2.15 а.т. к

А.Т. Кавешников, А.В. Варывдин
ВЛИЯНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ОТДЕЛЬНЫХ СОБЫТИЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ
НАДЕЖНОСТИ КОНЦЕВОГО КРЕПЛЕНИЯ
Безопасность гидротехнических сооружений – многоплановое понятие, значимость
которого отражена в соответствующем Федеральном законе. В настоящее время
продолжаются широкомасштабные работы по определению критериев безопасности,
одним из важнейших показателем которой является надежность сооружения. В свою
очередь, показателем надежности, кроме прочих, служит вероятность безотказной работы.
Этот показатель вычисляется через вероятность отказа.
При анализе причин отказов концевых креплений водопропускных сооружений [1]
нами предполагалось, что отказ может наступить в результате следующих событий:
при пропуске паводка обеспеченностью выше расчетного, что оценивается
вероятностью - Q1;
в случае оползневых и иных геологических процессов, вызывающих аварийное
повышение уровня верхнего бьефа – Q2;
под влиянием человеческого фактора – Q3;
из-за отказа механического оборудования водосбросного сооружения, приводящего к
нарушению расчетной схемы открытия затворов - Q4;
из-за неподготовленности концевого крепления к пропуску паводка при превышении
времени проведения ремонтных работ – Q5;
при деформации концевого крепления, нарушающего гидравлический режим в
пределах крепления нижнего бьефа – Q6;
в результате достижения предельного состояния креплением нижнего бьефа – Q7.
Из приведенного перечня видно, что отказы порождаются различными факторами:
гидрологическими, сейсмическими, геологическими, технологическими, прочностными –
на основе предельных состояний, социально-психологическими и др. Методики расчетов
по названным факторам весьма разнообразны и разнородны. Вполне универсальный
метод, позволяющий комплексно оценить работоспособность водосброса, получен на
основе математической теории надежности.
В процессе проектирования и строительства гидротехнических сооружений
закладывается требуемый уровень надежности, достаточно высокий, чтобы обеспечить
безотказную работу сооружений в продолжении расчетного срока эксплуатации.
Для исследования влияния различных факторов на общую надежность системы нами
приняты округленные (по нижнему пределу) вероятности отказов по ряду публикаций.
Слабыми позициями в приведенном перечне отказов, снижающими общий уровень
надежности, являются нарушение расчетной схемы открытия затворов, оцениваемое
вероятностью Q4, зависящей от большого числа факторов (заклинивание затвора,
разрушений его опорных элементов и уплотнений, отказа механизма подъема, тормозного
устройства, износ тросов и т.д.) и человеческий фактор Q3.
Из-за длинной цепочки элементов в системе открытия затворов (вероятность
события Q4) надежность водосброса по этой позиции будет снижена, а вероятность
отказов окажется на порядок выше аналогичных показателей в соседних позициях списка.
В отношении величины вероятности Q3, оценивающей влияние человеческого
фактора, можно сказать, что в практике эксплуатации гидротехнических сооружений
зарегистрированы случаи аварий, вызванных ошибкой персонала при проектировании,
строительстве или эксплуатации. Эти отказы происходят задолго до исчерпания срока
службы сооружения. Таким образом, рассматриваемая вероятность отказа также
несоизмерима с вероятностью отказа от превышения расчетной величины паводка или
вероятности достижения предельного состояния креплением нижнего бьефа и т.д.
Показатель надежности, связанный с человеческим фактором, управляется через
обучение обслуживающего персонала, отлаженную систему планово-предупредительных
ремонтов, материальную и кадровую обеспеченность ремонтно-восстановительных работ.
Для наших исследований принято изменение Q3 и Q4 в пределах 0,001…0,05.
Численное значение вероятности отказа Q4 влияет на величину вероятности первичных
отказов QI, а вероятность события Q3 – опосредственно на величину QII – вероятности
возникновения вторичных отказов.
