1.8.3.1 Структура дерева отказов
С начала 70-х годов прошлого века были разработаны основные структурные логические приемы анализа состояния технических систем с применением дерева отказов автоматизированным методом (ЭВМ), которые получили широкое распространение. В настоящее время это один из наиболее популярных методов анализа причинно-следственных связей официально введенный правительственными учреждениями ряда стран. Известно довольно много методов построения дерева отказов, однако автором не ставилась цель подробно описать все существующие способы. В настоящей работе приведены только наиболее эффективные методы. Деревья отказов, как и другие виды технической документации, являются средством общения специалистов, поэтому они должны быть представлены в графической форме и строгой логической последовательности. После того как сочетания событий ведущих к возникновению опасных ситуаций в системе выявлены, система может быть усовершенствована и опасности происшествий и аварий уменьшены или предотвращены.
Деревья отказов представляют собой многоуровневые графические логические или табличные структуры. Их построение и количественный анализ весьма сложен, поэтому рассмотрим только ключевые моменты этого процесса. Причинно - следственные взаимосвязи, устанавливаемые с помощью дерева отказов, подвергаются количественному и качественному анализу с целью выявления опасных ситуаций, которые могут иметь место в период работы технических систем для уменьшения риска их использования. Ценность дерева отказов заключается в следующем:
- анализ ориентируется на отыскание дефектов и причин появления отказов;
- выявляются такие аспекты функционирования системы, которые имеют ключевое значение для рассматриваемых отказов;
- обеспечивается графический, наглядный материал для той части руководства промышленности, которая детально не информируется о проводимых изменениях в конструкции оборудования и системе обслуживания;
- реализуется возможность проведения качественного или количественного анализа надежности системы;
- метод позволяет специалисту поочередно сосредоточиваться на отдельных конкретных отказах системы;
- дерево отказов обеспечивает глубокое проникновение в процесс работы системы.
Построение дерева отказов (в любой принятой форме) можно считать определенным видом искусства в науке, так как практически нет двух аналитиков, которые бы составили два идентичных дерева отказов, хотя они всегда эквивалентны в смысле выявления неисправностей и дефектов. Структура дерева отказов представлена на рисунке 1.11. Следует отметить, что правильный выбор методики моделирования возникновения отказов или опасных ситуаций дает возможность в кратчайшие сроки не только выявить неисправность, рационально распределить средства на ее устранение, но и направить усилия ремонтной бригады на конкретный неисправный элемент технической системы.
Рисунок 1.11 - Структура дерева отказов
Создание самого дерева отказов наиболее часто осуществляется по трем основным формам:
- графический метод моделирования систем со сложными контурами регулирования основанный на исследовании прохождения сигнала (метод графов): деревья отказов строятся на основании изучения причин, вызывающих изменения проводимости замкнутых контуров;
- отыскание и наглядное представление причинной взаимосвязи с помощью блоков элементарных графических символов, представляющих и связывающих большое число событий; в состав блоков входят логические символы и символы событий;
- построение дерева отказов с помощью «таблицы решений», представляющей собой автоматизированный синтез дерева отказов: при наличии достаточной информации, относящейся к анализируемой системе, а так же набора моделей отдельных элементов данный подход позволяет быстро и системно построить дерево отказов, которое в достаточной мере детализирует возможные нежелательные события.
Чтобы оценить наибольшую информативность, наглядность и доступность пониманию обслуживающего персонала оборудования нефтегазовой отрасли существующих методов построения дерева отказов, наиболее пригодных для целей и задач технической диагностики в условиях эксплуатации рассмотрим в общих чертах сущность и возможности применения этих методов.
1.8.3.2 Основные правила построения дерева отказов
Существует набор некоторых общепринятых эвристических правил, используемых для построения дерева отказов.
1. Заменять абстрактные события более конкретными, например, событие «некондиционный газ» заменить «топливный газ содержит на 2,5% больше сульфидов, чем установлено техническими требованиями».
2. Разделять общие события на элементарные, например, событие «разрыв трубопровода» заменять «повреждение трубопровода в результате образования трещины».
3. Уточнять причины событий, например, событие «увеличение давления перед камерой сжатия» заменять «избыточная подача газа» или «прекращение охлаждения».
