Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного

господарства та природокористування

В.А. Гурин

ОСНОВИ НАДІЙНОСТІ

ВОДОГОСПОДАРСЬКИХ

СИСТЕМ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

Для студентів, які навчаються за спеціальністю

«Гідротехніка (водні ресурси)»

Національний університет

водного господарства та природокористування

Рівне – 2015

УДК 626.8

ББК 38.778

Г95

Гурин В.А.

Г95 Основи надійності водогосподарських об’єктів. Навчальний посібник. – Рівне: НУВГП, 2015. – 179 с.

Рецензенти:

У навчальному посібнику розглянуто методичне й нормативне забезпечення вивчення теоретичного курсу та питань контролю надійності роботи водогосподарських об’єктів і гідротехнічних споруд, які вирішуються фахівцями при проведенні проектних, будівельних та експлуатаційних робіт.

Для студентів вищих навчальних закладів. Посібник спрямований на здобуття знань та умінь випускниками вищого навчального закладу при виконанні виробничих функцій і вирішення типових завдань за напрямом підготовки «Гідротехніка (водні ресурси)».

УДК 626.8

ББК 38.778

© Гурин В.А.,

© НУВГП,2015

	ВСТУП…………………………………………………………..	6
1.	Предмет, завдання та зміст дисциплни……….	7
1.1.	Проблеми надійності водогосподарських об’єктів, інженерних систем і споруд …………………………………	7
1.2.	Етапи формування науки надійності …………………..........	9
1.3.	Об’єкт та його властивості …………………………………...	14
2.	проблеми надійності водогосподарських об’єктів………………………………………………………	18
2.1	Формування умов роботи водогосподарських об’єктів…….	18
2.2.	Типові задачі надійності у водному господарстві………….	23
2.3.	Стратегічні і тактичні задачі надійності……………………..	24
3.	ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ…	27
3.1.	Основні поняття процесів та подій……………………………	27
3.1.1.	Випадкові події…………………………………………………	27
3.1.2.	Потоки випадкових подій………………………………………	29
3.1.3.	Випадкові величини та їх характеристики…………………..	32
3.2.	Загальні властивості надійності………………………………	35
3.3	Показники надійності…………………………………………	38
3.3.1.	Показники безвідмовності…………………………………….	39
3.3.2.	Показники довговічності……………………………………...	40
3.3.3.	Показники ремонтопридатності……………………………...	41
3.3.4.	Показники збереженості………………………………………	41
3.3.5.	Комплексні показники………………………………………...	42
4.	Оцінка надійності простих систем……………...	43
4.1.	Надійність систем з послідовно з’єднаними елементами…..	43
4.2.	Надійність систем з паралельно з’єднаними елементами…..	46
4.3.	Оцінка надійності систем із змішаним з’єднанням елементів……………………………………………………….	49
5.	Методи розрахунку надійності складних систем……………………………………………………….	53
5.1.	Метод прямого перебору……………………………………...	53
5.2.	Метод перетворення структури відносно особливого елемента………………………………………………………..	57
5.3.	Аналітико-статистичний метод розрахунку надійності…….	59
5.4.	Оцінка надійності методом мінімальних шляхів і мінімальних перерізів……………………………………………………	63
5.4.1.	Мінімальні шляхи і мінімальні перерізи…………………….	63
5.4.2.	Порядок визначення мінімальних перерізів…………………	66
5.4.3.	Алгоритм розрахунку надійності……………………………..	70
6.	РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ СКЛАДНИХ СИСТЕМ ДЕРЕВОВИДНОЇ СТРУКТУРИ……………………………...	71
6.1.	Вимоги до інженерного методу розрахунку…………………	71
6.2.	Вибір показників надійності…………………………………..	71
6.3.	Математичне моделювання закритої зрошувальної мережі..	72
6.4.	Методика оцінки надійності………………………………….	74
6.5.	Приклад виконання розрахунку надійності закритої зрошувальної мережі………………………………………….	75
7.	Логіко-ймовірнісний метод розрахунку надійності складних систем………………………	83
7.1.	Теоретичні основи методу…………………………………….	83
7.2.	Основні положення розрахунку………………………………	86
7.3.	Послідовність розрахунку надійності………………………..	90
8.	Відмови водогосподарських об’єктів………….	93
8.1.	Види технічного стану об’єктів………………………………	93
8.1.1.	Стан об’єкта……………………………………………………	93
8.1.2.	Основи механізму відмови……………………………………	96
8.2.	Розпізнавальні ознаки відмов…………………………………	99
8.3.	Класифікація відмов…………………………………………...	100
8.4.	Класифікація ваги відмови……………………………………	106
9.	МОДЕЛІ ВІДМОВ ОБ’ЄКТІВ………………………………..	107
9.1.	Види випадкових тривалостей моделювання………………..	107
9.2.	Вимоги до моделей відмов……………………………………	110
9.3.	Формалізація та основні характеристики моделей відмов…	112
9.3.1.	Імовірнісні моделі відмов……………………………………..	112
9.3.2.	Імовірнісно-фізичні моделі відмов…………………………...	114
10.	Надійність відновлюваних водогосподарських об’єктів……………………………………………….	117
10.1.	Аналіз потоку подій…………………………………………..	117
10.2.	Характеристики потоку подій……………………………….	120
10.3.	Розрахунок номенклатури та кількості запасних частин….	125
11.	Випробування ВГО на надійність…………………	129
11.1.	Задачі випробувань…………………………………………….	129
11.2.	Класифікація випробувань……………………………………	130
11.3.	Роль випробувань в управлінні надійністю………………….	130
11.4.	Організація випробувань……………………………………...	131
11.5.	Експлуатаційна надійність……………………………………	132
11.5.1.	Експлуатаційні випробування………………………………...	132
11.5.2.	Експлуатаційні спостереження……………………………….	133
11.5.3.	Планування експлуатаційних спостережень………………...	135
11.5.4.	Загальні вимоги до первинної інформації……………………	136
11.5.5.	Документація для збору первинної інформації……………...	137
12.	Аналіз надійності………………………………………..	141
12.1	Основні положення аналізу надійності……………………….	141
12.2.	Аналіз надійності за результатами виконання програми забезпечення надійності ПЗН………………………………….	143
12.2.1.	Аналіз надійності об’єкта на стадії проектування та розробки…………………………………………………………	143
12.2.2.	Аналіз надійності об’єкта на стадії виготовлення та встановлення……………………………………………………	145
12.2.3.	Аналіз надійності об’єкта на стадії експлуатації та обслуговування…………………………………………………	146
12.3.	Методи аналізу надійності об’єкта……………………………	147
12.3.1.	Порядок аналізу надійності систем…………………………...	147
12.3.2.	Загальні методи аналізу надійності об’єкта………………….	149
12.3.3.	Аналіз характеру та наслідків відмов…………………………	150
12.3.4.	Аналіз діагностичного дерева відмов…………………………	151
12.3.5.	Аналіз за допомогою блок-схеми надійності…………………	151
12.3.6.	Прогнозування надійності за кількістю елементів (лямбда-метод)……………………………………………………………	152
12.3.7.	Марковський аналіз…………………………………………….	152
12.4.	Програма забезпечення надійності……………………………	153
13.	Надійність суб’єкта як ланки Восподарської системи………………………………………………………	157
13.1.	Надійність роботи і помилки суб’єкта технічного управління………………………………………………………	157
13.2.	Характер помилок суб’єкта (оператора)……………………...	159
13.3.	Класифікація помилок суб’єкта……………………………….	160
13.4.	Причини помилок суб’єкта…………………………………….	161
13.5.	Банк даних помилок суб’єкта………………………………….	161
13.6.	Методика прогнозування помилок суб’єкта………………….	162
13.7.	Задачі аналізу надійності роботи оператора (диспетчера) складних технічних об’єктів…………………………………..	164
	Література………………………………………………………	166
	Короткий термінологічний словник………………………….	168

