close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100052

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
/
ШТИЛЬМАН
Владимир Борисович
ПОВЬППЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ
ВОДОПРОВОДОПЦИХ Т Р А К Т О В
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
НА ОСНОВЕ М Е Т О Д О В С И С Т Е М Н О Г О
АНАЛИЗА Р А Б О Т Ы З А Т В О Р О В
Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург - 2005
Работа
выполнена
в
ОАО
"Всероссийский
научно-
исследовательский институт гидротехники им. Б. Е. Веденеева".
Научный консультант - доктор технических наук, профессор
Шульман Сергей Георгиевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Белостоцкий Александр Михайлович;
доктор технических наук, профессор
Лалин Владимир Владимирович;
доктор технических наук
Мошков Леопольд Валерианович.
Ведущая организация - СПКТБ "Ленгидросталь".
Защита состоится У/?
декабря 2005 г. в fO
часов на заседа­
нии диссертационного совета Д 512.001.01 в ОАО "Всероссийский на­
учно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Е. Веденеева"
по адресу: 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической биб­
лиотеке ОАО "ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева".
Автореферат разослан ОЪ
ноября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
Г/Ми/т . в. Иванова
Зйоь-ч
^" ^
'^
imi'^'i
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Аюуальность проблемы. Необходимость анализа и оценки риска аварий ГТС в
Российской Федерации регламентированы требованиями Федерального Закона "О
безопасности гидротехнических сооружений" и распространяются на ГТС (а, следова­
тельно, и на механическое оборудование их водопроводяших трактов), находящиеся в
сфере действия Закона, повреждения которых могут привести к возникновению чрез­
вычайной ситуации. Оценка риска аварий указанных сооружений невозможна без
оценки надежности, в частности, вероятности отказов их водопроводящих трактов и
механического оборудования (МО) как подсистем этих трактов, поскольку одной из
основных причин возникновения и развития весьма серьезных аварийных ситуаций
является перелив воды через гребень плотины, что, зачастую, является следствием
отказов именно МО. Как показывает опыт эксплуатации гидроузлов, от надежности
затворов нередко зависит безаварийная работа всего сооружения.
Кроме того, сегодня ббльшая часть затворов водопроводящих трактов ГТС близка
к исчерпанию своего ресурса, поэтому необходимо иметь объективные критерии для
прогнозирования и обоснования сроков проведения ремонтных работ различного обо­
рудования гидротехнических сооружений, в том числе и их механического оборудо­
вания. Получение таких критериев возможно при последовательном применении ме­
тодов теории надежности к его расчётам.
Актуалыюсть подобного подхода подчеркивают и общеевропейские нормы по
расчёту металлоконструкций и оборудования гидротехнических сооружений DIN
19704-95. Так, по новой концепции, устанавливаются требования к надежности как к
основному потребительскому качеству, а эксплуатационные показатели (то есть ха­
рактеристики гидротехнических сооружений и их оборудования) устанавливаются как
следствие требуемой (целесообразной) надёжности.
Поэтому тему представленной диссертационной работы следует признать акту­
альной, а решение проблемы оценки надежности механического оборудования водо­
проводящих трактов ГТС - имеющим важное социально-экономическое значение.
Исходя из вышесказанного, была поставлена и конечная цель диссертации — по­
вышение надежности водопроводящих трактов ГТС на основе методов системного
анализа МО, включающих в себя методику количественной оценки надежности и про­
гнозирования работоспособности механического оборудования (в первую очередь,
затворов) как подсистем водопроводящих трактов гидротехнических сооружений.
Для реализации поставленной цели было намечено решить следующие основные
задачи.
1. Выявить основные случайные факторы, влияющие на надежность затворов
водопроводящих трактов ГТС.
2. Схематизировать конструкции затворов водопроводящих трактов ГТС, постро­
ить схемы их расчета на надежность, деревья отказа.
3. Выбрать и обосновать модели отказов МО водопроводящих трактов ГТС и
критерии надежности.
4 Разработать методику расчета надежности элементов затвора в различных ре­
жимах его эксплуатации.
5. Разработать методику оценки долговечности затвора при гидродинамических
воздействиях.
ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА
СПс
09
"ISr^^f:
6. Разработать методику оценки надежности затворов при сейсмических воздей­
ствиях.
7. Разработать методику оценки надежности затворов в целом в рамках системно­
го подхода с учетом всех возможных режимов их эксплуатации.
8. Получить по указанным методикам количественные оценки надежности затво­
ров различных типов.
Методическую базу исследований составили подходы и методы теории надеж­
ности; сведения и информационные базы данных по авариям водопроводящих трактов
ГТС; положения действующих норм в области проектирования и эксплуатации ГТС и
их механического оборудования.
Достоверность научных положений обеспечивается корректным применением
методов теории надежности. Полученные результаты согласуются с данными по отка­
зам механического оборудования, имеющимся в литературе, близки нормативным
показателям.
Научная новизна работы определяется следующими элементами выполненных
исследований [6-11,14-17,20]:
- определены основные случайные факторы, влияющие на надежность механи­
ческого оборудования водопроводящих трактов ГТС;
- выбраны критерии отказов затворов и их элементов;
- разработана методика оценки вероятности отказов элементов затворов;
- выполнен системный анализ надежности механического оборудования как под­
систем водопроводящих трактов ГТС;
- построен целый ряд стандартных ветвей деревьев отказов механического обо­
рудования водопроводящих трактов ГТС;
- разработана методика количественной оценки надежности затворов водопро­
водящих трактов ГТС с применением различных методов на этапах проектирования,
эксплуатации и реконструкции.
Практическая и научная значимость работы заключается в разработке методо­
логии оценки надежности затворов водопроводящих трактов ГТС, основанной на син­
тезе положений метода предельных состояний, параметрической и системной теорий
надежности, системного анализа. Применение методики в практике проектирования и
эксплуатации механического оборудования гидроузлов позволит для каждой конкрет­
ной конструкции дать практические рекомендации по усилению слабых звеньев сис­
темы, что снизит вероятность отказа затвора (подсистемы водопропускного тракта
ГГС, от которой в значительной степени зависит надежность всего тракга) в процессе
эксплуатации, а также обосновывать необходимость ремонта или замены затворов или
их отдельных элементов. Использование методики будет способствовать реализации
Федерального Закона "О безопасности гидротехнических сооружений", в частности,
при составлении и экспертизе деклараций безопасности как проектируемых, так и
строящихся ГТС в части оценки надежности их водосбросных сооружений и механи­
ческого оборудования.
Разработанная методика уже использовалась при разработке СТП В Н И И Г "Мето­
дические указания по проведению анализа риска аварий гидротехнических сооруже­
ний". По ней была рассчитана надежность большого количества затворов различных
ГГС (Бурейской, Нижегородской, Саяно-Шушенской, Вилгойских ГЭС, ряда АЭС и
других энергетических сооружений, а также затвора судопропускного сооружения С2
Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений), в том числе и
при разработке деклараций безопасности. Расчеты по методике проводились и прово­
дятся в СПКТБ "Ленгвдросталь", в ОАО "ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева". Она легла в
основу разработанных по заказу РАО "ЕЭС России" "Рекомендаций по расчету на­
дежности и определению ресурса затворов ГТС с учетом механики разрушения".
Личный вклад автора состоит:
- в разработке системного подхода к оценке надежности затворов как подсистем
водопроводящих трактов ГТС;
- в адаптации методов параметрической теории надежности примент-ельно к
элементам механического оборудования водопроводящих трактов ГТС;
- в разработке методики расчета надежности затворов различных типов в любой
MOMCirr времени (проектирование, эксплуатация и реконструкция);
- в разработке стандартных (типовых) деревьев отказов водопроводяших трактов
ГТС и затворов как их подсистем;
- в проведении по разработанной методике большого количества расчетов на­
дежности затворов различных ГТС.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., проф. С. Г. Шульману, д.т.н.,
проф. Д. А. Иваишнцову, к.т.н. А. Г. Василевскому, к.т.н. Т. В. Ивановой, к.т.н. С. М.
Левиной, д.т.н. Д. В. Стефанишину, д.т.н. О. М Финагенову и другим сотрудникам
ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева за ценные советы, высказанные при обсуждении различ­
ных этапов исследований.
Результаты научных исследований внедрены на целом ряде проектирующихся,
строящихся и эксплуатирующихся объектов Автором по собственной методике была
рассчитана надежность основного затвора поверхностного водосброса Бурейской
ГЭС, опускного затвора судопропускного сооружения С2 Комплекса защитных со­
оружений Санкт-Петербурга от наводнений, затворов Белоярской АЭС, АЭС Бушер.
Куданкулам. Расчеты автором вероятностей отказов затворов вошли в декларации
безопасности Нижегородской и Вилюйских ГЭС, Егоршинского, Нижнетуринского и
Яйвского гидроузлов Результаты исследований автора вошли в Стандарт Предпри­
ятия ОАО "ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева" "Методические указания по проведению ана­
лиза риска аварий гвдротехнических соор)ткений" и в "Рекомендации по расчету на­
дежности и определению ресурса затворов ГТС с учетом механики разрушения".
Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации докладыва­
лись на' 1) IV Республиканской школе-семинаре молодых ученых по теоретической и
прикладной гидродинамике (Алушта, 1990 г.); 2) семинаре по математическому моде­
лированию во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Ленинград, 1990 г.); 3) I Международной
конференция "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долго­
вечности металлических конструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург,
1995 г.); 4) школе-семинаре "Прогрессивные технологии и методы организации ре­
монтов гиароэнергетического оборудования" (Москва, ВВЦ, 1999 г.); 5) ГУ Междуна­
родной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и
долговечности конструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург, 2001 г.); 6) Меткдународном симпозиуме МАГИ "Гидравлические и гвдрологические аспекты на­
дежности и безопасности гидротехнических сооружений" (Санкт-Петербург, 2002 г.);
7) секции Ученого совета ОАО "ВНИИГ им. Б Е. Веденеева" "Эксплуатация, надеж­
ность и безопасность энергетических сооружений" (Санкт-Петербург, 2005 г.).
На защиту выносятся:
- методология системного анализа надежности механического оборудования как
подсистемы водопроводящего тракта ГТС;
- методика оценки вероятности отказов элементов механического оборудования
водопроводящих трактов ГТС;
- стандартные (типовые) ветви деревьев отказов затворов водопроводящих трак­
тов, на основе которых можно строить деревья отказов различных проектируюшихся
или находящихся в эксплуатации затворов;
- методика расчета надежности затворов различных типов во всех их состояниях
на этапах проектирования, эксплуатации и реконструкции, в том числе при разработке
деклараций безопасности;
- методики оценки долговечности затвора при гидродинамических воздействиях,
а также оценки надежности затвора при сейсмических воздействиях;
- количественные оценки надежности затворов гидротехнических сооружений
различного назначения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав,
заключения, списка литературы (210 наименований), содержит 250 страниц текста,
включая 47 рисунков, 24 таблицы, 20 страниц списка литературы
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформули­
рована конечная цель исследований и дана краткая характеристика работы.
П первой главе проанализированы основные положения существующих детер­
министических методов расчета механического оборудования, намечен вероятностFJbift подход к оценке надежности конструкций водопроводящих трактов ГТС. Приве­
дены основные понятия и показатели теории надежности, применяемые при анализе
надежности МО водопроводящих трактов ГТС. Сформулированы основные задачи
исследования.
На работу водопроводящих трактов гидротехнических сооружений и их затворов
оказывает влияние целый ряд случайных факторов' отклонения нагрузки и механиче­
ских свойств материалов в ту или иную сторону, неблагоприятные условия эксплуата­
ции, неточности расчетной схемы и т п. Статистический учет изменчивости обстоя­
тельств, влияющих на работу конструкций и механического оборудования, путем вве­
дения детерминистических коэффициентов нашел отражение в методе расчета по пре­
дельным состояниям, который и применяется в настоящее время в практике проекти­
рования.
