Сугак Е.В., Кучкин А.Г., Окладникова Е.Н. Надежность технических систем и техногенный риск. Часть 1. Техногенная безопасность

Подождите немного. Документ загружается.

 методы и принципы аварийной диагностики и мониторинга

чрезвычайных ситуаций;

 биомеханика взаимодействия операторов и технических объек-

тов в аварийных ситуациях;

 методы и принципы защиты персонала объектов и окружаю-

щей среды от аварий и катастроф;

 критерии нормативного обоснования и повышения безопасности.

Физика и химия процессов на ранней стадии развития аварий

в сложных технических системах, содержащих химически активные

вещества или радионуклиды, включает изучение и описание [12]:

 механизмов и закономерностей развития физических и хими-

ческих процессов на стадии инициирования аварий технических сис-

тем с созданием научных основ ранней диагностики аварийных си-

туаций;

 методов анализа течения радиоактивных и химически опасных

жидкостей, газов и многофазных сред при нарушении герметичности

защитных оболочек, распространения аэрозолей и газообразных веществ

в атмосфере;

 механизмов и закономерностей развития химических и физи-

ческих процессов, течения жидкостей и газов при авариях;

 механизмов и закономерностей развития взрывных процессов

и обусловленных ими поражающих факторов (ударных, тепловых и ос-

колочных), а также процессов, включая методологию описания процес-

сов горения и взрыва;

 анализ дефлаграционных

и детонационных процессов при по-

жарах топливных и нефтяных разливов.

3.2. СИСТЕМА ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО РИСКА

Источниками опасности для объектов техносферы являются ок-

ружающая природная среда, другие объекты техносферы, само обще-

ство. В них, при определенных условиях возникают события, иниции-

рующие аварии и катастрофы на объектах промышленности, в ходе ко-

торых формируются внешние воздействия на объекты (нерегламентиро-

ванные, аварийные, поражающие и др.), а также ошибочные и несанк-

ционированные действия. Они могут привести к авариям и катастро-

фам, в ходе которых формируются негативные факторы для персонала,

населения прилегающих территорий, объектов техносферы, окружаю-

щей природной среды (рис. 3.1) [4].

* Дефлаграция  волна медленного горения, сопровождающаяся дозвуковыми

течениями.

Опасные

факторы

●

Вредные

факторы

Воздействия

Вредные

и поражающие

факторы

Поражающие

факторы

Регламентированные

Ошибочные действия

Несанкционированные

действия

Поражающие

Регламентированные

Нерегламентированные

Аварийные

Нерегламентированные

Регламентированные

Общество

Социально-

экономический

Экологический

Ущерб

Политический

Объект

воздействия

Окружающая

природная среда

Природные

явления

и процессы

ЭПЯ

Техносфера

Аварийные

ситуации

Персонал

Нарушители

Террористи

ческие

группы

ПОО (Транспортное средство)

Авария

Отказ

Повреждение,

разрушение

Преждевременное

срабатывание

Вредный

объект

Человек

Объект

техносферы

Экономика

Государство

Природная

среда

Рис. 3.1. Элементы системы анализа техногенного риска

Так, в системе «природа  техносфера» возможно возникновение

природно-техногенных катастроф. При этом источниками опасности яв-

ляются опасные природные явления, характерные для рассматривае-

мой территории. Если опасные промышленные объекты со значитель-

ным накопленным потенциалом опасности разместить на такой терри-

тории, то они будут подвергаться угрозе воздействия поражающих фак-

торов опасных природных явлений в случае их реализации. В свою

очередь население прилегающих к объекту территорий подвергается

угрозе воздействия поражающих и вредных факторов в случае аварии

на опасном промышленном объекте.

Под негативными факторами понимаются радиационные (поля

излучения), механические (ударные нагрузки, колебания грунта), бал-

листические (осколочные поля), термические (тепловые потоки), элек-

тромагнитные (грозовые разряды) и другие воздействия, избыточные

концентрации радиоактивных веществ, канцерогенов и токсикантов,

формирующиеся при реализации опасного явления либо характеризую-

щие условия жизнедеятельности.