4. Связывать инициирующие события с событиями типа «отсутствие защитных действий», например, «перегрев» рекомендуется заменять на «отсутствие охлаждения на первой ступени сжатия» в сочетании с событием «нет аварийного отключения системы».
5. Отыскивать совместно действующие причины событий, например, разделять событие «взрыв» на два события - «утечка горючего газа» и «неисправность камеры сгорания двигателя».
6. Точно указывать место отказа элемента: например, событие «нет напряжения на электродвигателе» следует заменить событием «нет тока в кабеле» или: «нет охлаждающей жидкости» заменить на «клапан закрыт» в сочетании с событием «отсутствует обводной клапан».
7. Детально разрабатывая варианты отказов и прослеживая события в обратном направлении в поисках элементарных, можно обнаружить отказы отдельных элементов.
Конечное событие в этом случае - «конкретное техническое состояние системы». Сложное конечное событие, например, «разрушение опорного подшипника скольжения» является так называемой «вершиной дерева отказов». Обычно эта вершина состоит из конечного события и дополнительных нежелательных событий, включающих в себя потенциальные аварии и опасные состояния, которые являются непосредственными причинами инициации возникновения конечного события.
Основным условием работоспособности дерева отказов применительно к исследуемой подсистеме (элементу) - все наиболее важные причины конечного и дополнительных событий должны быть определены и выявлены.
Верное использование основных эвристических и логических правил построения дерева отказов дает возможность:
- уточнить и количественно оценить события;
- отыскать события с очень высокой и очень низкой степенью вероятности;
- ограничить дальнейшее развитие дерева отказов;
- обеспечить хорошую основу для разработки маршрута проверок оборудования ремонтной бригадой в случае возникновения опасных ситуаций
- разработать инструктивные документы для реализации операций ТO на каждой стадии проверок при помощи дерева отказов.
1.8.3.3 Построение дерева отказов методом графов
Технические системы, к которым относятся предприятия нефтяной и газовой промышленности, включают в себя большое количество контуров регулирования. В этом случае возможно построение дерева отказов графическим методом моделирования, основанным на принципе «прохождения сигнала» по методу Мэйсона для оценки воздействий, вызываемых контурами регулирования. В результате возникновения отказов проводимость замкнутых контуров изменяется, что дает возможность контроля и коли 
чественной оценки технического состояния системы.
| Рисунок 1.12- Модель графа Прохождения сигнала, | Рисунок 1.13- Граф прохождения сигнала имеющего замкнутый контур |
Метод Мэйсона заключается в следующем. Пусть Х есть переменный параметр источника. Обозначим через Y некоторый промежуточный переменный параметр. Тогда Y определится как
(1.12)
где D- определитель графа прохождения сигналов, Rk- проводимость пути k от источника X до Y ; Dk – определитель частичного пути, который не касается пути k.
Принцип суперпозиции принимается в тех случаях, когда требуется получить выражение для Y через несколько переменных параметров Xi.
Определитель графа D – находится из выражения
, (1.13)
где Pm- произведение проводимостей m независимых контуров и m контуров, не имеющих общих узлов.
Граф прохождения сигналов состоит из узлов и соединяющих их ветвей. Каждый узел представляет собой какой-либо переменный параметр процесса, такой как расход газа, давление, вибрация, температура и т.д. Каждая ветвь характеризуется постоянной, называемой проводимостью ветви G. Граф прохождения сигналов определяет зависимости между переменными параметрами процесса в узлах. Покажем принцип построения этого вида дерева отказов на простом примере.
Пусть переменный параметр Х3 (рисунок 1.12) определяется следующим соотношением Х3=Х (проводимость ветви, направленной к узлу Х3) х (значение предыдущего переменного параметра ветви)= 3Х1+ 5Х2
Аналогично графу прохождения сигнала (рис. 1.13) соответствуют соотношения: Х2 = Х1 –Х5; X 3 = G 1 X 2 ; X 4 = G 2 X 3 ; X 5 = HX 4 . Этот граф моделирует систему регулирования с отрицательной обратной связью, при положительной проводимости Н. Переменные Х1 , Х2 , X 3 , X 4 и X 5 –обозначают соответственно следующие параметры: задающий входной сигнал, сигнал ошибки, управляющий сигнал, регулируемую переменную, сигнал измерения.
