CC BY
166
УДК [629.5.024.08:620.179.16]:[681.518.54:519.21]
ББК [39.42-044.082.05:30.607]:22.171
Хоанг Минь Шон, В. Н. Лубенко, В. Н. Тряскин
КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСА СУДНА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РИСКА
Hoang Minh Son, V. N. Lubenko, V. N. Tryaskin
INSPECTION OF HULL TECHNICAL CONDITION ASSESSMENT WITH APPLICATION OF RISK-BASED METHODS
Рассматриваются общие методы оценки риска и возможный подход к применению этих методов для оценки технического состояния конструкций корпуса судна. Приведены примеры классификации вероятности и последствия повреждений конструкций корпуса судна. Для оценки риска отказа или повреждения элемента конструкций предложен вариант расчета, основанный на результатах ультразвуковых замеров остаточных толщин. Применение теории риска позволяет разработать программу контроля элементов конструкций, предусмотреть дополнительные защитные меры и планировать необходимый объем ремонта.
Ключевые слова: оценка состояния, корпус судна, теория риска, вероятностный анализ, анализ последствия, HCM-модель, замер толщин.
The general methods of risk assessment and a possible approach to application of these methods for assessment of the technical condition of the hull structure are considered. The examples of the classification of the probability and consequence of hull structural damage are given. To assess the risk of failure or damage of the structural element, an approach based on the results of ultrasonic measurements of residual thickness is offered. Application of the theory of risk allows developing the control program of structural elements, providing additional protective measures and planning the necessary amount of repair.
Key words: condition assessment, ship hull, theory of risk, probabilistic analysis, consequence analysis, HCM-model, thickness measurement.
Введение
В настоящее время широкое распространение получили методы управления проектными рисками. Интерес к этой проблематике проявляют специалисты в разных областях промышленности и бизнеса. Эти методы могут быть использованы применительно к конструкциям корпуса судов. Методы на основе оценки риска также позволяют определять, оценивать существующие риски и обоснованно принимать меры к их устранению или снижению.
Общие методы оценки риска
При оценке и анализе неопределенностей, связанных с событием, риск представляет собой возможность потерь в результате сбоя системы и может быть измерен в виде пары факторов, один из которых - вероятность появления события, а другой - потенциальный результат или последствие, связанное с возникновением события. Эта пара может быть представлена уравнением [1]:
R = P ■ C,
где P - вероятность наступления нежелательного события; C - последствие или результат возникновения события.
Риски для системы могут возникнуть в результате её взаимодействия с опасными природными явлениями, её старения и деградации или под влиянием человеческого и организационного факторов. Следовательно, риск может быть классифицирован как добровольный или невольный, в зависимости от того, находятся ли события, приводящие к риску, под контролем лиц, подвергающихся риску. Потери, связанные с событиями, могут быть классифицированы как обратимые или необратимые, в зависимости от потерь имущества или жизни человека соответственно.
Оценка риска является техническим и научным процессом, при котором риски данной ситуации для системы моделируются. Оценка риска обеспечивает качественные и количественные данные, которые лица, принимающие решения, впоследствии могут использовать для управления рисками. Оценка риска даёт ответ на три вопроса:
- Что может пойти не так?
- Какова вероятность, что это пойдет не так?
- Каковы последствия, если это действительно идет не так?
Для оценки риска наиболее часто используются следующие методы [2]:
- ситуативный анализ - What-If Analysis;
- анализ контрольного списка - Checklist Analysis;
- анализ опасности и работоспособности - Hazard and Operability Study (HAZOP);
- анализ характера отказов и последствий - Failure Modes and Effects Analysis (FMEA);
- анализ дерева отказов - Fault Tree Analysis (FTA);
- анализ дерева событий - Event Tree Analysis (ETA).
Методы оценки риска могут быть классифицированы также в зависимости от того, как определяется риск - количественным или качественным анализом. В рамках качественного анализа риска для определения и оценки вероятности и последствий наступления нежелательного события используется мнение экспертов; количественный анализ основывается на статистических методах и базах данных. Выбор количественного или качественного метода оценки риска зависит от наличия данных для оценки опасности и уровня удобства работы. Характеристика методов оценки риска приведена в табл. 1 [3].