ВСТУП

Читання курсу орієнтовано на формування уніфікованих підходів знань при розгляді надійності водогосподарських систем і гідротехнічних споруд, які подаються в нормативних документах та регламентують всі етапи їх життєвого циклу.

В курсі розглядаються загальні принципи забезпечення надійності і основи розрахунку простих та складних систем.

Теорія надійності, як самостійна наука, активно розвивалася останні 50 років у зв’язку з протіканням науково-технічних революцій, розроблення і необхідністю застосування нової техніки та матеріалів для неї та надійного і безпечного використання систем за призначенням.

Проблема забезпечення надійності водогосподарських систем і споруд – складна комплексна задача, яка включає особливості реалізації технічних, економічних і організаційних рішень при використанні системи за призначенням. Надійність може бути досягнута використанням необхідних матеріалів, удосконалених конструктивних рішень, збільшенням безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і збереженості, удосконаленням якості вишукувань, проектування, будівництва, а також удосконалення технічного обслуговування, ремонту і експлуатації. Надійність може бути оцінена системою одиничних та комплексних показників надійності. Залежно від цілей розрахунку, наявної інформації про роботу об’єкта та характеру його відмови рекомендовано використовувати наявні різноманітні моделі.

Теорія надійності базується на математичних дисциплінах теорії ймовірностей та математичної статистики, теорії графів, а також системного аналізу, теорії масового обслуговування.

Розуміння основних визначень, понять та моделей при розгляді інженерних систем і споруд, як будівельних об’єктів, передбачає, що студенти ознайомлені з будовою та функціонуванням таких об’єктів, а також теорії ймовірностей і математичної статистики, зможуть розв’язувати прості та складні задачі надійності.