Очевидно, что в отличие от остальных форм построения дерева отказов этот вид графической структуры (качественная оценка) требует использования довольно громоздкого, хотя и несложного (в отличие от количественной оценки дефектов по этому методу) математического аппарата.
1.8.3.4 Построение дерева отказов с помощью графических символов и логических знаков
Чтобы отыскать и представить причинную взаимосвязь с помощью дерева отказов, необходимо использовать элементарные графически представимые блоки, определяющие и связывающие некоторое количество событий.
В этом методе анализа приняты два типа блоков: символы событий и логические символы, устанавливающие их последовательность. Логические символы связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями. Формы логических знаков приведены в таблице 1.7. Логический знак может иметь один или несколько входов, но только один выход или выходное событие. Выходное событие логического знака «И» наступает в том случае, если все входные события появляются одновременно. С другой стороны, выходное событие у логического знака «ИЛИ» происходит, если имеет место любое из входных событий. Причинные связи, выраженные логическими знаками «И» и «ИЛИ» являются детерминированными, так как появление выходного события полностью определяется входными событиями. Так, например, шестиугольник (рисунок 1.13), являющийся логическим знаком запрета, используется для представления вероятностных причинных связей. Событие, помещенное внизу - входное событие, расположенное сбоку - условное. Этот знак используется в тех случаях, когда событие вызывается по требованию.
Чтобы отыскать и представить причинно -следственные взаимосвязи с помощью дерева отказов, необходимо использовать элементарные графически представимые блоки, определяющие и связывающие некоторое количество событий. Рекомендуемые символы для обозначения событий приведены в таблице 1.8.
В этом методе анализа приняты два типа блоков: символы возможных событий и логические символы, устанавливающие их последовательность. Логические символы объединяют события в соответствии с их причинными взаимосвязями. Логический знак может иметь один или несколько входов, но только один выход или выходное событие. Так, например, выходное событие логического знака «И» наступает в том случае, если все входные события появляются одновременно.
С другой стороны, выходное событие у логического знака «ИЛИ» происходит, если имеет место любое из входных событий. Причинные связи, выраженные логическими знаками «И» и «ИЛИ» являются детерминированными, так как появление выходного события полностью определяется входными событиями.
Сами события обозначаются геометрическими фигурами, такими как круг- событие, которое имеет достаточную информацию по отказам; прямоугольник – событие, вводимое логическими знаками «И» и «ИЛИ»; ромб – событие информация по отказам которого представлена в недостаточном объеме. В этих графическо-логических структурах для обозначения некоторых позиций используют и другие графические символы. Например, шестиугольник, являющийся логическим знаком запрета, используется для представления вероятностных причинных связей, в тех случаях, когда событие вызывается по требованию (как правило, это ошибочные команды).
Один из возможных, несколько упрощенных вариантов построения дерева отказов при помощи графического представления событий и логических знаков приведен на рис. 1.15.
Рисунок 1.14 – Пример использования символа шестиугольник
Таблица 1.6 - Логические символы, используемые для построения дерева отказов
Пример
Таблица 1.7 – Символы событий, используемые для построения дерева отказов.
На рис. 1.15 приведена структура дерева отказов для опорного подшипника скольжения перекачивающего агрегата (например, компрессорной установки). Как видно из рис. 1.15, такая структура дерева отказов достаточно наглядна, хорошо отражает топографию и взаимовлияние отдельных элементов технической системы, весьма детально проработана, несложна в чтении и понимании последовательности событий, приводящих к возникновению критической ситуации. Подобные графически – логические структурные формы дерева отказов хорошо воспринимаются в качестве руководящего документа персоналом, обслуживающим компрессорную установку.
