Понятие безопасности оборудования как показателя его качества и технического состояния

Безопасность оборудования с одной стороны является составляющей промышленной безопасности и черпает отсюда нормативную базу, а с другой стороны – это один из показателей надёжности и связан с ней методически. Актуальность проблемы технической безопасности обусловлена тем, что безопасность производства регламентирована стандартами ИСО, соблюдение которых требуется при сертификации продукции металлургических предприятий. Предпосылкой актуальности проблемы безопасности служит тенденция продления сроков эксплуатации технологических и транспортных систем, выработавших назначенный (амортизационный) ресурс. В металлургии, где велик износ основных фондов, многие объекты не могут быть замещены новыми системами по экономическим мотивам, но они и не исчерпали технический ресурс, резервы которого следует установить. Подобные работы ведутся в металлургическом производстве для тяжёлых прессов и целесообразны при модернизации прокатных станов, станины которых имеют существенный резерв циклической прочности после 40-50 лет эксплуатации.

Методы оценки безопасности развились из строительной механики, когда в 1959 году В.В.Болотин впервые применил статистическую теорию для оценки сейсмического риск [1]. С тех пор понятие безопасности как синоним надёжности стало применяться для технических объектов, эксплуатация которых предусмотрена до предельного состояния. На настоящем этапе эти термины стали разниться.

Переход от надежности к безопасности совпал по времени с внедрением концепции приемлемого риска, отразившей необходимость создания экономных по энерго - и материалоёмкости, а так же по техническому обслуживанию машин и конструкций. Потребителя интересует не столько собственно надёжность, сколько минимизация ущерба от отказов. То есть важна функция (результат), которую реализует надёжность, а не сама она как средство. Поскольку для сложных технических систем (а таковыми являются силовые конструкции металлургического оборудование, имеющие много потенциально опасных мест и воздействующих на них повреждающих процессов) абсолютная надёжность недостижима, то для них следует обеспечивать необходимый уровень безопасности, назначение которого тесно связано с риск-анализом [2].

О преемственной связи между оценкой безопасности и прочностными расчетами свидетельствует то, что акад. С.П.Королев под запасом прочности понимал коэффициент безопасности, предназначение которого – а) учет случайного разброса параметров объекта, б) компенсация несовершенства расчетной методики]. Акад. А. Р. Ржаницин, предложивший определять вероятность безотказной работы посредством сравнения показателей несущей способности и нагрузки, статистический запас прочности называл “характеристикой безопасности”. Следует отметить, что надёжность имеет дело с разномасштабными потоками отказов. Если объектами надёжности являются, практически, все элементы технической системы, то объектами безопасности являются базовые несущие конструкции и ответственные детали, отказ которых сопряжён с потерями большими, чем стоимость самих деталей.

В задачах безопасности анализируется не партия изделий, а каждое изделие в отдельности. Осуществляется индивидуальное прогнозирование, лежащее в основе стратегии обслуживания по техническому состоянию. При этом вероятностно-физические методы прочности используют байесовскую трактовку вероятности как меру уверенности в истинности суждения. Это даёт основание использовать вероятность безотказной работы в качестве меры безопасности.

Непонимание этого положения некоторое время сдерживало внедрение вероятностных методов расчёта для уникальных объектов. В конце 80-х годов ХХ ст. в среде прочнистов дискутировался данный вопрос. В частности, такие специалисты, как Л.В.Коновалов и А.И.Сурков, выражая определенный скепсис, говорили о «необходимости дать трактовку понятия вероятность отказа для крупногабаритной детали единичного исполнения, поскольку заказчик может не понять информацию о том, что поломка произойдет для 10% валов из общего количества и будет требовать запасной вал именно для своего экземпляра машины» [4]. Данная коллизия преодолена в системе безопасности конструкций. Важной особенностью оценки безопасности является моделирование аварийных ситуаций, при которых конструкция подвергается сверхдопустимым повреждениям. Поэтому в историю нагружения вводятся перегрузки, происхождение которых не имеет существенного значения. В отличие от этого, оценка надёжности производится по нормативным или зарегистрированным режимам, которые не могут объяснить, а методы не могут учесть появления перегрузок.

