Поговорим о безопасности и риске
Андриенко Н.Н.,
Корень В.Л.
Нет ничего более обманчивого,
чем ясная и
отчетливая идея,
кроме неясной и
неотчётливой идеи.
Рене Декарт
Заголовок и эпиграф в очередной раз
предлагают читателям поговорить о вопросах безопасной эксплуатации подъемных
устройств, в частности кранов, с оконченным сроком службы. Обсудить эту тему
неоднократно предлагалось в нашем журнале. При
эксплуатации кранов с оконченным сроком службы основной задачей сейчас является
определение промежутка времени их безопасной эксплуатации.
Этот промежуток, к
сожалению, при наших возможностях не так уж велик, и совсем не такой, какой бы
хотелось. Опираться, как говорил Наполеон, можно только на то, что оказывает
сопротивление. Мы опираемся и отталкиваемся от сегодняшних представлений и
рекомендаций продления срока безопасной эксплуатации подъемных устройств, как
будто это механические часовые механизмы, заведенные на заводе-изготовителе.
Ещё в 1963 году мысль о принципиальной ограниченности нашей способности
предсказывать (или, как сейчас говорят, о существовании горизонта прогноза, или
пределов предсказуемости) даже в мире, который идеально описывается
классической механикой, была высказана Нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом.
А все расчеты подъемных сооружений и методы продления срока их эксплуатации
основаны только на классической
механике. Даже в Правилах понятие риска упоминается как бы между прочим.
Отклонение работы подъемных устройств
от предсказанной традиционными расчетами и совсем без учета человеческого
фактора может стремительно нарастать.
То, что чувствительность к начальным
данным ведет к хаосу, понял и тоже в 1963 году – американский метеоролог Эдвард
Лоренц. Он задался вопросом: почему стремительное совершенствование компьютеров
не привело к воплощению в жизнь мечты метеорологов – достоверному
среднесрочному (на 2-3 недели вперед) прогнозу погоды (а инженеров-крановщиков
прогнозу времени безопасной работы подъемных устройств)?
Лоренц предложил простейшую модель,
описывающую конвенцию воздуха (она играет важную роль в динамике атмосферы),
просчитал её на компьютере и не побоялся всерьёз отнестись к полученному
результату. Этот результат – динамический хаос – есть непериодическое движение
в детерминированных системах (то есть в таких, где будущее однозначно
определяется прошлым), имеющее конечный горизонт прогноза.
Прежде, чем «вернуться к нашим баранам»,
т.е. обоснованию определения времени безопасной эксплуатации грузоподъемных
устройств приведем выдержку из книги Ильи Пригожина и Изабеллы Стенгерс
«Порядок из хаоса»:
«Не будет преувеличением сказать, что 28
апреля 1686 г .
– одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил
Лондонскому королевскому обществу свои «Математические начала натуральной
философии». В них не только были сформулированы основные законы движения, но и
определены такие фундаментальные позиции, как масса, ускорение и инерция,
которыми мы пользуемся и поныне. Но, пожалуй, самое сильное впечатление на
ученый мир произвела Книга ІІІ ньютоновских «Начал» – «О
системе мира», в которой был сформулирован закон всемирного тяготения
(подъемные устройства только тем и занимаются, что преодолевают это всемирное
тяготение). С выхода в свет первого издания ньютоновских «Начал» прошло триста
тридцать лет (а все наши расчеты основаны на них плюс его же дифференциальное
исчисление да ещё закон Гука). Наука
росла невероятно быстро и проникла в повседневную жизнь каждого из нас. Наш
научный горизонт расширился до поистине фантастических пределов.
Как никогда близки наука и техника.
Помимо других факторов, новые биотехнологии и прогресс
информационно-вычислительной техники обещают коренным образом изменить самый
уклад нашей жизни. Наше видение природы претерпевает радикальные изменения в
сторону множественности, темпоральности и сложности. Весьма примечательно, что
неожиданная сложность, обнаруженная в природе, привела не к замедлению
прогресса в науке, а, наоборот, способствовала появлению новых концептуальных
структур, которые ныне представляются существенными для нашего понимания физического мира – мира,
частью которого мы являемся».
