Техногенные риски

Подождите немного. Документ загружается.

меньше, чем при общепланетарных природных катастрофах; риск летального исхода при этом

меньше в 5-10

раза.

Можно принять, что реальные техногенные угрозы для человека (пожары, взрывы,

обрушения) на протяжении последних 10

-10

лет стали значительными только в последние

столетия, когда началось интенсивное гражданское строительство поселений, плотин,

акведуков, дамб. Крупные пожары в древнеримских и средневековых городах возникали с

периодичностью 50 - 100 лет и гибелью в них до 10

человек и более. В этом случае риск

летального исхода составлял (1-2)-10*

1/год или 2-10

на 1000 жителей. В последние

десятилетия риск летального исхода при техногенных катастрофах в силу ускоренного

развития техногенной сферы и неподготовленностью человечества к защите от них резко

возрос и стал достигать (2-3)-10"

на 1000 жителей. Эти риски становятся сопоставимыми или

превосходят риски гибели людей при всех видах природных катастроф, составляющих (0,3-

0,5)-10

на 1000 жителей.

В табл. 1.1.10. Приведены данные о вероятности летального исхода в быту и в

профессиональной деятельности (6 человек/час). Летальность на транспорте, в горных работах

и в строительстве может превышать бытовую в 3 — 5 раз и более. В России в последнее

десятилетие многие из показателей индивидуального риска повысились в 1,5 — 2 раза.

Глобальными антропогенными катастрофами по своим последствиям можно считать

крупнейшие войны. Если до начала XX столетия в этих войнах вероятность смертей достигала

0,3 - 0,5 на 1000 жителей, то в первой мировой войне этот показатель достиг 5, а во второй —

25 на 1000 жителей.

Появление оружия массового поражения — ядерного, химического и

бактериологического — и угроза третьей мировой термоядерной войны сопряжены с

возможностью антропогенной общепланетной катастрофы с вероятностью летального исхода

5-10°-Ы0

. Это означает возможность многократного уничтожения всего человечества. При

этом, как и при природных общепланетарных катастрофах, возможно уничтожение жизни на

Земле с риском, превышающим указанный выше на много порядков.

Возможность и необходимость исключения такой войны в последнее десятилетие была

показана расчетами и крупномасштабными экспериментами.

Таким образом, на протяжении последнего столетия резко изменились соотношения

между рисками природных и техногенных катастроф. Человечеству необходима разработка

новой концепции резкого уменьшения рисков и предотвращения чрезвычайных ситуаций от

техногенных катастроф и снижения ущерба от природных катастроф.

КОНЦЕПЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСНОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ

ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПАСНОСТИ

Процессы производства, хранения, транспортировки, переработки и применения

различных химических соединений являются неотъемлемой основой современного народного

хозяйства во всех его формах. Ряд из упомянутых веществ и способы их переработки

являются потенциально опасными ввиду горючести, токсичности или склонности к взрывно-

му превращению, а также в связи с повышенными уровнями параметров технологических

операций (в первую очередь с особыми значениями температуры и давления). Широкий

спектр химических веществ, вовлеченных в обращение при хозяйственной деятельности,

разнообразие технологических схем предопределяет возможное разнообразие вариантов ава-

рийных техногенных ситуаций и их последствий. Дополнительное осложнение сопряжено с

сосуществованием сложных технических систем с конкретными природными факторами

риска, порождаемыми стихийными явлениями, становящимися в ряде случаев спусковым

механизмом для последующей техногенной катастрофы.

Накопленная статистика о техногенных катастрофах и анализ основных причин гибели

людей и разрушения производственных помещений и жилых комплексов позволяет сделать

определенные концептуальные выводы об основных факторах опасности, сопровождающих

промышленные аварии и природные катастрофы, обусловленные физическими и

химическими процессами, происходящими с веществами и соединениями, вовлеченными в

аварию. Основными причинами гибели персонала аварийного технического объекта и людей

на территории, прилегающей к нему, являются:

- разрушение зданий и сооружений;

- различные формы пожара (преимущественный фактор поражения - тепловое);

- разлетающиеся осколки и фрагменты оборудования (осколочное поражение);

- падение, столкновение или удар биообъектов с неподвижными элементами

конструкций;

- отравление (удушение) газообразными продуктами выброса либо исходных

соединений, либо соединений, образовавшихся при химическом превращении в процессе

аварии (токсическое поражение);

- прямое поражение ударными или взрывными волнами давления (фугасное поражение).

Примерная диаграмма распределения несчастных случаев, обусловленных

перечисленными причинами, представлена на рис. 3.1.

Представляет практический интерес экспертное заключение о вероятности и частоте

появления перечисленных факторов поражения при свершившейся промышленной аварии.

При особо крупномасштабных авариях замечалось дополнительное сотрясение почвы.

