СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ
METHOD TO INCREASE EFFICIENCY OF ITEM OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам обеспечения надежности изделий и проведения испытаний, в частности на основе неразрушающего контроля, в различных отраслях техники: транспорт, машиностроение, энергетика и других. Более конкретно, изобретение относится к способам повышения эксплуатационных показателей изделий и оптимизации контроля изделий в различных отраслях.
Уровень техники
Из уровня техники известны попытки оптимизировать неразрушающий контроль, например, в публикациях [1]-[4] Европейской Комиссии и МАГАТЭ. Известны также «Методические рекомендации по оптимизации эксплуатационного неразрушающего контроля», концерн Росэнергоатом, 2007 г. Недостатком известных способов является невозможность на их основе оптимизировать периодичность проведения контроля изделия в ходе его эксплуатации.
В качестве наиболее близкого аналога принят известный способ повышения эффективности эксплуатации изделий, раскрытый в патенте RU 2301992 C2 (опубликован 27.06.2007). В основе данного известного способа лежит методика проведения неразрушающего контроля изделия, позволяющая повысить эффективность его эксплуатации. Однако данный способ не позволяет оптимизировать периодичность проведения контроля изделия.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание более совершенного способа контроля изделий в ходе их эксплуатации, позволяющего повысить эффективность эксплуатации изделий в целом.
Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в оптимизации периодичности контроля изделий, в том числе неразрушающими методами, и обеспечении уровня надежности изделий при минимальных затратах.
к
р
р
к
о
Указанная выше совокупность технических результатов достигается тем, что способ повышения эффективности эксплуатации изделий состоит в том, что определяют уровень надежности изделия, определяют методы и средства неразрушающего контроля изделия, выбирают технологию ремонта изделия, при этом определяют среднюю продолжительность t контроля изделия, среднюю длительностью t ремонта изделия, стоимость У ремонта изделия в единицу времени, стоимость У контроля изделия в единицу времени, прибыль ∋ в единицу времени от эксплуатации изделия без отказов, среднее число отказов В(k) изделия в единицу времени при числе контролей k, составляют зависимость эффективности ∋ эксплуатации изделия от упомянутых параметров надежности, контроля и ремонта
о
р
к
р
р
к
к
∋=∋[1-tB(k)-tk]-УtB(k)-Уtk
оптимальное число контролей k определяют из условия d∋/dk=0,
осуществляют эксплуатацию изделия, в ходе которой проводят оптимальное число контролей.
Отличительной чертой данного способа является использование зависимости эффективности эксплуатации изделия с характеристиками эксплуатационного контроля изделия, его ремонта и уровня надежности изделия.
Краткое описание фигур чертежей
опт
На ФИГ.1 показана зависимость эффективности эксплуатации ∋ от количества контролей за проектный (или предстоящий) срок эксплуатации k. Показано, что максимальная эффективность достигается при оптимальном количестве k контролей.
опт
опт
На ФИГ.2 графически показано решение уравнения для определения оптимального количества k контролей. Оптимальное количество k контролей соответствует точке пересечения горизонтальной кривой 1 с кривой 2.
опт
опт
На ФИГ.3 показан частный случай определения оптимального количества k контролей. В показанном примере k=0, поскольку кривая 1 с кривой 2 не пересеклись.
Осуществление изобретения
Наиболее ответственные изделия современной техники подвергают многократному неразрушающему контролю (ультразвуковому, радиографическому, вихретоковому и другим видам). Так, в атомной энергетике нормативный документ «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных электростанций» ПНАЭГ-7-008-89 устанавливает следующую структуру неразрушающих контролей сосудов и трубопроводов реакторной установки: входной контроль на площадке АЭС; в процессе освоения мощности, а также периодический эксплуатационный контроль во время эксплуатации с периодичностью четыре года, а в случае выявления дефектов периодичность может составлять один год. Таким образом, число контролей изделия может достигать семи-десяти и более в период проектного срока эксплуатации реакторной установки.
Проведение эксплуатационного периодического неразрушающего контроля требует материальных затрат, затрат времени (что ведет к снижению эффективности эксплуатации) и регулируется, как правило, документами верхнего уровня, например в атомной энергетике упомянутым выше документом федерального уровня ПНАЭГ-7-008-89. Неразрушающий контроль изделия проводят для повышения его надежности и безопасности.
Цель эксплуатационного контроля: 1) выявление и фиксация дефектов металла; 2) выявление и фиксация изменений физико-механических свойств и структуры металла; 3) оценка состояния металла; 4) своевременный ремонт выявленных дефектов по результатам контроля для недопущения возникновения опасных состояний изделия, связанных с частичным или полным его разрушением.