Например, несущие нагрузку элементы конструкций затворов в соответствии с
действующими нормативами должны быгь рассчитаны:
- на несущую способность, то есть прочность, выносливость, устойчивость фор­
мы и устойчивость гюложения (первое предельное состояние);
- на отсутствие чрезмерных деформаций и перемещений от статических или ди­
намических нагрузок (второе предельное состояние);
- на допустимое местное смятие и меспюе сжатие и отсутствие или допустимый
размер трещин (в железобетонных конструкциях) (третье предельное состояние)
В соответствии с действующими нормами расчет затвора должен выполняться
так, чтобы имелась определенная надежность и гарантия отсутствия наступления того
или иного предельного состояния, причем степень надежности дифференцируется в
зависимости от назначения конструкции, возможных последствий в случае аварии и
т. п. путем введения детерминировашаге коэффициентов надежности. Все исходные
величины, случайные по своей природе, представляются некоторыми детерминиро­
ванными величинами, а влияние их изменчивости на надежность сооружения учиты­
вается соответствующими нормативными коэффициентами.
Таким образом, метод предельных состояний, лежащий в основе нормативов, по
которым сегодня ведется проектирование МО водопроводящих трактов, учитывает
изменчивость воздействий и параметров исходного состояния затвора Однако такой
учет осуществляется раздельно для кажаой из действующих нагрузок и характеристик
свойств материадов. Регламентированы и сочетания нагрузок. Следовательно, оценка
надежности конструкций в методе предельньк состояний имеет по существу вероятно­
стный характер, но этот подход не доведен до логического завершения, так как, учиты­
вая случайные факторы, он не позволяет дать количественную оценку надежности. При
расчетах по этому методу наступление предельных состояний истолковывается как
показатель абсолютной ненадежности системы с вероятностью достоверного события,
равной единице, независимо от того, насколько исчерпаны резервы конструкции. При
этом наступление предельных состояний сопровождается скачкообразным увеличени­
ем вероятности отказа от О до 1, что противоречит самой физической природе процесса.
Более последовательным автор считает учет вероятности различных сочетаний
свойств материадов и совместного появления различных нагрузок, явная оценка веро­
ятности наступления тех или иных состояний. Подобный вероятностный подход к
расчету МО водопроводящих трактов позволяет получить наиболее близкую к реадьной картину его работы Таким образом, методы теории надежности являются естест­
венным развитием и дополнением существующих детерминистических методов рас­
чета конструкции. Их применение позволяет дать количественную оценку надежности
объекта и, как следствие, повысить качество проектирования, эксплуатации, реконст­
рукции затворов.
Например, оценка надежности затвора сводится к определению вероятности вы­
хода количественных характеристик состояния затвора с закладными частями, обли­
цовками и приводными механизмами (критериев надежности Vj) за пределы допусти­
мых значений в течение расчетного срока эксплуатации и вьптолняется в следующей
последовательности.
Сначала осущесгвляется схематизация объекта и составляется некоторая условная
(структурно-функциональная) схема надежности. При этом анадизируются возможные
oTKajOBbte ситуации, строятся модели отказов На основе этих моделей выбираются
рационадьные количественные признаки, показатели качества и области допустимых
состояний по показателям качества. Выбор осуществляется с учетом технологических,
эксплуатационных и других требований. Таким образом, определяется система расче­
тов (прочности, устойчивости, деформаций и т. д.), результаты которых характеризу­
ют поведение затвора при различных воздействиях(F|,..., V„) = B(q,, ...,^„ ^„.i,..., q„),
(1)
где К,. ..., V„ - характеристики состояния затвора (критерии надежности); д\, .., д^параметры воздействий; д^,],..., д„ - характеристики свойств материадов (или показа­
тели, характеризующие работу о iдельных элементов затвора); В - оператор, опреде­
ляющий математическую модель (методику расчета) конструкции на надежность.
Одним из важнейших критериев надежности затвора является непревышение тре­
буемыми усилиями для маневрирования грузоподъемности подъемного механизма,
поскольку его нарушение (которое, в свою очередь, могло произойти вследствие невьтолнения других критериев) может привести к возникновению гидродинамической
аварии с самыми серьезными последствиями. При этом важно учитывать, что затвор
является системой с несколькими рабочими состояниями. В общем случае, это закры­
тое (водопроводящий тракт перекрыт), маневрирование (открьггие или закрытие), открьггое (полностью или частично). И в каждом состоянии могут применяться свои
критерии отказа.
Таким образом, образуется система предельных значений критериев надежности
\Vj], каждый из которых (или система критериев) связан с выбранной моделью конст­
рукции (методикой расчета), с особенностями воздействий и свойств материалов. На­
значение предельно допустимых значений критериев надежности может производить­
ся по нормативным или экспериментальным данным.
Далее определяются вероятностные характеристики воздействий и свойств мате­
риалов и, в общем случае, строится совместная функция распределения вероятностей
Fjiqu ..., q„) или плотность распределения/7(^1, ..., q„) для заданного срока службы
затворы Т.
Эти функции учитывают как вероятность отклонений нагрузок и характеристик
свойств материалов от средних (нормативньк) значений (приближенно и неполно
учитываемых в методе предельных состояний коэффициентами надежности у„, у„ и
условий работы y j , так и вероятность совпадения различных видов и интенсивностей
воздействий (при этом отпадает необходимость регламентации сочетаний нафузок, их
разбиения на постоянные, временные и особые).
Путем варьирования параметров воздействий и исходного состояния (свойств)
механическогч) оборудования получается набор значений и строится функция распре­
деления критериев надежности затвора.
По полученной функции распределения определяется вероятность превышения
предельного значения (или значений) критерия надежности Q(Vj> [Vj]).
Вероятность аварии (повреждения) Q может бьггь определена по формуле
QiK >[i^.l .К, >KD= jj/k. ■ .я.Н ■■■ ■ dq„,
(2)
D
где D - область изменения воздействий и параметров исходного состояния механиче­
ского оборудования, для которой критерии надежности Vj превышают допустимые
значения
Вероятность превышения предельного значения критерия надежности сопостав­
ляется с допустимой Надежность конструкции считается обеспеченной, если выпол­
няется соотношение
Qi.yj>{Vj])<[Q].
(3)
Далее в диссертации отмечается, что воздействия на элементы МО водопроводяших трактов представляют собой случайный процесс, развертывающийся во времени.
Существенным разбросом обладают свойства материалов, применяемые в конструк­
циях затворов.
Опыт строительства и эксплуатации различных конструкций показывает, что да­
же для одинаковых сооружений, возводимых и действующих в аналогичных условиях.
8
выход из строя всего сооружения или отдельных конструктивных элементов происхо­
дит в различные случайные моменты времени, то есть нельзя точно указать срок
службы водосброса и затвора, а можно лишь оценить вероятности того, что они будут
эксплуатироваться в течение времени не меньшего, чем заданный срок службы.
Таким образом, определения надежности должны основываться на понятиях тео­
рии вероятностей. Методы теории надежности дают теоретическую основу для пра­
вильной постановки сбора и обработки статистических сведений, относящихся к воз­
действиям на затворы, характеристикам материалов и конструкций из них и других
расчетных параметров. Эти методы лучше других отражают случайную природу ос­
новных расчетных величин и взаимосвязь между внешними воздействиями и прочно­
стью конструкций.
Наука о надежности родилась и, первое время, развивалась, главным образом, в
направлении математической теории, в применении к радиоэлектроннььм системам и к
строительным конструкциям. Меньше проблемами надежности занимались в области
машиностроения. Сегодня же методы теории надежности применяются в самых раз­
личных областях.
Впервые вопросы оценки надежности строительных конструкций были поставле­
ны в работах М. Майера и Н. Ф. Хоциалова. Большой вклад в развитие теории надеж­
ности строительных конструкций и сооружений внесли В В. Болотин, А. П. Кудзис,
В. Д. Райзер, Н. С. Стрелецкий, А. Р. Ржаницын, Г. Аугусти, А. Баратта, Ф. Кашиати и
другие ученые. Среди работ, посвященных надежности систем, можно отметить труды
Б. В. Гнеденко, И. А Рябинина, С. А. Тимашева, И. А. Ушакова, К. Бари, Р Э. Bapjroy,
A. Биролини, Г. Кройцера, X. Кумамото, Э. Дж Хенли и других авторов Надежности
машин и их деталей посвящены работы А. П. Гусенкова, Б. А. Дидулева, В. П Когаева, Н. А. Костенко, А. А. Кузнецова, Н. А. Махутова, А. С. Проникова, Д. Н. Решетова,
B. А Светлицкого, Б Ф Хазова и других авторов.
В гидротехнике вплоть до недавнего времени рассматривались лишь некоторые
частные задачи оценки надежности. Только применительно к грунтовым плотинам и
гидромелиорашвным системам методам теории надежности уделялось достаточное
внимание. Здесь можно выделить работы И. Н. Иващенко, Ц. Е. Мирцхулавь[, В. С.
Пепояна, Д. В. Стефанишина, О. М. Финагспова, С. Г. Шульмана и других авторов.
Что же касается водосбросных и водопропускных сооружений в целом и, в част­
ности, их загворов. то вопросы, связанные с их надежностью, изучались и изучаются
уже достаточно длительное время Т. В. Гавриленко, Ц. Е. Мирцхулавой, А. Л. Рахма­
новой, В. А. Солнышковым и другими учеными. Следует отметить большой вклад в
развитие системной теории надежности гидротехнических сооружений Д. А. Ивашинцова, Д. В. Стефанишина, С. Г. Шульмана.
Далее автором проанализированы основные понятия и показатели теории надеж­
ности с привязкой к механическому оборудованию гидроузлов.
Так, надежность - это свойство объекта (в частности, затвора) сохранять во вре­
мени в установле1гных пределах значения всех параметров, характеризующих способ­
ность выполнять [ребусмые функции в заданных режимах и условиях применения,
технического обслуживания и ремонтов, хранения и транспортирования При этом
требуемыми функциями комплекса механического оборудования водосброса являются
своевременный пропуск через сооружение сбросного расхода и регулирование уров­
ней воды в бьефах, параметрами - пропускаемый расход, продолжительность подго­
товки оборудования к работе, скорость подъема (опускания) затвора и т д.
в теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:
- элемент - простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, в за­
дачах надежности может состоять из многих деталей;
- система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная
для самостоятельного выполнения заданных функций.
Понятия элемента и системы могут трансформироваться в зависимости от постав­
ленной задачи. Например, в диссертации гидроподъемник рассматривается как эле­
мент в системе МО. В то же время при изучении надежности самого гидроподъемника
его следует рассматривать как систему, состоящую из ряда элементов.
Для повышения качества проектирования МО и улучшения условий его эксплуа­
тации первоочередной задачей автор считал разработку методики для определения
показателей, характеризующих безотказность и долговечность затвора, а точнее двух
из них - вероятности безотказной работы (отказа) и технического ресурса (в дальней­
шем именуемого просто долговечностью). Показатели надежности являются важными
характеристиками качества МО и могут быть использованы для сопоставления вари­
антов технических решений или для оптимизации отдельных параметров.
Функция надежности затвора P{t) определяется как вероятность безотказной ра­
боты затвора в течение определенного отрезка времени [0; t] в определенных услови­
ях Функция надежности служит основной характеристикой надежности, определяю­
щей способность затвора к безотказной работе на заданном отрезке времени Вероят­
ность наступления хотя бы одного отказа на отрезке [0; I]
G(/)=1-P(0.