Теперь рассмотрим то, от чего мы
«отталкиваемся», т.е. теперешнее состояние методов определения возможности
эксплуатации подъемных устройств с оконченным сроком службы (предельным сроком
эксплуатации).
Напомним, что основой расчетов
сопротивления усталости при многоцикловом нагружении является зависимость в
двойных логарифмических координатах, предложенная дедушкой Велером (ГОСТ
25.504, левая часть кривой усталости):
где m – показатель наклона кривой
усталости (ctgα);
σ – предел
ограниченной выносливости детали при симметричном цикле, соответствующий
числу циклов N;
NG – абцисса
точки перелома кривой усталости;
σ-1g – предел
выносливости детаи при симметричном цикле, выраженный в номинальных
напряжениях, МПа.
В расчетах на прочность при переменных
напряжениях, когда отсутствуют данные натурных усталостных испытаний, принимают
в среднем NG = 2҆·106
циклов.
Эта же зависимость Велера принята для
расчета крановых металлоконструкций. Предполагается, что усталость
металлоконструкций кранов соответствует зависимости усталостных испытаний
стандартных образцов. Для сварных листовых металлических конструкций m = 6, NG = 2҆·106;
для сварных решетчатых конструкций m =3-4, NG
= 5҆·106 ([5],
стр. 89).
По материалам СТО 02494680-0049-2005 [7] для
металлоконструкций m =4,5.
Всё это вносит крайнюю неопределенность
в расчетах усталости.
Расчет режима нагружения механизма
характеризуется величиной коэффициента распределения нагрузок Кр,
определяемого по формуле
(Правила[8]
, приложение 1)
Коэффициент режима работы (коэффициент
эквивалентности):
([5],
стр. 91).
Эквивалентная нагрузка при расчете усталости:
РЭ = ϕЭРmax.
Запас прочности для механизмов и
металлических конструкций крана постоянных и переменных напряжений n = 1,4 ([5],
т.1.3.4).
Для среднего режима нагружения Кm =0,25, если m =3, то РЭ = 0,63Рmax. Запас прочности
относительно предела текучести при расчете по эквивалентной нагрузке составит
1,4/0,63 = 2,2. Как говорится, дальнейшие выкладки не нужны, что подтверждается
положением, что для кранов режимов нагружения Q1 и Q2, соответственно режимов нагружения
металлических конструкций L1 и L2 расчет их на сопротивление усталости не
требуется ([5], стр.134).
Европейский стандарт EN 13135:2013 (Е),
приложение Д.1 предписывает конструкторам кранов определять для каждого
элемента крана при проектировании заданную долговечность на основе кривой
Велера.
Сейчас обоснование продления срока
службы крана выполняется с использование тех же зависимостей, что и при
проектировании, а это не правильно.
Европейские стандарты не
предусматривают расчета так называемого остаточного ресурса подъемного
устройства, находящегося в эксплуатации, а предписывает оценить риск их работы.
Это и понятно потому, что одна из
сверхзадач для науки ХХІ века – это
обоснование риска и безопасности. Управление рисками – одна из важнейших
технологий нашей цивилизации.
Вот некоторые европейские стандарты по
рискам подъемных устройств.
EN 81-80:2003. Методология оценки и
повышения безопасности лифтов, находящихся в эксплуатации. Стандарт
устанавливает методологию оценки рисков лифтов, находящихся в эксплуатации, в
том числе отработавших установленный срок службы, выполнения корректирующих
действий для исключения рисков.
ISO /
СД 20230-1. Краны. Методология анализа и
уменьшения риска. Проект стандарта. Методология предназначена для оценки риска
на всех этапах жизни крана от проектирования до снятия с эксплуатации. Анализ
риска производится в соответствии с ISO / ТS 14798:2006.
Во вступлении к проекту оговорено, что
оценка риска ещё не являетя точной наукой. А т.к. предпочтение отдается информационному
подходу, то всегда есть определенная степень субъективности эксперта.
Анализ
риска по ISO
/ СД 20230-1.