На современном этапе этим фактором аварий пока пренебрегают из-за неизученности.

Кроме того, на основе анализа последствий крупнейшей физико-химической аварии на

продуктопроводе (Башкирия, июнь 1989 г.) сделан новый вывод ещё об одном последствии

быстрого выгорания значительной массы углеводородного горючего вблизи неровной земной

поверхности, покрытой порослями кустарника и низкорослого леса. Оказывается, что

выгорание приземного слоя углеводородовоздушной смеси при центральном или

периферийном поджигании способно вызвать мощ ный ураганный порыв движения

атмосферы. В упомянутой аварии в Башкирии именно этот порыв воздуха вызвал

ориентированный повал леса в направлении смещения воздушного вихря, образованного

перемещением фронта пламени.

В связи с тем, что разрушение зданий и сооружений в основном вызывается фугасным

действием наружных взрывных превращений или действием внутренних взрывов опасность

вызывающих их физико-химических процессов сводится к следующим основным факторам:

- фугасный;

- тепловой;

- осколочный;

- токсический.

Сделанный вывод подтверждается также статистическими данными по авариям на

газопроводах Средняя Азия - Центр. Распределение аварий по времени представлено на

диаграмме (рис. 3.3.).

Избранная концепция физико-химических основ идентификации потенциальных

источников опасности позволяет избежать ненужной детализации и сформулировать

методические подходы к анализу вероятной аварийной ситуации на произвольном

промышленном объекте. Все эти подходы обоснованы на многочисленных исследованиях

разнообразных химических и физических явлений, которые здесь не рассматриваются.

После того как на основе фундаментально-прикладных теоретических и

экспериментальных исследований, а также данных расследований аварий, установлены

основные факторы, характеризующие различные виды поражения при химико-термических

авариях, и найдена их связь с параметрами источников опасности, состоянием окружающей

среды и относительным расположением донора и акцептора фактора опасности, имеется

реальная возможность оценить ожидаемый уровень ущерба для акцептора опасности.

Акцепторами факторов поражения выступают различные биообъекты (в том числе и человек),

объекты промышленной и жилой застройки, элементы конструкций, объекты растительного

происхождения и сама окружающая среда. Каждый из акцепторов факторов поражения

(фугасное, осколочное, тепловое, токсическое) испытывает как правило комбинированное

влияние нескольких типов воздействия. На данном этапе понимания уровней, степени и

особенностей поражения от комплексных источников опасности нет надежных критериев и

методов оценки комбинированного воздействия. Поэтому приходится вынужденно

рассматривать отдельные факторы опасности как изолированные и исключать эффекты

аддитивности или синергетичности одновременного действия нескольких факторов

поражения.

Имеется ряд исторических причин, затрудняющих внедрение современных способов

оценки и использование новых критериев ожидаемого ущерба. В связи с анализом ущерба от

оружия массового поражения сложилась практика пренебрежения эффектами конечного

времени действия источников опасности при многих типичных авариях на предприятиях

химической, топливо-энергетической, горнорудной и иных отраслей промышленности.

Пренебрежение конечностью временного периода действия ранее было оправдано

недостаточным уровнем понимания реального динамического отклика любых акцепторов

поражения. В итоге многие нормативные документы существенно завышают ожидаемые

отрицательные последствия аварии, приводят к неразумным дорогостоящим мерам

противодействия, дезориентируют персонал при проведении профилактических,

ликвидационных или защитных мероприятий. Ряд ошибок при оценках опасности обусловлен

неполным осознанием вероятностного характера наступления определенного уровня

поражения при известном уровне параметров анализируемого фактора воздействия

(амплитуда волны давления, уровень температуры, величина теплового потока, уровень

скоростей движения атмосферы и т.п.). Обычно считается, что достижение некоего

критического уровня воздействия однозначно ведёт к 100% -ной вероятности реализации

соответствующего ущерба. В действительности такой детерминизм никогда не реализуется и

реальные разрушения оказываются намного менее значительны.

При анализе аварий необходимо установить типичные случаи утраты герметичности в

элементах технологического оборудования с описанием наиболее вероятных мест разрушения

и их масштабов. Другим важным аспектом при оценке опасности является определение

соответствующих химических и физических свойств веществ, используемых в технологи-

ческом процессе и находящихся на промышленной площадке. Такие свойства желательно

знать как при штатных режимах работы, так и при экстремальных аварийных обстоятельствах.

Особо следует выделить вероятность выброса токсичных и (или) реакционноспособных

(горючих) веществ. При этом возможность выхода какого-либо химического процесса из-под

контроля уместно предусмотреть на самых ранних стадиях предполагаемого сценария аварии.