(4)
Решение задачи о надежности МО сводится, в первую очередь, к оценке вероят­
ности безотказной работы затвора в целом, которая зависит от вероятностей безотказ­
ной работы составляющих его элементов и схемы их соединений в конструкции, а
также к оценке его долговечности. Это связано с тем, что в сегодняшней практике в
технических заданиях на проектирование новых затворов или реконструкцию старых
указывается допустимая вероятность их отказов - величина, являющаяся дополнением
до единицы вероятности их безотказной работы. Следовательно, необходимо иметь
методику расчета этих характеристик.
Вероятности отказов элементов определяются действующими нагрузками и на­
пряжениями и несущей способностью, а тс, в свою очередь, определяются условиями
эксплуатации затворов и свойствами материалов, из которых изготовлены элементы
конструкций. То есть, в конечном итоге, для решения задачи о надежности необходи­
мо знать действующие нафузки и несущую способность материалов, а точнее, их ве­
роятностные характеристики. И задача эта может быть решена лишь в рамках систем­
ного подхода, для чего первоначально следует определить параметрическую надеж­
ность элементов затвора.
В заключение первой главы сформулированы основные задачи исследования
Во второй главе исследованы основные случайные и неопределенные факторы,
влияющие на надежность затворов водопроводящих трактов Проанализированы при­
чины аварий водосбросных сооружений гидроузлов. Приведены классификация и
анализ разрушений и повреждений затворов водопроводящих трактов. Произведен
выбор критериев отказов механического оборудования водопроводящих трактов при
расчетах его надежности, которые зависят от цели расчета.
10
Достоверность расчетного определения показателей надежности, получаемых как
на этапе проектирования механического оборудования, так и при его эксплуатации, во
многом определяется адекватностью выбираемых законов распределения нагрузки,
несущей способности и других случайных факторов их реальным распределениям.
Таким образом, требуется иметь информацию об изменчивости параметров нафузок,
материалов, об их отклонениях от расчетной модели. Поэтому особое внимание при
расчете надежности следует уделять сбору и анализу фактического и эксперименталь­
ного материала, характеризующего величины и эксцентриситеты приложения нагру­
зок, эксплуатационные температуры, механические характеристики материалов и т. п.
Причем в процессе эксплуатации гидротехнического сооружения эти параметры могут
уточняться и изменяться. Соответстветго будет меняться и уточняться и надежность
МО водопроводящих трактов этого сооружения.
В конечном итоге, при оценке надежности элементов затвора необходимо знать
математические откидания и стандарты действующих и допустимых (предельных)
усилий, напряжений, прогибов и т. п. (в зависимости от параметра, по которому эле­
мент рассчитывается на надежность). Достоверность действующих в элементе напря­
жений зависит не только от действующих нагрузок, но и от точности выбранной рас­
четной схемы, соответствия натурных геометрических размеров элемента проектным
и т п. Поэтому, даже считая нагрузку детерминированной, напряжения в элеме1гге
следует считать носящими вероятностный характер.
Таким образом, задача оценки надежности связана с задачей определения стати­
стических характеристик исходных данных, к которым относятся и характеристики
материалов, их обеспеченность, параметры распределения механических свойств.
Анализ эмпирических данных, пол}«1енных в результате испьп-аний металлопро­
ката, показывает, что для таких характеристик как предел текучести, временное со­
противление разрыву, относительное удлинение можно использовать нормальный
закон распределения.
Приводимые в ГОСТах нормативные значения предельных напряжений являются
минимально допустимыми и их можно отнести к 95-99% вероятности неразрушения.
Поэтому необходимо ввести коэффициент для перехода к математическому ожиданию
предельных напряжений, то есть к 50% вероятности неразрушения В работе приведен
метод его определения.
Например, при 98% обеспеченности предела текучести о,- его математическое
ожидание определяется по формуле Л/(а,) =
, где г(ат) - коэффициент
l-2,054v(CT,)
вариациистандартапредела текучести.
Далее в работе отмечается, что одна из самых опасных аварий на гидроузлах - пе­
релив воды через фебень плотины. Подобная авария может являться следствием не­
соответствия пропускной способности соор)окений гидроузлов их расчетным сброс­
ным расходам. Соответствие этих величин является одним из важнейших условий
обеспечения безопасности гидроузлов. Такое соответствие может отсутствовать как
вследствие занижения значений расчетных сбросных расходов, так и из-за недоста­
точной пропускной способности сооружений.
Переливы воды через гребень вследствие недостаточной пропускной способности
водосбросов вьщеляются среди непосредственных причин разрушения фунтовых ГТС
(до 33% случаев). При этом свыше 80% таких аварий произошли при строительстве -
II
из-за отказов строительных водосбросов. Среди причин аварий грунтовых плотин,
находящихся в длительной эксплуатации, также выделяется перелив воды через гре­
бень (около 60% случаев). При этом разрушения грунтовых плотин высотой более 15
м происходят чаще всего именно из-за перелива воды через гребень.
Среди непосредственных причин аварий водосбросов, обуславливающих недоста­
точную пропускную способность гидроузлов или её ограничение, можно вьщелить
несоответствие расчетной пропускной способности водосброса параметрам макси­
мального притока в водохранилище из-за недостоверности гидрологического прогно­
за, прорывов вышерасположенных плотин, оползней и обвалов в водохранилище; не­
соответствие действительной пропускной способности водосброса расчетной из-за
засорения отверстий, нарушений гидравлического режима и других неблагоприятных
отличий режимов его работы от проектных; заклинивание затворов и неисправность
подъемных механизмов, в том числе и в результате отсутствия их электропитания.
Особо опасные разрушения конструкций водосбросов наблюдаются при совмест­
ном воздействии нескольких факторов, когда повреждения, вызванные одной причи­
ной, становятся источником возникновения другого опасного явления
Среди весьма опасных нарушений на водосбросах следует выделить выход из
строя механического оборудования (МО). Зафиксирован ряд крупных аварий, связан­
ных с отказом МО (разрушением и заклиниванием затворов, выходом из строя подъ­
емных механизмов), с катастрофическими последствиями для напорных сооружений
гидроузлов и объектов в нижнем бьефе. Если к этому добавить и возможность отказа
МО гидротурбинных блоков ГЭС, становится очевидной необходимость особого вни­
мания к возможным отказам именно МО водопроводящих трактов ГТС. Причем на­
дежность водопроводящих трактов и их МО зависит от качества его проектирования,
изготовления, монтажа и эксплуатации.
В диссертации приведены различные классификации отказов МО водопроводя­
щих трактов: как по их последствиям или проявлениям, так и по характеру вызвавших
их причин.
Отказы могут быть вызваны объективными и субъективными причинами. Субъ­
ективные факторы играют решающую роль на стадии проектирования, при изготовле­
нии и монтаже МО, а на стадии эксплуатации на надежность оборудования влияют в
равной степени как объекгивные, так и субъективные факторы.
По характеру протекания процесса потери работоспособности МО водопроводя­
щих трактов его отказы можно разделить на две большие группы
1. Отказы функционирования - такие отказы, когда вследствие превышения зна­
чения внеигнего воздействия на элемент оборудования фактического предела сопро­
тивляемости этого элемента сразу происходит его разрушение и оборудование не мо­
жет выполнять заданные функции. Для таких отказов характерно быстрое протекание
процесса повреждения или разрушения.
2. Параметрические отказы - отказы, когда пристарении,износе и т. п. изменяют­
ся свойства и состояния элементов оборудования и постепенно значения эксплуатаци­
онных показателей выходят за допустимые и, в конце концов, также происходит поте­
ря работоспособности оборудования.
Следует заметить, что эти два типа отказов зачастую оказываются связанными,
поскольку быстропротекающим процессам потери работоспособности могут предше­
ствовать медленно протекающие процессы накопления элементами МО различного
рода повреждений.
12
При формулировании отказов важное значение имеет также анализ причин отка­
зов, которые в свою очередь делятся на случайные и систематические. К случайным
причинам относятся: непредусмотренные нагрузки, дефекты материалов, погрешности
изготовления, не обнаруженные контролем, сбои систем управления, ошибки обслу­
живающего персонала и некоторые другие. К систематическим причинам относятся
закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: влияние
среды, времени, температуры, нагрузок, сил трения, функщюнальных воздействий коррозия, кавитационная эрозия, старение, усталость, ползучесть, износ и т. п.
В соответствии с этими причинами и характером развития и проявления отказы
делятся на внезапные, внезапные по проявлению и постепенные по развитию и посте­
пенные.
Так, внезапными отказами для водопроводяших трактов могут быть: зависание
затвора, поломка стержней сороудсрживающей решетки плавающим телом и т. п.
Внезапными по проявлению и постепенными по развитию отказами могут быть: по­
ломка сороудерживаюшей решетки в результате усталостного разрушения стержней,
износ опорно-ходовых частей затворов и т. п. Постепенными отказами, представляю­
щими собой выходы параметров за границы допуска в процессе эксплуатации или
хранения, могут бьггь: засорение сороудсрживающей решетки плавающими телами,
шугой, кавитационная эрозия бетона и т. п
Отказы элементов МО можно также разделить на зависимые, когда отказ обу­
словлен отказом или повреждением другого элемента, и независимые, когда такой
обусловленности нет.
В мировой практике строительства и эксплуатации гидроузлов много примеров
различных аварий гидротехнических сооружений из-за отказов МО, что подтверждает
высокую степень ответственности затворов за безопасность ГТС В этом отношении
затворы можно сопоставить со значением геологических условий в районе створа,
достоверности исходных данных для проектирования, качества проекта и выполнения
строительных работ.
При расчете надежности МО водопроводящих трактов одной из важнейших задач,
встающих уже на первом этапе работы, является определение критериев отказов. При
этом, например, для одного и того же затвора критерии могут быть различными в за­
висимости от цели расчета. Кроме того, необходимо различать критерии отказов за­
твора в целом и критерии отказов его подсистем и элементов (например, ригелей).
Причем последние зачастую зависят от выбора первых.
Так, при оценке надежности затвора на стадии проектирования необходимо учи­
тывать все рабочие состояния затвора. В закрытом состоянии критериями отказов
могут быть превышение протечками через уплотнения допустимой величины или раз­
рушение металлоконструкций затвора, а при маневрировании затвором - превышение
фебуемыми подъемными или посадочными усилиями имеющихся (грузоподъемность
подъемного механизма, вес затвора).
При составлении декларации безопасности, как правило, одним из сценариев раз­
вития аварийной ситуации является перелив воды через 1ребень плотины вследствие
невозможности поднять один иди несколько затворов, приводящий к гидродинамиче­
ской аварии. Отсюда принимаются и соответствующие критерии отказа затвора.
В других случаях, опасным может являться опорожнение водохранилища (если
при этом произойдет, например, срыв работы важно! о водозабора). К такому событию
могут привести отказ при посадке затвора, его разрушение или чрезмерный прогиб.
13
Таким образом, в работе установлено, что при каждом расчете надежности необ­
ходимо выбирать критерии отказов затвора и его подсистем, отвечающие задачам
расчета, из следующего перечня, не являющегося, естественно, исчерпывающим (эти
критерии отказов являются обратными критериям безотказной работы):
- превышение требуемыми усилиями для маневрирования грузоподъемности
подъемного механизма;
- превышение напряжениями в элементе допустимых (пределов прочности, те­
кучести, выносливости);
- превышение деформациями и перемещениями в элементе допустимых;
- превышение предельных амплитуд колебаний, вибраций;
- накопление усталостных повреждений свыше предельных;
- превышение расходом протечек через упло1 нения допустимой величины и т. д.
В третьей главе проанализированы основы параметрической теории надежности,
адаптированные применительно к механическому оборудованию водопроводящих
трактов ГТС. Разработана методика оценки безотказности элементов затворов водо­
проводящих трактов при гидростатическом и гидродинамическом воздействиях. Рас­
смотрены методы определения вероятности безотказной работы одного из элемс1ггов
затвора (например, ригеля, пластины обшивки).
