• Скачать в формате PDF

В. В. Медведев – С.-Петербургский государственный морской технический университет

Для снижения вероятности аварий при эксплуатации оборудования постоянно изыскиваются принципиально новые методологические подходы. Особую популярность получила формализованная оценка безопасности – FSA (Formal Safety Assessment) [1, 2, 3, 4]. Методология FSA, разработанная Международной морской организацией, представляет собой структурированную и систематизированную методику повышения безопасности путем использования оценок рисков и экономии.
В общем виде реализация FSA включает пять этапов: идентификация опасностей; анализ риска; определение способов управления риском; оценка стоимости и экономии при принятии определенных способов управления риском; рекомендации по принятию решений. При реализации методологии FSA можно использовать процессы имитационного моделирования. Их главное преимущество – возможность прогнозировать изменение надежности во времени, т.е. с ростом наработки при случайных вариациях исходных данных.
В настоящее время значительное внимание уделяется проблеме исследования остаточной прочности деталей с трещинами. Это связано с тем, что получение новых запасных частей непосредственно от производителя часто оказывается невозможным в данный момент или экономически нецелесообразным из-за слишком высокой цены на эти детали.
Обобщая результаты публикаций по этой проблеме, можно отметить следующее: во-первых, около 80% всех отказов машин, аппаратов и конструкций возникает по причине накопления в них различного рода повреждений, включая трещины. Во-вторых, трещины в деталях машин являются неизбежными, на их зарождении и развитии базируется механизм усталостного разрушения. В-третьих, на основе анализа развития трещины, начиная с самых малых размеров, можно составить теоретическую модель, позволяющую оценить ресурс детали как число циклов, необходимое для прохождения трещины всего пути до разрушения детали. Несмотря на то, что такие модели представлены в общем виде, они дают возможность оценить ресурс конструкции и определить исходя из этого периодичность технического обслуживания.
Принципиальные особенности алгоритма по определению остаточной долговечности деталей судовых ДВС с трещинами вытекают из механики линейно-упругого разрушения. На этой основе разработана методика по определению остаточной долговечности деталей с трещинами при циклическом нагружении и с учетом меняющейся нагрузки [5]. В данной методике изложены результаты расчета шатуна с трещиной, для которого определена остаточная долговечность, оцененная числом циклов, а также двигателя 8NVD48A с трещиной опорного бурта блока цилиндров. На основе расчетов сделан вывод о том, что трещина не представляет опасности для прочности цилиндрового блока, поэтому возможна его эксплуатация без устранения трещины.
Поскольку детали ДВС часто представляют собой довольно сложные конструкции, разработанная методика нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке. Однако применение методологии FSA с использованием процессов имитационного моделирования позволяет оценивать риски и при той доле неопределенности, которая заложена в методику в качестве принятых допущений. Наиболее серьезные из них касаются скорости роста трещины при действии циклических напряжений, где используется уравнение Пэриса, являющееся результатом обобщения большого количества экспериментальных данных с определенным статистическим разбросом. Существует также опасность прогноза «вперед», когда параметры реальной эксплуатации могут отличаться от принятых в расчетах. Кроме того, известно, что характеристики сопротивления усталости материала являются случайными величинами. Их разброс объясняется различиями в микроструктуре и свойствах поверхностного слоя, которые связаны со случайными вариациями металлургических, термических и механических факторов [6].
Напряжения, действующие в деталях ДВС, также имеют случайную природу, что обусловлено нестабильностью параметров рабочего процесса вследствие колебаний цикловой подачи топлива (даже у исправного двигателя) [7], степени сжатия, частоты вращения и т.д. В этих случаях можно говорить о вероятности того, что выполненные расчеты будут подтверждены в эксплуатации, и об оценке риска при принятии решения о продолжении эксплуатации детали с трещиной. Обычно такая эксплуатация носит ограниченный характер, например, на время перехода до ремонтной базы или до следующего освидетельствования. В связи с этим очень важно определить, что действительный ресурс детали с трещиной не будет меньше того, который задан в часах или в циклах нагружения.
Вероятностная трактовка основывается на статистических законах распределения случайных величин. Для технологических отклонений обычно характерен нормальный закон распределения, а параметром распределения может служить коэффициент вариации V. Приведенные в [5] примеры охватывают два принципиальных случая. Первый, когда под действием нагрузок трещина продолжает расти, и определена остаточная долговечность t этой детали. Второй, когда трещина не будет развиваться, и двигатель можно эксплуатировать до следующего освидетельствования без ее устранения в детали.
Рассмотрим применение методологии FSA относительно к этим случаям. Для первого варианта следует отметить, что долговечность t (в часах или циклах нагружения) – это только математическое ожидание, относительно которого действительное значение t_д может отклоняться как в большую, так и в меньшую сторону, причем довольно значительно. Это отклонение характеризуется законом распределения со своими параметрами.
Следовательно, при наработке детали tp воздействие случайных факторов приводит к тому, что остаточный ресурс t_ост=t_д–t_р также является случайной величиной и может не превышать заданный (будущий) период эксплуатации t_зад. Таким образом, можно найти вероятность отказа детали Р с трещиной на заданный период эксплуатации. Решение основано на проведении N_исп статистических испытаний, в результате которых определяется, сколько раз (N_н.и.) заданный период эксплуатации t_зад оказался больше остаточного ресурса, определенного с заданным значением V. Тогда вероятность отказа
P=N_н.и./N_исп.
Выполним оценку риска эксплуатации шатуна с трещиной. Из [5] известно: начальный размер трещины а₁=0,1 мм; критический размер, при котором происходит неуправляемое развитие трещины и разрушение детали, а_кр=0,82 мм; остаточный ресурс после обнаружения трещины длиной 0,1 мм оценивается в 345000 циклов. Последнюю величину можно рассматривать как математическое ожидание остаточного ресурса. Критическому размеру трещины соответствует не момент разрушения детали, а только начало ускоренного роста трещины, однако если принимать t_зад=t, то при любом симметричном законе распределения вероятность отказа составит 50%. Поэтому примем, что t_зад=340000 циклов, что несколько меньше момента достижения критического размера трещины. При использовании гипотезы о нормальном законе статистические испытания при V=0,01 и N_исп=100000 показали, что вероятность отказа составила 7,65%.
Согласно методологии FSA оценка риска выполняется по формуле
R=P•C,
где С – степень тяжести последствий нежелательного события.
Далее следует процедура оценки приемлемости риска. С использованием матриц и так называемых диаграмм FN определяется допустимость риска [3] и намечаются мероприятия по его уменьшению при неблагоприятном прогнозе [8].
Во втором случае последовательность действий несколько иная. Выполним оценку риска эксплуатации дизеля с трещиной у опорного бурта блока цилиндров. Из расчетов [5] известны пороговый коэффициент интенсивности напряжений K_min=12,13 и фактическое значение К=3,8. Эти величины можно также рассматривать как математическое ожидание значений соответствующих коэффициентов интенсивности напряжений. Тогда в каждом статистическом испытании значения коэффициентов «разыгрываются» раздельно и сравниваются между собой.
Отказ наступает в том случае, если в процессе испытаний значение коэффициента интенсивности К превышает значение Kmin. Далее подсчитывается число отказов N_н.и. и определяется вероятность отказа. При использовании гипотезы о нормальном законе распределения, статистические испытания при коэффициенте вариации V=0,01 и N_исп=100000 показали, что вероятность отказа равна нулю. Следовательно, можно сделать вывод, что риск эксплуатации двигателя с трещиной опорного бурта блока цилиндров до следующего освидетельствования отсутствует.
Однако при V=0,3, т.е. большом разбросе влияющих значимых факторов (но еще достаточном для использования гипотезы о нормальном законе распределения), риск уже возникнет: вероятность отказа Р составляет 1,46%. Но это можно уже отнести не к влиянию допущений, заложенных в методику расчетов, а к действию других случайных факторов, связанных, например, с особо неблагоприятными условиями эксплуатации.
Таким образом, формализованная оценка безопасности FSA позволяет перейти от детерминированного прогноза остаточного ресурса к вероятностной его оценке. А это является исходной информацией для принятия мотивированных решений при управлении рисками эксплуатации судовых двигателей.

