Введение в техническую диагностику потенциально опасных объектов машиностроительного предприятия

ВВЕДЕНИЕ

Объекты машиностроения относятся к потенциально опасным техническим системам. Поэтому к ним предъявляются высокие требования надежности и безопасности эксплуатации. Цель настоящего пособия – ознакомить будущих специалистов в области обеспечения промышленной безопасности с основными понятиями технической диагностики потенциально опасных объектов машиностроения. Кроме того, учитывая, что в технической литературе и нормативных документах используются специальная терминология и сокращения, целесообразно привести список основных терминов и их определение по технической диагностики объектов машиностроения. Он составлен на основе анализа законодательной, нормативно-технической и регламентирующей документации в области обеспечения технической безопасности промышленных объектов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЩАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

Слово диагностика образуется от греческого «диагнозис» – распознавание, определение. Техническая диагностика означает распознавание состояния технических объектов и систем. Основной целью технической диагностики является оценка надежности и безопасности технических объектов. Техническая диагностика занимается определением и изучением признаков, характеризующих отказы оборудования, наличие дефектов в техническом объекте, оценкой его состояния и предсказанием возможных отклонений в режимах работы, а также разработкой методов и средств обнаружения и локализации дефектов (отказов) в технических системах.

Задачи определения состояния технических объектов подразделяются на три вида:

• техническое диагностирование – определение технического состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени;

• техническое прогнозирование – предсказание технического состояния, в котором объект окажется в некоторый будущий момент времени;

• техническая генетика – определение состояния, в котором объект находился в некоторый момент времени в прошлом.

К техническому прогнозированию относятся, например, задачи оценки остаточного ресурса конструкции, назначения периодичности профилактических проверок и ремонта оборудования. Как правило, прогнозированию предшествует диагностирование, поскольку нельзя определить состояние объекта в будущем, если неизвестно его текущее состояние. С задачами технической генетики приходится сталкиваться при расследовании аварий технических систем. С понятием техническая диагностика тесно связано понятие неразрушающий контроль, под которым понимают совокупность методов и средств для обнаружения нарушений сплошности и однородности макроструктуры материалов и изделий, отклонений химического состава и свойств материалов, определения размеров изделий, причем указанные операции проводятся без нарушения целостности и потребительских качеств контролируемого объекта.

Основными преимуществами неразрушающего контроля являются:

• возможность 100%-го контроля качества изделий;

• возможность проведения эксплуатационного контроля;

• возможность проведения испытаний одного и того же изделия несколькими методами;

• возможность повторного контроля изделия по прошествии некоторого определенного времени;

• сохранение дорогостоящих деталей и изделий.

Разумеется, неразрушающий контроль не лишен недостатков. К ним относят следующие:

• результаты испытаний, как правило, носят вероятностный или качественный характер;

• неоднозначность заключения о годности объекта и ресурсе его работы.

Технические средства неразрушающего контроля подразделяются на четыре вида:

• средства для выявления дефектов и нарушения сплошности материала;

• средства для контроля геометрических размеров объекта;

• средства, используемые для оценки физических и физико-механических свойств материала и химического состава;

• средства технической диагностики для обнаружения дефектов или отклонений в состоянии эксплуатируемой технической системы.

В соответствии с данной классификацией различают следующие задачи контроля объектов и материалов:

• дефектоскопии – обнаружение нарушений сплошности макроструктуры объектов и отклонений от химического состава;

• толщинометрии – контроль и определение размеров изделий;

• структуроскопии – контроль химического состава и структуры материалов;

• технической диагностики текущего состояния и служебных свойств.

В индустриальной сфере сравнительно часто приходится решать задачи дефектоскопии, которые независимо от используемого метода контроля включают следующие этапы: обнаружение дефектов в конструкциях и изделиях, классификация или определение вида дефектов – трещина, раковина, включение и т. п., определение координат и размеров, обнаруженных дефектов, оценка их степени опасности.

В инженерной практике под термином дефект понимают отклонение от нормального, предусмотренного заданными техническими условиями качества, ухудшающее рабочие или технические характеристики изделия.

Различают следующие виды дефектов:

• производственно-технологические;

• эксплуатационные.

По происхождению различают:

• дефекты изготовления материалов: трещины, раковины, ликвация и др.;

• дефекты обработки материалов, возникающие, например, при прокатке: расслоения, изменение структуры зерна, текстура;

• дефекты, появляющиеся при обработке и изготовлении деталей, например, закалке, шлифовке, – закалочные трещины;

• дефекты соединения деталей, например, при сварке – раковины, трещины, шлаковые включения и др.;

• дефекты, возникающие при эксплуатации конструкции, – усталостные трещины, коррозия, коррозия под напряжением.