Состоягше конструкции может бьггь описано с помощью конечного числа незави­
симых параметров Часть из них характеризует нагрузки, другая - прочность материа­
лов, третья - отклонение реальных условий работы конструкции от приняюй расчет­
ной схемы
Все расчетные величины можно разделить на две основные группы: первая вклю­
чает в себя характеристики, относящиеся к свойствам самой конструкции (R), а вторая
- характеристики внешних воздействий ( F ) Тогда по Л. Р. Ржаниадгну условие непре­
вышения границы области допустимых состояний конструкции определяется как
S = R~F>:0.
(5)
В приложении к расчетам на прочность F - наибольшее значение усилия или на­
пряжения в элементе, выраженное через внешнюю нагрузку, причем задача определе­
ния напряженного состояния предполагается решенной, R - несущая способность,
выраженная в тех же единицах и отвечающая предельному состоянию конструкции по
прочности; S- резерв прочности.
Б общем случае усилия и несущая способность являются случайными функциями
времени, но в рассматриваемой постановке R и F считаются случайными величинами
с заданными законами распределения ДЛ) HJ[F). Отказ элемента происходит во всех
случаях, когда не выполняется условие (5). Под отказом в данном случае понимается
достижение элементом предельного состояния по прочности.
При любых законах распределения RHF
M{S) = M(R)-M{F),
(6)
сг(5) = ^ о ' ( Л ) + а Ч Л ,
(7)
где M{S), M{R), M{F) - математические ожидания соответственно резерва прочности,
несущей способности и напряжения в элементе; o{S), о(Л), <з{Р) - их стандарты
14
в случае, если входящие в формулу (5) случайные величины R и F являются
функциями других случайных величин, их вероятностные характеристики можно оп­
ределять, например, с помощью разложения этих функций в ряд Тейлора.
Характеристикой безопасности называется число стандартов о(5), укладывающееся в интервале О ^ 5 S А/(5):
^._M(S)^
^(^)
M{R)-M{F)
^a'iR) + a'iF)-2k(R,F)
^^^
'
где k{R, F) - корреляционный момент случайных величин RvF.
Для дальнейшего решения задачи оценки надежности (расчета вероятности отка­
за) элемента затвора необходимо знать законы распределения случайных величин
В большинстве случаев кривые распределения несущей способности стали j{R)
близки к нормальному закону. Поэтому в практических расчетах, как указывает В. В.
Болотин, для характеристик прочности можно принимать нормальное распределение.
Что касается нагрузок, то при помощи нормального закона распределения можно
описать далеко не все из них. Однако, например, гидродинамические нагрузки, дейст­
вующие со стороны высокотурбулентного водного потока, обтекающего элементы
конструкций МО, могут быть аппроксимированы нормальным законом распределе­
ния. Нормальное распределение применимо и тогда, когда действует большое число
относительно равноправных факторов. К этому закону стремится сумма независимых
случайных величин, из которых каждая может быгь распределена по любому закону,
при увеличении числа этих величин. Поэтому закон распределения напряжений в эле­
ментах затвора можно принять нормальным. Вообще, нормальный закон распределе­
ния наиболее часто используется в практических приложениях.
Возвращаясь далее к формуле (8) и предполагая, что /? и F подчинены нормаль­
ным законам, а корреляция отсутствует, можно определить вероятность безотказной
работы элемента затвора:
/' = 0,5 + Ф(у),
(9)
где
Ory; = - ^ J e x p f - y U -
(10)
- интеграл вероятностей (функция Лапласа).
А. Р Ржаницын приводит результаты, полученные и при других законах распре­
деления RwF.
Теперь отметим некоторые особенности оценки эксплуатационной надёжности
МО гидроузлов, при которой устанавливается связь между вероятностью их безотказ­
ной работы и долговечностью
Известно, что вероятность безотказной работы с течением времени эксплуатации
неизбежно падает от начального уровня до предремонтного по некоторому закону.
Следовательно, для определения межремонтных периодов необходимо установить
начальный уровень вероятности безотказной работы Р„ (эта величина рассчитывается
после каждого ремонта по вышеприведенной методике), предремонтный уровень ве-
15
роятности безотказной работы Р^ (может приниматься из экономических соображе­
ний) и законы его изменения для различных периодов эксплуатации.
Прогнозный расчет эксплуатационной вероятности безотказной работы элементов
Я , может производиться для любого момента времени t нормальной эксплуатации
объекта по зависимости:
ср
/
ср
(11)
где fcp - среднее время безотказной работы элемента, полученное из опыта эксплуата­
ции или путем обработки статистических данных.
Для установления действительного изменения надежности необходима дополни­
тельная (текущая) информация о состоянии объекта, получаемая в результате натур­
ных наблюдений, с последующим вычислением вероятности безотказной работы для
каждой серии измерений и построением зависимости PJS). При этом собственно отли­
чие оценки эксплуатационной надёжности элементов от проектной состоит в том, что,
что вместо проектной информации о параметрах нагрз^ок и воздействий, свойствах
материалов, режимах эксплуатации и т п. используются натурные данные.
Таким образом, по разработанной методике можно оценить вероятность отказа
элементов затвора в различных режимах его работы, причем как на стадии проектиро­
вания, так и эксплуатации. В результате расчета каждой конкретной конструкции вы­
являются слабейшие звенья, определяющие надежность и безопасность М О в целом, а
также экстремальные значения параметров, определяющих эту надежность (то есть
максимальные величины этих параметров, при которых вероятность отказа остается в
допустимых пределах). На стадии проектирования учет результатов подобных расче­
тов позволит повысить вероятность безопасной эксплуатации МО. Во время эксплуа­
тации оборудования в случае, если расчеты покажут недопустимо высокую вероятгюсть его отказа, необходимо принять соответствующие меры для обеспечения безо­
пасной эксплуатации МО. Причем методика позволяет сразу определить и узлы, ре­
монт или замена которых приведут к существенному повышению надежности как
самого оборудования, так и гидроузла в целом.
Оценка вероятностей отказов элементов МО водопроводящих трактов I T C в дис­
сертации иллюстрируется методическим примером - расчетом плоского затвора
строительного водосброса Колымской ГЭС. Сначала была гюстроена структурная
схема затвора рис. 1, а затем по разработанной методике определены вероятности от­
казов его элементов. Причем в данной главе показано применение методики для двух
случаев. В первом затвор посажен на порог и подвергается воздействию гидростати­
ческого давления. Во втором - затвор поднят на ту или иную величину для пропуска
расходов воды и подвергается гидродинамическому воздействию потока. В этом слу­
чае рассмотрены особенности применения параметрической теории надежности при
расчете вероятностей отказов элементов затвора водосброса, подвергающегося гидро­
динамическим нагрузкам.
Определение этих нагрузок - отдельная достаточно сложная задача. Необходимые
вероятностные характеристики гидродинамической нагрузки, собственных частот
колебаний затворов, присоединенных масс воды и т. п. могут быть получены расчет­
ным, как это показано в диссертации, или экспериментальным путем. Исследованием
16
Затвор плоский колесный пятисекционый
Пролетаое строение
Гидроподъемник
У з е л подвеса
-2 лев
1-2 г
Сцепы
2-3 лев
Секкки
3-4 лев.
1 -2 прав
nr~Ji
Правая
Бетон
№3
№5
№4
Вертикальное
Обшивка
Поперечные диафрагмы
ХТС'Д
Р2
№2
Облицовки
Горизонтальное
Межсекционное
ЕГЛ
1-2
2-3
По порогу
4-5
1-2 прав
Ригели
Р1
№1
4-3 лев.
1-2 прав.
Опорно-концевые стойки
Левая
Рабочие пути
"Ш
Уплотнения
Затворная камера
iP3i
л
Д1
Д2
Дз
Д4
CTTrrZL
^
пг пз
П|
Обвязка
Верхняя
(для секции
№5)
Рабочие колеса
№1
№4
А А АА
1
Колесо
Рис. 1. Струетурная схема затвора строительного водосброса Колымской Г Э С
№3
1
Ось
широкого спектра вопросов, касающегося гидроупругого взаимодействия потока с
затвором, посвящены работы А. С. Абелева, Л. Л. Дольникова, Т. В. Ивановой, В. И.
Каргаудаса, Л. А. Кузнецова, П. Е. Лысенко, В. М. Лятхера, Л. В. Мошкова, В. А. Палюнаса, М. А. Попова, А. Л. Рахмановой, С. П. Фетисова, И. С. Шейнина, С. Г. Шульмана, П. А. Колкмана, Э. Наудашсра, П. Т. А. Гриффитса и ряда других авторов.
Режимы течения с верховой стороны затвора в нормальных эксплуатационных
режимах незначительно влияют на характер и величину гидродинамических нагрузок
на затвор, в отличие от режимов потока с низовой стороны, которые оказьгаают суще­
ственное влияние. Так, при самом неблагоприятном (с точки зрения величины дейст­
вующих на затворы гидродинамических нагрузок) напорном течении за частично открьггым затвором осредненные нагрузки могут быть даже больше гидростатических.
При этом значительны и пульсирующие гидродинамические нагрузки.
Все это существенным образом сказывается на надежности затворов и, в частно­
сти, на их долговечности, что доказывает необходимость оценки вероятности безот­
казности и долговечности затворов при всех возможных их открытиях.
В работе расчет надежности проведен в рамках квазистатического подхода. На­
пряжения и деформации в элеме1ггах затворов, возникающие под воздействием осредненных нагрузок, определены обычными методами расчета металлоконструкций гид­
росооружений, а под воздействием пульсационных составляющих нагрузок - метода­
ми динамических расчетов.
В четвертой главе приведены основы системной теории надежности, адаптиро­
ванные к решению поставленных задач. Проведен системный анализ надежности во­
допроводящих трактов ГТС и события "Перелив воды через гребень плотины вследст­
вие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов". Разработаны
стандартные деревья отказов водопроводящих трактов ГЭС различных типов, а также
некоторые их ветви, проработанные детально (до базовых отказов).
Существенной особенностью затворов является множество возможных рабочих
состояний, каждое из которых подлежит рассмотрению. Принципиальные сложности
в анализе отказов ГТС, связанные с их уникальностью, сложностью и разнообразием
процессов и явлений, способных привести к аварии, недостаток информации о соору­
жениях способствуют разнообразию приемов анализа и оценки вероятностей отказов
и аварий ГТС.
Для анализа и оценки (количественной или качественной) вероятностей опасных
событий в практике анализа риска аварий сложных технических систем и гидротехни­
ческих сооружений обычно используются следующие подходы:
1) статистический, заключающийся в максимально полном использовании стати­
стики аварий и неполадок, а также данных о надежности объектов-аналогов;
2) графоаналитический, заключающийся в использовании логических методов
анализа деревьев отказов и деревьев собьггий;
3) экспертный, заключающийся в выработке оценки путем учета мнений специа­
листов в данной области.
Но, учитывая особенности водопроводящих трактов ГТС и затворов как их под­
систем, для определения вероятностей их отказов в различных режимах работы автор
предлагает разрабатывать расчетную модель в виде дерева событий (элемегггарных
отказов), ведущих к отказу трактов как системы (невозможности выполнять ту или
иную функцию). Метод деревьев отказов является одним из наиболее универсальных
методов анализа надежности и безопасности объектов и систем, может использоваться
18
как на стадии проекта, так и при эксплуатации МО. Достоинством метода является
возможность постоянного совершенствования модели.
События дерева отказов выбираются на основе анализа причин аварий, которые
имели или могут иметь место при эксплуатации объектов. Для М О характерными мо­
гут быть несколько головных событий, в зависимости от постановки задачи. Для каж­
дого из них строится свое дерево отказов. При определении интегрального показателя
надежности и безопасности объекта по различным головным событиям, последние,
условно, можно рассматривать как базовые для обобщенного головного события.