Стоит также обратить внимание, что с точки зрения диагностики методы надежности более успешно оценивают исправные состояния, а в системе безопасности прогнозируются работоспособные состояния. Как известно, неисправные состояния определяются параметрическими отказами, а работоспособные состояния – целостностью элементов системы. Тем самым наметилось эволюционное разделение излишне размытой проблемы надежности машин на более обособленные направления – параметрическую надежность[3] и безопасность [2]. Каждому из них присущи разные виды отказов: в вопросах безопасности силовых систем страхуются от разрушений, а при обеспечении надёжности рассматриваются все вилы отказов. Причём параметрические отказы, как правило, связаны с износом, который в системе безопасности играет роль условий эксплуатации.

Для каждого направления характерны свои признаки, которые с некоторой долей условности позволяют определять взаимоадекватность методов и задач (рис.1.1). Например, концепция проектирования оборудования должна быть увязана со стратегией его обслуживания и утилизации. Неконроллепригодное, рассчитанное по запасам прочности на неопределенно–длительный срок оборудование сложно и малорезультативно оснащать средствами диагностики, так как оно спроектировано в предположении абсолютной безопасности. Вместе с этим, применение встроенных систем мониторинга работы машины, ориентированных на обслуживание по техническому состоянию, избавляет конструктора от излишнего консерватизма, позволяя создать экономное по материало – и энергопотреблению оборудование.

Причины ее эффективности обусловлены задачами, возложенными на техническую диагностику (ТД). К ним относятся контроль ТС, поиск неисправностей и прогнозирование ТС. Сообщения в литературе о начальном опыте применения ТД в металлургии имели сдержанный характер, указывая на сравнительно скромную (до 10%) экономию затрат на ТО [5]. На наш взгляд, такой эффект обусловлен автоматизацией поиска неисправностей (2 задача ТД).

Дальнейшее развитие ТД сняло вопрос о целесообразности обслуживания металлургического оборудования по ТС, поскольку задача контроля ТС способствует исправности машин, что снижает брак продукции. Решение таких технологических задач стало главным аргументом в оснащении новых металлургических агрегатов автоматическими системами контроля его работы, которые фиксируют тысячи диагностических показателей. Распознавание исправного и неисправного ТС производится автоматически (1 задача ТД).

Современное оборудование в аспекте ТД коренным образом отличается от металлургических машин и агрегатов, созданных 30 – 50 лет назад и находящихся ныне в эксплуатации. Если для последних невозможно отследить историю эксплуатации, то для первых - эксплуатационной информации настолько много, что обслуживающий персонал затрудняется ее воспринимать. Наблюдается явление, получившее термин «сингулярность информации», когда ее объем непрерывно нарастает, но из-за неиспользования она теряет смысл.

Выход из этой ситуации видится в нацеливании автоматизированных систем контроля на прогнозирование ТС (3 задача ТД). Данная задача относительно слабо проработана в металлургии. Однако, эффективность от ее решения существенно выше, нежели первых двух, поскольку она позволяет снизить периодичность и объем капитальных ремонтов, продлить кампанию металлургических агрегатов. Эффект ощущается далеко не сразу, но соответствующую обработку информации об условиях эксплуатации необходимо производить от начала функционирования механической системы.

Проблема прогнозирования успешно решается, когда контролируется прямой диагностический показатель, непосредственно связанный с повреждением (линейный или «массовый» износ, плотность или пористость при усталости, трещина при разрушении) или с исправностью механической системы (технические характеристики). Впрочем, и в этой ситуации имеется проблема заблаговременности прогноза, обусловленная тем, что зачастую диагностический показатель приближается к критическому значению за очень короткий временной интервал.

Прогнозирование работоспособного состояния металлургических машин и агрегатов, в основном, обусловлено оценкой интенсивности накопления рассеянного усталостного повреждения. Это расчетный диагностический показатель, зависящий от многих факторов. Настоящие разделы посвящены поиску показателя ТС, одинаково чувствительного к наработке на всех ее периодах, с помощью которого возможно прогнозировать работоспособные состояния механических систем.