2.2.2.1. Khả năng sử dụng phương pháp phân tích cây hư hỏng đánh giá tính an toàn của TBK tàu thuỷ
Phương pháp phân tích cây hư hỏng xuất hiện từ năm 60 của thế kỷ 20, được Mỹ và các nước phương Tây sử dụng để đánh giá tính an toàn và độ tin cậy ở rất nhiều ngành như hàng không, vũ trụ, điện tử, công nghiệp, hóa chất v..v... Trong thời gian gần đây, đã có nhiều tài liệu hướng dẫn ứng dụng phương pháp vào thực tiễn nghiên cứu như
Fault Tree Handbook with Aerospace Applications của các tác giả Dr.Michael Stamatelatos và Jose Caraballo (August, 2002) [21], tài liệu Fault Tree Analysis and Formal Methods for Requirements Engineering của Jianwen Xiang (2005) [22] v..v..
trong đó tác giả đã giới thiệu và hướng dẫn nguyên tắc, cách thức, các bước tiến hành để xây dựng và phân tích cây hư hỏng. Phương pháp phân tích cây hư hỏng đã được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong phân tích, đánh giá mức độ rủi ro và đưa ra các chỉ dẫn về vấn đề an toàn sức khỏe và sử dụng thuốc (The IEE, Health and Safety Brieílng),... Từ khi xuất hiện cho đến hiện nay, phương pháp phân tích cây hư hỏng đã có những bước phát triển rất nhanh chóng và đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong thực tiễn nghiên cứu khoa học, sản xuất cũng như trong đời sống xã hội.
Riêng ở Việt Nam, phương pháp phân tích cây hư hỏng tuy còn mới mẻ, nhưng cũng đã có khá nhiều tài liệu trình bày việc ứng dụng phương pháp này trong nghiên
cứu, đánh giá tính an toàn và độ tin cậy của các hệ thống kỹ thuật như tài liệu Độ tin cậy trong thiết kế chế tạo máy và hệ cơ khí [18, tr.242 - 248] của PGS.TS. Nguyễn Doãn Ý
thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hoặc là tài liệu Lưới điện và hệ thống điện [1,
tr.194-201] của PGS.TS. Trần Bách.
Ứng dụng phương pháp phân tích cây hư hỏng trong nghiên cứu khoa học có tác giả Nguyễn Trung Hải - sử dụng phương pháp phân tích cây hư hỏng ở trạng thái hỏng và làm việc hiệu suất thấp để xác định các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống trong luận án
Tiến sỹ kỹ thuật Đánh giá độ tin cậy của hệ thống động lực các tàu vận tải biển Việt Nam có sử dụng động cơ 6L350PN bằng phương pháp logic xác suất [7], bài báo Đánh giá tính an toàn của hệ động lực tàu thủy bằng tập mờ và phân tích cây hư hỏng của TS
Nguyễn Thạch đăng trên tạp chí Giao thông vận tải số 5, năm 2005[14] hay bài báo
Phân tích cây hư hỏng và phương pháp logic xác suất đánh giá độ tin cậy hệ thống động lực tàu thủy của TS. Nguyễn Trung Hải đăng trên tạp chí Giao thông vận tải số 5, năm
2004 [6],…
Kết quả sử dụng phương pháp phân tích cây hư hỏng đánh giá độ tin cậy và tính an toàn của hệ thống kỹ thuật có thể nhận thấy phương pháp rất phù hợp với việc đánh giá về tính an toàn của các hệ thống, thiết bị có nhiều phần tử phức tạp, có mối liên hệ chặt với nhau từ giản đơn đến phức tạp, từ những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao tới những vấn đề của cuộc sống thường ngày.
2.2.2.2. Những khái niệm cơ bản được sử dụng trong phương pháp phân tích cây hư hỏng
Để sử dụng phương pháp cây hư hỏng trong phân tích, đánh giá độ tin cậy, trước tiên cần thống nhất một số khái niệm cơ bản dùng trong phương pháp này, cụ thể như sau :
a. Hư hỏng đỉnh
Hư hỏng đỉnh là hư hỏng cuối cùng của hệ thống đang xét. b. Hư hỏng trung gian
Hư hỏng trung gian được hiểu là dạng hư hỏng do một hư hỏng khác tạo ra, có thể là hư hỏng cơ bản hoặc hư hỏng trung gian thứ cấp, đồng thời nó lại là nguyên nhân gây ra những hư hỏng khác của hư hỏng trung gian cấp cao hơn hoặc là trực tiếp của hư hỏng đỉnh.
c. Hư hỏng cơ bản
Hư hỏng cơ bản hay hư hỏng chính sinh ra do một hay nhiều thành phần mà nó đặc trưng gây ra hư hỏng của các phần tử, đó là nguyên nhân trực tiếp gây ra hư hỏng trung gian mà là sự kiện không thể tiếp tục phân tích thành các sự kiện cấp dưới khác.