1. Предмет, завдання та зміст дисципліни

1.1. Проблеми надійності водогосподарських об’єктів, інженерних систем і споруд

Надійність – є вимогою сучасного стану розвитку техніки. Інженерні системи і споруди не є виключенням.

Для сучасних інженерних систем і споруд характерним є їх розвиток в напрямку збільшення параметрів, розмірів, продуктивності, автоматизації тощо, підвищення вимог безпечної експлуатації та надійності роботи.

Особливістю проблем надійності є їх зв'язок з усіма етапами життєвого циклу будівельних об’єктів, проектування, зведення, експлуатації та розвитку. Кожний з етапів вносить свою долю у вирішення задач в цілому. Основні рішення з надійності, прийняті на стадії проектування та зведення, безпосередньо впливають на систему чи споруду при експлуатації, які часто вступають у протиріччя між собою. Тому необхідно виявляти можливі зв’язки і протиріччя при формуванні конструкції, вузлів та при виборі матеріалів.

Встановлена надійність, за ДБН В.1.2, має бути забезпечена на етапах життєвого циклу будівельного об’єкта:

• вишукування і проектування;

• виготовлення, транспортування та зберігання будівельних виробів;

• освоєння будівельного майданчика та зведення об'єкта, приймання об'єкта в експлуатацію;

• використання об'єкта за призначенням протягом встановленого терміну експлуатації, оцінка технічного стану, ремонт;

• реконструкція й подальше використання у нових умовах;

• ліквідація об'єкта.

У залежності від етапу життєвого циклу інженерних систем і споруд задачі надійності такі:

• визначення параметрів майбутнього об'єкта з урахуванням встановлених чи прогнозованих умов його застосування;

• рішення з дозволу або заборони на застосування проекту, матеріалів, виробів, результатів робіт і самого об'єкта;

• встановлення вимог до зміни окремих характеристик об'єкта (його складових частин) або режиму його використання.

Класи відповідальності будівель і споруд визначаються рівнем можливих матеріальних збитків і (або) соціальних втрат, пов'язаних із припиненням експлуатації або із втратою цілісності об'єкта.

Можливі соціальні втрати від відмов повинні оцінюватися в залежності від таких факторів ризику, як:

• небезпека для здоров'я і життя людей;

• різке погіршення довкілля у прилеглій до об'єкта місцевості (наприклад, при руйнуванні сховищ токсичних рідин або газів, відмови очисних споруд каналізації тощо);

• втрата пам'яток історії і культури або інших духовних цінностей суспільства;

• припинення функціонування систем і мереж зв'язку, енергопостачання, транспорту чи інших елементів життєзабезпечення населення або безпеки суспільства;

• неможливість організувати надання допомоги потерпілим від аварій і стихійних лихах;

• загроза обороноздатності країни.

Можливі економічні збитки оцінюються витратами, пов'язаними з необхідністю відновлення об'єкта, що відмовив, і з побічними збитками (збитки від зупинки виробництва, прогаяна вигода тощо).

Проблема надійності − комплексна. Вона втручається у сфери вишукування, зведення, експлуатації і розвитку систем і споруд, залучає нові знання для вирішення задач і проблем.

При проектуванні і розрахунку споруд і систем закладається її надійність. Вона залежить від конструкції споруд і систем, їх вузлів, матеріалів, які застосовуються, методів захисту від шкідливих впливів, пристосованість до ремонту і обслуговування, і інших конструктивних особливостей.

При виготовленні (будівництві) забезпечується її надійність. Вона залежить від якості виготовлення (будівництва), методів контролю продукції, можливості управління за ходом технологічних процесів, якості будівництва систем і споруд, збирання машин, методів випробування та інших показників технологічного процесу.

При експлуатації водогосподарських об’єктів, інженерних систем і споруд реалізується надійність. Надійності проявляється тільки у процесі використання об’єктів за призначенням, і залежить від методів і умов експлуатації, прийнятої системи ремонту, методів ТО, режимів роботи і інших експлуатаційних факторів.

Проблема надійності – комплексна. Вона втручається у сфери будівництва і експлуатації, залучає нові знання.

Наука про надійність вивчає закономірності зміни показників якості технічних об’єктів, пристроїв і систем і на основі цього розробляє методи, які забезпечують із меншими витратами часу і коштів необхідну тривалість і безвідмовність їх роботи.

Ця наука на основі прогнозу поведінки системи розробляє теорію прийняття оптимальних рішень для забезпечення необхідного рівня надійності.

Специфічними особливостями надійності є:

• фактор часу, оскільки оцінюються зміни початкових параметрів у процесі експлуатації об’єктів;

• прогнозування поведінки об’єкта з точки зору збереження його вихідних параметрів (показників надійності).