищенности сложных технических систем и выработку защитных мероприятий приходится осуществлять в условиях высокого уровня неопределенности относительно интенсивности эксплуатационных нагрузок и внешних воздействий на систему, а также несущей способности ответственных элементов СТС на различных этапах цикла эксплуатации. Источниками неопределенностей являются: естественная вариативность параметров системы и внешней среды, ограниченность знаний о связях между элементами СТС, между событиями и процессами, протекающими в сложных технических системах; неточность имеющихся статистических данных и существующих оценок; несовершенство используемого контрольно-измерительного оборудования и математических моделей.
Защищенность СТС можно обеспечивать на основе использования: нормативных подходов к обеспечению защищенности, которые базируются на снижении возможности достижения системой различных предельных состояний за счет реализации технических и организационных мер, обеспечивающих соответствующие запасы по основным механизмам достижения предельных состояний; подходов, основывающихся на управлении риском аварий и катастроф в СТС, и предполагающих выработку комплекса технических и организационных мероприятий, направленных на снижение уровня угроз, которым подвергаются СТС, снижение уязвимости СТС по отношению к угрозам и минимизацию ущербов в случае аварий в СТС.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант № 10-08-00989).
Применение нормативных подходов бывает оправдано в тех случаях, когда имеется значительный опыт строительства и эксплуатации систем данного класса, позволяющий опираться на проверенные на практике нормативные значения параметров системы. В тех случаях, когда строятся уникальные технические системы, или когда эти системы будут эксплуатироваться в регионах, имеющих принципиально иные природно-климатические, экономические и социальные условия, обеспечение защищенности должно базироваться на оценке рисков и выработке мероприятий по их снижению.
Нормативное обеспечение защищенности. Нормативные подходы к обеспечению защищенности СТС предполагают проектирование и эксплуатацию системы таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия по обеспечению защищенности по основным механизмам достижения предельных состояний I = 1, 2, ..., к на протяжении всего срока эксплуатации ТЭ
С Э
ЕДО - 2;(0> 0, V? е [0; ТЭ], V; = 1, 2,..., к, (1)
С
где (г) — предельные характеристики прочности, надежности, ресурса и живучести
ответственных элементов СТС (далее — характеристики несущей способности):
э
Е (г) — соответствующие им факторы эксплуатационного нагружения (далее — нагрузки) [1].
В выражении (1) фигурируют неопределенные величины нагрузки и несущей способности.
С Э
При реализации нормативного подхода неопределенные величины (г) и (г) в выражении (1), заменяются на детерминированные: расчетную (номинальную) несущую способность и расчетную нагрузку. В качестве расчетных величин можно выбирать некоторые детерминированные характеристики случайных величин нагрузки и
С Э
несущей способности, например, их математические ожидания Е} и Е} . При этом для учета неопределенности вводятся парциальные запасы по несущей способ-
С Э
ности п1 (г) > 1 и нагрузке п1 (г) > 1. При назначении парциальных запасов учитывается разброс величин нагрузки и несущей способности, уровень неопределенности, присутствующий в задаче и критичность рассматриваемых элементов системы. При этом условие обеспечения защищенности (1), можно записать с помощью детерминированных величин
Е{ Е ( ') } - иЭ(0Е{£;Э(0} > 0, V? е [0; ТЭ], V; = 1, 2,., к. пС (г)
С С С
Введем понятия предельно допустимой несущей способности [ст(- (г)] = Е{Е; (г)}/п; (г) и предельно допустимой нагрузки [ст(Э(г)] = пЭ(г)Е{ЕЭ(г)} , а также понятие предель-
Э С
но-допустимого (нормативного) запаса [я,(0] = п; (г)п; (г). Тогда условие обеспечения защищенности по ;-му предельному состоянию можно записать в виде
Е{Е;С(г)} - [п1 (г)]Е{Е;э(г)} > 0, Vг е [0; ТЭ], V; = 1, 2, ..., к.
Введя понятия расчетного дифференциального запаса, равного отношению расчетных значений несущей способности и нагрузки при ;-м механизме достижения пре-
Ес, ЕЭ
. 5
1 1 6
, 7 %2 V"" --- 1
3 /УЛ0 1 1 7 8 1
9 Г 8 1 _
п?(0)
«,40)
[«,(0)] 1
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 1. Определение точек поверхностей предельных состояний: 1 — математическое ожидание несущей
С С
способности Е{(г)} ; 2 — предельно допустимая несущая способность [ а. (г) ]; 3 — математиче-
Э Э
ское ожидание нагрузки Е{ (г) }; 4 — предельно допустимая нагрузка [ а^ (г) ]; 5 и 6 — плотности
распределения несущей способности при Г = 0 и Г = Г%; 7 и 8 — плотности распределения нагрузки
Э
при t = 0 и t = ; 9 — реализация случайного процесса нагружения (г)
Рис. 2. Обеспечение защищенности СТС при традиционном нормативном подходе: 1 — область незащищенных состояний, 2 — область защищенных состояний
п
0
t
t
t
0
Г
СЭ
дельных состояний п,(Г) = Е{Е; (г)}/Е{Е; (г)} , можно записать условие обеспечения защищенности системы, выраженное через запасы
и;.(г)>[и;.(г)1, Уг е [0; ТЭ], V; = 1, 2, ..., к.