Рисунок 1.15- Примерное дерево отказов для проведения исследований в случае возможного разрушения опорного подшипника скольжения нагнетателя ГПА
1.8.3.5 Метод построения дерева отказов при помощи
таблицы решений
Количественные характеристики причинно- следственных связей неисправных состояний компрессорной установки и воспринимаемых контрольно- измерительной системой внешних признаков их проявления можно выразить составлением диагностической таблицы, в которой отражаются априорные вероятности установленных неисправностей и условные вероятности признаков рассматриваемых состояний. Материалами для составления таблицы могут служить опытно- эксплуатационные данные, ремонтные журналы, результаты диагностических обследований, материалы отчетов по обобщению опыта эксплуатации, результаты исследований изучаемого типа оборудования. При наличии достаточного количества информации, относящегося к анализируемой системе, а так же набора моделей различных элементов, такой подход позволяет квалифицированно построить дерево отказов, которое будет настолько полным и детализированным, насколько детально выполнено описание технической системы и проработаны исходные модели элементов. В процессе разработки дерева отказов в табличной форме, прежде всего, составляют перечень событий для каждого элемента на его выходе - так называемых «выходных факторов (событий)». Каждое такое событие подробно описывает состояние этого выхода. Например, расход через маслонасос может соответствовать одному из трех событий на выходе: повышенный, нормальный, нулевой. Может быть рассмотрено большее число состояний, если в каждом конкретном случае увеличение сложности разбиения по ступеням технологически оправдано. Таким же образом определяется набор событий на входе каждого элемента, для оценки выходных параметров. Внутренние факторы (режимы работы) или состояния элемента можно рассматривать в виде различных входов со стороны других элементов или окружающей среды. Общая структура представления взаимодействия элементов системы и связи входных событий с выходными признаками проявления неисправностей представлены на рис. 1.16. Приемы, основанные на таблицах решений, могут быть распространены даже на многоконтурные системы. Таблицы решений, в отличие от дерева отказов и диаграмм причинно-следственных связей, не являются графическим способом представления информации и аналогично графическо–логическому методу не требуют применения математики.
Рисунок 1.16- Структура представления взаимодействия элементов системы и связи входных событий с выходными признаками
Этот метод более универсален, так как:
- в таблицах решений, в отличие от дерева отказов, в которых дается только два состояния системы «рабочее» или «не рабочее» («годен - не годен»), могут быть установлены дополнительно несколько текущих состояний элемента между его граничными характеристиками;
- в системах, имеющих контуры регулирования, время возникновения и (или) последовательность событий при отказе имеют первостепенное значение;
- дерево отказов описывает систему в определенный момент времени (обычно в установившемся режиме работы) и проследить последовательность событий затруднительно, а таблица решений дает такую возможность.
Пример 4.
Один из приемов метода построения дерева отказов при помощи таблицы решений покажем на примере системы охлаждения смазочного масла. Схема системы охлаждения смазочного масла представлена на рис. 1.17. Для описания всех возможных технических состояний системы, прежде всего, составляют перечень событий для каждого элемента на его выходе. Например, расход через клапан может соответствовать одному из трех событий на выходе - «высокий, нормальный, нулевой». Так называемые внутренние режимы работы или вероятные состояния отдельного элемента можно рассматривать как трехуровневое событие: клапан полностью открытый, нормальный, с нулевым открытием. Затем составляется полный набор всех возможных входных и выходных событий, относящихся к данной системе. Связи элементов определяют поведение системы и ее схему. Ее получают соединением выхода каждого элемента с соответствующим входом другого. Конечным является выходное событие для всей системы. Взаимосвязь элементов выражается связями вход-выход как показано на рис. 1.16.
Рисунок 1.17- Схема системы охлаждения смазочного масла
1-насос, 2- теплообменник, 3- клапан
Внутреннее состояние насоса считается зависящим от входного параметра со стороны окружающей среды. Входной параметр имеет два состояния - «нормальное функционирование» и «насос не работает». Давление охлаждающей жидкости - выход для насоса и вход в клапан. Давление может быть нормальным и нулевым. Открытие клапана является другим его входом, в данном примере всегда нормальным. Расход охлаждающей жидкости - выход для клапана, он может быть повышенным, нормальным и нулевым. Теплообменник имеет два входа - охлаждающая жидкость и температура масла. Температура может быть нормальной или повышенной. Температура вытекающего масла - выход для теплообменника. Рассмотрим схему взаимосвязей вход-выход для данной системы (рис. 1.18).
Рисунок 1.18- Система взаимосвязей вход – выход
Таблица решений для насоса
| Вход | Выход |
| Внутреннее состояние насоса | Давление на выходе |
| h – нормальное | нормальное |
| i - остановка | нулевое |
Таблица решений для клапана
| Вход | Выход |
| Давление охлаждающей жидкости, подводимой к клапану | Расход охлаждающей жидкости |
| J – нормальное | нормальное |
| k - нулевое | нулевое |
Таблица решений для теплообменника
Вход
Из строк е, f последней таблицы видно, что температура входа высокая независимо от входного события во второй колонке и нулевого в первой колонке входа.