1 Техническая и эксплуатационная
документация. Фактический режим работы и обслуживание.
2 Требования к составу группы экспертов
по оценке рисков.
Общие требования. Требования к экспертам
и к руководителю группы.
3 Оценка состояния крана, его элементов
и квалификация персонала.
Оценка крана в целом:
– режим нагружения;
– место расположения;
– отработанное время;
– тип привода, состояние механизмов;
– средства доступа;
– четкость работы составных частей;
– приборы и устройства безопасности;
– обслуживающий и ремонтный персонал;
– производственные инструкции;
– соблюдение Правил и инструкций;
– проведение ремонтов и модернизации;
– замена элементов.
Оценка элементов крана:
– срок службы, ресурс;
– величины износа;
– замены элементов и ремонты;
– выходы из строя;
– аварии, разрушения;
– причины аварий.
Форма
оценки риска
|
№ п/п случая
|
Сценарий
|
Оценка
элементов риска
|
Защитные меры
(меры по снижению риска)
|
После защитных
мер
|
Остато-чный
риск
|
||||
|
Описание
ситуации
|
Опасное
событие
|
Sb
|
pc
|
Sb
|
pc
|
||||
|
Причина
|
Последствия
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Комментарии
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Sb
– уровень тяжести ущерба;
pc
– величина риска.
Определение
понятия риск при эксплуатации крана
Риск – влияние неопределенностей на
достижение безопасности и других целей.
Примечание 1. Влияние – это отклонения
от ожидаемой штатной работы крана, его элементов и персонала.
Примечание 2. Кроме достижения
безопасности, имеются дополнительные цели: финансовые, экологические, отношение
к здоровью и т.п.
Примечание 3. Неопределенность – это
частичное отсутствие информации о кране,
обслуживающем персонале, объекте хозяйствования.
Мера опасности (риск) эксплуатации крана
выражает органическое единство состояния элементов крана и действий персонала
(человеческий фактор) [1] .
Раздел Правил [8] «Опасности,
связанные с эксплуатацией грузоподъемных кранов и машин» перечисляет десятки
видов опасности, опасных ситуаций и опасных случаев. После перечисления
опасностей указано, что риски обслуживающего и ремонтного персонала должны быть
исключены или сведены к минимуму за счет исключения прогнозируемых рисков.
Однако в разделе «Определения терминов» и в дальнейшем тексте Правил
отсутствует понятие риска как меры безопасности.
В настоящее время нет методики
определения меры безопасной эксплуатации кранов как новых, так и с оконченным
сроком службы. Пуск в работу вновь изготовленного крана и с неоконченным сроком службы осуществляется
на основании результатов технического освидетельствования, при этом предполагается полное отсутствие риска
работы крана, несмотря на многочисленные
случаи аварий кранов, ресурс которых не закончился.
Решение
о возможности эксплуатации кранов в
случае окончания срока службы (предельного срока эксплуатации) принимается на
основании результатов экспертного
обследования. Заключение о результатах экспертизы производится на основании
расчетно-аналитической процедуры оценки и прогнозирования технического
состояния, которые включают расчет режимов работы и определение остаточного
ресурса крана, выполняемые в соответствии с требованиями действующих методик,
согласованных органом надзора по охране труда. Такой методики в Украине нет.
Наверное, поэтому расчетно-аналитическая записка не включена в приложение к
заключительному акту экспертизы. Единственная утвержденная
Госгорпромнадзором (письмо
№5565/0/4.1-6/6/12 от 05.07.2012 г.) методика ОМД 22460848.003-2012 вызывает недоумение. Остаточный ресурс
металлоконструкций крана определяется в
зависимости от режима нагружения и относительной величины длины трещины к ширине
элемента конструкции, т.е. разрешена
работа с трещинами в металлоконструкциях.
Следовательно, во время
технического освидетельствования по п. 7.3.10 Правил нужно только определить
допустимый относительный размер трещины, а не отсутствие трещин в
металлоконструкциях.