Негативные факторы отрицательно действуют на здоровье чело-

века, состояние объектов техносферы, окружающую среду, экономику

государства. Различают непосредственный ущерб и косвенные послед-

ствия, рассматриваемые в рамках системы более высокого уровня (ре-

гион, отрасль экономики). При этом поражающие факторы приводят

к заболеванию (ранению) или смерти людей непосредственно в про-

цессе воздействия (при попадании последних в зону их действия). Вред-

ные факторы вызывают указанные последствия после воздействия

с определенной вероятностью. Поэтому опасность наступления этих

последствий также характеризуется риском. Рассматривают, напри-

мер, радиационный риск при облучении ионизирующим излучением,

зависящий от дозы и оцениваемый вероятностью нежелательных по-

следствий (генетических повреждений или смерти в течение после-

дующей жизни от радиационно-индуцированного рака).

В качестве объекта воздействия опасных факторов в зависимо-

сти от цели оценки могут рассматриваться отдельные лица из персо-

нала (индивидуальный риск для заданных условий профессиональной

деятельности), группы или категории персонала (коллективный риск),

население региона и страны в целом (социальный риск), объекты тех-

носферы (риск их разрушения), экономика государства, окружающая

среда (экологический риск).

Угроза причинения ущерба объекту имеет место в случае, если

объект при реализации опасного события может находиться в зоне

действия факторов источника опасности.

Риск – это возможность того, что человеческие действия или ре-

зультаты его деятельности приведут к последствиям, которые воздей-

ствуют на человеческие ценности [4].

Анализ (оценка, прогноз) риска – это исследования, направлен-

ные на выявление и количественное определение различных видов рис-

ков при осуществлении разного рода деятельности, например, какого-

либо хозяйственного проекта [4]. Анализ риска обычно начинается с вы-

явления опасностей, как причин риска и механизма возможного воздей-

ствия его негативных факторов на различные группы населения в слу-

чае реализации опасностей.

Оценка риска состоит в его количественном измерении, т. е. опре-

делении возможных последствий реализации опасностей для населе-

ния. Целью оценки риска является выработка решений, направленных

на его снижение. При этом оцениваются затраты и выигрыш от при-

нимаемого решения.

Прогноз риска – это его оценка на определенный момент вре-

мени в будущем с учетом изменения условий проявления риска.

В настоящее время используются следующие концепции анализа

риска (рис. 3.2) [4]:

 техническая (технократическая) концепция, основанная

на анализе относительных частот возникновения ЧС (инициирующих

чрезвычайные ситуации событий), как способе задания их вероятно-

стей. При ее использовании имеющиеся статистические данные усред-

няются по масштабу, группам населения и его времени;

 экономическая концепция, в рамках которой анализ риска рас-

сматривается как часть более общего затратно-прибыльного исследова-

ния. В последнем риски – ожидаемые потери полезности, возникающие

вследствие некоторых событий или действий. Конечная цель состоит

в распределении ресурсов таким образом, чтобы максимизировать их

полезность для общества;

 психологическая концепция концентрируется вокруг исследо-

ваний межиндивидуальных предпочтений относительно вероятностей

с целью объяснить, почему индивидуумы не вырабатывают свое мнение

о риске на основе средних значений; почему люди реагируют согласно

их восприятию риска, а не объективной или научной оценке риска;

 социальная (культурологическая) концепция основана на со-

циальной интерпретации нежелательных последствий групповых цен-

ностей и интересов. Социологический анализ риска связывает сужде-

ния в обществе относительно риска с личными или общественными

интересами и ценностями. Культурологический подход предполагает,

что существующие культурные прототипы определяют образ мыслей

отдельных личностей и сообществ, заставляя их принимать одни цен-

ности и отвергать другие.

В последнее время основные результаты получены в основном

в рамках технократической и экономической концепций [4].

Основными элементами, входящими в систему анализа риска, яв-

ляются объект опасности, опасное событие, вредные и поражающие

факторы, воздействия, ущерб, затраты на меры защиты, предотвращен-

ный ущерб. Под опасным понимается такое событие (авария, катаст-

рофа, природное явление), которое приводит к формированию негатив-

ных факторов для населения, объектов техносферы и окружающей при-

родной среды.

Анализ риска

Экономическая

Теоретико-вероятностная Эвристическая

Техническая

Статистическая

Феноменологический

Социальная Психологическая

Концепции

Методы

Детерминистский Вероятностный

Методики

Рис. 3.2. Методический аппарат анализа риска

Всесторонняя оценка риска аварий основывается на анализе причин

их возникновения (отказов технических устройств, ошибок персонала,

внешних воздействий) и условий развития, поражения производствен-

ного персонала, населения, причинения ущерба имуществу, вреда ок-

ружающей природной среде [89].