Таблица 1
Методы оценки риска
Метод Область действия Тип анализа
Ситуативный анализ/ Анализ контрольного списка Идентификация опасностей, опасных ситуаций или определенных событий несчастного случая, которые могут привести к нежелательным последствиям Качественный
Анализ опасности и работоспособности (HAZOP) Идентификация отклонения системы и их причин, которые могут привести к нежелательным последствиям и определить рекомендуемые действия, чтобы уменьшить частоту и (или) последствия отклонений Качественный
Анализ характера отказов и последствий (FMEA) Идентификация неисправностей компонентов (оборудований) и воздействия на окружающие компоненты и системы - индуктивный подход к моделированию Качественный
Анализ дерева отказов (FTA) Идентификация комбинаций неисправностей оборудования и ошибок человека, которые могут привести к аварии - дедуктивный подход к моделированию Количественный
Анализ дерева событий (ETA) Идентификация различных последовательностей событий, которые могут привести к аварии - индуктивный подход к моделированию Количественный
Ситуативный анализ. Метод ситуативного анализа [4] - это метод мозгового штурма, где сопоставление информации (выявление опасностей) выполняется при помощи постановки ряда вопросов, которые начинаются словами «Что, если?», например:
— Что, если судовая команда оставит дверь открытой?
— Что, если оператор откроет клапан А вместо клапана Б?
— Что, если сломается элемент конструкции Х?
Вопросы формулируют на основе опыта. Может быть высказано любое соображение безопасности, даже если оно не сформулировано в форме вопроса «Что, если?». Поставленные вопросы делят на особые области исследования, и группа из одного или более знающих людей последовательно обращается к каждой области.
При использовании метода ситуативного анализа получают список вопросов и ответов, касающихся проблемы. Может быть получен также табличный список опасных ситуаций, их последствий, мер предосторожности и возможных рекомендации по снижению риска.
Анализ контрольного списка. Анализ контрольного списка [4] - это метод, в основе которого лежат черты метода ситуативного анализа, связанные с мозговым штурмом, и который более систематизирован, поскольку в нем используется контрольный список, составленный заранее на основе опыта. Этот контрольный список представляет собой письменный перечень единиц, которые позволяют выявить известные типы опасностей, эффективность планирования и возможные аварийные ситуации, связанные с системой, оборудованием или операциями. Его можно использовать для рассмотрения конкретных элементов системы или процедур. Традиционные контрольные списки широко различаются по степени подробности и часто используются для определения соответствия стандартам и нормам. Контрольные списки ограничены опытом экспертов, поэтому их должны разрабатывать эксперты, имеющие знания в различных областях и обширный опыт в области анализируемых систем. Контрольные списки должны регулярно проверяться и обновляться, что обеспечит возможность их применения на данный момент. Если контрольный список неполный, то единицы, отсутствующие в списке, можно пропустить. Кон-
трольные списки могут быть разной степени подробности - в зависимости от сферы, существующих данных, личного предпочтения и т. д.
Результаты этого метода обычно представляются в виде таблицы, куда входит следующее:
— возможные аварийные ситуации;
— воздействие;
— меры предосторожности, чтобы сделать предположения о способах снижения риска.
Анализ опасности и работоспособности. Анализ опасности и работоспособности
(НА20Р) [4] - это формальный систематизированный метод выявления опасностей путем перечисления возможных «отклонений» от нормального хода операции и путем оценки последствий этих отклонений. Отклонения получают при помощи ряда определенных заранее слов-указателей, которые помогают структурировать и стимулировать творческий процесс поиска потенциальных отклонений. Отклонения, определенные как способные вызвать существенные последствия, анализируют в дальнейшем, выявляя их возможные причины.
Главная деятельность или ключевая черта ИЛ20Р - это осуществляемое междисциплинарной группой экспертов (мозговой штурм) описание рассматриваемой системы. ИЛ20Р обычно проводят не для самой физической системы, а для представительной модели системы, которая называется «проектная модель». Ограничений в отношении ее формы нет, если она четко документирована и понятна всем членам группы. Вот примеры проектной модели:
— схема системы труб и аппаратуры;
— блок-схема системы;
— подробные чертежи;
— инструкции по эксплуатации;
— процедуры;
— схема электрической цепи системы.
Результаты метода ИЛ20Р - это то, что обнаружила группа экспертов, в том числе список выявленных опасностей и проблем, возникающих при проведении операций; причины, последствия, меры предосторожности, а также заключение и рекомендации для дальнейшего анализа.
