Chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ

2.1.1. Các chỉ tiêu của tính an toàn

Chỉ tiêu an toàn cho phép ta đánh giá được khả năng làm việc an toàn của trang bị kỹ thuật trong quá trình khai thác. Đối với động cơ TBK tàu thuỷ, đây là chỉ tiêu quan trọng nhất khi đánh giá độ tin cậy của động cơ.

Tính an toàn (tính không hỏng) của động cơ TBK được đặc trưng bởi xác suất làm việc không hỏng, thời gian làm việc trung bình an toàn và cường độ hỏng [9],[10],[11],[12].

2.1.1.1. Xác suất làm việc không hỏng P(t)

Gọi P(t) là xác suất làm việc không hỏng của động cơ TBK, các cụm chi tiết hoặc các chi tiết của động cơ. P(t) là xác suất để tại thời điểm t hệ đang ở trạng thái làm việc. Nó có những tính chất sau:

0 < P(t) < 1;

Và P(0) = 1 ; P (∞) = 0

Nếu biết trước quy luật phân bố làm việc của đối tượng đến lúc xuất hiện hư hỏng q(t) hoặc xác suất hỏng Q(t) thì về lý thuyết xác suất P(t) có thể tính theo (2.1) [13]:

P(t) = 1 − ∫ q(t)dt = 1 − Q(t)

Xác suất làm việc an toàn được xác định bằng thực nghiệm theo công thức (2.2) [13]:

P (t) ≈

( ) (2.2)

Trong đó N(t) - Số phần tử không hỏng trong khoảng thời gian t; N(0) - Số phần tử tại thời điểm t = 0.

2.1.1.2. Thời gian trung bình làm việc an toàn

Thời gian trung bình làm việc an toàn được xác định khi biết quy luật phân bố bởi thời gian làm việc của động cơ TBK đến lần hư hỏng đầu tiên q(t) theo công thức (2.3) [13]:









tq(t)dt P(t)dt

T

Thời gian làm việc đến lúc hư hỏng bằng thực nghiệm được đánh giá bởi tỷ số thời gian làm việc của các động cơ TBK trên tổng số hư hỏng của nó [13]:





Trong đó: ti - thời gian làm việc của động cơ TBK thứ i trong thời kỳ thử nghiệm hoặc khảo sát (giờ), I = 1,2,..,N;

ri - số lần hư hỏng của động cơ TBK thứ i trong thời kỳ thử nghiệm hoặc

khảo sát.

2.1.1.3. Cường độ hư hỏng

Cường độ hỏng của một phần tử i được tính theo công thức (2.5) [13]:

 

 

 

Trong đó: q(t) - hàm mật độ phân phối xác suất; x - là biến tích phân.

Theo ước lượng thống kê cường độ hỏng của hệ được tính theo công thức (2.6) [13]:

Δt.n(t)

Δr

λ



Trong đó:

2.1.2. Các phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ

Thực tế có khá nhiều phương pháp nghiên cứu và đánh giá độ tin cậy, tính an toàn của thiết bị, hệ thống kỹ thuật nói chung, động cơ tuabin khí tàu thuỷ nói riêng và thường được chia thành từng nhóm sau :

2.1.2.1. Nhóm các phương pháp giải tích

a. Phương pháp điểm kê trạng thái

Thực chất của phương pháp này là xem xét trạng thái làm việc hay hư hỏng của thiết bị và hệ thống bằng cách ghi lại lần lượt các trạng thái của hệ thống dưới dạng bảng, theo thứ tự tăng dần của số phần tử hư hỏng nằm trong hệ thống. Do đó, phương pháp này còn được gọi bằng tên khác là phương pháp lập bảng. Phương pháp này có khối lượng tính toán tăng rất nhanh theo số lượng phần tử n, nhưng có thể khắc phục được nhược điểm này bằng cách lập trình trên máy tính. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp này đánh giá khả năng làm việc hay hư hỏng của hệ thống, phải kết hợp với mô hình kiểm tra khả năng hệ thống, nên vấn đề sẽ trở nên phức tạp hơn nên thường chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, ít phần tử.

b. Phương pháp phân tích theo phần tử

Theo phương pháp này, độ tin cậy của hệ thống phức tạp có thể xác định bằng cách phân tích sơ đồ theo một phần tử k nào đó, thường là một trong số các phần tử tạo nên liên hệ ngang trong sơ đồ.

c. Phương pháp logic xác suất (phân tích cấu trúc)

Phương pháp sử dụng các mô hình đường, lát cắt và phép phân tích logic để đánh giá xác suất làm việc tin cậy hoặc là hư hỏng của một hệ thống phức tạp. Theo phương pháp này, cấu trúc hệ thống được mô hình hóa bằng toán logic và bao gồm các giai đoạn chính sau :

• Xây dựng sơ đồ tính tương đương về độ tin cậy của hệ thống nghiên cứu. • Từ sơ đồ tính tương đương, tiến hành xây dựng đồ thị G (X,A) tương ứng để nghiên cứu độ tin cậy.