Анализ риска аварии  процесс идентификации опасностей и оцен-

ки риска аварии на опасном производственном объекте для отдельных

лиц или групп людей, имущества или окружающей природной среды [54].

Анализ риска заключается в систематическом использовании всей дос-

тупной информации для идентификации опасностей и оценки риска

возможных нежелательных событий.

Оценка риска аварии  процесс, используемый для определения

вероятности (или частоты) и степени тяжести последствий реализации

опасности аварий для здоровья человека, имущества и (или) окружаю-

щей природной среды [54]. Оценка риска включает анализ вероятности

(или частоты) и анализ последствий. Основными задачами оценки рис-

ка являются определение частоты возникновения нежелательных собы-

тий и оценка их последствий. Для определения частоты нежелательных

событий используются статистические данные по аварийности и надеж-

ности технологической системы, логические методы анализа «деревьев

событий», «деревьев отказов», имитационные модели возникновения

аварий в человеко-машинной системе, а также экспертные оценки спе-

циалистов.

Анализ риска аварий на опасных производственных объектах яв-

ляется составной частью управления промышленной безопасностью. Ре-

зультаты анализа риска используются при декларировании промышлен-

ной безопасности опасных производственных объектов, экспертизе про-

мышленной безопасности, обосновании технических решений по обеспе-

чению безопасности, страховании, экономическом анализе безопасности

по критериям «стоимость  безопасность  выгода», оценке воздействия

хозяйственной деятельности на окружающую природную среду и при

других процедурах, связанных с анализом безопасности [54; 90].

3.3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА РИСКОВ

В общем случае в штатных и аварийных ситуациях на техниче-

ские системы действуют три основных типа нагрузок  механические,

тепловые и электромагнитные:





, , ,

m t e

F F F F

 (3.4)

где F

 механические нагрузки от давления, массы, сил инерции и т. д.; F

 те-

пловые нагрузки от неравномерного распределения температур и (или) неодно-

родности теплофизических свойств материалов; F

 электромагнитные нагрузки

от воздействия электромагнитных полей.

Исходными данными для анализа прочности, ресурса, надежно-

сти и безопасности технических систем детерминированными метода-

ми являются временные зависимости параметров эксплуатационного

нагружения и соответствующих им напряжений и деформаций. Эти

величины, как правило, задаются режимами эксплуатации и могут ре-

гистрироваться контрольно-измерительными системами или могут быть

получены расчетом [104].

Для последующих расчетно-экспериментальных оценок прочно-

сти, ресурса, надежности и безопасности определяющими принимают-

ся максимальная расчетная нагрузка, максимальная или минимальная

расчетная температура, время заданного режима нагружения и общее

время всех режимов и блоков режимов (временной ресурс). Кроме то-

го устанавливаются дополнительные расчетные параметры  размахи

усилий и амплитуды усилий, размахи температур, размахи усилий

вибрационного (двух- или многочастотного) нагружения. Из анализа

всех режимов устанавливаются наиболее неблагоприятные сочетания

параметров. Число таких сочетаний определяется с учетом числа и гео-

метрических форм рассчитываемых элементов и числа опасных зон и се-

чений в них.

На основе выбранных расчетных схем, по формулам сопротивле-

ния материалов, теорий стержней, пластин и оболочек для каждого

момента времени устанавливаются компоненты трех номинальных нор-

мальных и трех касательных напряжений без учета концентрации на-

пряжений. По этим составляющим устанавливаются главные напря-

жения и главные деформации в первую очередь для момента достиже-

ния экстремальных нагрузок.

С позиций механики катастроф обычно рассматривают следую-

щие типы предельных состояний: разрушение (вязкое и хрупкое), пла-

стическое деформирование по всему сечению элемента, потерю устой-

чивости, возникновение недопустимых изменений формы, появление

макротрещин при циклическом нагружении, разгерметизацию, износ,

эрозию, фреттинг, коррозию [91; 92; 104]. С точки зрения безопасно-

сти первый вид предельного состояния (разрушение) имеет принципи-

альное значение, так как приводит к максимально возможному ущербу 

им начинаются или заканчиваются практически все техногенные ката-

строфы [11].