Возможность выявления дефектов характеризуется предельной чувствительностью или порогом чувствительности, под которой подразумевается минимальный размер дефекта, который может быть обнаружен с помощью данного метода или средства контроля.

Задачей технического диагностирования является оценка фактического состояния технического объекта. Для этого априорно задается множество возможных состояний объекта и в результате обработки диагностической информации из этого множества определяется наиболее вероятное состояние. Множество возможных состояний в простейшем случае может включать лишь два состояния объекта – исправное и неисправное, а процесс определения, в каком из них находится объект, называется дихотомией.

Состояние объекта определяется в результате обработки и анализа диагностических сигналов, причем сам объект и элементы диагностической системы, как правило, находятся под влиянием случайных воздействий, помех и шумов. Поэтому процесс оценки состояния носит вероятностный характер, при котором существует конечная вероятность принятия ошибочных решений. При диагностике особо ответственных объектов следуют принципу «избыточности», когда применение частично дублирующих и взаимодополняющих средств контроля, действие которых основаны на различных физических принципах, позволяет свести вероятность ошибочных решений к допустимому минимуму.

Для создания эффективной системы диагностики необходимо понимание физической сущности протекающих в диагностируемом объекте процессов, приводящих к появлению диагностических сигналов или изменению их параметров. Более того, сам выбор диагностических параметров проводится после того, как установлена их взаимосвязь с контролируемыми характеристиками объекта, находящегося в том или ином состоянии. Очевидно, что в качестве диагностических следует выбирать лишь те параметры, которые существенно меняются при переходе объекта из одного состояния в другое. По результатам исследований строится диагностическая модель объекта, устанавливающая связь между пространством его состояний и пространством диагностических признаков.

С ее помощью формируется набор эталонов и правил принятия решений о состоянии диагностируемого объекта, что позволяет формализовать процесс решения диагностических задач. По мере накопления опыта эксплуатации технического объекта его диагностическая модель может уточняться и совершенствоваться.

Таким образом, разработка системы диагностики включает в себя решение связанных друг с другом задач:

• изучение объекта в целях определения его возможных состояний;

• разработка диагностической модели объекта, выбор диагностических параметров и признаков, критериев состояния и правил принятия решений о состоянии объекта;

• оценка вероятностей ошибочных решений о состоянии объекта и рисков, связанных с диагностическим обслуживанием;

• выбор и разработка методов и средств технической диагностики;

• разработка схемы диагностирования, размещения датчиков, линий связи, нестандартного контрольно-измерительного оборудования;

• разработка алгоритмов обработки первичной диагностической информации и анализа результатов диагностического обследования;

• разработка метрологического обеспечения диагностических работ, калибровочных операций и функциональной проверки готовности диагностического оборудования к работе;

• верификация процедуры технического диагностирования и интерпретации результатов диагностических измерений;

• сертификация методов и средств измерений диагностических параметров;

• обучение и аттестация персонала, связанного с работами по технической диагностике;

• разработка формы представления результатов диагностики, содержащей рекомендации по совершенствованию процедуры диагностического обслуживания.

ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Первоочередными задачами Государственных программ Российской Федерации в области промышленной безопасности являются:

• разработка и проведение инженерно-организационных мероприятий по снижению риска аварий с тяжелыми экологическими и экономическими последствиями;

• создание на предприятиях современных систем диагностического обслуживания;

• анализ и управление риском, связанным с воздействием производства на население, обслуживающий персонал и окружающую среду.

Опыт расследования аварий свидетельствует, что общими причинами аварий и отказов технических систем являются ошибки, которые условно можно отнести к трем категориям [3-5]: технические, организационные и аттестационные ошибки.

1. Технические ошибки:

• неправильная эксплуатация, приводящая к отклонениям от штатных режимов работы технических систем; эксплуатация объекта при нагрузках выше допустимых;

• ошибочное проектирование, при котором узлы и элементы конструкции обладают недостаточной способностью выполнять свои служебные свойства;

• неправильное изготовление, когда детали конструкции не соответствуют техническому проекту.

2. Организационные ошибки обусловлены тем, что руководитель проекта не предусмотрел организационных мер по предотвращению технических ошибок.

3. Аттестационные ошибки связаны с недостатком квалификации: ответственные лица не обладают достаточной квалификацией, чтобы избежать технических и организационных ошибок.

Применительно к аварийным ситуациям на машиностроительных предприятиях к техническим ошибкам относят:

• ошибки разработчиков и конструкторов, в результате которых конструктивные элементы машиностроительного предприятия не обладают необходимыми параметрами качества, например, способностью сопротивляться разрушению при нагрузках, характерных для нормальных условий работы установки, или возникающих при проектных аварийных ситуациях;

• ошибки персонала машиностроительного предприятия, связанные с нарушением правил эксплуатации, в том числе сознательным превышением установленных пределов и условий безопасной эксплуатации;

• ошибки изготовления и монтажа, когда нарушены требования проектной документации, применены несовершенные технологии и использован неисправный инструмент, не обеспечен контроль качества выполненных работ, проведена несанкционированная замена одних конструкционных материалов на другие, работы выполняются персоналом, не обладающим требуемой квалификацией, и т. п.;

к организационным ошибкам в области технической диагностики относят:

• неправильную или неполную программу диагностического обслуживания;

• ошибки в технологическом и кадровом обеспечении процесса диагностического обслуживания;

• ошибки руководства при выборе поставщика средств и услуг в сфере диагностического обслуживания;

• использование недостаточной нормативной, методической, справочной и рекомендательной баз для организации и проведения диагностического обслуживания станции;

к квалификационным или аттестационным ошибкам в сфере диагностического обслуживания машиностроительного предприятия относят:

• ошибки и недостатки в организации обучения, повышения квалификации и периодических проверок знаний и навыков у персонала, связанного с технической диагностикой оборудования;

• ошибки при подборе персонала и назначение некомпетентных руководителей и исполнителей процессов диагностического обслуживания предприятия.

Как правило, к аварийным ситуациям приводит комплекс допущенных ошибок, в котором одна из ошибок влечет за собой другую, и цепочка взаимосвязанных причин. С усложнением технических объектов их безопасность все в большей степени зависит от квалификации исполнителей работ на всех этапах жизненного цикла объектов: проектирования, эксплуатации, вывода из эксплуатации и утилизации.

Так при проектировании любой технической системы разработчик должен:

• предвидеть риск, который может возникнуть даже при рациональном использовании проектируемого объекта;

• использовать данные во взаимодействии человека и машины – достижения эргономики;

• учитывать эффекты и последствия, связанные с неправильной эксплуатацией технической системы и неразумным вмешательством в ее работу.

Для качественного обследования нужны не только современные контрольно-измерительные приборы, но и специалисты с опытом в области технической диагностики и неразрушающего контроля, знающие специфику работы оборудования машиностроительных предприятий. Такие специалисты должны владеть:

• процедурами диагностического обследования с применением различных методов и средств неразрушающего контроля;

• методиками анализа причин и последствий аварий и отказов, в том числе идентификации результатов разрушений и поломок;

• методами расчетно-экспериментального прогнозирования долговечности и оценки безопасных сроков службы элементов конструкций, если по результатам обследования известно их состояние и условия будущей эксплуатации.

Разумеется, эти специалисты должны проходить периодическую переподготовку и аттестацию в надзорных органах.

Данные о фактическом состоянии объектов, полученные в результате диагностики, используются для определения их остаточного ресурса и риска дальнейшей эксплуатации. Если оценка и минимизация риска эксплуатации машиностроительных предприятий ранее представляли собой исключительно научно-техническую задачу, то в настоящее время она трансформировалась в первостепенную социально-экономическую проблему. В более общей постановке – это относительно новая проблема безопасности современной техносферы. Машиностроительные предприятия – существенная часть техносферы, поэтому, говоря о риске их эксплуатации, следует представлять все многочисленные аспекты этого понятия.

Техносфера – искусственная среда обитания, созданная человеком для повышения своей безопасности, в настоящее время сама становится источником потенциальной опасности. Такая ситуация не может не волновать общество, что нашло свое отражение в дискуссиях, развернувшихся на страницах специальных технических и научно-популярных изданий, см. например [6,7]. Суть проблемы в общих чертах сводится к следующему. Для улучшения экономических показателей современного производства стремятся увеличить мощность промышленных установок, усложняются сами технологии, а функционирование оборудования все больше зависит от правильности действий персонала, управляющего им. Технические объекты, расположенные в одном регионе, как правило, объединяются сетью коммуникаций в единую технологическую систему. В результате сильнее и разнообразней становится их влияние друг на друга. Растет плотность населения в индустриальных районах. Все это увеличивает риск и масштаб аварий, а также тяжесть их последствий.

В настоящее время традиционная концепция «абсолютной безопасности» стала неадекватна внутренним законам развития техносферы. Эти законы носят вероятностный характер, и нулевая вероятность аварии имеет место лишь в системах, лишенных запасенной энергии, химически и биологически активных компонентов. На остальных же объектах, а таких большинство, вероятность возникновения аварийной ситуации конечна. Их не исключат даже самые дорогостоящие инженерные мероприятия. Можно говорить лишь о снижении риска аварии, но нельзя забывать о том, сколько за это придется заплатить.

Ресурсы любого, даже технологически высокоразвитого, общества ограничены. И если вкладывать неоправданно много средств в системы предотвращения аварий, то в скором времени будем вынуждены столкнуться с такой ситуацией, когда придется урезать финансирование многих социальных программ. Эксперты считают, что при этом, весьма вероятно, в конечном итоге, даже с учетом уменьшившегося риска техногенных катастроф, снизится качество жизни человека и сократится ее средняя продолжительность. За безопасность техники всегда нужно платить, но после некоторого уровня цена уже не оправдывает достигнутого эффекта.

На уровень безопасности влияют не только и не столько технические, как экономические и социальные решения, принимаемые обществом. Зависимость риска от экономической стратегии носит статистический характер. Решения на основе принятой стратегии развития принимаются для общества в целом. В то же время эти решения не обязательно совпадут с целями и желаниями отдельных групп населения и тем более конкретных людей.

Какой уровень риска считать допустимым – определяется скорее не техническими, а политическими мотивами и зависит от экономических возможностей общества. Например, в Голландии законодательно установлен максимально приемлемый индивидуальный риск равный 10⁶ в год, то есть вероятность гибели человека в течение года не должна превышать одного шанса из миллиона. Чтобы ощутить этот уровень, укажем, что 10⁶ – риск пешехода стать жертвой дорожного происшествия в городе с интенсивным транспортным движением, например в Москве в середине 80-х годов, при условии соблюдения им правил дорожного движения.

В настоящее время выделяют четыре подхода к проблеме оценки и измерения риска.

Инженерный подход. Он заключается в изучении статистики поломок и аварий и в вероятностном анализе безопасности всего технического объекта в целом. При этом строятся и рассчитываются деревья отказов и событий. Первые позволяют предсказать, каковы последствия того или иного отказа, а вторые – установить причины, способные вызвать ту или иную аварийную ситуацию. Построив деревья, рассчитывают вероятность каждой аварийной ситуации и общую вероятность аварии.

Модельный подход. Согласно этому подходу строятся различные модели для определения влияния вредных факторов на население и окружающую среду. Оцениваются воздействия последствий как при штатной работе объекта, так и в случае возникновения аварийных ситуаций.

Недостатком этих двух подходов является отсутствие надежных исходных данных для проведения численных оценок.

Экспертный подход. Вероятности аварийных ситуаций, оценка их ущерба и последствий определяются в ходе инспекции уже действующих объектов или изучения технической документации на стадии их проектирования. За рубежом существует множество специализированных фирм, использующих те или иные методики проведения экспертизы. Несмотря на очевидный недостаток – неизбежный субъективизм оценок, заключение экспертов является определяющим при получении разрешения на строительство объектов, продолжение их эксплуатации и назначение страховых взносов и выплат.

И, наконец, социологический подход, в рамках которого с помощью социологических опросов изучается отношение населения к различным видам риска.

Применение столь разных подходов к оценке риска оправдано, поскольку в тех или иных ситуациях в это понятие вкладывается различный смысл – вероятность аварии, ее последствия или обе эти характеристики. При оценке риска следует учитывать и выгоду, которую получит общество, идя на риск. Бессмысленный риск недопустим, вне зависимости от его малости. Таким образом, оценка риска – это многокритериальная задача, причем многие ее параметры могут не иметь строгого числового значения. Для ее решения часто используются теории принятия решений и нечетких, или как их еще называют «пушистых», множеств. Для выбора критериев следует привлекать не только экспертов, но представителей всех заинтересованных групп. Открытое обсуждение достоинств и недостатков проектируемых технических объектов, обоснование оценок риска, понятное и неспециалисту, способствует выработке согласованного решения, устраивающего различные заинтересованные стороны. Особо важно учесть мнение различных групп населения, что позволит избежать такой ситуации, когда объект уже построен, а население препятствует его пуску.

Социологи и специалисты указывают в первую очередь влияние следующих факторов на восприятие риска населением.

Значимость последствий – для оценки риска важную роль играет то, какие потребности человека будут удовлетворены с помощью данной технологии и чем грозит ему аварийная ситуация.

Распределение угрозы во времени – люди относятся терпимее к частым, но мелким авариям, чем к редким катастрофам с большим числом жертв. При этом суммарные потери в первом случае могут быть намного больше, чем во втором. В дорожно-транспортных происшествиях во всем мире ежегодно гибнет огромное число людей. Однако никто не призывает передвигаться только пешком или пересесть на велосипеды.

Контролируемость – человек готов идти на большую степень риска в ситуации, когда он может предпринять какие-то меры для предотвращения негативных последствий, когда многое зависит от его личных действий, а не только от стечения внешних обстоятельств.

Добровольность – люди могут примириться с риском в тысячу раз большим, если он принят ими добровольно, а не навязан извне. Кроме того, необходимо иметь в виду, что общество проявляет большую терпимость к старым, хорошо известным технологиям, чем к новым, о которых оно мало знает.

Даже фрагментарное знакомство с современными представлениями о риске и методах его оценки дает представление, какой комплекс взаимосвязанных факторов приходится учитывать при создании системы безопасности ядерных энергетических установок.