1.8.3.6 Формирование дерева отказов по методу И.М. Синдеева
Рассмотрим еще один метод оптимизации набора диагностических параметров, разработанный И.М. Синдеевым и широко используемый для анализа опасных ситуаций в авиационной промышленности при исследовании работоспособности и надежности авиационных двигателей. Этот метод особенно интересен тем, что в последнее время на предприятиях нефтяной и газовой промышленности в качестве привода к центробежным нагнетателям устанавливают конвертированные авиационные двигатели. Согласно статистике, в настоящее время газотранспортная система только ОАО «Газпром» включает в себя более 150 тыс. км газопроводов, около 700 компрессорных цехов, более 4 тыс. газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с суммарной мощностью до 40 млн. кВт. Основной тип используемых ГПА – центробежные компрессоры с газотурбинным приводом мощностью от 2,5 до 25 МВт и номинальным КПД до 32%, из них более 45% составляют авиационные конвертированные двигатели. Кроме того, активно осуществляется замена устаревших турбоприводов на авиационные двигатели. Известно, что совокупность диагностических параметров, определяющих техническое состояние агрегата и, в частности, авиационного двигателя, весьма велика. Избыток информации приводит к усложнению системы диагностирования. Довольно простой для практики метод, предложенный И.М. Синдеевым, и модифицированный И.В. Кеба с некоторым усложнением математического аппарата за счет Байесовского подхода при распознавании вероятности появления диагностических признаков для определения неисправных состояний, часто используется в оценке технического состояния объекта и позволяет решать задачу с требуемой точностью. Метод базируется на анализе таблицы, в которой столбцы соответствуют всем возможным состояниям, которые могут быть выявлены в процессе эксплуатации, а строки – всем возможным диагностическим параметрам. Таблица 1.8 наглядно раскрывает взаимосвязь между различными состояниями агрегата и их внешними проявлениями. Если параметр отражает известное состояние, то в соответствующе клетке записывается «1» или «+», если нет, то «0» или «-».
Таблица 1.8- Взаимосвязь между различными состояниями агрегата
| Условное обозначение неисправного состояния х j | Неисправное состояние (наименование) | Контролируемые функциональные параметры К i, i=1,2,… n | Априорная вероятность нахождения системы в неисправном состоянииi (xj) | |||||
| 1 | 2 | … | … | n-1 | n | |||
| х1 | i1 | |||||||
| х2 | i2 | |||||||
| … | … | |||||||
| x j-1 | i j-1 | |||||||
| xj | ij | |||||||
Согласно методике И.М. Синдеева предполагается, что все состояния, образующие группу событий равновероятны 
. При выборе функциональных диагностических параметров количество рассматриваемых неисправных состояний и их признаков зависит от требуемой глубины диагностирования.
Перед началом диагностирования объект характеризуется совокупностью некоторых изменений (отклонений) от первоначального состояния (энтропией S).
.
Априорную вероятность нахождения объекта в данном состоянии при определенном наборе диагностических параметров можно выразить, как
,
то есть некоторому фиксированному состоянию х j соответствует определенное количество внешних проявлений К i , а n – число этих проявлений. Проверка каждого параметра х j может дать определенную информацию о состоянии объекта Q
. .
Значение 
определяется как сумма энтропий двух подсистем: в одну из которых входят m состояний, вызвавших изменение параметра xj , а в другую l (0 ) не вызвавшие их. Тогда
,
откуда априорная вероятность нахождения объекта в данном состоянии в итоге определится по зависимости
.
Используя данные табл.1.8 можно определить диагностическую ценность каждого параметра, на основе чего принимается решение об исключении из обследования признаков, имеющих небольшую диагностическую ценность или наоборот, о включении в рассмотрение признаков, ранее считавшихся несущественными.
Пример взаимосвязи некоторых неисправных состояний в виде таблицы решений (как вариант построения дерева отказов) для газотурбинного привода (при наземном использовании конвертированного авиационного двигателя) приведен в табл. 1.9.
Таблица 1.9- Взаимосвязи неисправных состояний газотурбинного привода
|
Условные обозначения |
Неисправные Состояния | Дата: 2019-02-19, просмотров: 848. 
Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
| ||||||||