Вопрос 13. Расскажите о шести количественных показателей надёжности элементов систем. Шесть количественных показателей надёжности и готовности элементов.

1. Первым количественным показателем надежности любого элемента является интенсивность или частота его отказов в течение всего срока службы. Она обозначается( t ) и обычно указывается в заводском паспорте элемента. Индекс t показывает , что этот количественный показатель изменяется во времени и он зависит от срока службы элемента и окружающих его условий эксплуатации

( температура , влажность , облучение и др.).

Приведём общую закономерность изменения этого

показателя в течение срока службы.

(t ) Для механических

Для электронных

элементов

1 2 3 Время

работы элемента

Интервал 1 ( около 100 час ) называется « приработкой « после изготовления элемента и проверки его на заводе. В этот период выявляются все его производственные дефекты. Это не рабочий интервал времени.

Интервал 2 называется срок службы до начала роста частоты отказов электронных элементов ( этот момент называется « Предельное состояние элемента « после которого он подлежит замене. Для механических элементов , у которых происходит непрерывный износ элемента во время работы, специалисты назначают предельное состояние износа. У электронных элементов на этом интервале частота отказов примерно постоянна и при расчётах во время нормального срока службы её можно считать неизменной.

Интервал 3 называется интервалом Старения .На нём происходит увеличение частоты отказов и он не рекомендуется для дальнейшего применения .

Кроме этого, в системах, важных для безопасности, его паспортное значение следует разделить на две составляющие в зависимости от двух видов отказов, которые могут произойти в конкретной схеме его включения. Это делают разработчики и изготовители приборов и систем, важных для обеспечения безопасности. В этом случае общее паспортное значение _ОБЩЕЕ = ₀ + ₁ ( т.е. 0 – опасное и 1 –безопасное). При этом вводится коэффициент опасности элемента или схемы:

= ₀ / _ОБЩЕЕ ( 1 )

В качестве примера этого вида отказов рассмотрим две схемы , из которых видно ,что категория опасности не может быть задана на заводе, а она относится к способу включения элементов в схеме.

Для этого рассмотрим две различные схемы исполнительного органа аварийной защиты реактора :

1. В первой схеме в виде электромагнита с катушкой, при обесточивании которой стержень падает в активную зону и останавливает цепную реакцию реактора ;

2. Во второй схеме питание электромагнита осуществляется переменным током через трансформатор с выпрямителем. В случае отказа любого элемента схемы переменный ток исчезает и стержень падает в активную зону, прекращая цепную реакцию. В первой схеме используется потенциальный принцип обесточивания катушки электромагнита , а во втором – переменный ток с выпрямлением его в цепи катушки.

Поэтому в первом случае a0, а во втором случае при отказе любого элемента ток в катушке исчезает и всегда a = 0. Поэтому вторую схему можно назвать АВАРИЙНО-БЕЗОПАСНОЙ.

Однако во втором случае все отказы будут приводить к ложным остановкам АЭС и большим экономическим потерям, а это очень плохо. Рассмотрим это на примере числа ложных остановок в год и число аварийно-опасных отказов в год для различных значений a.

Для того , чтобы понять физический смысл влияния коэффициента опасности « a « на число n₀ Аварийно-опасных отказов и n₁ ложных срабатываний аварийной защиты в год , а также на их вероятности Q₀ и Q₁ мы рассмотрим одноэлементную аварийную защиту с l = l₀ + l₁, равную 4х10^-4 час^-1 и четырех значений a = 0; 0,1 ; 0,5 ; и 1,0 .

Примем число рабочих часов в году и время контроля исправности АЗ с восстановлением за Т_К = 7500 час. Это первая задача лабораторной работы по теме 8 .

1. Вспомним , что частоту опасных отказов l₀ легко определить из формулы (1):

l₀ = a хl

2. Тогда среднее время между этими отказами Т₀ равно :

Т₀ = 1/ l₀

3.Число же отказов этого вида в год n₀ = Т_К / Т₀ ;

4.Вероятность же Аварийно-опасных отказов Q₀ , соответствующая каждому значению a и примерно равна

Q₀ =l₀ х Т_К , но только для значений Q₀ менее 0,1 ! В нашем же примере нужно пользоваться для всех случаев вычислениями на компьютере.

В результате этих оценок нужно составить такую таблицу решений для одноканальной АЗ.

a	0	0,1	0,5	1.0
l0	0	4 х 10-5	2х 10-4	4х 10-4
Т0	Бесконечн.	25000 час	11250 час	2500 час
n 0	Нет	0,3 раза/год	1,5 раза/год	3 раза/год
Q0	0 (не реал.)	0,3 прибл.	На компьют.	На компьют.
l1	4х10-4	3,6х 10-4	2х10-4	0
n1	3 раза/год	1,5 раза/год	0,3 раза/год	Нет
Q1	На компьют.	На компьют.	На компьют.	0( не реальн.)

Из этой таблицы можно сделать следующие выводы :

1. Коэффициент a оказывает сильное влияние на вероятность и число аварийно-опасных отказов и при выборе схемы АЗ нужно начинать с оценки его величины.

2. Однако при предварительных расчётах лучше брать a =0,5 чтобы

получить более реальные оценки.

3. Время контроля раз в год принимают только для исполнительных приводов АЗ , которые для проверки требуют остановки реактора. Электронные схемы можно проверять во время работы аварийной защиты.