Анализ характера отказов и последствий. Анализ характера отказов и последствий (БМБЛ) [4] - это систематический метод, используя который аналитик рассматривает различные ситуации ошибок в элементах компонентов системы и оценивает последствия этих ошибок. БМБЛ применяют при анализе отдельных ошибок в компонентах системы, которые либо прямо приводят к аварии, либо существенно способствуют ее возникновению, но не применяют к сочетаниям ошибок. Обычно при анализе опасностей БМБЛ используют как метод качественного анализа, хотя его можно расширить с целью ранжирования по приоритетам, приписанным на основе тяжести и вероятности возникновения ошибки.
Метод БМБЛ позволяет проанализировать потенциальные дефекты, их причины и последствия, оценить риски их появления и невыявления при проектировании и изготовлении, а также принять меры для устранения или снижения вероятности и ущерба от их появления.
Результаты анализа БМБЛ представляются в виде таблиц с перечнем оборудования, видов и причин возможных отказов, частотой, последствиями, критичностью, средствами обнаружения неисправности (сигнализаторы, приборы контроля и т. п.) и рекомендациями по уменьшению опасности.
Анализ дерева отказов. Анализ дерева отказов (БТЛ) [4] представляет собой совокупность качественных или количественных приемов, при помощи которых, путём анализа системы, выявляются и выстраиваются в логическую цепь те условия и факторы, которые могут способствовать определенному нежелательному событию, называемому вершиной событий. Для наглядности построенная логическая цепь представляется в графической форме и производится анализ возникновения отказа, состоящий из последовательностей и комбинаций нарушений и неисправностей. Таким образом, дерево отказов представляет собой многоуровневую графологическую структуру причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания опасных ситуаций в обратном порядке, для того чтобы облегчить отыскание возможных причин возникновения нежелательных событий.
Пример дерева отказов приведен на рис. 1.
Неправильная Чрезвычайная
загрузка/разгрузка волна
Неправильная Интенсивное
эксплуатация воздействие среды
Рис. 1. Пример дерева отказов
Неисправностями или авариями, идентифицируемыми в «дереве», могут быть события, связанные с повреждениями конструкции компонента системы, ошибками персонала или любыми другими событиями, которые влекут за собой нежелательное событие. Начиная с вершины событий, выявляются возможные причины или аварийные состояния следующего, более низкого функционального уровня системы. Дальнейшая поэтапная идентификация нежелательного функционирования системы в направлении последовательно снижающихся уровней системы приводит к искомому уровню системы, которым является аварийное состояние её компонента.
Анализ дерева событий. Анализ дерева событий (ETA) [4] представляет собой общий подход, который может быть использован для самых разнообразных целей. Этот метод предназначен для описания алгоритма построения последовательности событий, исходящих из основного события (аварийной ситуации), и используется для анализа развития этой аварийной ситуации.
Дерево возможных последствий события моделирует возможные исходы какого-либо начального события, способного привести к тому или иному конечному событию, представляющему интерес для анализа. Такое дерево позволяет систематизированно разграничить последовательности событий при аварии с точки зрения благоприятных или нежелательных исходов для систем и (или) событий, образующих эти последовательности событий. В результате дерево, начавшись с одного исходного события, заканчивается множеством конечных состояний с учетом всевозможных исходов. В связи с этим при использовании метода анализа дерева событий для анализа системы требуется строить отдельное дерево применительно к каждой группе исходных событий, выявленных после группирования исходных факторов.
Пример дерева возможных последствий события представлен на рис. 2.
Нарушение герметичности крышки люка
Потеря плавучести/
Разрушения прочности эквивалентного бруса
Рис. 2. Пример дерева событий
Определение риска для конструкций судна
Для оценки риска повреждения конструкций судна из вышеперечисленных методов оценки риска можно использовать, например, метод анализа характера отказов и последствий (РЫБА).
Вероятностный анализ. На самом фундаментальном уровне вероятность выражается как пожизненная или ежегодная вероятность неисправности. Тем не менее вероятность повреждения редко бывает рассчитанной детально, потому что это расчет с интенсивными вычислениями, и оценка в любом случае является «условной», а не «фактической».
Качественная оценка вероятности неисправности, также называемая вероятностью повреждения, может быть определена как мера склонности конструкций к повреждению. Эта склонность должен быть оценена и может рассматриваться как качественная оценка вероятности неисправности. Элементы конструкции могут быть склонны к одному или нескольким типам повреждений, а в некоторых случаях они могут быть связаны (например, усталостные трещины в районах, подверженных интенсивной коррозии). В качественном виде простой статистический анализ, объединенный с техническим суждением, может быть использован для оценки вероятности неисправности.