• Xây dựng đồ thị đẳng trị đối với đường hoặc lát cắt ở dạng các hệ thống song song nối tiếp.

• Tính toán xác suất làm việc tin cậy hoặc hư hỏng của hệ thống trên cơ sở sơ đồ đường đẳng trị đường và lát cắt.

Phương pháp logic xác suất thích ứng tốt với hệ thống phức tạp bất kỳ và khả năng sử dụng các phương tiện tính toán hiện đại trong quá trình nghiên cứu ĐTC. Khi tính toán ĐTC của hệ thống, thường bắt đầu bằng việc phân tích các sơ đồ nối (nối tiếp hoặc song song) các phần tử, các mối quan hệ giữa chúng và vai trò của mỗi phần tử trong việc đảm bảo sự hoạt động tin cậy của hệ thống.

Để ứng dụng phương pháp này, đòi hỏi người nghiên cứu phải nắm chắc nguyên lý làm việc và sơ đồ chức năng của hệ thống. Ngoài ra, phải phân biệt được toàn bộ các trạng thái làm việc của hệ thống và vận dụng thuần thục các phép toán logic để xây dựng các hàm logic tương ứng. Tuy vậy, nếu chỉ phân tích cấu trúc thì chưa thể hiện được các nguyên nhân hư hỏng, cách khắc phục chúng và mối quan hệ nhân quả giữa hư hỏng đỉnh và các hư hỏng cơ bản.

Phương pháp logic xác suất dùng để đánh giá ĐTC của TBKT khi hoạt động, về bản chất, là phương pháp mà trong đó cấu trúc của hệ thống được mô hình hóa bằng toán logic. Việc đánh giá tính toán về lượng của các chỉ số về ĐTC được tiến hành trên cơ sở lý thuyết logic - xác suất.

d. Phương pháp phân tích cây hư hỏng (Faul Tree Analysis Method)

Phương pháp phân tích cây hư hỏng xây dựng trên cơ sở sử dụng đồ thị và đại số logic để mô tả mối quan hệ giữa các phần tử khác nhau trong hệ thống và sử dụng mối quan hệ này để đánh giá khả năng xảy ra các hư hỏng, mối quan hệ giữa các dạng hư hỏng trong hệ thống và hư hỏng của những chi tiết thành phần. Do đó, phân tích cây hư hỏng là một trong những phương pháp sử dụng phổ biến trong phân tích, đánh giá tính an toàn và độ tin cậy của các hệ thống phức tạp. Nó cho phép phân tích dựa trên phương thức suy diễn “ngược” để xác định tập hợp hư hỏng khác nhau cũng như nguyên nhân gây ra hư hỏng tại các lớp hệ thống, mà chính từ các hư hỏng này đã đưa đến hư hỏng của hệ thống đang khảo sát.

Phân tích cây hư hỏng là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu ĐTC của hệ thống phức tạp. Cơ quan Phòng thủ chiến lược Mỹ (DOD) và cơ quan Quản lý hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ (NASA) vẫn sử dụng phương pháp này trong công việc của mình;

Sơ đồ cây hư hỏng cho phép đánh giá chất lượng và số lượng các phần tử của hệ thống trên quan điểm ĐTC, là một trong những phương pháp luận đầu tiên được sử dụng để xác định nguồn gốc của các hư hỏng nặng;

Về mặt chất lượng, cây hư hỏng cho hình ảnh rõ ràng về nguyên nhân, cách thức xảy ra hư hỏng và các hành vi của hệ thống. Cây hư hỏng cho phép tính được các chỉ tiêu ĐTC của hệ thống.

Mặc dù vậy, quá trình phân tích và nhận dạng sâu sắc hệ thống, đòi hỏi nhiều thời gian và nhân viên chuyên môn phải có hiểu biết sâu sắc về hệ thống.