Một hư hỏng bất kỳ của hệ thống kỹ thuật nói chung và của động cơ tuabin khí tàu thuỷ nói riêng đều có thể phân tích thành ba dạng hư hỏng như đã nêu trong phần trên. Một hư hỏng đỉnh có thể có nhiều hư hỏng trung gian và hư hỏng cơ bản.
d. Hư hỏng chưa hình thành (chưa xác định)
Hư hỏng chưa hình thành là hư hỏng không ảnh hưởng tới sự kiện chính. Các hư hỏng này, còn được gọi là các hư hỏng chưa xác định thông thường không được phân tích tiếp trong cây hư hỏng do thiếu thông tin hoặc thông tin tạo ra không quan trọng.
e. Cây hư hỏng
Cây hư hỏng là đồ thị hình cây mô tả mối quan hệ logic giữa các phần tử có quan hệ hư hỏng trong hệ thống, giữa các hư hỏng cơ bản với hư hỏng trung gian và hư hỏng đỉnh, cũng như những sai lầm của con người trong quá trình sử dụng và các nhân tố của môi trường bên ngoài gây ra những hư hỏng của hệ thống. Trong một cây hư hỏng thông thường có đầy đủ ba dạng hư hỏng nêu trên và tương ứng với các dạng hư hỏng đó là các thành phần của cây gồm có:
• Gốc là sự kiện hư hỏng của hệ thống đang xét, nó còn được gọi là sự kiện hư hỏng gốc hay sự kiện đỉnh và thường được ký hiệu bằng hình chữ nhật.
• Nhánh hoặc cành là những hư hỏng trung gian nằm giữa hư hỏng đỉnh và hư hỏng cơ bản, nó cũng được ký hiệu bằng hình chữ nhật.
• Lá là các dạng hư hỏng cơ bản thường được ký hiệu bằng một hình tròn. • Cổng logic nằm giữa các thành phần cây hư hỏng, tức giữa gốc với nhánh và giữa nhánh với lá, nhằm mô tả mối quan hệ nhân quả giữa các hư hỏng. Có hai loại cổng logic được sử dụng trong phương pháp cây hư hỏng là cổng AND và cổng OR và tại cổng logic có các sự kiện vào và sự kiện ra. Sự kiện đi từ phía các lá đến cổng là sự kiện vào và sự kiện đi từ cổng về phía sự kiện gốc là sự kiện ra. Các cổng logic AND và OR cho biết cách thức các sự kiện vào tác động đến sự kiện ra như sau :
- Cổng AND cho biết muốn xuất sự kiện ra thì đòi hỏi phải xảy ra đồng thời các sự kiện vào, tương ứng với phép nhân logic (phép hội).
- Cổng OR cho biết sự kiện ra sẻ xuất hiện chỉ khi xảy ra của một trong số các sự kiện vào, tương ứng với phép cộng logic (phép tuyển). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Về mặt phương pháp, mỗi cây hư hỏng thành lập cho một hư hỏng gốc. Cây hư hỏng gọi là độc lập nếu mỗi hư hỏng cơ bản chỉ xuất hiện trên một lá. Nếu hư hỏng cơ bản xuất hiện trên nhiều lá thì cây hư hỏng gọi là phụ thuộc.
Trong quá trình thành lập cây hư hỏng thường sử dụng các ký hiệu cơ bản sau đây để mô tả những nội dung của quan hệ (Bảng 2.1).
Bảng 2.1: Các ký hiệu cơ bản để thành lập Cây hư hỏng
TT Ký hiệu Tên gọi
1 Sự kiện đỉnh / Sự kiện trung gian
2 Sự kiện hình thành / chưa chính xác
3 Hư hỏng cơ bản
4 Cổng AND
5 Cổng OR
Mô hình cây hư hỏng được trình bày trênHình 2.1 Hàm logic biểu diễn cây hư hỏng như sau :
Theo mô hình trên hình 2.1a : I = X1.X2.X3.X4 Theo mô hình trên Hình 2.1b : I = X1+X2+X3+X4
Trong đó :
I - sự kiện gốc (hư hỏng đỉnh) và là sự kiện của cổng logic; AND, OR - các cổng (VÀ, HOẶC);
X1, X2, X3, X4 - các hư hỏng cơ bản và là sự kiện vào của cổng logic.
Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cây hư hỏng
2.2.3.3. Phương pháp xây dựng cây hư hỏng và hàm logic mô tả độ tin cậy
Xây dựng cây hư hỏng là quá trình phân tích và tìm hiểu kỹ về hệ thống, đòi hỏi người nghiên cứu phân tích kỹ cấu tạo, tính năng hoạt động, khả năng xảy ra hư hỏng của từng phần tử và ảnh hưởng của nó tới hư hỏng của hệ thống.
Quá trình xây dựng cây hư hỏng thường thực hiện theo các bước cụ thể như sau: Bước 1 : Xác định sự kiện đỉnh (sự kiện gốc) của hệ thống
Xác định sự kiện đỉnh chính là hư hỏng của hệ thống đang quan tâm. Bước 2: Lựa chọn mô hình phù hợp
Có thể dựa vào mô hình các cây hư hỏng đã có để lựa chọn mô hình nghiên cứu, tuy nhiên do các sự kiện khác nhau sẽ có các cây hư hỏng khác nhau nên trong bước này thường chỉ mang tính chất tham khảo để chọn lựa mô hình phù hợp với đối tượng, điều kiện nghiên cứu.
Bước 3 : Tìm hiểu mối quan hệ giữa các sự kiện
Các sự kiện có thể độc lập nhưng có thể có mối quan hệ tương ứng với nhau do đó cần phải tìm hiểu các mối quan hệ đó để xây dựng được cây hư hỏng.
Bước 4 : Xây dựng cây hư hỏng
Phân tích quan hệ logic của sự kiện gốc với các sự kiện thành phần kế tiếp để xây dựng cây hư hỏng thông qua các sự kiện trung gian và các cổng logic.
Bước 5 : Tiếp tục phân tích các sự kiện trung gian theo trình tự trên cho đến khi gặp các sự kiện cơ bản.
Bước 6 : Thành lập hàm logic từ lá đến gốc để tính xác suất của sự kiện đỉnh.
2.2.3.4. Tính xác suất hư hỏng đỉnh
Hàm tổng các tích có dạng :
I = X1 + X2 + X3 + ... + Xm
trong đó Xm là các hư hỏng cơ bản. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Áp dụng định lý cộng xác suất có thể tính được xác suất hư hỏng đỉnh dưới dạng như sau [13] :
Q(I) = Q(X1 + X2 + X3 + ... + Xm)
= Q(X ) − Q X X + ⋯ + (−1) Q(X … X )
(2.1)
Ký hiệu trong công thức trên được hiểu như sau : Q(Xi.Xj) = Q(Xi).Q( Xj/Xi )
Q(Xi.Xj.Xk ) = Q(Xi).Q( Xj/Xi ).Q(Xk/ Xj.Xi )
Q(X1.X2.X3… Xm) = Q(X1).Q( X2/X1 )...Q(Xm/X1.X2… Xm-1) (2.2) Nếu các hư hỏng (sự kiện) X1, X2, X3,..., Xm độc lập với nhau thì ta có: Q(X1.X2.X3... Xm) = Q(X1).Q( X2).Q(X3)... Q(Xm) (2.3) Nếu X1, X2, X3,., Xm là các sự kiện xung khắc thì ta có :
Khi xác suất của các hư hỏng nằm trong những thành phần ∑ ∑,∑ ∑ ∑, v.v… ở biểu thức (2.1) rất nhỏ thì có thể sử dụng biểu thức (2.4) mà không yêu cầu các sự kiện xung khắc.
Như đã trình bày, phương pháp phân tích cây hư hỏng đã được ứng dụng để đánh giá tính an toàn và độ tin cậy trong rất nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống từ hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân đến giao thông vận tải, y tế v..v... Mặt khác, phương pháp này cũng được áp dụng để phân tích, đánh giá khả năng làm việc an toàn, tin cậy của cơ cấu, hệ thống kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp, ngay từ khâu tính toán thiết kế, chế tạo cho đến quá trình vận hành, khai thác.
Kết luận chương 2:
Những luận cứ khoa học trình bày về cơ sở lý thuyết của việc đánh giá chỉ tiêu an toàn cho biết, chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ được đánh giá thông qua các thông số cụ thể như xác suất không hỏng (xác suất hỏng), thời gian trung bình làm việc an toàn và cường độ hư hỏng của thiết bị theo các khoảng thời gian khảo sát.
Đồng thời qua việc phân tích đã lựa chọn được phương pháp logic xác suất kết hợp phân tích cây hư hỏng để tính toán xác định chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ ở Việt Nam. Đây là cơ sở quan trọng để tiến hành các bước xây dựng, tính toán xác định chỉ tiêu an toàn cho động cơ ở chương 3.
Chương 3
ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ
SỬ DỤNG TRÊN CÁC TÀU THUỶ Ở VIỆT NAM