Условные обозначения элементов деревьев отказов - основных логических опера­
торов (моделирующих логико-вероятностные связи между базовыми событиями и
событиями-следствиями) и событий (отображающих различные по своим причинам
отказы), применяемых при фафическом изображении деревьев отказа, - а также фор­
мулы для расчета этих операторов приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Условные обозначения логических операторов
Обозначе­ Наимено­
вание
ние
оператора оператора
О
б
Причинно-следственное со­
отношение, выражающееся
оператором
"или
Событие-следствие имеет
место при наступлении хотя
бы одного из я исходных
независимых событий
"или
исключи­
тельное"
Событие-следствие имеет
место при наступлении лю­
бого из исходных событий,
но не двух одновременно
g i , - . Qn
Расчетная формула для
оценки вероятности
события-следствия Q
Q=l-U(^-Q,)
Событие-следствие имеет
место при наступлении всех
исходных событий
Qb-,Q.
т из я
Qu.;Q„
условие
Событие-следствие проис­
ходит при наступлении лю­
бых /я из и исходных собы­
тий
Наступление событияследствия возможно при
наступлении событияусловия
е=да
е=1Па.
*-|
N:
1=1
п!
т!{п~тУ'
Q-QAQC
Примечание. Приведенные в табл. I формулы предполагают полное отсутствие кор­
реляции среди исходных событий и их характеристик и позволяют оценить верхнюю
фаницу вероятности отказа (наступления события-следствия).
19
Условные обозначения событий
Обозначение события
Событие
0
о
Таблица 2
Базовое событие
Нераскрытое собьггие
1
Разрабатываемое собьггие
1
А
-с
Символ переноса
у
Событие-условие
Вероятности базовых событий могут рассчитываться по методикам для элементов
МО, разработанным в диссертации Вероятности нераскрытых событий не могут быть
определены в рамках принятой модели по тем или иным причинам (например, нет
исходных данных или их определение является отдельной задачей) и принимаются по
литературным данным или по другим расчетам.
Анализируя события, которые, в общем случае, могут привести к переливу через
гребень вследствие недостаточной пропускной способности сооружений, было по­
строено дерево события "Перелив через гребень" или, другими словами, дерево отка­
зов, приводящих к переливу воды через гребень плотины вследствие недостаточной
пропускной способности водопроводящих трактов (оно приведено на рис. 2 в наибо­
лее общем виде) При анализе какого-либо конкретного ГТС это дерево должно про­
рабатываться уже более подробно, поскольку в гидротехнике все соор)'жения уни­
кальны и, даже при наличии однотипных водосбросов, деревья отказов окажутся раз­
личными В то же время какие-то из ветвей или элементов приведенного дерева при
анализе конкретного гидроузла могут отсутствовать
Вообще говоря, к переливу через гребень могут привести и другие события, такие
как оползень (обвальная волна), ветровые волны, ядерный взрыв и т д. Но в работе
анализируются отказы, связанные с водопроводящими трактами ГТС и их механиче­
ским оборудованием, поэтому другие причины перелива не рассматриваются,
К переливу воды через фебень плотины вследствие недостаточной пропускной
способности водопроводящих трактов может привести переполнение водохранилища
вследствие того, что пропускная способность водопропускного фронта (состоящего из
водосбросов и гидротурбинных блоков) окажется ниже проекпюй либо приток
(сбросной расход) - больше проектного В свою очередь, к последнему событию мо­
гут привести ошибки при проектировании, недостаточная на момент проектирования
гидрологическая изученность района, увеличение притока со времени проектирования
и строительства гидроузла, С другой стороны, пропускная способность Г Э С может
20
оказаться ниже проектной вследствие простоя агрегата в ремонте в момент пропуска
паводка либо аварии. А пропускная способность водосбросов может оказаться ниже
проектной вследствие отказа МО, ошибках при проектировании либо ограничения
расхода из-за зимних условий, неудовлетворительного состояния водосброса, опасных
местных и общих размывов нижнего бьефа, подтопления сооружений и территорий в
нижнем бьефе. События, приводящие к отказу МО, рассматриваются в диссертации
подробно в следующих главах.
Перелив воды через гребень плотины
вследствие недостаточной пропускной способности сооружений
X
Перелолненне водохранилища
Й
г-
Приток (сбросной
расход) больше
проектного
^ „ Х ^ ш и б к н при**ч,,^^
^vjTpocKTHpoBam™,,^
Г ^ п у с к н а я способность
водопропускного фронта
ниже прое1ггной
Пропускная
способность Г Э С
ниже проектной
Й
3-
Пропускная способность
водосбросов ниже
проектной
Отказ М О при
открытии водосброса
Достаточность открытия
/%
одного пролета
Самопроизвольное
Самопроизвольное
Самопроизвольное
Самопроизвольное
1-го пролета
л-го пролета
1-го пролета
п-го пролета
перекрытие
перекрытие
перекрытие
перекрытие
Рис. 2. Дерево отказов, приводящих к переливу воды через гребень плотины вследст­
вие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов (начало)
21
/ i Необходимость
lM
открытия
т
/l5eoi
[еобходимость открытия
пролетов
Отказ МО
всех(и) пролетх»
ОшиМО
1К
А
1 -го пролета
I -го пролета
IL
Отказ
подъемного
S
оборудования
П р е в ы ш е н и е посадочными
УСИЛИЯМИ грузоподъеыности
Й1
мет^анизма
Повреждения
опорно-ходовых
Отказ
подъемного
меланизыа
Перекос
затвора
частей
Н ^ доел етво|Н1тел ьное
состояние в о д о с ^ ю с а
-С
■ZL-
011аи<ые м е с т н ы е
П о л т о п л с н и е соор\ ж е н и й
и общие размывы
и территорий Б н и ж н е м
нижнего бьефа
бьефе
п
Зимние условкя
Рис. 2. Дерево отказов, приводящих к переливу воды через гребень плотины вследст­
вие недостаточной пропускной способности водопроволяпщх трактов (окончание)
(сбросной расход) - больше проектного. В свою очередь, к последнему событию мо­
гут привести ошибки при проектировании, недостаточная на момент проектирования
гидрологическая изученность района, увеличение притока со времени проектирования
и строительства гидроузла. С другой стороны, пропускная способность Г Э С может
оказаться ниже проектной вследствие простоя агрегата в ремонте в момент пропуска
наводка либо аварии. А пропускная способность водосбросов может оказаться ниже
проектной вследствие отказа МО, ошибках при проектировании либо ограничения
расхода из-за зимних условий, неудовлетворительного состояния водосброса, опасных
местных и общих размывов нижнего бьефа, подтопления сооружений и территорий в
нижнем бьефе. События, приводящие к отказу МО. рассматриваются в диссертации
подробно в следующих главах.
Далее в работе отмечается, что Г Э С в целом является с позиции надежности ком­
бинированной системой то есть частично резервированной системой (как правило.
22
неработоспособное состояние одного из водопроводящих трактов Г Э С не приводит к
неработоспособности всей системы - Г Э С в целом). В то же время, отдельный водопроводящий тракт Г Э С является, как правило, последовательной системой, для кото­
рой отказ любой из ее подсистем приводит к отказу системы, то есть водопроводящего
тракта в целом. При этом отдельные узлы подсистем водопроводящего тракта могут
вновь являться комбинированными системами (например, система связи стержней
сороудерживающих решеток; система стрингеров плоского затвора, различные систе­
мы болтовых соединений и т. п.). Формулирование критериев технической надежно­
сти для сложных разветвленных систем с резервированием (комбинированных систем)
является весьма непростой задачей с неоднозначным решением, так как при формули­
ровании критериев для подсистем различного уровня не обязательно соблюдается
принцип простого суммирования (учета) критериев предьщущего уровня. Однако, в
первом приближении, при разработке такой системы критериев для водопроводящих
трактов ГЭС можно принять концепцию последовательного учета критериев техниче­
ской надежности системы нижестоящего уровня при формулировании критериев для
системы вышестоящего уровня.
При построении стандартных деревьев отказов водопроводящих трактов Г Э С был
принят иерархический принцип (рис. 3), то есть отказ каждой подсистемы водопрово­
дящего тракта Г Э С (например, водоприемника) является верши1гаым событием сле­
дующего дерева, основанием которого служат, в свою очередь, отказы составляющих
ее подсистем (для узла это отказы составляющих его элементов, а для последних соответственно, отказы деталей). При этом появляются и дополнительные деревья
отказов в зависимости от конструктивного исполнения систем или подсистем В част­
ности, уже на первом уровне можно составить три дерева отказов в соответствии с
типом ГЭС (русловая, приплотинная или деривационная). Из-за ограничения объема
автореферата здесь и далее приведены лишь несколько из деревьев отказов, построен­
ных в ходе написания диссертации.
Деревья отказов 1 -го уровня (по типу ГЭС)
J.
Деревья отказов З-го уровня (по конструктивным
решениям (вариантам) узлов систем)
i
Деревья отказов 3-го уровня (элементов (нодсистем) систем)
Деревья отказов 4-го уровня (деталей (элементов) подсистем)
Рис 3. Идентификация деревьев отказов водопроводящих трактов
Следующие деревья отказов второго уровня (рис 4), которые па блок-схеме (рис
3) обозначены под общим именем "По конструктивным решениям узлов" (водоприем­
ник, деривационный водовод, турбинный трубопровод, спиральная камера, гидротур­
бина, отсасывающая труба), могут являться, в свою очередь, ветвями одного или не­
скольких деревьев отказов первого уровня При этом каждая из этих систем имеет
23
.u
а)
Отказ безнапорного водоприемника
Отказ системы
заши1 ы от
поступления наносов
i
(
Затвор не
отказал
Отказ
I 1 8 сороудержнвающей
I I 2
решетки
Отказ системы
борьбы
с шугой
Отказ
аварийноремонтного затвора
.1 19
1I 5
Отказ
затворной
камеры
1! 3
I2.J
Рис. 4. Деревья отказов водоприемников: а) безнапорного; б) напорного
несколько деревьев (ветвей) второго уровня в зависимости от конструктивного испол­
нения узла (например, для водоприемника это деревья отказов напорного и безнапор­
ного водоприемников, для гидротурбины, не рассматривающейся подробно в рамках
настоящей работы, это деревья отказов радиально-осевой, поворотно-лопастной, гори­
зонтально-осевой, диагональной, ковшовой турбин). Далее следуют деревья отказов 3го уровня (элементов соответствующего узла для выбранного конструктивного реше­
ния) и 4-го уровня (деталей оборудования) (рис. 5,6).
Разработанный комплект деревьев отказов не является исчерпывающе полным и
законченным - в первую очередь, в силу уникальности каждого затвора, водопроводящего тракта. Однако при анализе надежности конкретного объекта их можно при­
нять за основу, объединив несколько деревьев отказов (или их ветвей) соответствую­
щих подсистем в одно дерево, которое следует разрабатывать далее с необходимой
степенью детализации.
После этого необходимо расчетным или иным путем определить показатели на­
дежности базовых элементов, а затем, по формулам системной теории надежности
(табл. 1), и составляющих этот объект подсистем (узлов, деталей) вплоть до вершин­
ного события. Напрямую использование статистических данных для водопроводяших
трактов ГЭС, как и для затворов, невозможно из-за уникальности конструкций и обо­
рудования и, как следствие, отсутствия репрезентативных выборок.
Расчет эксплуатационной надежности (безотказности) водопроводящих трактов
ГЭС и его элементов предполагает необходимость анализа причин отказов для форму­
лирования отказов и, в свою очередь, должен опираться на текущую информацию о
состоянии элементов, их работоспособности и возможности выполнения своего функ­
ционального назначения.