На основе выводов, полученных после реализации описанных этапов, определяется

последовательность физико-химических явлений, возникающих при аварии, и оцениваются

условия возможного контроля над их развитием с учётом потенциальных способов

подавления. Как правило сценарий аварии и её последствия заданы свойствами веществ,

используемых в элементах оборудования, среди которых наиболее важными являются:

фазовое состояние (жидкость, газ, двухфазная система); давление; температура; способность к

воспламенению и горению; токсичность.

При выбросе токсичного и горючего соединения необходимо рассматривать оба

последствия развития аварийной ситуации, обусловленного горением и заражением

атмосферы, почвы и воды. Специально отметим, что при горении некоторых веществ

образуются высокотоксичные продукты горения. Опасные вещества и соединения могут быть

сгруппированы по следующим категориям:

- жидкости, хранимые при атмосферных условиях или при давлении и температуре

окружающей среды;

- сжиженный газ, хранимый под давлением, но при температуре окружающей среды;

- сжиженный газ, хранимый при атмосферном давлении, но при пониженной

температуре;

- сжиженный газ, хранимый под давлением и при пониженной температуре. Выброс

такого газа сопровождается импульсной фазой быстрого испарения;

- сжатый газ, смесь пара с газом.

Следует различать три типа взрывов: физические, химические и взрывы типа " BLEVE ".

Физические взрывы не сопровождаются химическими превращениями с выделением

тепла и образованием продуктов сгорания. Типичный пример физического взрыва - разрыв

сосудов высокого давления, наполненных негорючими газами, паром или многофазными

сжимаемыми системами (пыль, пена).

Химические взрывы сопровождаются химическими превращениями с выделением тепла

и продуктов горения (газообразных, конденсированных). Типичные примеры химических

взрывов - взрывы газовоздушных облаков, взрывы конденсированных ВВ, пылевые взрывы.

"BLEVE " (взрыв паров вскипающей жидкости) - особый тип физико-химического

взрыва, характерного для емкостей под давлением, наполненных легкокипящей жидкостью

(чаще всего - сжиженным горючим газом) и подвергаемых внешнему нагреву. В процессе

нагрева отмечается быстрый рост внутреннего давления, разрыв емкости с малым фугасным

эффектом, выброс горючего в атмосферу с последующим воспламенением и образованием

огненного шара. Главный фактор поражения при "BLEVE" - мощное импульсное тепловое

излучение. Отметим, что при разрыве емкости образуются высокоскоростные осколки

оболочки, способные вызвать значительные повреждения соседнего оборудования в случае,

когда отсутствуют специальные заградительные сооружения.

Строгий анализ аварийной ситуации особенно сложен в случаях, когда в инциденте

участвует смесь опасных веществ. Здесь при анализе следует опираться на физико-

химические свойства основного компонента смеси. Возможно ещё одно полезное упрощение,

если один из компонентов смеси является токсичным. В этом случае свойства токсичности

этого вещества распространяются на всю смесь. Например, в случае утечки углеводорода с

примесями сероводорода всю смесь можно рассматривать как вещество с физическими

свойствами углеводорода (при анализе формирования облака и его последующего горения или

взрыва) и с токсичностью сероводорода. Одновременное наличие смеси горючего газа и ток-

сичной примеси с воздухом предполагает параллельный анализ взрывных эффектов и

токсического поражения.

При выбросе токсичной жидкости, не кипящей при атмосферном давлении, несмотря на

незначительное испарение, облако паров как правило не образуется. Основная опасность от

таких проливов сконцентрирована вблизи места утечки продукта. Дополнительно следует

принять во внимание возможность стоков в реки, море или другие бассейны. Подобные

соображения служат базой для создания обваловок, поддонов в местах вероятных проливов.

Особое внимание следует уделить тому факту, что при проливе сжиженного или

охлажденного компонента сначала образуется бассейн с жидкостью, постепенно переходящий

в парогазовое облако. Поэтому случайное или преднамеренное воспламенение на ранних

стадиях завершается только пожаром, тогда как запаздывающее воспламенение требует

рассмотрения модели газового взрыва.

При изучении последствий выбросов токсичных веществ чаще всего используется

модель рассеяния тяжелых газов в облаках небольшой толщины, отслеживающих профиль

окружающей место утечки местности. Это обусловлено физическим состоянием облака, как

правило имеющего температуру ниже, чем окружающая атмосфера.