Величину расчетного дифференциального запаса п{ в момент времени Г можно
г
представить как сумму трех величин п¡(Г) = п,(0) — А,(Г) + 8(- (г), где п,(0) — величина начального запаса, задаваемого при проектировании путем выбора соответствующих технических решений, геометрических и физических параметров системы; А,(Г) — величина, отражающая снижение несущей способности вследствие действия деградаци-
г
онных процессов в технической системе (усталость, коррозия, износ); 8; (г) — величина, характеризующая увеличение несущей способности (и/или снижение уровня эксплуатационных нагрузок) вследствие реализации определенной программы эксплуатации системы ат, а0, а, а2), предусматривающей осуществление набора защитных мероприятий (мониторинг ат, техническое обслуживание а0, ремонт а„ создание систем защиты аг).
В инженерной практике дифференциальные запасы п, выбираются на этапе проектирования, при этом задается вектор начальных запасов по прочности, живучести, надежности, ресурсу и др. Очевидно, что комплекс начальных запасов п1(0), п2(0), ..., пк(0), обеспеченных на этапе строительства системы, не полностью определяет состояние защищенности системы на различных этапах ее функционирования. Ввиду действия деградационных процессов (усталость, коррозия, износ), а также экстремальных внешних воздействий, ошибок операторов и т.д., несущая способность элементов СТС имеет естественную тенденцию к снижению (рис. 1). Поэтому дифференциальные запасы п¡(Г) являются убывающими функциями, которые со временем могут опу-
ститься ниже допустимых уровней [я,(0]. В связи с этим, в процессе эксплуатации системы предусматривается проведение комплекса специальных защитных мероприятий, включающих: мониторинг технического состояния, техническое обслуживание, ремонтные работы, введение систем защиты, которые в совокупности составляют избранную (на этапе проектирования) программу эксплуатации системы С,(ат, а0, аг, а¡), призванную поддерживать требуемое состояние защищенности на протяжении всего жизненного цикла системы. Следует отметить, что начальные запасы п,(0) по основным механизмам достижения предельных состояний СТС должны назначаться с учетом ожидаемой интенсивности деградационных процессов и во взаимоувязке с принимаемой программой эксплуатации СТС.
Таким образом, защищенность системы может характеризоваться: совокупностью начальных дифференциальных запасов п:(0), п2(0), ..., пк(0), семейством, так называемых, функций деградации Л^О, Л2(0, .••, Лк(0, отражающих снижение несущей способности вследствие действия деградационных процессов; комплексным параметром "программа эксплуатации системы" ^(ат, а0, а, аг), определяющим систему защитных мероприятий, реализуемых в процессе эксплуатации СТС. В такой постановке защищенность системы характеризуется функционалом
^и(г) = {п(0), п2(0),..., пк(0),Л1 (г),Л2(г),.,Лк(г),С(ат, ао, а„ а^}. (2)
Учитывая функционал (2), можно выделить две стратегии обеспечения защищенности (рис. 2).
г
Стратегия 1, предусматривающая задание малых начальных запасов п1 (0) при значительном объеме защитных мероприятий (программа эксплуатации предусматривающая проведение в моменты времени t1, ?2 и t3 — техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонт, соответственно).
Стратегия 2, предусматривающая задание значительных начальных запасов п^ (0) по основным механизмам достижения предельных состояний при минимальном объеме защитных мероприятий (программа эксплуатации у).
Первая стратегия применяется для тех элементов СТС, которые легко контролировать в процессе эксплуатации и, которые могут быть отремонтированы или заменены без остановки системы. Вторую стратегию целесообразно использовать для систем (или их элементов), доступ к которым в процессе эксплуатации затруднен и, которые не могут быть отремонтированы без значительных материальных или временных издержек.
Нормативный критерий обеспечения защищенности при программе эксплуатации ^ можно записать в виде
п;С(г)> [п;(г)], Vг е [0; ТЭ], V; = 1, 2, ..., к. Тогда можн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.