Использованная литература

1.    Решетов П.А., Захаров А.А. Формализованная оценка безопасности (ФОБ) и ее влияние на судоходную индустрию//Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. 2004, вып. 27. С. 7-13.
2.    MSC/Circ.1023 Т5/1.01 МЕРС/ Circ.3925 April 2002 Guidelines for Formal Safety Assessment (FSA) for Use in the IMO Rule-making Process.
3.    Захаров A.A. Формализованная оценка безопасности – универсальный инструмент для снижения риска на транспорте//Транспорт Российской Федерации. 2006, №3. С. 66-68.
4.    Румб В.К., Медведев В.В., Серов А.В., Хижняк А.А. Применение методики по формализованной оценке безопасности для определения остаточного ресурса главного судового дизеля//Судостроение. 2005, №5. С.42-47.
5.    Румб В.К., Медведев В.В., Семионичев С.Р., Серов А.В. Методика определения остаточной долговечности деталей судовых ДВС при наличии трещин//Двигателестроение. 2002, №4. С. 12-17.
6.    Румб В.К., Медведев В.В. Методические основы вероятностного расчета прочности и долговечности деталей ДВС//Двигателестроение. 2003, №4. С. 22-24.
7.    Обозов А.А. Эталонные характеристики процесса топливоподачи судовых малооборотных дизелей//Судостроение. 2007, №3. С. 32-36.
8.    Никитин A.M. Анализ экономической эффективности мероприятий по снижению рисков отказов судовых двигателей внутреннего сгорания//Двигателестроение, 2007, №2. С. 33-36.