По нашему мнению, продление срока работы
крана на основе определения «остаточного ресурса» металлоконструкций не правильно. Расчетные напряжения в металлоконструкциях крана с учетом
концентраторов и запасов прочности ниже точки перелома кривой усталости (ГОСТ
25.504). Расчетные напряжения в металлоконструкциях находятся в зоне неограниченной выносливости,
что подтверждается фактической работой кранов в 2-3 раза превосходящих
паспортный срок службы. Переход работы металлоконструкций в зону малоцикловой
усталости объясняется неоднородностью
проката, неточным определением значений коэффициента концентрации напряжений,
влиянием коррозии на усталость и другими факторами.
По определению, ресурс – суммарная
наработка в течение срока службы. В паспортном режиме работы – это максимальное
количество рабочих циклов крана, продолжительность использования в часах.
Остаточный ресурс – ресурс, исчисляемый
от значения наработки в текущий момент времени. Но нам не известен ресурс крана
в целом и его элементов. Количество экспертных обследований не ограничено.
Теоретический ресурс может оказаться бесконечным.
Классификация по ИСО 4301/1
является основой взаимоотношений между
потребителем и изготовителем. Классификация рассматривает только условия
работы, которые не зависят от типа крана, и не является основанием определения
фактического ресурса конкретного крана.
Если принимается, что кран, независимо
от типа и модели, отработал в паспортном режиме (как правило, такая справка
прилагается владельцем крана при
экспертном обследовании), то все краны с
одинаковым режимом работы имеют одинаковый ресурс, соответственно, и одинаковый «остаточный
ресурс».
Все выше сказанное доказывает
несостоятельность определения ресурса и остаточного ресурса на основе
паспортных сведений о режимах нагружения
и классах использования.
Характеристическое число (произведение числа циклов нагружения на коэффициент
нагрузки) ничего общего с расчетом
фактической долговечности не имеет.
Сведения в паспорте приведены только для
согласования взаимоотношений между
потребителем и изготовителем крана. Этим можно объяснить, что и после пяти
десятков лет не разработана методика
расчета ресурса крана в целом.
Исключение – традиционные расчеты зубчатых передач, подшипников, валов,
испытания стандартных образцов металла.
Оценку риска предлагается выполнить с
использованием нечеткой логики и лингвистических переменных. В дальнейшем
тексте используются работы А. Заде [1, 2, 3, 4] в нашей интерпретации анализа
риска работы подъемного сооружения с законченным сроком службы.
Европейские стандарты вербально
(словесно) устанавливают уровни риска и тяжести последствий. Единственный
математический аппарат, который позволяет оперировать со словесным описанием
риска – теория нечетких множеств и лингвистических переменных.
Сначала приводим понятие о
лингвистической переменной так, как её представляет А.Заде.
Лингвистическая переменная отличается от
переменной тем, что её значение являются не числа, а слова или предложения в
естественном или формальном языке (языке программирования). Поскольку слова
менее точны, чем числа, понятие лингвистической переменной дает возможность
приближенно описывать явления, которые настолько сложны, что не поддаются
описанию в общепринятых количественных терминах. Важным аспектом понятия лингвистической
переменной является то, что эта переменная более высокого порядка, чем другие
переменные – числовые и нечеткие.
Определение.
Лингвистическая переменная характеризуется набором (Х1, Т (Х), U,
G,М), в котором Х1 –название переменной; Т (Х) (или просто Т)
обозначает множество переменной Х, т.е. множество названий лингвистических
значений переменной Х, причем каждое из таких значений является нечеткой
переменной Х со значением из универсального множества U с базовой переменной u, G – синтаксическое
правило, порождающее название Х значений переменной Х1, а М –
семантическое правило, которое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной
Х её смысл М (Х), т.е. нечеткое подмножество М (Х), универсального множества U.
Конкретное название Х, порожденное синтаксическим правилом G, называется
термом. Терм, состоящий из одного
слова или нескольких слова, называется атомарным термом. Если Х1, Х2,
… – термы в Т, то Т можно
представить в виде объединения.
Т = Х1 + Х2 +
…
Не претендуя на математическую
строгость, представляем наше определение лингвистической переменной при
рассмотрении риска продолжения эксплуатации подъемного сооружения в случае окончания
срока службы.