Аналогичным образом - на основе анализа причин и последствий отказов - долж­
но производиться формулирование отказов для всех деталей систем и подсистем во­
допроводяших трактов, уровень надежности которьпс оцетгавается в рамках конкрет­
ной задачи.
Таким образом, при подобной оценке надежности водопроводящих трактов как
комбинированной системы предгюлагается, что отказ летали или подсистемы любого
уровня приводит к тому или и!юму типу отказа всей рассматриваемой системы в це­
лом, то есть имеет место иерархическая система взаимосвязей отказов При этом пока­
зано, что особое значение приобретают вопросы выявления "критических" или "лими­
тирующих" деталей (по надежности).
В пятой |-;1аве изложены принципы синтеза параметрической и систем1гой теорий
надежности на примере оценки надежности плоского затвора строительного водо­
сброса Колымской Г Э С Приведены разработанные автором методики оценки долго­
вечности затворов водосбросных трактов ГТС и надежности затворов при сейсмиче­
ских воздействиях.
В третьей главе была определена вероятность безотказности плоского затвора
строительного водосброса Колымской ГЭС в опущенном положении при НПУ. Ана­
логично следует определить его надежность и при других уровнях верхнего бьефа и,
соответственно, других величинах гидростатической нагрузки Для расчета полной
вероятности отказа затвора за срок службы или за год необходимо оценить и его на­
дежность при всех возможных его открытиях и при маневрировании
Были построены деревья отказов для различных положений затвора и показано,
как вычислять вероятность отказа затвора во всех этих положениях
25
to
ON
A
Отказ плоского затвора
водоприемника
Отказ затвора при
гидростатическом воздействии
JZ
Отказ
пролетного
строения
Ж
й.
Отказ затвора при
сейсмическом воздействии
I
А
Отказ
пролетного
строения
Отказ
уплотнений
Отказ
уплотнений
Отказ
пролетного
строения
А
А
Отказ затвора
при подъеме
Отказ
затворной
камеры
X
Ж
й
Отказ затвора
при опускании
Отказ
затворной
Отказ
подъемного
MexaHH3via
камеры
Отказ
подъемного
механизма
А
Ж
Рис. 5. Дерево отказов плоского затвора водоприемника
f.
d
Отказ
пролетного
строения
Л
Л
/}h
Отказ
затворной
камеры
А
Отказ панелей
облицовки
X
Отказ ребер
жесткости
Отказ
сварных швов
Ал
^
Отказ
анкеров
1
Рис. 6. Стандартные ветви деревьев отказов (1, 11,12)
Вычислив вероятности отказов Q при всех возможных открытиях, по формуле
полной вероятности можно оценить надежность затвора в статическом положении пол
действием гидростатических и гидродинамических нагрузок за время Г (например,
срок службы затвора, период до капитального ремонта, период регулирования стока и
т п ). При этом вероятность работы затвора под той или иной нагрузкой определяется
по формуле:
М(Л1,)
(12)
1де M(At^) - математическое ожидание времени работы затвора в том или ином режи­
ме за срок Т.
27
Полную вероятность отказа затвора при маневрировании за расчетный срок служ­
бы 7" (при к независимых подъемах) приближенно можно оцетггь по формуле
е»г=1-^--
(13)
Средняя вероятность отказа затвора при подъеме за время службы составит
/.I
*
где б,и/ - вероятность отказа затвора при I'-M подъеме:
йи,= 1-(1-е,м)'-
(15)
Вероятность отказа затвора при опускании рассчитывается аналогично и, в пер­
вом приближении, равна вероятности отказа затвора при подъеме.
Однако формула (15) применима при отсутствии технического обследования и
обслуживания затвора в меженные периоды. При проведении этих работ и устранении
обнаруженных неисправностей приближенно вероятность отказа затвора при /-м ма­
неврировании можно принимать
ез«/=ам,
(16)
где Q,u - вероятность отказа затвора при маневрировании или рассчитывать вновь с
учетом новых данных.
Полная вероятность безотказной работы затвора за срок Т:
/'=(i-a)"-I]e„r„,-Ie./».,
/.I
/=1
(17)
где бет ( - вероятность отказа затвора при /-ом У В Б под воздействием гидростатиче­
ской нагрузки; Q„j - вероятность отказа затвора при гидродинамическом воздействии
приу-ом открытии затвора; к ~ проектное количество подъемов затвора за срок Т; трасчетное количество величин гидростатической нагрузки за срок Т; I - проектное
количество открытий затвора (/ = 10 при и = 0,1; 0,2; ..., 0,9; 1,0); V„, - вероятность
нахождения затвора под воздействием г-ой гидростатической нагрузки; К^^ - вероят­
ность работы затвора приу-ом открытии.
На рис. 7 приведен алгоритм оценки надежности затворов, укрупненно показы­
вающий все этапы проведения расчетов.
Еще одним важным показателем надежности затворов, позволяющим наряду с ве­
роятностью безотказной работы достоверно прогнозировать их работоспособность,
считается долговечность. В пятой главе разработан метод ее оценки на примере плос­
кого затвора - наиболее распространенного типа.
В основу методики оценки долговечности положена кумулятивная модель отка­
зов, предложенная В. В. Болотиным. В качестве критерия отказа принимается дости­
жение напряжением в элементе затвора предела прочности или предела выносливости.
При этом рассматривается наступление отказа вследствие двух воз.можиых причин: 1)
перегрузка (выбросы) за предел прочности; 2) постепенное развитие усталостной тре­
щины.
28
Исходные данные:
математические ожидания и стандарты (или коэффициенты вариации) нагрузок и
характеристик материалов и конструкций, схемы маневрирования затворами и
пропуска паводков, гидрологические данные, детерминистические расчеты
I
> Построение дерева отказов
Выбор критериев отказов 4
Детерминистические
расчеты
I
Оценка вероятностей
отказов элементов затвора
Оценка вероятностей отказов затвора в рамках системного полхода
в различных режимах его эксплуатации
Оценка вероятности отказа затвора как
системы с учетом режимов его работы
Рис. 7. Алгоритм оценки надежности затвора
С учетом того, что у плоских гидротехнических затворов основным несущим эле­
ментом, как правило, является ригель, то, в первом приближении, колебания изгибных
напряжений в нем можно считать определяющими долговечность затвора.
При решении задачи вводилась следующая система допущений"
- гидродинамическое давление на затвор считается случайной стационарной
функцией, распределенной по нормальному закону. Тогда и функция напряжений в
конструкции а(х. /), связанных с нагрузкой линейным оператором, является случайной
стационарной функцией с нормальным распределением;
- линейная модель суммирования усталостных напряжений используется в пред­
положении, что число тшклов до разрушения достаточно велико;
- затвор рассматривается как балка с распределенными параметрами, опертая
двумя концами;
- внутреннее сопротивление системы считается неупругим, выраженным в ком­
плексной форме. Комплексной величиной считается и внешнее воздействие.
При решении уравнения вынужденных колебаний балки-затвора была получена
передаточная функция Пд(г(о), после чего оценивалась долговечность затвора по
выбросам Затем предполагалось, что перегрузки за предел упругости маловероятны, а
затвор отказывает вследствие постепенного развития усталостной трещины В резуль­
тате было получено характеристическое значение условной долговечности:
29
г=^
■ P{,a)cla
(18)
где We - эффективная частота процесса о(0; Д о ) - плотность вероятности максимумов
процесса <т(0, которая для стационарного гауссовского процесса <т(/) с математиче­
ским ожиданием Л/(а) и стандартом о(а) вьфажается формулой Раиса; N(pj) - пре­
дельное число циклов при программных испытаниях с заданным параметром о,.
В реальных условиях затвор работает в различных режимах с открытиями п,. По­
этому для полной оценки долговечности надо знать схему маневрирования затворами
за период регулирования стока Tj, Тогда долговечность затвора определится как
7"р
(19)
/L^ пг
I
'■а
где t, - продолжительность работы затвора при открытии п,, причем 5^', = '^р;
Тс, - условная Д0Л1 овечность затвора при том же открытии.
Далее в главе, в рамках приведенной модели, проведена оценка долговечности
плоского секционного затвора, вероятность отказа которого в различных условиях
рассчитывалась выше предыдущих параграфах, по течение за затвором при различных
его открытиях считается напорным. Такой режим является, с точки зрения долговеч­
ности, значительно более опасным, так как при напорном режиме течения в водоводе
за затвором стандарт пульсации давления больше, чем при безнапорном.
Наименьшее значение условной долговечности затвора, равное 114 годам, было
получено при его открытии и = 0,3 Следовательно, учитывая реальный срок службы
затворов (30 - 50 лет), можно утверждать, что его усталостного разрушения не про­
изойдет при любой схеме маневрирования затвором.
Кроме оценки долговечности, важной задачей является обеспечение надежности
оборудования (в частности, затворов) Г Э С и АЭС при сейсмических воздействиях.
Особенностями исследования сейсмостойкости проектируемых объектов являют­
ся недостаток информации о характеристиках воздействия, сложность и высокая
стоимость проведения экспериментов на физических моделях и натуре. Следователь­
но, при оценке прочности и надежности сооружений и оборудования при сейсмиче­
ских воздействиях на первый план выдвигаются методы математического моделиро­
вания: разработка моделей воздействий и работы конструкций (в том числе вероятно­
стных моделей), проведение вычислительных экспериментов.
Затворы ПС устанавливаются непосредственно на грунте, вследствие чего сейсми­
ческие колебания основания до них доходят трансформируемыми. Поэтому для расче­
тов невозмож1ю непосредственно использовать акселерограммы оснований И сейс­
мические колебания здания и оборудования рассматриваются раздельно с использова­
нием поэтажных акселерограмм (ПА) и поэтажных спектров ускорений (ПС), то есть
акселерограмм и спектров, рассчитанных для точек крепления оборудования
30
Возможные пути оценки надежности оборудования с учетом сейсмического фак­
тора определяются различными (статическими, квазистатическими, динамическими)
подходами к оценке сейсмонапряженного состояния сооружений и оборудования.
В рамках статического или квазистатического подхода случайный процесс (сейс­
мическое воздействие) заменяется случайной величиной ("эквивалентная" статическая
нагрузка), и задача о выбросах случайной функции сводится к существенно более про­
стой задаче о распределении случайных величин.
Таким образом, в рамках квазистатической (спектральной) методики, положенной
в основу нормативных расчетов, можно принять, что сейсмические инерционные на­
грузки, являются случайными величинами, и далее вести расчет затвора (в общем слу­
чае - со случайными параметрами) на случайные статистические нагрузки с использо­
ванием в качестве критериев надежности соответствующих условий предельных
состояний.
При расчетах в рамках динамической теории (то есть на семейство акселеро­
грамм) для оценки надежности предлагается использовать хорошо разработанный
аппарат статистической динамики линейных динамических систем (корреляционная
теория случайных процессов, теория выбросов и т. п.). Однако практическую значи­
мость расчета линейных моделей сооружений и оборудования на акселерограммы
сильных землетрясений и соответствующих оценок надежности снижают значитель­
ные неупругие деформации конструкций при таких землетрясениях. Нелинейные рас­
четные модели в значительной степени находятся в стадии разработки и апробации.
Методика определения сейсмических нагрузок на затворы гидротехнических со­
оружений и их надежности продемонстрирована на примере специального уплотнен­
ного по контуру плоского затвора бассейна выдержки АЭС.
В шестой главе приведены примеры расчетов надежности затворов разных типов
гидротехнических сооружений различного назначения, иллюстрирующие разработан­
ные автором методики. Оценены вероятности отказов опускного затвора судопропускного сооружения С2 Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от навод­
нений, сегментного затвора Вилюйских ГЭС-1, 2, плоских затворов Вилюйской ГЭС-3
и Саяио-Шушенской ГЭС, секторных затворов Яйвского гидроузла, затвора бассейна
выдержки АЭС.