Phân tích bắt đầu từ sự kiện hư hỏng của hệ thống gọi là sự kiện đỉnh (top event), sau đó theo quá trình ngược lần theo dấu vết xác định nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó xác định các chỉ tiêu về độ tin cậy, tính an toàn của hệ thống đang khảo sát. Phương pháp này sẽ được trình bày cụ thể hơn trong phần sau.

2.1.2.2. Nhóm các phương pháp mô hình

a. Mô hình tương tự

Phương pháp nghiên cứu đối tượng trên cơ sở xây dựng mô hình đồng dạng với mô hình thực theo tỷ lệ xác định, sau đó mới tiến hành nghiên cứu và đo đạc các thông số trên mô hình này để làm cơ sở cho việc đánh giá đối tượng thực và mô tả hình ảnh của các quá trình vật lý có thể xảy ra với đối tượng nghiên cứu. Tuy nhiên, việc chế tạo mô hình tương tự thường rất tốn kém, mất nhiều thời gian và khó đảm bảo tỷ số đồng dạng giữa các thông số của đối tượng và mô hình, đồng thời nó chỉ cho phép đánh giá một cách định tính các thông số nghiên cứu.

b. Mô hình toán học

Phương pháp được sử dụng để nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống phức tạp, xây dựng trên cơ sở mô tả các quá trình nghiên cứu bằng phương trình toán học, sau đó tìm cách giải các bài toán để xác định các thông số cần tìm của quá trình. Mô hình toán thử

nghiệm thống kê, hay còn gọi là phương pháp Monte - Carlo dùng đánh giá độ tin cậy trên cơ sở tiến hành nhiều loạt thử nghiệm độ tin cậy của các phần tử, qua một số ngẫu nhiên đặc trưng cho xác suất làm việc của nó. Ưu điểm của phương pháp này là một số biểu thức toán nghiệm đúng cho nhiều quá trình có bản chất vật lý khác nhau nên đối tượng nghiên cứu có thể rất rộng, không hạn chế khối lượng thực nghiệm, chi phí thấp, ít tốn thời gian và có độ chính xác cao hơn phương pháp mô hình tương tự, tuy nhiên không thể sử dụng phương pháp cho quá trình nghiên cứu chưa được mô tả bằng biểu thức toán học.

c. Mô hình lai

Đây là mô hình kết hợp các ưu điểm của cả hai mô hình đã nêu ở phần trên bằng cách dùng ưu điểm của mô hình này bổ sung nhược điểm của mô hình kia, thường dùng để nghiên cứu quá trình quá độ của hệ thống, trong đó một số khâu chế tạo như mô hình tương tự, một số khâu mô tả dưới dạng phương trình toán.

2.1.2.3. Phương pháp thực nghiệm

Là phương pháp được dùng rộng rãi để đánh giá ĐTC của các TBKT, phương pháp này cho những kết quả đầy đủ và tương đối chính xác. Việc đánh giá ĐTC bằng thực nghiệm có thể thực hiện trong các giai đoạn thiết kế, sản xuất và khai thác sử dụng.

Đánh giá ĐTC trong giai đoạn thiết kế nhằm kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị trong tương lai, ở những điều kiện sử dụng nhất định, phát hiện các khâu kém tin cậy và tìm biện pháp khắc phục kịp thời.

Đối với những TBKT nhập từ nước ngoài vào Việt Nam, rất cần được tính toán kiểm tra ĐTC trong quá trình khai thác.

Trong các giai đoạn thiết kế và sản xuất, ĐTC của TBKT được đánh giá bằng các hình thức thử nghiệm các sản phẩm mẫu, hay sản phẩm xuất xưởng (lấy ngẫu nhiên). Căn cứ vào mục đích thử nghiệm, có hai loại là thử nghiệm xác định và thử nghiệm kiểm tra.

Phương pháp thực nghiệm đánh giá ĐTC của TBKT, chủ yếu dựa vào các số liệu thống kê tại phòng thí nghiệm hoặc thông tin quá trình khai thác sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm đòi hỏi nhiều công sức và nếu tiến hành trong phòng thí nghiệm thì kinh phí đầu tư rất lớn, ở Việt Nam thì khó có thể thực hiện được.