Схема классификации вероятности неисправности может быть разработана и условные показатели могут быть назначены для каждой категории (табл. 2 [4]). Классификация вероятности в табл. 2 включает в себя четыре класса: чрезвычайная, высокая, умеренная и низкая. В табл. 2 также приведена примерная схема показателей, которая может быть применена для преодоления вероятного повреждения.
Таблица 2
Пример классификации вероятности поврежденной конструкции судна
Классификация вероятностей Показатель вероятности Вероятность неисправности конструкции
Чрезвычайная 4 Очень высокая вероятность - конструкция получит повреждения (трещина, коррозия, или деформация) в течение технического обслуживания судна
Высокая 3 Эта форма повреждения может возникать несколько раз за срок службы судна
Умеренная 2 Эта форма повреждения возникает очень редко -один или два раза за срок службы судна
Низкая 1 Крайне маловероятно, что конструкция получит повреждения за срок службы судна
Мнение эксперта и опыт, заимствованный из других отраслей промышленности и правил классификационного общества, могут быть использованы в качестве руководства при назначении вероятности повреждений.
Анализ последствия
Для морских сооружений вообще и для конструкций судна в частности оценки последствия события при оценках риска, как правило, рассматриваются в трех категориях: 1) персонал; 2) окружающая среда; 3) имущество. Последствия для персонала связаны с травмой и гибелью человека. Последствия для окружающей среды связаны с утечкой нефтепродуктов, приводящей к загрязнению окружающей среды. Последствия для имущества связаны с затратами, обусловленными конструктивными неисправностями.
Прямой расчет последствия в любой из трех категорий последствий является трудным и практически определяется только для очень ограниченного числа применений в технике. Одна из трудностей - принятие решения об области последствия. Например, последствие усталостного разрушения, как минимум, включает затраты на ремонт и, возможно, затраты на проектирование. Тем не менее неисправность может также подразумевать вывод судна из эксплуатации. Другая трудность заключается в избыточном характере морской структуры. Как правило, неисправность конструкции приводит к перераспределению сил, которое затрудняет оценку последствия. Некоторые конструктивные повреждения имеют прогрессивный характер: небольшая первоначальная неисправность может привести к более широкому повреждению, вовлекающему существенную часть конструкции.
Несмотря на эти затруднения, можно разработать уровни последствия. Это то, что происходит неявно при разработке проектно-конструкторских стандартов. Методы проектирования на основе надежности используют допускаемые напряжения как критерии приемлемости, включая рассмотрение последствий. Следовательно, различные уровни безопасности находятся в зависимости от тяжести ожидаемого последствия. В подходе, предлагаемом нами, таких уровней четыре: катастрофический, тяжелый, существенный и низкий. Для того чтобы упростить выражение последствия, введена дополнительная категория (общее последствие), которая объединяет эффект последствий для трех категорий последствия (персонал, окружающая среда и имущество). Пример последствий неисправности для конструкций судна приведен в табл. 3 [4, 5].
Таблица 3
Пример последствий неисправности для конструкций судна
Классификация последствий Показатель последствия Воздействие на безопасность человека Воздействие на окружающую среду Воздействие на судно
Низкое 1 Единственные или незначительные телесные повреждения Несущественный разлив нефтепродукты (до нескольких баррелей) Локальное повреждение конструкции
Существенное 2 Многочисленные или тяжелые телесные повреждения Загрязнение моря несколькими тоннами нефтепродуктов. Ситуация управляема Нетяжелое повреждение судна
Тяжелое 3 Единичный смертельный случай или многочисленные тяжелые телесные повреждения Существенное загрязнение моря, требуются срочные меры для контроля ситуации и (или) очистка пораженных зон Тяжелое повреждение судна
Катастрофическое 4 Многочисленные смертельные случаи Значительное загрязнение моря со сложным контролем ситуации и(или)трудоёмкой очисткой пораженных зон Полная потеря судна
Определение показателя риска
Для присвоения показателя риска каждому сочетанию вероятности неисправности и последствия неисправности используется табл. 4. Показатели риска, приведенные в этой таблице, удобно измерять в логарифмической шкале. Показатели риска характеризуют относительный порядок величины риска. Выбор логарифмической шкалы необязателен, но рекомендуется для удобства по причине следующего математического свойства логарифмов [1]:
Риск = Вероятность неисправности х Последствие неисправности
log(Риск) = log(Вероятность неисправности) х log(Последствие неисправности), или
^ = pI + Сь
где RI - показатель риска; PI - показатель вероятности; ^ - показатель последствия.