Суммарные эксплуатационные или аварийные нагрузки создают

соответствующие экстремальные механические напряжения и дефор-

мации в зонах и вне зон концентрации, которые, в конечном счете,

и определяют накопление эксплуатационных повреждений по времени

и числу циклов нагружения. Повышенная точность при анализе проч-

ности, ресурса и безопасности достигается в тех случаях, когда ис-

пользуются комбинированные методы анализа эксплуатационного нагру-

жения  номинальных и местных напряжений и деформаций, состоя-

ния материалов и дефектов. Успехи в механике разрушения, как в на-

учной основе анализа живучести поврежденных конструкций, позволи-

ли перейти к анализу безопасности с учетом макродефектов типа тре-

щин [80–84; 104]. Трещины создают предельно высокую концентрацию

местных напряжений и деформаций. Для их оценки используют коэф-

фициенты интенсивности напряжений и деформаций в упругой и упру-

гопластической области.

Наибольшее значение при определении нагрузок имеют [12; 104]:

 расчеты по теориям стержней, пластин и оболочек;

 аналитические и численные исследования напряженно-дефор-

мированных состояний;

 моделирование в лабораторных условиях несущих элементов

из низкомодульных или штатных материалов с частичным воспроизве-

дением нагрузок, тепловых и электромагнитных полей;

 моделирование в стендовых условиях с применением малораз-

мерных или полномасштабных моделей и воспроизведением условий

нагружения, близких к натурным;

 натурные исследования головных образцов или серийных объ-

ектов со штатным или близким к нему набором эксплуатационных на-

грузок;

 диагностические исследования состояния материалов и элемен-

тов конструкций.

При проведении комплексных расчетов на прочность, ресурс и бе-

зопасность потенциально опасных объектов в детерминированной по-

становке для штатных, нештатных, проектных, запроектных и гипоте-

тических ситуаций используют всю исходную информацию об осред-

ненных характеристиках эксплуатационной нагруженности, о средних

или гарантированных критериальных характеристиках сопротивления

разрушению конструкционных материалов, об осредненных характери-

стиках исходной дефектности, определяемой по нормам дефектокон-

троля [104].

Если на стадии проектирования или эксплуатации в расчеты

вводят статистические характеристики (функции распределения и их

параметры) нагруженности, механических свойств материалов и де-

фектности деталей, то представляется возможным определить вероят-

ностные характеристики прочности, ресурса и безопасности с учетом

аварийных ситуаций [11; 83; 93]. При этом для определения совокуп-

ных и групповых техногенных рисков можно использовать нормальные

законы распределения базовых механических свойств со значительны-

ми величинами коэффициентов вариации [93].

Решение задач снижения рисков чрезвычайных ситуаций техно-

генного характера в настоящее время постепенно приобретают коли-

чественную форму, в которой сами риски станут временными функ-

циями, отражающими стадии создания и эксплуатации тех объектов,

которые создают угрозы наиболее тяжелых катастроф (глобальных,

национальных и региональных) [11].

3.4. МЕТОДЫ АНАЛИЗА РИСКА

Методы количественного анализа риска, как правило, характери-

зуются расчетом нескольких показателей риска. Проведение количест-

венного анализа требует высокой квалификации исполнителей, боль-

шого объема информации по аварийности, надежности оборудования,

проведения экспертных оценок, учета особенностей окружающей сре-

ды, метеоусловий, времени пребывания людей в опасных зонах и дру-

гих факторов [54].

Количественный анализ риска позволяет оценивать и сравнивать

различные опасности по единым показателям и наиболее эффективен

на стадии проектирования и размещения опасного производственного

объекта, при обосновании и оптимизации мер безопасности, оценке

опасности крупных аварий на опасных производственных объектах,

имеющих однотипные технические устройства, при комплексной оцен-

ке опасностей аварий для людей, имущества и окружающей природной

среды [54].

В настоящее время сформировались следующие основные методы

количественной оценки, анализа и прогнозирования рисков [12; 54; 58;

90; 94; 101–104]:

 экстраполяционные  параметры ЧС на предстоящем отрезке

времени определяются с заданной достоверностью по статистическим

данным об основных реализовавшихся чрезвычайных ситуациях на пред-

шествующем отрезке времени;

 вероятностные  основаны на использовании «деревьев отка-

зов» и «деревьев событий» c декомпозицией сложной потенциально

опасной технической системы, поэтапным исследованием сценариев

развития аварий на базе статистической информации определяются

параметры надежности и рисков элементов системы;

 методы математического имитационного моделирования наи-

более опасных процессов внутри и вне сложной технической системы,

ведущих к нарастанию повреждающих факторов и возникновению ава-

рий и катастроф;

 логико-вероятностные методы и методы нечетких множеств,

позволяющие рассматривать сложнейшие комбинации воздействий

на человеко-машинные системы и их реакции на эти воздействия.