4. Одноканальные АЗ на практике не реальны и поэтому

стремятся к созданию 3 и 4 канальных АЗ для достижения значений Q₀ = 10^-6 и Q₁ =10^-2. Для этой цели проанализируйте

2, 3 и 4 канальные АЗ при a = 0,5 l= 4х 10^-4 и различных Т_К.( временах контроля с восстановлением отказавших в это время каналов).

Для показа резкого различия в частоте отказов разного типа элементов , которые относятся к различным ПОКОЛЕНИЯМ приборов приведём их сравнительную таблицу:

Повышение надёжности

Элемент	Чел.	Лампа	Транз.	Реле	Микросх.	Микропроц.	Пайка
час-1	10-3	10- 4	10-5	10-4	10-6корп	10-6 /корпус	10-8

Из этой таблицы видно , что надёжность элементов слева- направо возрастает и каждое новое поколение примерно в 10 раз надежнее предыдущего, хотя в пределах одного поколения возможен разброс в несколько раз.

Из приведенных выше замечаний следует правильнее вместо слова расчеты применять термин количественные оценки Готовности систем выполнять свои функции.

На практике эту частоту отказов находят следующим образом :

1. Берут N одинаковых элементов и в течение Т часов регистрируют n их общее число отказов .

2. Находят среднюю частоту отказов по формуле :

_{СРЕДНЕЕ} = n / N х Т ( 2)

Эта частота, естественно, будет отличаться от того теоретического значения , которым пользуются проектанты , и часто в худшую сторону, потому что реальные условия эксплуатации хуже комнатных условий..

Вот почему оценочные проектные значения должны проверяться эксплуатационниками и сообщаться для поправок проектантам.

2. Вторым количественным показателем надёжности отдельного элемента является вероятность исправной работы Р( t ).

Экспериментально она определяется следующим образом :

Берутся N работоспособных элементов в момент времени t = 0 и после этого периодически через равные промежутки времени подсчитывают число М элементов оставшихся работоспособными.

Величина Р в данный момент времени t_К равна :

Р ( t_К ) = М / N ( 3 )

Если рассмотреть во времени закономерность этих отказов , то мы заметим ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ закон отказов вида :

Р ( t ) = ехр ( х t ) ( 4 )

При lхt 0,1 ( что справедливо для многих случаев ) можно пользоваться более простой формулой Р(t ) = 1-lхt !

Для аппаратуры СКУ АЭС в рабочие промежутки времени величина Р стремится к единице . Поэтому для практики важнее оценивать вероятности аварийно-опасных и аварийно-безопасных отказов. Для этого всю величину отказов n = N – М необходимо разделить на два вида:

n = n₀ + n₁ ( 5 )

где : n₀ – число наблюдавшихся аварийно-опасных отказов ;

n₁ – число аварийно-безопасных отказов.

Тогда вероятность аварийно-опасных отказов равна Q₀ = n₀ / N , а

вероятность аварийно-безопасных отказов равна Q₁ = n₁ / N .

В дальнейшем нас будут интересовать в первую очередь аварийно –

опасные отказы Q₀ , от которых зависит безопасность.

3. Третьим важным показателем надёжности элемента является его время периодического контроля Т_К с мгновенным восстановлением неисправного элемента . При l х Т_К 0,1 вероятность любого вида отказов находится по формуле Q =l х Т_К .

4.Четвертым показателем надёжности элемента без обслуживания является Среднее Время до отказа Т_{СР ,} равное интегралу от Р (t ) . Если подставить вместо Р экспоненту , то Т_СР = 1 / .

Однако на практике все СКУ на АЭС являются обслуживаемыми и ВОССТАНАВЛИВАЕМЫМИ через время Т_К. Это означает , что периодически через время Т_К проверяется (контролируется ) их исправное состояние и неисправные элементы или Типовые Элементы Замены ( блоки ТЭЗ ) заменяются исправными. Это происходит периодически через заданный ( по регламенту) интервал Т_К - время контроля исправности (для различных схем это время колеблется от 8 часов до 800 часов, кроме приводов СУЗ).

В этом случае Среднее Время до полного отказа существенно увеличивается и может достигать Времени работы до Предельного состояния ( около 10 лет ).

5.Пятым важным для СКУ АЭС показателем является длительность времени ремонта с восстановлением – Т_В ТЭЗ а , которое указывается в ГОСТ е на аппаратуру СУЗ

( не более 1-2 часов).

Это время состоит в общем случае из трех этапов : 1) Нахождения причины отказа ( диагностики ) Т_{Д -} какой из ТЭЗ ов неисправен , 2) Времени замены или в общем случае ремонта Т_Р и 3) Времени ввода ТЭЗ в эксплуатацию ( проверка его работоспособности после замены.

Однако в общем случае Т_В не должно превышать 1 часа для функций управления и защиты СКУ по ГОСТ.

6.Шестым важным количественным показателем общей неготовности элемента является вероятность его отказа при наличии обслуживания .Эта общая вероятность неготовности равна согласно уравнению ( 6 ) :

Q = T_B / T_CP ( 6 )

Согласно принятой ранее терминологии эта общая вероятность неготовности ( отказов ) состоит из вероятности аварийно- опасных отказов Q₀ и аварийно- безопасных Q₁ .