Надежность, безопасность и эффективность – ключевые направления эксплуатации и дальнейшего развития атомной энергетики

Тема: История развития теории надежности и безопасности и их объекты исследования

ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ:

1. Рекомендуемая по курсу литература

2. Виды контроля

3. История развития теорий надежности и безопасности. Взаимосвязь друг с другом.

4. Надежность, безопасность и эффективность – ключевые направления эксплуатации и дальнейшего развития атомной энергетики

5. Варианты существующих энергосистем и выбор класса структурно-сложных систем для дальнейшего исследования.

 Севастополь

2016

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. И.А.Рябинин. Надёжность и безопасность структурно-сложных систем. Издательство Политехника, Санкт-Петербург, 2000.

2. О.Ю.Анисимов. Основы теории и расчета надёжности ЭЧ ЭС. Севастополь, 2003.

3. С.П.Тимошенков, Б.М.Симонов, В.Н.Горошко. Надёжность технических систем и техногенный риск. Москва, Юрайт, 2017. 502с.

4. О.Г.Кенсицкий, А.А.Ключников, Г.М.Федоренко. Безопасность, надёжность и эффективность эксплуатации электротехнического и электроэнергетического оборудования блоков АЭС. Монография, Чернобыль, 2009.

5. Ю.М.Парфенов. Надёжность, живучесть и эффективность корабельных электроэнергетических систем. Ленинград, ВМА,1989.

6.  ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Термины и определения.

7.  Н.Т.Березюк, А.Я.Гапунин, Н.И.Подлесный Живучесть микропроцессорных систем управления, К., Техника, 1989.

8. 4. Надежность и эффективность в технике. Справочник том 5. Проектный анализ надежности. М., Машиностроение, 1988. Под редакцией д.т.н. В.И. Патрушева, А.И. Рембези.

9.  В.А. Острейковский. Общие положения и математические методы теории безопасности атомных станций. Обнинск, 1991.

10.  Березюк Н.Т., Гапунин А.Я., Подлесный Н.И. Живучесть микропроцессорных систем управления, К., Техника, 1989.

11.  Основные принципы безопасности АЭС. Отчет Международной консультативной группы по ядерной безопасности. Международное агентство по ядерной безопасности. Вена 1988 год, февраль.

История развития теорий надежности и  безопасности.

Взаимосвязь друг с другом.

Научное познание сложных современных технических систем в теоретическом и практическом плане в настоящее время так и не решено удовлетворительно. Газовые, нефтяные, угольные электростанции, гидроэлектростанции, атомные электростанции – все это крупные промышленные системы. Вероятность аварий на них меньше, чем у простых систем, но их последствия более масштабны и ликвидируются тяжелее. Часто работа таких крупных систем зависит от нескольких операторов, от их квалификации и мастерства. В условиях дальнейшего развития научно-технического прогресса вопросы надежности и безопасности техники, вопросы дисциплины, порядка и организованности приобретают первостепенное и самостоятельное значение.

Повышая надежность элементов, вводя структурную и временную избыточность, применяя взаимозаменяемость и восстановление, и иные меры повышения надежности систем, мы гарантируем так называемую отказоустойчивость системы, т.е. способность правильно функционировать при нескольких отказах ее элементов (двух, трех, иногда четырех).

Однако, именно для сложных систем характерна возможность весьма сложных (многократных) комбинаций событий, вероятность каждой из которых мала, а в сумме таких событий набирается достаточно для перехода в опасное состояние. Усилия, направленные на повышение отказоустойчивости системы, необходимы, но они не обеспечивают её безопасности. Существующие системы контроля и защиты, ориентированные на простой перебор возможных опасных ситуаций, не могут гарантировать защиты системы от произвольных комбинаций отказов, нарушений правил эксплуатации и иных неблагоприятных воздействий.

Одой из важных характеристик, учитываемых при проектировании, разработке и эксплуатации систем, является надежность. В течение длительного времени понятие надежности носило интуитивный, субъективный и качественный характер. Необходимость в количественной оценке надежности впервые стала ощущаться в годы второй мировой войны. Интенсивное развитие военной, а затем и космической техники, привело к созданию современной теории надежности, широко использующей количественные показатели.

История возникновения, становления и развития теории надежности насчитывает уже около 70 лет, созданы разнообразные научные школы, написано огромное количество книг и учебников. Как самостоятельное научное направление теория надежности зародилась в США через несколько лет после окончания II Мировой войны, когда американцы начали военные действия в Кореи, далеко от стационарных баз, где можно было отремонтировать или заменить отказавшую военную технику. Для решения проблемы надежности в институте Радиоинженеров США (IRE) была создана секция надежности и контроля качества, которая стала выпускать ежеквартальные журналы и, начиная с 1954 г., созывать ежегодные симпозиумы по надежности. В это же время вопросам надежности технических объектов стало уделяться должное внимание и в СССР. Уже в 1954 г. вышел первый сборник переводов зарубежных материалов, затрагивающих вопросы надежности. Выдающиеся теоретические результаты работы советских и зарубежных ученых и их высочайшая практическая ценность позволили доказать ряду тогдашних главных конструкторов ошибочность мнения о том, что «считают надежность те, кто ее не умеет делать».