Судопропускное сооружение С2 является северными морскими воротами Ком­
плекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений. Его предполагается
использовать, в основном, для пропуска судов речного флота. Механическое оборудо­
вание судопропускиого сооружения С2 предназначено для перекрытия судоходного
пролета при угрозе подъема воды в Невской губе выше отметки 1,5 м и открытия при выровненных уровнях в створе сооружения после спада воды.
В зимний период в районе сооружения образуется ледяной покров, и судоходство
прекращается. Однако, готовность механического оборудования к маневрированию
должна быть обеспечена при опасности наводнений в любой период.
Таким образом, специфические условия работы механического оборудования С2,
а именно: круглогодичная готовность к маневрированию как при открытой акватории,
так и при наличии ледяного покрова, значительные гидростатические, волновые и
ледовые нагрузки, определяемые параметрами судопропускиого отверстия и гидроме1еорологическими условиями, двусторонний напор на затвор, требования быстроты и
высокой надежности маневрирования, - предопределили сложность конструкции за­
твора и наложили особые требования по ее работоспособности.
31
Расчёт вероятности отказа затвора судопропускного сооружения С2 имеет сле­
дующие особенности.
1. Расчёт выполнялся на этапе, когда больп1ая часть оборудования не только за­
проектирована, но и изгоговлена, однако еще не эксплуатируется.
2. Соответствующие детерминированные величины в проектных расчётах заме­
нялись или случайными процессами или случайными величинами.
3. Расчётные случаи нагружения элементов конструкции принимались такими же,
как и в проектных расчётах.
4. В расчете не учитывалось время восстановления отказавших элементов, что
при расчете надежности шло в запас.
В качестве опасных или нежелательных последствий отказа затвора следует рассматривагь наводнение и прекращение на тот или И1юй период (по окончании навод­
нения) навигации. К первому событию могут привести отказ затвора при подъёме
(невозможность подъёма затвора), разрушение или падение затвора, ко второму - от­
каз затвора при посадке (невозможность опускания затвора).
Исходя из этого, в качестве основных критериев отказа элементов опускного за­
твора принималось достижение напряжениями в элементах ме1а-1локонструкций пре­
делов текучести или прогибами - предельно допустимых, а также несоответствие сил
сопротивления маневрированию и веса затвора грузоподъемности гидроподъемника.
Дерево отказов опускного затвора судопропускного сооружения С2 Комплекса
защитных сооружений Санк!-Петербурга от наводнений приведию на рис. 8, а услов­
ные обозначения, использованные при его построении, - в табл. 1 и 2. •
Часть результатов расчета вероятностей отказов элементов металлоконструкции
затвора С2 (математические ожидания и ставдарты допустимых напряжений и проги­
бов, вероятности отказов) приведена в табл. 3. При этом, если хараьсгеристика безо­
пасности элемента у > 8,0, в запас принималось, что Q = 10'''. Вероятность превыше­
ния силами сопротивления подъему затвора и его веса грузоподъемности гидроприво­
да составила 1,132x10''. Вероятности нераскрытых событий принимались по литера­
турным данным: вероятности отказа электрооборудования, систем обогрева и управ­
ления равны 10"' 1/год, гидропривода-5x10'' Угод.
Окончательный расчет дерева отказов проводился по формулам табл. 1.
В итоге, годовой уровень вероятности отказа затвора С2 Комплекса зашиты
Санкт-Петербурга от наводнений составляет 7x10'' 1/год, что следует признать лежа­
щим на грани допустимого. При этом решающий вклад в этот результат вносит веро­
ятность отказа гидропривода. В то же время головая вероятность отказа металлокон­
струкций затвора, вычисленная в запас (по наихудшему варианту), достаточна низка и
составляет 2x10'* 1/год.
Поэтому для повышения надежности затвора С2 необходимо, в первую очередь,
повысить надежность гидропривода, а также систем электроснабжения и управления
затвором.
Расчет вероятностей отказов затворов водосбросов Вилюйских ГЭС проводился
при составлении деклараций безопасности. Поэтому во внимание принимались лишь
те отказы затворов, которые могут привести к реализации сценариев возникновения и
развития аварийных ситуаций, описанных в соответствующих пунктах деклараций.
Это невозможность поднять затвор и, как следствие, повышение уровня верхнего бье­
фа выше Ф П У и перелив воды через гребень плотины
32
Рис. 8. Дерево отказов затвора судопропускного сооружения С2 при наводнении (начало)
Отказ опорноконцевых стоек
Отказ верхнего
ригеля
левой
разру­
шение
А А
А
А
Рис. 8. Дерево отказов затвора судопропускного сооружения С2 при наводнении (окончание)
й
правой
разру­
шение ,
Таблица 3
Расчет вероятностей отказов элементов опускного затвора С2 при V = 4 ^ 5 M
Элемент
Ригель верхний
Ригель средний
Ригель нижний
Обшивка
со стороны Ф 3
пояс Х°1
Обшивка
со стороны Ф 3
пояс №6
Стрингер №1
CipHHrq) №11
Матбматич
Стандарт Вероятность Математич. Стандарт Вероят­
ность
напря­
отказа
проги­
ожидание
отказа
бов,
прогибов,
напряжений, жений,
мм
МПа
мм
МПа
15,5
3,19110-'
14,5
4,244-Ю-*
155
145
ожидание
97
46
68
9,7
4,6
6,8
4,04110-"
155
15,5
53
155
15,5
5,3
14,6
10"
146
147
147
3,191 I0-'
147
14,7
10"
147
147
14,7
,0-16
3,191
W
14,7
14,7
14,7
5,972-Ю-*
8,33610-'
8,336-10-*
8,336-10*
10-"
10-"
Зачастую на небольших гидротехнических сооружениях, построенных более 40
лет назад, отсутствует проектная документация, и выполнение детерминистических
расчетов напряженно-деформированного состояния затворов является отдельной дос­
таточно сложной задачей. В подобных случаях для определения вероятности отказа
М О возможно применение оценки надежности на основе анализа его конструкции,
проблем, возникавших за период эксплуатации, с учетом опыта расчета надежности
конструктивно близкого оборудования и литературных данных. Такой подход рас­
смотрен на примере затворов Яйвского гидроузла.
В седьмой главе описаны мероприятия, проведение которых, наряду с расчетами
надежности затворов водопроводящих трактов Г Т С , позволит предотвратить аварий­
ные ситуации на гидротехнических сооружениях из-за опасных отказов механическо­
го оборудования.
Вообще отказы-аварии затворов следует считать противоестественным, так как
между короткими периодами их интенсивной работы в паводок имеются длительные
меженные периоды, во время которых затворы воспринимают только гидростатиче­
скую кафузку и могут быть подвергнуты тщательному осмотру, а при необходимости
и ремонту. Поэтому вполне достижимой является вероятность их безотказной работы
в течение коротких паводковых периодов, практически равная единице на протяжении
всего срока службы. Это может быть обеспечено только высоким качеством техниче­
с к о ю обслуживания и грамотной эксплуатацией, основанными на четком представле­
нии особенностей устройства и работы установленного на сооружении механического
оборудования и строгом выполнении правил технической эксплуатации обслуживаю­
щим персоналом При постоянной эксплуатации, после того, как все выявленные де­
фекты, присущие данному оборудованию, устранены, при достаточном обт>еме и хо­
рошем качестве планово-предупредительных мероприятий затворы могут надежно
эксплуатироваться многие десятилетия Э т о подтверждается их безаварийной работой
на большинстве гидроузлов.
35
Анализ причин отказов затворов (с закладными частями, облицовками и механиз­
мами) показывает, что недостатки проекта служат причиной отказов примерно в 60%
случаев Отсюда следует, что основы надежности затворов должны закладываться при
проектировании, когда выбирается компоновка оборудования на сооружении, тип
затворов, определяется конструкция их элементов и узлов, назначаются способы за­
щиты от коррозии, обмерзания и других вредных воздействий, предусматривается
возможность проведения ремонтов.
Основным способом повышения надежности технических объектов при проекти­
ровании является резервирование. Применительно к водосбросным сооружениям и их
оборудованию резервирование необходимо осуществлять на разных уровнях: при вы­
боре схемы пропуска расходов, при компоновке комплекса механического оборудова­
ния водосброса и разработке конструкции затворов и даже отдельных узлов.
Как показывает опыт эксплуатации некоторых водосбросов, недостаточная на­
дежность присуща схемам с крупными затворами, рассчитанными на пропуск павод­
ков, а в остальное время работающими при малых открытиях, при которых возникают
повышенные динамические и кавитационные воздействия как на элементы водопро­
пускного тракта, так и на сами затворы. Поэтому для повышения надежности целесо­
образно устройство малых отверстий, перекрываемых затворами небольших размеров.
Повышение надежности затворов достигается установкой ремонтных затворов
перед аварийно-ремонтными, а также обеспечением возможности регулирования рас­
ходов как основными, так и аварийно-ремонтными затворами (пример - затворы водо­
сбросов Нурекской 1"ЭС). За рубежом на глубинных водосбросах часто последова­
тельно устанавливают два одинаковых затвора, каждый из которых может выполнять
функции другого.
Ремо1ггные затворы должны бьггь доступны для осмотра, смены уплотнений и
т д. Поэтому компоновка оборудования должна обеспечивать подъем ремонтных за­
творов выше уровня воды, для чего на высоконапорных сооружениях следует исполь­
зовать "отсечные устройства", перекрывающие шахту ремонтного затвора и отгоражи­
вающие ее от верхнего бьефа.
По надежности многопролетные схемы предпочтительнее однопролетных, по­
скольку при пропуске паводков большой обеспеченности часть затворов может нахо­
диться в резерве. При этом также уменьшаются нафузки на опорно-ходовые части,
которые являются наиболее слабым местом затворов. Кроме того, уменьшение габа­
ритов затворов позволяет производить их сборку в заводских условиях, что также
способствует повышению надежности.
Важным условием повышения надежности механического оборудования является
резервирование источников энергии, элемеетов гидропривода, устройство соедини­
тельных маслопроводов между гидроприводами, что позволяет одной маслонапорной
установкой производить подъем нескольких затворов.
Совершенствование компоновочных ретений обеспечивается тщательностью
разработки технического задания Обоснованное назначение порядка маневрирования
затворами, условий их зимней эксплуатации, внимательная проработка пусковых схем
и т п позволяет выбрать оптимальные типы оборудования, наиболее отвечающие
требованиям постоянной эксплуатации и строительного периода. Этому способствует
участие специалистов по механическому оборудованию в разработке проекта гидро­
сооружения на самых ранних стадиях проектирования.
36
Надежность затворов, а также их элементов можно повысить за счет "избыточно­
сти" используемых устройств и мероприятий, в частности, путем увеличения запасов
несущей способности и износостойкости подшипников и полозьев, запасов мощности
гидроприводов за счет запасов двигателей, подачи насосов, давления в гидросистеме.
Следует, однако, учитывать, что при использовании мощных приводов в случае воз­
никновения непредвиденных сопротивлений движению затвора и отказе грузового
реле все звенья самого механизма, подвески затвора и несущие конструкции под ме­
ханизм (мосты, эстакады) будут испытывать чрезмерные нагрузки в соответствии с
опрокидывающим моментом двигателя. Так как отказ в паводковый период оборудо­
вания, обслуживаюхДего затворы водосбросных сооружений, может вывести из работы
водосброс с катастрофическими последствиями, то оно должно, как и собственно за­
творы, обладать повышенной надёжностью. Определить оптимальный запас могут
помочь как раз расчеты надежности МО в целом и его элементов.