При этом контроль проводят для корпусов реакторов, сосудов, корпусов насосов, арматуры и трубопроводов и других изделий.
На примере атомных электростанций (АЭС) можно видеть, что периодичность неразрушающего контроля следующая:
- со снятием теплоизоляции - не реже 1 раза в 4 года для основного оборудования и трубопроводов;
- для остального оборудования - 1 раз в 8 лет.
На АЭС западного производства установлена периодичность проведения контроля 10 лет с возможностью увеличения до 11 лет.
Как в отечественной литературе, так и в зарубежной, отсутствуют указания на обоснование принятой на практике периодичности эксплуатационного контроля, в связи с чем изменения существующих норм периодичности (как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения) требуют разработки специального обоснования. Вопрос о периодичности неразрушающего контроля является актуальным как с экономической точки зрения (проведение контроля требует много времени, в течение которого коммерческое использование объекта невозможно и предприятие несет соответствующие убытки), так и с точки зрения безопасности и надежности эксплуатации (проведение контроля приводит к повышению надежности изделия и снижает вероятность его разрушения во время эксплуатации).
Задача решалась на основе результатов анализа риска для каждого конкретного изделия. Основные принципы программы неразрушающего контроля, основанного на информации о риске, заключаются в следующем:
- возможность определения последствий, вероятности и риска, связанных с отказами;
- разработка программы неразрушающего контроля, реализация которой уменьшит риск возникновения отказов в областях повышенного риска с учетом экономических соображений (стоимости).
Основными элементами, составляющими процесс планирования эксплуатационного контроля, основанного на информации о риске, являются:
- оценка вероятности отказов для всех рассматриваемых компонентов;
- оценка последствий отказов для всех рассматриваемых компонентов;
- ранжирование рисков, связанных со всеми компонентами;
- выбор компонентов, подлежащих контролю в соответствии с выбранными критериями.
Оптимизация эксплуатационного контроля, основанная на информации о риске, может быть выполнена в виде сопоставления двух независимых событий: последствия отказа и вероятность возникновения этого отказа. При этом каждый из этих событий оценивается в терминах риска:
- очень высокий;
- высокий;
- средний;
- низкий;
- очень низкий.
В зависимости от сочетания указанных оценок принимается решение о контроле. Например, если последствия отказа высокие и вероятность отказа высокая, то контролировать надо часто. Если вероятности отказа и последствия очень высокие, то контролировать надо очень часто. Недостаток такого подхода состоит в том, что исчерпывающим образом не определено, что такое часто, что такое очень часто.
Суть изобретения состоит в том, что определяется зависимость эффективности эксплуатации изделия от характеристик контроля изделия, уровня надежности изделия в зависимости от метода контроля и характеристик ремонта изделия в случае его повреждения (частичного или полного разрушения). Максимальная эффективность эксплуатации изделия определяется как экстремум (кривая 1 на ФИГ.1) на кривой зависимости эффективности ∋ эксплуатации изделия от количества контролей k за весь проектный срок эксплуатации (периодичность контроля равна частному от деления проектного срока эксплуатации на k).
Другими словами, так как проведение эксплуатационного контроля связано с материальными затратами, то его оптимальная организация должна предусматривать сохранение определенного соотношения между общими затратами на контроль и выгодами, получаемыми от проведения контроля.
к
р
р
к
В качестве конкретной цели оптимизации принимается получение максимальной эффективности, которая, в частности, может быть измерена как прибыль или доходы от работы изделия. Соотношение между эффективностью ∋ (прибылью) в единицу времени, числом k контролей, средней продолжительностью t контроля, средней длительностью t ремонта, стоимостью У ремонта в единицу времени и стоимостью У контроля в единицу времени, имеет вид:
о
где ∋ - прибыль в единицу времени от эксплуатации изделия, если отказов оборудования не происходит; В(k) - среднее число поломок в единицу времени (вероятность разрушения) при числе контролей, равном k.
max
max
Величина В(k) является, по существу, прочностной характеристикой контролируемого элемента конструкции, точнее вероятностной характеристикой разрушения по критерию возникновения в конструкции дефекта, или по другим критериям, например полному разрушению конструкции. Она может меняться в интервале от некоторой максимальной величины B, соответствующей случаю, когда контроль не производится, т.е. k=0, до минимального значения, стремящегося к 0. В последнем случае k принимает максимальное значение k.
max
Изменение функции ∋(k) в диапазоне 0<k<k может соответствовать трем случаям:
Смысл выражений (2)-(4) заключается в следующем. Изделие, для которого справедливо условие (2), должно эксплуатироваться с максимально достижимой надежностью, т.е. В(k) должна стремиться к 0; этот случай нами не рассматривается.