 Развитие отечественной теории надежности связано с именами выдающихся ученых. Среди них советский математик Сергей Натанович Бернштейн – разработчик первой аксиоматики логики высказываний для аксиоматизации теории вероятностей, Д.А Поспелов, С.В.Макаров, адмирал Игорь Алексеевич Рябинин – создатели логико-вероятностного направления теории надежности, возникшего в связи с необходимостью построения адекватных моделей надежности многоэлементных высокорезервированных корабельных систем; Геннадий Николаевич Черкесов, автор оригинальных работ по анализу надежности систем с временным резервированием и многие другие. 

              Надежность неразрывно связана с понятием «качество», является важнейшим свойством качества как совокупности свойств, обусловливающих его пригодность выполнять определенные функции в соответствии с назначением. К числу основных параметров изделия относят: быстродействие, нагрузочная характеристика, устойчивость и т.д. Вместе с другими показателями (масса, габариты, удобство в обслуживании) они составляют комплекс показателей качества изделия. Показатели качества изменяются с течением времени. Их изменения превышают допустимые значения, приводящие к возникновению отказового состояния. Показатели надежности не противопоставлены другим показателям качества. Без учета надежности все другие показатели качества теряют свой смысл. Надежность становится полноценным показателем качества лишь в сочетании с другими характеристиками изделия. Долгое время надежность не измерялась количественно, что затрудняло ее объективную оценку. Использовались понятия «высокая надежность», «низкая надежность» и др. качественные определения. Установление количественных показателей, способов измерения и расчета положило начало научным методам в исследовании надежности.

Увеличивающаяся сложность технических объектов, возрастающая ответственность функций, которые они выполняют, повышенные требования к качеству изделий и условиям их работы, возросшая роль автоматизации – основные факторы, определяющие главные направления в развитии науки о надежности.

Первые шаги теории надежности были направлены на определение причин ненадежности. Далее следовал долгий и трудный период перехода от анализа свершившегося факта к разработке методов предварительного исследования надежности. Возникла необходимость неразрывно связать исследования вопросов надежности со сферой проектирования для того, чтобы иметь возможность заложить надежность в проект и даже в саму идеею проекта. В решении этого вопроса возможны различные направления.

В 60-е годы начался переход ко второму этапу, когда появились экспериментальные методы подтверждения надежности, и завершилось создание основ теории надежности, основанное на базе теории вероятностей и математической статистики. В результате большой организационной работы в СССР был издан в 1967 году государственный стандарт ГОСТ 13377-67, в котором устанавливались термины и определения в области надежности дл изделий разных отраслей промышленности.

На современном, третьем этапе развития теории надежности развивается количественный подход в отличие от качественной оценки надежности систем, существовавшей ранее.

Несмотря на солидный возраст теории надежности, и в ней остались «белые пятна», больше всего связанные с проблемой получения объективных исходных данных о безотказности элементов, ввиду недостаточного объема статистической информации из-за малого времени эксплуатации или малого объема выборки. Однако, успехи в области безопасности намного скромнее и менее известны.

Крупнейшие техногенные аварии и катастрофы в мире выявили необходимость и серьезность глубокого изучения и научных разработок теории безопасности. Невозможность практического охвата сложности современных электротехнических систем, количество элементов которых насчитывает порядок 10⁶, ограничивает область наших интересов только вопросами структурной сложности. Актуальностьэтой проблемы подтверждается хотя бы тем, что трудно привести не сотни книг, а всего одну-две, где бы научно решались задачи надежности и безопасности структурно-сложных систем [1].

Относясь к инженерным дисциплинам, теории надежности и безопасности тесно связаны с современной прикладной математикой, т.к. только с помощью математики возможны корректная постановка задачи, а также четкая формулировка условий и допущений, в которых она решается.

Ядром научных исследований и расчетов структурных надежности и безопасности оказались логико-вероятностные методы (ЛВМ). Практически все творцы современного понимания вероятностной логики, как Джордж Буль, не имели специального математического образования, но были высококлассными инженерами.

Достоинством ЛВМ для инженеров является их исключительная точность, однозначность и возможность анализа влияния любого элемента или группы элементов на надежность и безопасность всей системы. Существует и трудность, главным образом связанная с необходимостью ознакомления с методами вероятностной логики, которая не входит в учебные программы по математике ни одного из вузов страны.