Определение.
Х1 – перечень рассматриваемых
элементов;
Х – оценка состояния элемента;
Т (Х) – риск-анализ, Т1 –
элемент крана, Т2 – человеческий фактор, Т3 –
достоверность сведений. Составной термин опасности:
Т (Х) = Т1 (Х1)
+ Т2 (Х2) + Т3 (Х3).
U – величина риска и последствий;
G – экспертное обследование с учетом
человеческого фактора;
М – анализ экспертизы, менеджмент риска,
заключение экспертизы.
Состояние элементов крана и их степень
принадлежности к риску аварий μі определяется на основании
экспертного обследования, оценки износа, трещиностойкости и скорости роста
трещин, усталостной долговечности, технического обслуживания, достоверности
сведений о режимах нагружения и методов контроля элементов подъемного сооружения.
Человеческий фактор степени
принадлежности к риску аварий (μі) оценивается на основании проверки
выполнения техобслуживания, осмотров, квалификации и обучения обслуживающего
персонала, состояния эксплуатационной документации.
Отношение к риску аварий, риску выхода из строя элемента подъемного сооружения
производится на основании теории нечетких множеств и лингвистической
переменной.
В связи с тем, что нечеткие множества не
имеют четких границ, границы между степенями принадлежности размыты, а теория
нечетких множеств и лингвистических переменных в области подъемных сооружений
ещё не применялось на практике, рекомендуется вычислять усредненное значение μС с использованием лингвистических
определений. Первоначально экспертом определяется значение μА,
а лингвистические операторы используются для создания из него производных
нечетких множеств.
Существуют три основных оператора:
− оператор концентрирования (CON очень);
− оператор растяжения (DIL, менее);
− оператор повышения/понижения
контрастности (INT,
более-менее).
Вычисляется усредненная величина μС.
Таблица
значений μi
принадлежности к риску аварии
на
основе расчетно-экспертных оценок при экспертном обследовании
|
Словесная оценка
|
Степень принадлеж-ности
к риску, μi
|
Вероятность , МЭК 60812:2006 (ГОСТ Р 51901.12-2007)
|
||
|
Состояние элементов подъемного сооружения
|
Человеческий фактор – выполнение предписаний и
руководств
|
Достоверность сведений
|
||
|
Хорошее
|
Всегда
|
Высокая
|
< 0,1
|
<10-5
|
|
Достаточно хорошее
|
Почти всегда
|
Большая степень
|
0,1 … 0,2
|
10-4
|
|
Выше среднего
|
Не всегда
|
Возможно достоверно
|
0,2 … 0,3
|
5·10-4
|
|
Удовлетворительное
|
Далеко не всегда
|
Не совсем достоверно
|
0,3 … 0,4
|
10-3
|
|
Не очень удовлетворительное
|
Иногда
|
Малодостоверно
|
0,5 … 0,6
|
5·10-3
|
|
Плохое
|
Очень редко
|
Сведения сомнительны
|
0,7 … 0,8
|
10-2
|
|
Работать нельзя
|
Не выполняется
|
Сведениям нельзя доверять
|
> 0,9
|
> 10-1
|
Таблица
вероятностей риска. ИНТУИТ. Управление риском
|
Интервал
вероятностей
|
Значение
вероятности
|
Словесная
оценка
|
|
1-14%
|
7%
|
Крайне
маловероятно
|
|
15-28%
|
21%
|
Низкая
вероятность
|
|
29-41%
|
35%
|
Скорее нет
|
|
43-57%
|
50%
|
50-50
|
|
58-72%
|
65%
|
Возможно
|
|
73-86%
|
79%
|
Весьма
правдоподобно
|
|
87-99%
|
93%
|
Почти
наверняка
|
В стандарте ДСТУ ISO 14798:2008: категория тяжести
последствий: I
– катастрофическая; II
– критическая; III
– незначительная; IV
– не принимается в расчет.
Уровни частот возникновения опасной
ситуации: A
– частый; B
– вероятный; C
–редкий; D
– маловероятный; E
– невероятный; F
– невозможный.