Для изделия с условием (3) можно допустить некоторое число поломок. Для изделия с условием (4) контроль невыгоден, то есть оптимальное число контролей за весь срок эксплуатации k=0.
макс
Производя дифференцирование выражения (1) и используя условие (3), получаем условие достижения максимальной эффективности эксплуатации изделия (∋ на ФИГ.1):
Максимальная эффективность эксплуатации изделия достигается при оптимальном числе проведенных контролей (см. ФИГ.1).
Условие невыгодности контроля принимает вид:
Полученные выше уравнения являются условиями достижения максимальной эффективности эксплуатации изделия во взаимосвязи с оптимальным количеством контролей и интервалом времени между контролями (или частотой контроля).
Последовательность действий при осуществлении изобретения следующая:
- определяют уровень надежности изделия, определяют методы и средства неразрушающего контроля изделия и выбирают технологию ремонта изделия;
к
р
- определяют среднюю продолжительность t контроля изделия и среднюю длительность t ремонта изделия;
р
к
о
- определяют стоимость У ремонта изделия в единицу времени, стоимость У контроля изделия в единицу времени, прибыль ∋ в единицу времени от эксплуатации изделия без отказов, среднее число отказов В(k) (разрушения, течи или обнаружения опасного дефекта) изделия в единицу времени при числе контролей k.
о
р
к
р
р
к
к
Далее составляют зависимость эффективности ∋ эксплуатации изделия от упомянутых параметров надежности, контроля и ремонта ∋=∋[1-tB(k)-tk]-УtB(k)-Уtk.
опт
После этого определяют оптимальное число контролей k из условия d∋/dk=0, т.е. по формуле (5).
опт
После этого осуществляют эксплуатацию изделия, в ходе которой проводят оптимальное число контролей с периодичностью T/k, где T - проектный срок эксплуатации изделия и выполняют ремонт изделия по результатам контроля. При этом достигается максимальная эффективность эксплуатации изделия.
Пример осуществления изобретения
опт
о
к
д
р
k
8
6
8
Определить условия достижения максимальной эффективности эксплуатации корпуса сосуда давления за проектный срок эксплуатации 30 лет, что соответствует оптимальному числу контролей k за указанный срок эксплуатации. Вероятность разрушения корпуса оценивали по критерию сопротивления хрупкому разрушению с учетом охрупчивания металла от радиационного воздействия. Доход от эксплуатации корпуса в течение 30 лет принимали равным ∋=4·10 руб. Стоимость контроля за 30 лет определяли как зарплату операторов контроля с учетом стоимости оборудования для контроля (У=0,8·10 руб.). Стоимость ремонта принимали равной У=8·10 руб. (предполагали, что для сосуда справедлива концепция «течь перед разрушением» и полного разрушения не произойдет, однако при частичном разрушении возможна гибель людей с необходимостью выплат компенсаций). Соотношение времени на контроль и ремонт принимали t/t=100. Решение уравнения (5) графическим методом показано на ФИГ.2. На этом рисунке кривые 1 и 2 соответствуют значениям соответственно:
и .
опт
опт
Точка пересечения кривых 1 и 2 соответствует оптимальной частоте дефектоскопического контроля сосуда давления k=1,2 или, округляя в сторону запаса, 2 раза за 30 лет эксплуатации. При этом достигается максимальная эффективность эксплуатации изделия за 30 лет эксплуатации при условии ремонта выявленных дефектов по результатам контроля. Второй случай, когда контроль невыгодный, рассмотрен для вспомогательного трубопровода на ФИГ.3. В этом случае пересечение кривых 1 и 2 отсутствует, что свидетельствует о выполнении условия (6). Максимальная эффективность эксплуатации при этом достигается, если неразрушающий контроль не проводить, т.е. k=0.
Список литературы
[1] ENIQ report №23 «European Framework Document for Risk-informed In-service Inspection» EUR 21581 EN, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005.
[2] IAEA-TECDOC-1400 Improvement of in-service inspection in nuclear power plants», July 2004.
[3] IAEA Regional Workshop, on Qualification of In-Service Inspection Systems and Risk-Informed In-Service Inspection. Zagreb, Croatia, 18-22 October 2004.
[4] О J Victor Chapman «Structural Reliability Models (SRM). Link between RI-ISI & Inspection Qualification, Inspection Interval».