Надежность, безопасность и эффективность – ключевые направления эксплуатации и дальнейшего развития атомной энергетики

    Электроэнергетика является базовой областью, которая обеспечивает нужды страны в электрической энергии и может вырабатывать значительный объем электроэнергии для экспорта. Перспективы применения ядерной энергии как источника энергообеспечения в будущем зависят от нескольких ключевых факторов. Прежде всего - это признание общественностью роли ядерной энергетики как одного из надежных источников энергообеспечения устойчивого развития человечества. Другими ключевыми факторами являются технологическая зрелость, экономическая конкурентоспособность, экологическая приемлемость.

Проблема надежности и безопасности постоянно сопутствовала техническому прогрессу и всегда находила более разумное решение на уровне технических возможностей и знаний, которыми характеризовался тот или иной период.

Наряду с бытовым пониманием слов «надежность» и «безопасность» как прочность и отсутствие угрозы какого-либо несчастья, для количественной их оценки требуется более научное определение понятий надежности и безопасности. Это важно для увязки аналогичных понятий теории надежности и более молодой теории безопасности.

Безопасность всегда была и будет наивысшим приоритетом в развитии атомной энергетики.    Многочисленные статистические оценки безопасности систем электрической части однозначно свидетельствуют о важности человеческого фактора как в предупреждении, так и в причинах возникновения аварий. Так же следует учитывать, что система сбора и обработки данных о дефектах и отказах оборудования на АЭС может дать статистическую информацию о надежности элементов с частотой отказов 1-10^-2 в год (от трёх-четырех до десятков и больше отказов в год). Проблематично, чтобы в обозримом будущем можно было бы иметь достоверную информацию о сравнительно редких отказах с частотой 10^-2 – 10^-4 в год (несколько отказов в 10-100 лет) из-за несвоевременных действиях и корректировках, которые предпринимаются по результатам отказов и нарушений. Тем более бессмысленно ожидать, что статистика даст информацию о надежности оборудования с частотой отказов 10^-4 – 10^-5 в год (до нескольких отказов в 1000 лет). А именно в этом диапазоне находятся события, оказывающие наибольшее влияние на проект АЭС из-за требований по безопасности [2].

    Следовательно, единственной альтернативой остается аналитический подход, т.е. получение количественных показателей надежности теоретическим путем, на основании фактических данных об обнаруживаемых дефектах при изготовлении и контроле во время эксплуатации. При этом важно иметь данные как функцию технологии изготовления и контроля при производстве и эксплуатации. Такая информация позволит в дальнейшем подходить к экономической оптимизации средств безопасности, что в наши дни становится актуальным, особенно при продлении срока эксплуатации.

    В последнее время проблема продления срока эксплуатации АЭС привлекла к себе пристальное внимание специалистов. В России (Канаде, Корее, Украине) расчетный срок эксплуатации АЭС составляет 30 лет, ведутся работы по подготовке к продлению эксплуатации сверх этого срока. Во Франции, Великобритании и Японии нет ограничений сроков эксплуатации блоков АЭС, но через каждые 10 лет владельцы станций должны подтверждать безопасность дальнейшей эксплуатации каждого блока. В США по закону об атомной энергии 1954 г. для каждого энергоблока установлен лицензионный срок службы, равный 40 календарным годам, начало которого исчисляется с момента получения разрешения на строительство, а с 1982 г. – с момента получения разрешения на эксплуатацию. По истечению этого срока предусматривается возможность подтверждения лицензии еще на 20 лет, т.е. до 60 лет с момента получения первого разрешения на эксплуатацию.

    Применение технологии управления сроком службы АЭС предоставляет реальную возможность ядерной энергетике не только сохранить, но и расширить свое участие на рынке производства электроэнергии. Становится возможным устанавливать проектный срок службы в 60 и более лет. Атомщики Японии заявили о возможности достижения срока службы ядерного энергоблока в 120 лет (до аварии на Фокусиме).

    Надежность, безопасность и эффективность – базовые понятия современной атомной энергетики. Под эффективностью системы будем понимать совокупность свойств (качество), определяющих степень приспособленности системы к выполнению поставленных задач. Эффективность всякой технической системы определяется в основном эффективностью выполнения системой определенных задач (с учетом внешней обстановки и способа применения) и эффективностью использования вкладываемых в нее средств (материальных, людских, финансовых и т.д.)

Главное – найти оптимальный баланс между эффективностью, надежностью и безопасностью. Абсолютно надежная и безопасная, но неэффективная отрасль никому не нужна. Дорогие проекты с небольшой выработкой нет смысла создавать, их вполне способна заменить газовая энергетика. Большая выработка с риском – тоже никого не устраивает. Задача состоит в том, чтобы эти понятия сделать неразрывными, дополняющими друг друга. Важно научиться успешно сочетать стремление к эффективной эксплуатации с обеспечением безопасности путем содействия технологическому развитию и прогрессу, разработки усовершенствованных методов контроля и диагностики, прогнозирования остаточного ресурса, повышения эффективности управления и т.д.