Понятие риска разделяют на оценочный
подход (вероятность, статистика) и информационный (неопределенность, экспертные
оценки).нами рассмотрен информационный подход.
А модное выражение «имплементация
европейских стандартов в Украине», т.е. фактическое внедрение в практику, может
быть реализовано на основе опубликованного в нашем журнале № 5-6, 2015 г.
эскизного проекта мониторинга риска подъемных сооружений.
Попытаемся ещё раз оправдать эпиграф blabla к нашей статье. Так в телепередаче
«Особое мнение» Андрей Кураев рассказал, как в застойное время в магазин
«выбросили» сметану. Когда очередь дошла до героя этой байки, то ему отказались
продавать сметану, несмотря на его безупречную биографию. Наш герой направился к директору магазина.
Тот внимательно выслушал и спросил: «А вы пробовали эту сметану?». Мы уже попробовали разные методы обоснования
срока безопасной работы подъемных устройств и теперь для оправдания эпиграфа
предлагаем ещё оду модель представления риска подъемных устройств.
Заранее приносим извинения за вольную
интерпретацию основ теории поля [6] и просим отнестись к дальнейшему тексту
интерпретации градиента с некоторой долей иронии.
Так подъемное устройство представляем
полем риска работы всех его составных частей. Каждая составная часть, сборочная
единица в каждой точке этого поля представляется скалярной величиной от 0 до 1.
Исследуем это скалярное поле.
Для задания такого поля достаточно
определить функцию точки r (М)
= r
(x, y, z). Возьмём определенную точку на
этом поле и проведем через неё линию l, представляющую перемещение величины
риска в течение времени. Возьмем в этой точке три взаимно перпендикулярных
направления. Т.е. зададим координаты оси:
X
– риск в зависимости от технического состояния сборочной единицы и её составных
частей;
Y
– риск сборочной единицы вследствие влияния человеческого фактора;
Z
– лингвистическая вероятность, что произойдут события xі и yі.
Функция риска составных частей:
ri
= 0,25 (r1 + CONr1 + DILr1 + INTr1) V… V 0,25 (ri +CONri + DILri + INTri)
l
В принятых обозначениях и допущениях
формула совпадает с формулой полного дифференциала функции.
Остается проблема – рассматривать риск
как векторную или скалярную величину. Но это уже совсем другая история.
Статью не закончим традиционной фразой
«Надеемся продолжить обсуждение этой очень и очень актуальной проблемы».
Спрогнозируем когда вместо определения «остаточного ресурса» у нас будет
регламент менеджмента риска подъемных сооружений с оконченным сроком службы
(эскизный проект – см. [1]). Прогноз пессимистический – без него и даже без
методики оценки остаточного ресурса обходятся все подъемные сооружения Украины.
Дай то Бог, чтобы наш прогноз оказался ошибочным.
Литература
1. Н.Н.
Андриенко, Е.Н. Голомовзый, В.Л. Корень. Регламент менеджмента риска подъемных
сооружений с оконченным сроком службы. «Подъемные сооружения. Специальная
техника», № 5-6, 2015.
2. Н.Н.
Андриенко, В.Л.Корень. Мера опасности крана. «Подъемные сооружения. Специальная
техника», № 4, 2016.
3. Н.Н.
Андриенко, В.Л. Корень. Риск лифтов и кранов. «Подъемные сооружения.
Специальная техника» № 6, 2016.
4. Н.Н.
Андриенко, В.Л. Корень. Знания и риск. «Подъемные сооружения. Специальная
техника» № 8, 2016.
5. Справочник
по кранам. Т. 1, под редакцией М.М. Гохберга. М., «Машиностроение», 1988.
6. В.И.
Смирнов. Курс высшей математики. Т. II, «Наука». М. 1974.
7. СТО
02494680-0049-2005 Стальные конструкции. Основные принципы расчета на
прочность, устойчивость, усталостную долговечность и сопротивление хрупкому
разрушению. – М:, 2005. – 30 с.
8. НПАОП
0.00-1.01-07 Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных
кранов.
Немає коментарів:
Дописати коментар