При выборе методов проведения анализа риска необходимо учи-

тывать этапы функционирования объекта, цели анализа, критерии при-

емлемого риска, тип анализируемого опасного производственного объ-

екта и характер опасности, наличие ресурсов для проведения анализа,

опыт и квалификацию исполнителей, наличие необходимой информа-

ции и другие факторы [54]. Так, на стадии идентификации опасностей

и предварительных оценок риска, рекомендуется применять методы ка-

чественного анализа и оценки риска, опирающиеся на продуманную

процедуру, специальные вспомогательные средства (анкеты, бланки, оп-

росные листы, инструкции) и практический опыт исполнителей.

Практика показывает, что использование сложных количествен-

ных методов анализа риска зачастую дает значение показателей риска,

точность которых для сложных технических систем невелика. В связи

с этим проведение полной количественной оценки риска более эффек-

тивно для сравнения источников опасностей или различных вариантов

мер безопасности, чем для составления заключения о степени безопас-

ности объекта. Однако, количественные методы оценки риска всегда

очень полезны, а в некоторых ситуациях и единственно допустимы,

в частности, для сравнения опасностей различной природы, оценки

последствий крупных аварий или для иллюстрации результатов.

Обеспечение необходимой информацией является важным услови-

ем проведения оценки риска. Вследствие недостатка статистических дан-

ных на практике рекомендуется использовать экспертные оценки и ме-

тоды ранжирования риска, основанные на упрощенных методах количе-

ственного анализа риска. В этих подходах рассматриваемые события

или элементы обычно разбиваются по величине вероятности, тяжести

последствий и риска на несколько групп (или категорий, рангов), напри-

мер, с высоким, промежуточным, низким или незначительным уровнем

риска. При таком подходе высокий уровень риска может считаться (в за-

висимости от специфики объекта) неприемлемым (или требующим осо-

бого рассмотрения), промежуточный уровень риска требует выполнения

программы работ по уменьшению уровня риска, низкий уровень счита-

ется приемлемым, а незначительный вообще может не рассматриваться.

При этом следует учитывать исключительно важное обстоятель-

ство, сложившееся в техногенной сфере: чем технически сложнее и по-

тенциально опаснее создаваемый или эксплуатируемый объект, тем

меньше исходная статистическая информация и базовые статистиче-

ские выборки. В этом случае для глобальных, национальных и регио-

нальных катастроф достоверность определения величин Р и U резко

снижается и сами риски R начинают приобретать не абсолютные, а от-

носительные значения. Расчетные вероятности возникновения тяжелых

техногенных аварий и катастроф ниже 10



10



1/год и в целом ряде

случаев должны рассматриваться как условные [12].

Каждая тяжелая техногенная авария или катастрофа на высоко-

рисковых объектах предусматривает детальный анализ источников

и причин их возникновения, а также разработку мероприятий с раз-

личными величинами затрат по недопущению их повторения. При этом

коэффициент эффективности использования затрат на обеспечение безо-

пасности т

получается достаточно высоким (т

>> 1) и новая ката-

строфа на тех же объектах возникает уже по другим причинам и сце-

нариям. Это относится к катастрофам на ракетно-космических систе-

мах, атомных подводных лодках или надводных судах, на уникальных

или мелкосерийных объектах. Степень расчетно-экспериментального

обоснования тяжелых аварий и катастроф и рисков резко снижается

по мере роста рисков (см. рис. 1.2). Все это требует прямой увязки

проблем снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций техно-

генного характера с величинами рисков, классификацией аварий и ка-

тастроф, со сложностью и серийностью потенциально опасных объек-

тов. Для крупносерийных и массовых объектов, с одной стороны, ме-

стных и объектовых аварий и катастроф, с другой – применимы наи-

более развитые методы анализа рисков (экстраполяционные, деревья

отказов и событий, математического и имитационного моделирования).

В этом случае можно говорить о следующих категориях рисков [12]:

 обобщенные риски (или их составляющие) – для техногенных

аварий и катастроф по всему набору объектов техногенной сферы;

 совокупные риски (или их составляющие) – по отраслевому

виду объектов (энергетика, транспорт, химические производства, магис-

тральные трубопроводы, инженерные сооружения, объекты военной

техники и т. д.);