Các nhà khoa học coi khai thác sử dụng cũng là một phương pháp thực nghiệm và có thể coi đó là một quá trình thử nghiệm đặc biệt. Nếu các thử nghiệm thông thường được tổ chức ra để kiểm tra, xác định ĐTC, thì trái lại, nhiệm vụ chính của quá trình khai thác là thu được hiệu quả sử dụng cao nhất.

Đối với những TBKT phức tạp gồm nhiều phần tử có liên hệ trực tiếp với nhau (thể hiện qua sơ đồ chức năng) thì kết hợp nhiều phương pháp đánh giá ĐTC trong quá trình khai thác sử dụng sẽ đạt được kết quả tốt hơn.

Tóm lại:

Để duy trì và đạt được độ chính xác cao khi đánh giá ĐTC của các TBKT có nhiều thành phần và nhiều trạng thái, có xác suất hư hỏng của các phần tử thấp, cần phải sử dụng những phương pháp đặc biệt.

Theo khả năng ứng dụng, mỗi phương pháp có ưu thế riêng trong từng loại bài toán ĐTC. Tuy nhiên, phương pháp phân tích cấu trúc (cách gọi thứ hai của phương pháp logic xác suất) và phương pháp phân tích cây hư hỏng chúng giống nhau khi chỉ xét về sơ đồ cấu trúc. Nhưng cả hai phương pháp đều mô tả quan hệ logic giữa các phần tử với nhau trong sơ đồ.

Như vậy, nếu xét ở trạng thái hỏng thì mô hình toán logic thiết lập theo hai phương pháp là hoàn toàn giống nhau. Điểm khác ở đây là cây hư hỏng sẽ thiết lập được cả khi hệ thống ở trạng thái làm việc hiệu suất thấp (chưa đến mức bị hỏng phải dừng máy nhưng chất lượng thấp) và cũng được xác định thông qua hàm logic xác suất.

Từ đây cho thấy, cây hư hỏng chỉ là bước phát triển cao hơn của sơ đồ cấu trúc, cho nên nó cũng thuộc nội dung của phương pháp logic xác suất. Chính vì vậy, có thể coi phương pháp logic xác suất là sự kết hợp của cả phương pháp phân tích cấu trúc và phương pháp phân tích cây hư hỏng.

Phương pháp logic xác suất (phân tích cấu trúc kết hợp phân tích cây hư hỏng) cho phép xét đến nhiều yếu tố (cấu trúc và sử dụng), có thể được chọn để giải quyết bài toán ĐTC của hệ thống TBKT phức tạp. Ưu điểm lớn nhất của các phương pháp logic xác suất là có thể chuyển khái niệm trừu tượng phức tạp là ĐTC sang ngôn ngữ toán logic xác suất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng máy tính.

2.2. Lựa chọn phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK

2.2.1. Điều kiện để lựa chọn phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK TBK

Trong phạm vi nội dung đề tài là đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK sử dụng trên tàu thuỷ Việt Nam, việc thử nghiệm động cơ là không khả thi. Hiện nay, Việt Nam chưa có một cơ sở nào cho phép tiến hành thử nghiệm tuabin khí tàu thuỷ mà chỉ có thể tiến hành phương pháp thu thập số liệu thống kê để tìm ra quy luật và dự báo độ an toàn cho thiết bị trên cơ sở các phương pháp đánh giá độ tin cậy.

Từ các phân tích trên cho thấy, đánh giá ĐTC các TBKT ở Việt Nam bằng các phương pháp toán học, trên cơ sở tích luỹ các thông tin (thống kê hư hỏng), là phương pháp khả thi nhất và kết quả có độ chính xác cao.

Từ các trình bày trên nhận thấy, các phương pháp tính độ tin cậy nói chung và chỉ tiêu an toàn nói riêng đều có ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau. Tuy nhiên khi áp dụng vào việc đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy, có thể rút ra một số nhận xét sau :

- Động cơ tàu thủy nói chung và động cơ tuabin khí sử dụng trên tàu thuỷ nói riêng là hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều phần tử có tính năng khác nhau và được nối tiếp với nhau, nghĩa là hư hỏng của một phần tử nào đó có trong động cơ sẽ dẫn đến hư hỏng của những phần tử khác hoặc của cả động cơ.

- Xác suất hư hỏng của các phần tử trong tuabin khí tàu thuỷ không giống nhau và có thể do nhiều nguyên nhân gây ra, vì vậy phương pháp xác định nguyên nhân hư