Для вычисления вероятности отказа нами использовалась методика известная под
названием «дерева отказов», рекомендованная в свое время Хенли Е. Дж. и Кумамото Х. и
ныне широко используемая в работах отечественных исследователей [2, 3] . Зависимости
для вычисления вероятностей событий-следствий имеют следующий вид:
по оператору «или исключительное» (n = 1- число событий)
QI = Q4(1- Q5)+ Q5(1- Q4);
(1)
QII = Q1,2(1- Q3,6,7)+ Q3,6,7(1- Q1,2);
(2)
Q = QI (1- QII)+ QII (1- QI);
(3)
по оператору «или» (n  1)
Q1,2 = 1-(1-Q1)(1- Q2);
(4)
Q3,6,7 = 1-(1-Q3)(1- Q6)(1- Q7),
(5)
где QI – вероятность событий-следствий первичных отказов;
QII – вероятность событий-следствий вторичных отказов;
Q – общая вероятность отказов системы;
Q1,2 и Q3,6,7 – полные вероятности отдельных групп отказов.
Названные здесь и используемые в указанной методике операторы имеют
следующий смысл: «или» - выходное событие имеет место при наступлении хотя бы
одного из исходных; «или исключительное» - выходное событие имеет место при
наступлении любого из исходных, но не двух одновременно.
Расчеты показывают, что повышение вероятности отказа по любому из названных
событий вызывает адекватное повышение соответствующего показателя всей системы.
Вычисляя вероятность QI по формуле (1) при значениях Q5 = 0,001 и 0,005 сначала для
величины Q4 = 0,01, получаем, соответственно, 0,01098 и 0,01049, а затем при Q4 = 0,05
получаем 0,0509 и 0,05039. Порядок величины QI определяется высокой вероятностью
отказа Q4. Вероятность Q5 обнаруживает себя лишь в третьей-четвертой значащей цифре.
Аналогичная ситуация установлена при исследованиях влияния Q3 – оценка влияния
человеческого фактора. Высокие значения Q3 однозначно приводят к высоким значениям
полной вероятности группы отказов Q3,6,7, а через неё – на вероятность вторичных
отказов QII.
Принятый в наших исследованиях уровень вероятностей отказов по каждой позиции
Q1…Q7 позволил получить общую вероятность отказов системы Q в пределах от 0,013743
до самого неблагоприятного 0,105917 (при Q3 и Q4 равным, соответственно, 0,01 и 0,05).
Если обеспечить снижение вероятностей отказов Q3 и Q4 на один порядок, то вероятность
отказов системы также снижается на порядок: Q = 0,006069 и 0,0108479.
На практике сказанное означает, что неподготовленность персонала или нарушение
работы оборудования может привести к негативным последствиям даже в том случае,
когда все другие показатели надежности соответствуют установленным значениям.
Вероятность отказа позволят оценить надежность элемента или системы в целом
через такой показатель надежности, как вероятность безотказной работы
P = 1- Q,
где Q – вероятность отказа.
В нашем примере, вероятность безотказной работы P = 1- Q, соответственно,
составляет 0,986257 и 0,894083.
Выводы
Оценка влияния вероятности отдельных событий на показатели надежности
концевого крепления показала, что для повышения надежности системы необходимо
выравнивание указанных показателей всех составляющих. Значительную роль при этом
играют профессиональная подготовка обслуживающего персонала и надежность
механического оборудования водосбросного сооружения.
Использование в качестве показателя надежности концевого крепления нижнего
бьефа вероятности отказа, вычисляемую методами теории надежности, позволяет оценить
степень влияния различных факторов и целенаправленно проводить соответствующие
эксплуатационные мероприятия.
При вычислениях вероятности безотказной работы сооружения и его элементов
возможно применение методики «дерева отказов». Данная методика позволяет
систематизировать события и факторы, определяющие надежность, установить их
взаимосвязь и с высокой степенью достоверности рассчитать численное значение искомой
характеристики.
Библиографический список
Варывдин А.В., Кавешников А.Т. Оценка надежности концевого крепления методом
дерева отказов /Проблемы природообустройства и экологической безопасности. // Материалы XV межвузовской научно-практической конференции Брянск: БГСХА. 2002.
С.29-31.
Стефанишин Д.В., Штильман В.Б. К оценке надежности плоского секционного затвора
водосброса. / Известия ВНИИГ. 1991. Т. 225. С. 51-55.
Хенлi Е. Дж., Кумамото Х. Надiйнiсне проектування технiчних систем i оцiнка риску.
/Пер. з англ. Киев: Вища школа. 1987.