Статистика мелких и крупных аварий затворов с их частичными разрушениями
показывает, что более 90% из них происходит с основными затворами. Основная при­
чина разрушений - значительная непредвиденная действующая нагрузка в сочетании с
другими обстоятельствами: неправильная эксплуатация, некачественная сталь, плохие
сварные швы и т. п. Поэтому самые высокие требования должны быть заложены в
проект основных затворов, особенно тех из них, которым предназначено работать при
частичных открытиях. Причем эти требования должны предъявляться ко всем узлам и
элементам: пролетному строению, опорно-ходовым частям, уплотнениям и тяговым
органам. Эти затворы должны обладать вибрационной устойчивостью, у них должна
быть исключена опасность обмерзания как пролетного строения, так и пазовых конст­
рукций; они должны подниматься и садиться на порог в потоке. При расчете основных
затворов необходимо учитывать динамику их работы и рассчитывать усталостную
прочность конструкции, так как лишь эти затворы MOiyr испытывать длительное вре­
мя динамические нагр)гзки. Основные затворы должны бьггь также рассчитаны и на
другие действующие нагрузки, такие, как сейсмика или различного рода волны.
Не менее высокие требования должны предъявляться и к аварийным затворам, в
функции которых входит быстрое и надежное перекрытие водосбросов в случае ка­
ких-либо непредввденных аварийных обстоятельств. При этом могут иметь место
скачки нагрузки, вызванные гидравлическим ударом, прямыми и обратными волнами
и т. д. Основные требования у аварийных затворов предъявляются к опорно-ходовым
частям, так как они должны обеспечивать безотказное маневрирование.
Хотя недостатки эксплуатации МО были основными причинами отказов лишь в
30% известных случаев, тем не менее большинство серьезных разрушений аварийного
характера с тяжелыми последствиями вызвано именно эксплуатационными наруше­
ниями. Наряду с грубыми просчетами в действиях обслуживающего персонала, свя­
занными с халатностью, пренебрежением к требованиям эксплуатационной докумен­
тации и правилам технической эксплуатации, недостаточной профессиональной под­
готовкой, значительное влияние на снижение надежности экспл)^тации МО оказывает
недостаточный объем и уровень технического обслуживания, особенно - недостаточ­
но эффективная зашита металла от коррозии Поэтому для исключения возможности
разрушений аварийного характера для всех гидротехнических сооружений должна
неукоснительно выполняться система обеспечения надежности МО, включающая:
— установление фактического состояния и работоспособности элементов МО
(сюда следует отнести и расчеты надежности);
37
— разработку и реализацию мероприятий, направленных на поддержание работо­
способности МО;
— составление и ведение эксплуатационной документации;
— офаслевой надзор за осуществлением профилактических мероприятий.
После установления фактического состояния оборудования разрабатывают и про­
водят планово-предупредительные ремонты. На поддержание в норме показателей
состояния и работоспособности оборудования направлены техническое обслуживание
и текущий ремон1. Для восстановления сниженньрс эксплуатационных показателей
оборудования проводят капитальные ремонты, а также его модернизацию и реконст­
рукцию. Эти мероприятия носят профилактический характер и должны проводиться
до наступления отказа. Профилактические мероприятия замыкает система централи­
зованного обследования ГТС и МО электростанций, являющаяся частью отраслевой
системы надзора за безопасностью электростанций.
Такая система обеспечения надежности и безопасности оборудования не только
способствует квалифицированной разработке мероприятий по повышению его безот­
казности и долговечности, но и позволяет оперативно выявлять и систематизировать
недостатки проектов, что создаст предпосылки для более обоснованного совершенст­
вования вновь проектируемого оборудования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе диссертационных исследований по разработке методов системгюго анали­
за затворов с целью повьппения надежности водопроводящих трактов гидро1ехнических сооружений автором были получены слелуюп(ие основные результагы, имеющие
не только частное, но и методологическое значение
1. Разработаны методы системного анализа належ1юсти механического оборудо­
вания как подсистем водопроводящих трактов ГТС. В качестве основного предложен
метол деревьев отказов. Разработаны принципы схематизации конструкции МО водо­
проводящих трактов ГТС, методика построение схем их расчета на надежность, де­
ревьев отказа. При этом учтено, что затвор является системой с несколькими основ­
ными состояниями- закрытое - водопроводящий тракт перекрыт, маневрирование
(открытие или закрьггие), открытое (полностью или частично) - водопроводящий
тракт открьгг.
2 Выполнен системный анализ водопроводящих трактов Г Э С различного типа,
русловых, приплотинньгх, деривационных. Построены стандартные (типовые) ветви
деревьев отказов затворов водопроводящих трактов, на основе которых можно стро­
ить деревья отказов различных проектирующихся или находящихся в эксплуатации
затворов.
3. Проанализированы причины отказов и аварий на водосбросных трактах гидро­
узлов Особое внимание уделено отказам механического оборудования водопроводя­
щих трактов гидротехнических сооружений.
4 Выявлены и проанализированы основные случайные факторы, влияющие на
надежность затворов водопроводящих трактов ГГС.
5. Произведен выбор основных критериев отказов (надежности) затворов и их
элементов На основе параметрической теории надежности разработана методика
38
опенки вероятности отказов элементов механического оборудования водопроводящих
трактов ГТС.
6 Разработана методика расчета надежности затворов различньгх типов во всех
их состояниях на этапах проектирования, эксплуатации и реконструкции. При этом
показана возможность применения для оценки надежности элементов и подсистем
механического оборудования различных методов. Особое внимание уделено особен­
ностям оценки надежности механического оборудования при разработке деклараций
безопасности.
7. Разработаны методики оценки долговечности затвора при гидродинамических
воздействиях, а также оценки надежности затвора при сейсмических воздействиях.
8. Разработана методика оценки надежности затворов как подсистем водопрово­
дящих трактов ГТС с учетом всех возможных режимов их эксплуатации с применени­
ем системного анализа. Построен алгоритм расчета надежности затворов, укрупненно
показывающий порядок и этапы проведения анализа надежности.
9. Произведены количественные оценки надежности большого количества затво­
ров гидротехнических сооружений различного назначения. Так, с помощью разрабо­
танных методик были рассчитаны вероятности отказов опускного затвора судопропускного сооружения С2 Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от навод­
нений, сегментного затвора Вилюйских ГЭС-1, 2, плоского затвора Вилюйской ГЭС-3,
секторных затворов Яйвского гидроузла, затвора бассейна вьшержки АЭС.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах (в скобках
указаны соавторы):
1 Оценка вероятности отказа затвора гидроемкости при сейсмическом воздейст­
вии//Известия ВНИИГ им Б Е Веденеева. 1990 Т. 221. С. 138-144
2 К оценке надежности плоского секционного затвора водосброса // Известия
ВНИИГ им Б Е.Веденеева 1991. Т 225 С 51-55. (Д. В. Стефанишин)
3. Оценка долговечности плоского затвора при гидродинамических воздействиях
// Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 1991. Т. 225. С. 56-59.
4 Оценка надежности затворов гидротехнических сооружений. Автореферат
дисс на соискание ученой степени канд техн. наук Л • ВНИИГ 1992.21с.
5. Повышение надежности затворов гидротехнических сооружений // 1-ая Меж­
дународная конференция "Научно-технические проблемы прогнозирования надежно­
сти и долговечности металлических конструкций и методы их решения". Сборник
докладов С.-Пб.- СПбГТУ. 1995. С. 53-54.
6 О прогнозировании надежности камер рабочих колес диагональных и поворот­
но-лопастных гидротурбин // Гидротехническое строительство. 1996. Х22. С. 8-15.
(Е М Дзюбанов, Н. Ю Дмитриев, В. И Климович, С. М Левина)
7 Исследования надежности металлоконструкций гидротурбинных блоков // Из­
вестия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева 1997 Т230 С. 456-462.
8 Системный анализ надежности водопроводящих трактов ГЭС // Известия
ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева 1997. Т 233 С. 47-54 (Е М. Дзюбанов, Н. Ю. Дмитриев.
С. М. Левина)
9 The system analysis of reliability of structures and equipment of hydraulic passage­
ways // Modelling, Testing & Monitoring for Hydro Ро1л'еф1ат5 III Aix-en-Provence,
France, October, 1998. P 311-318. (N. Yu Dmitriev, S. M. Levina)
39
10. Design reliability assessment of mechanical equipment of hydraulic engineering
structures and system-based optimization of structural design // Twentieth Congress on
Large Dams. 19 22 September 2000, Beijing, China. Vol 4, Q. 79. P. 569-587. (S. M.
Levina, N. V. Shragin)
11. СТП ВНИИГ 230.2.001-00. Методические указания по проведению анализа
риска аварий гидротехнических сооружений // Приложение 5. Алгоритм оценки веро­
ятностей огказов механического оборудования ГТС. С.-Пб.: ОАО "ВНИИГ им. Б. Е.
Веденеева", 2000. С. 75-80.
12. Информационно-аналитическая система оценки уровня надежности оборудо­
вания ГЭС // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долго­
вечности конструкций и методы их решения. Труды 4-ой Международной конферен­
ции. С.-Пб.: СПбГТУ. 2001. С. 95-97. (Н. Ю. Дмитриев, Т. С. Тихонова)
13. Оценка надежности механического оборудования гидротехнических соору­
жений АЭС // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долго­
вечности конструкций и методы их решения. Труды 4-ой Международной конферен­
ции. С.-Пб.: СПбГТУ. 2001. С. 370-372.
14. Оценка вероятности перелива воды через гребень плотины вследствие недос­
таточной пропускной способности водопропускных сооружений // Гидравлические и
гидрологические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооружений.
Тезисы докладов Международного симпозиума МАГИ. С.-Пб.: ВНИИГ. 2002. С. 128129. (Д. В. Стефанишин)
15. Особенности оценки вероятности отказов затворов при декларировании
безопасности ГЭС // Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безо­
пасности гидротехнических сооружений. Тезисы докладов Международного симпо­
зиума МАГИ. С.-Пб.: ВНИИГ. 2002. С. 163-164.
16. Оценка надежности затворов при сейсмических воздействиях с применением
численных методов // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и
долговечности конструкций и методы их решения. Труды 5-ой Международной кон­
ференции. С.-Пб.. СПбГТУ. 2003. С. 47-55. (Л. Э. Беллекдир)
17 Надежность затворов и плитного крепления дна / Пп. 15.1-15.9 в книге Беллендира Е. Н., Ивашинцова Д. А., Стефапишина Д В , Финагенова О. М., Шульмана
С. Г. "Вероятностные методы оценки надежности грунтовых гидротехнических со­
оружений". С.-Пб . ОАО "ВНИИГ им. Б Е Веденеева" 2003. Т. 1.С 432-524.
18. Гидравлические лабораторные исследования приямка защитной оболочки
АЭС // Гидравлика (наука и дисциплина). Материалы Международной научнотеоретической конференции. С.-Пб : СПбГТУ. 2004 С. 4. (Л. Э. Беллендир, Б. Н. Пофебняк)
19. Гидравлические лабораторные исследования приямка защитной оболочки
АЭС // Гидротехническое строительство 2005. Х»5 С. 36-40 (А М Альтшуллер, Г. А.
Антропов, Л. Э Беллендир, Б. Н. По1ребняк)
20. Оценка надежности затвора судопропускного сооружения С-2 комплекса за­
щитных сооружений Санк!-Петербурга от наводнений // Научно-технические пробле­
мы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения.
Труды 6-ой Международной конференции С -Пб • Политехнический университет.
2005. С. 457-465.
40
Для заметок
Для заметок
Типография 0 0 0 «Дом Шуан»
Подписано к печати 25.10.2005.
Объем 2,0 пл. Тираж 120. Номер заказа 51.
I|!21716
РНБ Русский фонд
2006-4
19408
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
2 090 Кб
Теги
bd000100052
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа