Надёжность систем противопожарной защиты: определение вероятности эффективного срабатывания систем

Уральский Институт ГПС МЧС России

Материалы учебного семинара

«РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЖАРНОГО РИСКА ДЛЯ

ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ»

Екатеринбург 19-21 мая 2009 года

НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ЭФФЕКТИВНОГО СРАБАТЫВАНИЯ СИСТЕМ

Семиноженко Валентина Владимировна

Старший преподаватель кафедры Пожарной автоматики УрИ ГПС

Хотелось бы начать с названия темы: «Надежность систем противопожарной защиты. Опре деление вероятности эффективного срабатывания систем». Эта тема бывает представлена в теоре тических расчетах, но на практике определение вероятности эффективного срабатывания систем, не находит широкого применения, по ряду причин. Но, тем не менее, что такое надежность.

Основные термины и определения

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени, в установленных пределах, зна чения всех параметров, характеризующих способность выполнения требуемых функций в задан ных режимах и условиях применения, то есть техническое обслуживание, ремонт, хранение, транспортирование. Надежность состоит из сочетаний свойств – безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Естественно, что теория надежности – это больше теория вероятности и только опираясь на термины теории вероятности, можно говорить о надежности.

• Исправное состояние – это состояние объекта, при котором он соответствует всем тре бованиям нормативно-технической или конструкторской документации.

• Неисправное состояние – это состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической или конструкторской документации.

• Неисправность может быть: незначительной, допускающей сохранение работоспособ ности, на практике это считается повреждением; или значительной, при которой эта работоспо собность способность нарушается, наступает отказ системы. Если обратиться к практике, то для любой установки пожарной автоматики, будь то сигнализация, установка пожаротушения или ды моудаления, исправное состояние, очень редкое явление. Потому что, при реализации проектных решений, чаще всего бывают какие-то отступления от задуманного в проекте.

• Работоспособное состояние объекта характеризует его способность выполнять задан ные функции при соответствии всех параметров требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

• Неработоспособное состояние объекта – такое его состояние, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соот ветствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

• Предельное состояние объекта – такое состояние, при котором его дальнейшее приме нение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

К событиям, характеризующим надежность противопожарной защиты, относятся поврежде ния или отказ.

• Повреждением считают событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

• Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Критерием отказа считают признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта, установленных в нормативно-технической или конструкторской документации.

Виды отказов

Установлены следующие виды отказов:

• Независимый отказ – это отказ объекта, не обусловленный отказом другого объекта.

Примером таких отказов в установках пожарной автоматики могут послужить отказы отопителей, оросителей, отказы спринклерных головок, легкоплавких замков тросового привода АУЛ, отсы ревшего пиропатрона, аккумулятора (резервного источника питания), магнитного пускателя для включения электродвигателя насоса или вентилятора системы дымоудаления и т.п.

• Зависимый отказ – отказ объекта, обусловленный отказом другого объекта. В случае отказа некоторых датчиков, например контактного манометра, следствием будет отказ пуска насо са электродвигателя.

• Внезапный отказ характеризуется скачкообразными изменениями значений одного или нескольких заданных параметров объекта. Внезапные отказы могут быть как случайными, так и

закономерными. К случайным отказам относится замерзание раствора пенообразователя в трубо проводах, засорение в выпускных насадках оросителей или какие-либо механические поврежде ния (небрежность, ремонт) или тепловые (в результате пожара) повреждения сеток генераторов пены, трубопроводов, цепей управления или сигнализации УПС и УПТ. Засорение оросителей яв ляется внезапным отказом, но если углубиться в эту проблему, то она достаточно закономерена, в чем я убедилась после монтажа лаборатории. Из участка трубопровода длинной около 10 м, после сварочных работ выходило большое количество разнообразной грязи и, соответственно, можно сделать вывод, что на объектах в трубопроводах, если их вообще не промывают, засорение ороси телей будет закономерным явлением, потому что окалины бывают очень большого размера и при этом распыление воды становится просто невозможным.

• Постепенный отказ представляет собой процесс постепенного изменения одного или нескольких заданных параметров объекта. Постепенные отказы называют параметрическими. От казы этого вида внешне незаметны. Постепенный отказ, если обратиться к пожарной автоматике, свойственен для извещателей, особенно для самых распространенных сейчас, дымовых. Потому что все эти элементы боятся пыли, а их запыление, является непреодолимым явлением. Соответ ственно, постепенный отказ в данном случае тоже будет закономерным, и, соответственно, сейчас ведется работа по борьбе сзапылением

• Эксплуатационный отказ

• Производственный отказ

• Конструктивный отказ

Группы объектов с точки зрения показателей и методов оценки надежности

• 1-я группа – неремонтируемые объекты, применяемые до первого отказа, т.е. такие объ екты, для которых в случае отказа проведение ремонтов нормативно-технической и (или) конст рукторской документацией не предусмотрено. Неремонтируемыми объектами являются водяные спринклеры, легкоплавкие замки тросовых приводов, пенообразователи, огнетушащие порошки, уплотнительные материалы, сигнальные лампы, мембраны запорно-пусковых головок, сигнальные лампы, плавкие предохранители и сопротивления в цепях пуска и сигнализации, пиропатроны, зачастую тепловые извещатели.

• 2-я группа – ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно.(Для УПА термин «процесс применения» включает режим дежурства. В этом режиме вполне естественным является восстановление объектов, находящихся в не-нагруженном, статич ном состоянии) К ним можно отнести все подсистемы установок пожарной автоматики (УПА), узлы, блоки и элементы, восстановление которых путем ремонта может производиться при обна ружении отказов работоспособности в периоды проведения плановых технических обслуживаний или ремонтов.

• 3-я группа – ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для ко торых допустимы кратковременные перерывы в работе. К ним можно отнести УПС и УПТ, систе мы противодымной защиты, установки оповещения людей и управления их эвакуацией при пожа ре. Временные перерывы в работе могут быть обусловлены восстановлением после срабатывания

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

(при пожаре или в процессе испытаний), проведением плановых ремонтно-профилактических ра бот (месячные, квартальные и годовые ТО), в процессе которых установки выводятся из режима дежурства на несколько часов.

Выбор обоснования показателя надежности для ремонтируемых и неремонтируемых средств пожарной автоматики.

В качестве критерия надежности применяется четыре основных свойства: безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

В формулы оценки различных показателей надежности входят такие понятия, как функция распределения наработки до отказа и функция распределения времени до восстановления.

Наработка на отказ и время восстановления – величины случайные, могут оцениваться только в теории вероятности. Случайные величины характеризуются функцией распределения.

Функции распределения

В теории надежности используются различные функции распределения: экспоненциальное, рэлея, нормальное, но по ряду основных исследований наработка на отказ подавляющего боль шинства элементов пожарной автоматики (электронных устройств, реле, клапанов) подчиняются экспоненциальному закону.

Соответственно, возможно вычисление по формуле:

F(t) = 1 – e-Lt,

Где L=1/Т0

При экспоненциальном распределении наработки на отказ упрощается вычисление всех по казателей надежности.

Методы резервирования

Одним из важнейших методов повышения надежности объекта являются методы резерви рования.

Цель резервирования – обеспечить отказоустойчивость объекта в целом, то есть сохранить его работоспособность, в условиях отказа одного или нескольких элементов.

Резервирование может быть структурированным, функциональным, существуют и другие виды резервирования.

Показатели долговечности

Жесткие требования должны предъявляться к элементам и узлам, которые:

1) Имеют ограничение по условиям эксплуатации ресурса.

Это спринклерные оросители, тросовые замки, извещатели, запорно-пусковые и контрольно пусковые устройства, электроизделия, пенообразователи, огнетушащие порошки, аккумуляторы, станции или пульты пожарной сигнализации, зарядные станции.

2) Показатели долговечности лимитируются такими критериями, как пожаро взрывоопасность или уровень ответственности защищаемого объекта.

Хотелось бы сказать, что надежность данных устройств рассчитывается при их разработке, проверяется при сертификации. Но практика показывает, качество оборудования напрямую зави сит от того, для кого оно производится. Например, я столкнулась с фирмой, которая выпускает извещатели и контрольно-приемные приборы. Оборудование для зарубежных стран, выпускается очень качественное, но когда нам просто подарили их оборудование, то выяснилось, что ряд из вещателей сразу выдавали ложное срабатывание, один из шести приборов сразу же вышел из строя и так далее. Это говорит о том, что, надежность будет зависеть от того, какая элементная база будет использоваться для производства оборудования. Можно использовать дорогую эле ментную базу и, соответственно, оборудование будет очень качественным и надежным, а можно использовать дешевые элементы, и оборудование будет хуже, хотя приборы по внешнему виду отличаться не будут и сертификат будет в том и в другом случае. В таких условиях говорить о ве роятности наработки на отказ, вероятности срабатывания достаточно сложно. Выпуск элементов в нашей стране за последние годы сократился и производители находятся в достаточно сложных условиях.

Расчет надежности

Перейдем к расчету надежности. Он ведется в следующей последовательности:

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

• составляется структурно-логическая схема надежности, с учетом анализа работы прин ципиальной схемы установки;

• выбираются нормируемые показатели надежности;

• заполняются карты расчета интенсивности отказов;

• определяются числовые значения нормируемых показателей надежности

• формируются выводы

Структурно-логическая схема надежности аппаратуры составляется на основе ее функцио нальной схемы и описания работы. Она представляет собой условную блок-схему из составных частей аппаратуры (блоков, элементов), соединенных последовательно или параллельно с учетом принятого условия отказа аппаратуры. Составные части, выход из строя одной из которых приво дит к отказу всей аппаратуры, изображаются последовательно; составные части, при отказе одной из которых аппаратура считается работоспособной, -параллельно. Соединение частей аппаратуры

в структурно-логической схеме надежности может существенно отличаться от их схемного соеди нения. В зависимости от принятого условия отказа структурно-логическая схема надежности од ной и той же аппаратуры может оказаться различной.

Расчет надежности установок с контролером работоспособности отдельных узлов и эле ментов.

Если контроль исправного состояния установки осуществляется непрерывно, то для нахож дения коэффициента готовности установки сигнализации, необходимо представить ее как сложное техническое устройство с тремя возможными состояниями:

Е1 – состояние готовности к работе, когда обе цепи (основная и контролирующая) исправны;

Е2 и Е3 – состояние восстановления (готовности к работе), когда или контролирующая цепи восстанавливаются.

Формула, описывающая эти три состояния, имеет вид:

k – коэффициент готовности, λ и µ - интенсивность отказа и восстановления основного элемента, λк и µк - интенсивность отказа и восстановления контролирующего элемента (принято µ≈µк).

Граф состояний установки пожарной сигнализации выглядит следующим образом:

E1 - состояние готовности установки к работе;

Е2 - состояние восстановления основного блока;

Е3 - состояние восстановления контролирующей цепи;

λ и λ к - интенсивности отказов основного блока и контролирующей цепи;

μ и μк - интенсивности восстановления основного блока и контролирующей цепи.

Показатели ремонтопригодности

Вероятность восстановления работоспособного состояния - вероятность того, что время вос становления объекта не превысит заданного (установленного).

где Т в среднее время восстановления

Время восстановления - математическое ожидание времени восстановления работоспособ ности (или функционирования) объекта после ремонта, после отказа либо аварии, после зарядки либо срабатывания или проверки работоспособности.

Статистическое значение этого показателя можно определить по формуле:

где т - число восстановленных объектов;

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

tB,I - время восстановления i-го объекта

Основные направления повышения надежности элементов и узлов уста новок пожаротушения

• Включение автоматических установок пожаротушения (АУП) непосредственно в цепоч ку технологической автоматики. Это позволит осуществить непрерывный контроль работоспособ ности, что, конечно, на практике практически не выполняется.

• Упрощение схемных и конструктивных решений создания установок со встроенным ав томатическим контролем работоспособности, это направление значительно повышает надежность установок пожарной автоматики. Хотелось бы также отметить, что во всех нормах прописан кон троль фактически всех основных и вспомогательных цепей установок пожарной автоматики, но на объектах, если они собираются на релейных схемах, как правило, это не выполняется. И, кроме того, на рынке встречаются даже приборы, которые получили сертификаты соответствия, но при этом не выполняют условия контроля основных электрических цепей. То есть проектировщики могут заложить в проект прибор, который имеет сертификат, и который обязан выполнять функ ции контроля цепей, но затем выясняется, что не выполняет.

• Необходим входной контроль исходных материалов, операционный контроль качества и испытания на надежность готовых изделий.

• Выбор оптимальных конструктивных компоновочных решений.

• На стадии конструирования изделий противопожарной защиты решается вопрос об ее надежности и эффективности:

1. Упрощаются схемы изделий

2. Создаются схемы с автоматическим контролем работоспособности

3. Резервируются наиболее ответственные части изделия

4. Разрабатываются надежные детали и элементы, правильно подбираются рабочие парамет ры элементов

5. Учитываются требования удобства обслуживания и ремонта элементов.

• На стадии разработки задания на проектирование следует учитывать специфические ус ловия эксплуатации, выбор и обоснование принципов технического обслуживания, а также выбор, обоснование и учет показателей надежности.

• На стадии изготовления изделий и сборки их в блоки осуществляется входной контроль качества сырья и комплектующих изделий, совершенствуется технология их изготовления, осуще ствляется выходной контроль качества изделий.

• На стадии монтажа установки осуществляется входной контроль за оборудованием, ав торский надзор за монтажом и строгим выполнением проектных решений, контроль за качеством сборочных, сварочных, крепежных и окрасочных работ, наладкой и испытанием установки, прием установки в эксплуатацию.

• На стадии эксплуатации корректируются правила ее эксплуатации, разрабатываются ре комендации по учету замечаний, направленных на усовершенствование ее конструирования, изго товления и монтажа.

Вывод

На основании вышесказанного, можно подвести итог:

Наибольшее число отказов автоматической установки пожаротушения, и вообще систем пожарной автоматики, характерно для этапа их эксплуатации.

Поэтому необходимо:

• поддерживать установленные проектом рабочие параметры,

• не допускать случаев перевода установок в режим ручного пуска,

• выполнять правила технического содержания установок,

• своевременно и в полном объеме выполнять регламентные работы по их техническому обслуживанию и ремонту.

Собственно говоря, вот это замечание является выводом.

Литература

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

1. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения.

2. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность

3. РД 50-690-89. Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показате лей надежности по экспериментальным данным

4. РНД 73-16-90. Методика по расчету показателей надежности системы оповещения о по жаре и управления эвакуацией людей при пожаре

Вопрос-ответ

Вопрос: Какие примерно показатели надежности имеют, на ваш взгляд, наиболее распро страненные системы, применяемые на обычном, не очень дорогом, но и не самом дешевом обору довании? По системам оповещения и по системам противодымной защиты, какие цифры при мерно могут быть, 0,8, 0,9, 0,99? На что ориентироваться?

Семиноженко В.В.: Я думаю, по системам оповещения, особенно если они дублируются системами трансляции других сообщений, особенно в зданиях с массовым пребыванием людей, коэффициент надежности близок к единице. Скажем, 100% я бы не дала, но он очень велик. Сис тема оповещения управления эвакуацией, согласно определению, это комплекс организационных мероприятий и технических средств.

Можно говорить о том, что надежность технических средств в этом направлении очень вы сока, но, что касается комплекса организационных мероприятий, то здесь вот наблюдается явное отставание. Но, наверное, это связано с с нашим менталитетом, я сама была свидетелем ситуации, когда в двух зданиях с массовым пребыванием людей срабатывала система оповещения, а реакции людей не было. На втором объекте она наступила только тогда, когда охранники стали подходить и говорить, что, действительно, покиньте здание, действительно был пожар, система оповещения сработала, инженерные системы, которые должны были отключиться, отключились. Это было здание магазина «Купец» на улице 8 марта. Единственное, двери на выходе не заблокировались, но это могло быть сделано целенаправленно, народу было не очень много. Повторю, что народ оповещение никак не реагировал.

То, что касается противодымной защиты. Здесь я затрудняюсь дать оценку них работе. Их испытания на объектах проводится раз в год, и отсюда надежность их срабатывания. То есть раз в год осуществляется контроль, как правило, на объектах, на которых за этим направлением следят.

Но, если говорить про жилые здания повышенной этажности, то там надежность противодымной защиты я бы приравняла к нулю. Хотя системы монтируются, существуют. Но, может быть, в жи лье, которое не относится к экономклассу, все обстоит по-другому.

Вопрос: Мы обсуждали две редакции методики, которая использовалась несколько недель назад. Там, при отсутствии данных, для систем дымоудаления допускается принимать надеж ность 0,35. В более поздней методике уже фигурирует цифра 0,9. То есть при отсутствии дан ных допускается 0,9.

Семиноженко В.В.: Я считаю, что 0,9, это явно завышенное значение. Так как даже при монтаже воздуховодов, с учетом того, что в проектах очень часто меняются архитектурные планы и то, что проектировалось в начале, на выходе имеет совсем другой вид. Для, скажем, водяных труб, это может иметь не такое значение, а для системы воздуховодов это очень важно, должно быть как можно меньше изгибов. И, в связи с этим, даже если вентиляторы сработают, то они мо гут не обеспечить того эффекта, который от них ожидается.

Вопрос: Скажите, это будет выглядеть на практике . При отсутствии сведений принима ем, 0,5 ,по противодымной защите, при отсутствии сведений принимаем 0,35 или 0,9. Что де лать, если требуется выполнить расчет? Как реально обосновать?

Семиноженко В.В.: Для этого нужно из руководства по эксплуатации, из паспортов взять сведения об этих конкретных элементах, составить граф по проекту. Причем, в графе элементы могут быть соединены либо последовательно, либо параллельно, и отсюда мы можем выполнять расчет конкретного значения.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.

Вопрос: В каком из документов, которые вы представляли, изложена методика расчета?

Семиноженко В.В.: В последнем документе, РНД 73-16-90.

Вопрос: Здесь только оповещение, аналогичный метод можно использовать для систем дымоудаления?

Семиноженко В.В.: Да, РД 50-690-89 также имеет методические указания расчета надежно сти. Метод оценки показателей надежности по экспериментальным данным. Но это не совсем адаптировано.

Вопрос: Есть ли официальная статистика по отказам систем?

Семиноженко В.В.: Она ведется в системах МЧС, но она неутешительная. Мне больше бы ла интересна статистика по эффективному срабатыванию установок пожарной автоматики. Но мое

личное мнение, что, если, например, сигнализация сработала вовремя, на ранней стадии действи тельно обнаружила пожар, то, скорее всего, ни в какие статистические данные это не попадет. По этому, если останавливаться только на том, что не сработало, то вывод из статистики будет одно значен – системы не нужны.

Вопрос: Сейчас появилось много установок пожаротушения, которые используют воду, как вы оцениваете эффективность такого оборудования?

Семиноженко В.В.: Вода это очень эффективное огнетушащее вещество, но при условии,

что проводились какие-то испытания по ее использованию. То есть, если будут очень мелкие ка пельки воды, но они будут обладать очень маленькой кинетической энергией, маленькой скоро стью, то эффективность такой установки будет фактически нулевая. Но, в общем-то, в модульных именно установках, где достаточно большое давление в модулях, я считаю, что они эффективны.

По агрегатным установкам тонкораспыленной воды, здесь существует два основных направления в мире вообще, два лидера, которые занимаются тонкораспыленной водой, одна из них это … .

Рабочее давление в этих установках 140 атмосфер. Они применяются для уникальных зданий: ар хитектурных памятников, музейных ценностей, мировых театров. В нашей стране такой установ кой защищен Большой Театр в Москве. Они, конечно, эффективны, потому что, проходят очень

большое количество огневых испытаний. Тонкораспыленная вода очень сложно поддается расче тами и наиболее уверенно можно сказать об эффективности ее тушения только после огневых ис пытаний. Эта фирма, она очень большое внимание уделяет именно огневым испытаниям. То что касается установок тонкораспыленной воды, например, с оросителями нашего производства в го роде Бийске, то применять их можно, но не везде, потому что давление значительно ниже. Это совсем другая тонкораспыленная вода и она в некоторых случаях может оказаться совершенно неэффективной.

Вопрос: А по надежности?

Семиноженко В.В.: Я считаю, что модули очень надежны. Их надежность очень высока. Не эффективность тушения, а надежность срабатывания. Это, конечно, зависит от производителя, но у ряда производителей она очень высокая.

Вопрос: А вы как специалист считаете, что оросители тонкораспыленной воды неэффек тивны?

Семиноженко В.В.: Нет, я не сказала, что они неэффективны. Они будут эффективны, если около оросителя обеспечить высокое давление. Тогда эффективность тонкораспыленной воды, как огнетушащего вещества значительно расширяет возможности тушения. Основные выводы, что

тонкораспыленная вода очень сложно поддается расчетам, и поэтому у производителей модуль ных установок тонкораспыленной воды, как правило, есть дополнительные рекомендации по раз мещению, они всегда предупреждают, что нужно согласовывать помещения, оросители и так да лее, так имеются свои особенности.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ». Семиноженко В.В.