Показатель риска можно получить по табл. 4 сложением показателей вероятности и последствия.
Таблица 4
Таблица рисков
Вероятность неисправности Последствие неисправности
Низкое Существенное Т яжелое Катастрофическое
1 2 3 4
Чрезвычайная 4 5 6 7 8
Высокая 3 4 5 6 7
Умеренная 2 3 4 5 6
Низкая 1 2 3 4 5
Из табл. 4 следует, что:
— если RI < 4, то объект (компонент, деталь) имеет низкий риск;
— если 4 < RI < 6, то объект (компонент, деталь) имеет средний риск;
— если Ri > 6, то объект (компонент, деталь) имеет высокий риск.
Для оценки технического состояния конструкций судна основным является вопрос о допускаемой величине износа или иного дефекта. Например, в соответствии с «Инструкцией по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов» [6], нормированию с позиций износа подлежат остаточные толщины палуб и платформ; остаточные толщины бортовой обшивки и обшивки продольных переборок; остаточные толщины стенок балок набора и т. п.
По результатам ультразвуковых замеров остаточных толщин элементов конструкции и расчетов прочности конструкций корпуса можно оценить состояние элемента конструкции -от практически нового (показатель Pi = 1) до состояния с износом, превышающим допускаемый износ (показатель Pi = 4). В автоматизированном процессе оценки технического состояния конструкций корпуса судна это удобно с использованием HCM-модели, содержащей всю информацию о судне и результат замеров остаточных толщин [7]. Затем используются мнения экспертов для получения представления о последствии неисправности элементов, причем последствие неисправности рассматривается по отношению к безопасности человека, воздействию на судно и воздействию на окружающую среду.
Показатель риска для элемента можно получить путем суммирования показателей вероятности неисправности и последствия неисправности элемента [3]. Такой подход позволяет выделить элементы конструкции судна с различными значениями показателей риска, что можно использовать для разных целей.
Заключение
Расчет рисков не подменяет собой существующую систему наблюдения и надзора за безопасностью судов, а расширяет ее возможности. Оценка риска позволяет разработать программу контроля элементов конструкций, начиная с первоначальной стратегии контроля и заканчивая обновлением этой стратегии. Кроме этого, по результатам оценки риска, зная зоны конструкций с высоким уровнем риска повреждения, можно заранее планировать необходимый объем ремонта.
Анализ и определение значений показателей риска позволяют не только оценивать, но и прогнозировать техническое состояние элементов корпуса судна. На этой основе возможно разработать мероприятия по повышению надежности судовых конструкций, обосновать межремонтные периоды и сформулировать требования к конструктивным элементам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. IMO, MSC Circ. 1023/MEPC Circ. 392 Guidelines for Formai Safety Assessment (FSA) for Use in the iMO Rule-making Process, 2002.
2. Risk Analysis and Management for Marine Systems / B. M. Ayyub, J. E. Beach, S. Sarcam, i. A. Assakkaf // Naval Engineers Journal. - 2002. - Vol. 114, N 2. - P. 181-206.
3. Robb C. W., Zbigniew J. K., Ayyub B. M. Methodology for Risk-Based Technology Applications to Marine System Safety // Ship Structure Symposium ’96, November 18-20. - Virginia, USA, 1996.
4. American Bureau of Shipping, Guide for Risk Evaluations for the Classification of Marine-Related Facilities, 2003.
5. Risk based Life Cycle Management of Ship Structures / B. M. Ayyub et al. // Ship Structure Committee, Prediction of structural response in grounding application to structural design, SSC 416, SR-1407, 2000.
6. Инструкция по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов // Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации. Прил. 2. - СПб.: РМРС, 2012. - С. 297-342.
7. Тряскин В. Н., Хоанг Минь Шон. Структура модели данных в автоматизированных системах для оценки технического состояния корпуса судна // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2012. - № 1. - С. 41-46.
Статья поступила в редакцию 19.06.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Хоанг Минь Шон - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Hoang Minh Son - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; [email protected].
Лубенко Владимир Николаевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Lubenko Vladimir Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; [email protected].
Тряскин Владимир Николаевич - Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; д-р техн. наук; профессор; профессор кафедры «Конструкция судов»; [email protected].
Tryaskin Vladimir Nickolaevich - St. Petersburg State Marine Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Ship Construction"; [email protected].