При анализе любого сценария аварии необходимо учитывать возможность вовлечения в

процесс других источников опасности. Таковыми могут быть соседние хранилища опасных

веществ, коммуникации, разрушение которых сопровождается дополнительными очагами

поражения. Здесь существенен контроль над плотностью опасных веществ, который задает

тип распространения облака в атмосфере: всплывание, осаждение или нейтральное смешение

с воздухом. Подобная информация вместе с данными о вероятных источниках поджигания

позволяет оценить массу вещества, вовлекаемого во взрывное превращение. На многих

технологических установках безопасность обеспечивается установкой клапанов, вентилей,

систем аварийного сброса давления и т.п.. При этом места наиболее вероятных разрывов

достаточно просто идентифицировать. Чаще всего здесь устанавливаются системы сброса

давления с учетом того, что горючие вещества не должны истекать через вентиляционные

приспособления. Например, при аварийном погасании дежурного факела на башне дожигания

попутных горючих продуктов, в атмосферу не должны поступать опасные количества

горючего или токсичного продукта. При реализации конкретного технологического процесса

необходимо исключить или сделать маловероятным развитие нежелательных химических

реакций, способных вызвать неконтролируемое повышение давления и температуры.

При утечке опасных веществ из больших резервуаров важно правильно оценить время, в

течение которого удается реально изолировать емкость от внешней среды с помощью

отсечной аппаратуры. Этот период времени зависит от следующих факторов:

- возможности обнаружения утечки с помощью газовых, температурных и иных

детекторов с учетом их размещения и времени быстродействия;

- инерционности действия систем отсечки и изоляции, связанной с наличием

автоматизированных или ручных устройств и включающей время активации

соответствующих устройств;

- надежности и скорости срабатывания отсечных клапанов и запорных регуляторов.

Можно предполагать, что масштабные разрывы и выбросы опасных веществ

обнаруживаются немедленно либо детекторами, либо персоналом. На объектах с

неавтоматизированными системами управления время устранения аварийных выбросов

зависит от действий операторов, надежности систем оповещения и тренированности

персонала и составляет от 3 до 15 минут (с учётом факторов паники, стресса и потенциальных

ошибок). Для автоматизированных систем время срабатывания зависит от размеров клапанов

и уровня рабочих параметров (в основном - давления). Считается, что характерное время

срабатывания больших клапанов при высоком давлении составляет около 30 секунд.

В любом случае анализ последствий аварии или построение ее вероятного сценария

могут быть существенно упрощены при использовании базы данных по уже случившимся

промышленным катастрофам, подвергнутым достаточной экспертизе и описанию. При выборе

аналогов самой существенной является общность природы и физико-химических свойств

опасного вещества и способов его переработки и хранения. Существующая информация о

типичных авариях на продуктопроводах, системах хранения и раздачи горючих веществ

позволяет сделать ряд важных практических выводов:

- основные факторы поражения биообъектов и оборудования обусловлены фугасными и

тепловыми эффектами при сгорании парогазовоздушных систем;

- в незагроможденном пространстве отсутствует фугасный фактор поражения, и вся

опасность связана с тепловыми потоками при горении, в основном длительностью и

интенсивностью теплового излучения;

- в загромождённом пространстве с размерами более [15x15x5] м

можно ожидать

быстрые режимы горения с серьезными последствиями от фугасного действия волн давления;

- погодные условия (температура окружающей среды, сила ветра и т.п.) несущественно

влияют на взрывоопасность газовых смесей.

РИСКИ ПРИ АВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЯХ

При штатном функционировании объекта техногенной сферы имеет место ситуация,

тем или иным образом предусмотренная и проанализированная проектировщиками и

регулирующими органами, выдавшими разрешение (лицензию) на строительство,

эксплуатацию (или на снятие с эксплуатации) данного предприятия. Как правило, при этом

должен обеспечиваться достаточный уровень безопасности, хотя, как мы знаем, исторически

сложилось так, что для целого ряда предприятий этот уровень недостаточно высок с точки

зрения населения и ввиду растущих требований к охране окружающей природной среды.

Но существенно, что хотя при этом и могут происходить сбросы вредных веществ за пределы

предприятия (в том числе эмиссия загрязняющих атмосферу газов), эти сбросы имеют

известную (или лежащую в известных пределах) величину и поэтому к ним можно, так или

иначе, приспособиться.

При этом воздействие опасных факторов имеет прогнозируемый характер, и общество,

в принципе, имеет достаточно информации и времени, чтобы адекватно отреагировать на

наличие такого рода рисков. Неопределенность, связанная с эмиссией загрязняющих

атмосферу веществ и влиянием других вредных факторов, вообще говоря, невелика (в пред-

положении надлежащего состояния регулирования).

Иное положение возникает при отходе от штатной ситуации, особенно если этот отход

ведет к развитию аварийного процесса. Следует иметь в виду, что при значительном

отклонении от штатных режимов работы многие технические системы попадают в сложные

условия работы, и резко возрастает вероятность различного рода отказов, а персонал

находится в условиях дефицита времени на принятие решений и высокой нервной нагрузки.

При этом возможны различные цепочки событий развития аварийного процесса и

значительно возрастают различного рода неопределенности.

Если при штатном функционировании характер и величина рисков, вообще говоря,

известны, то в аварийных условиях эти риски, как правило, резко возрастают, и, кроме того,

возможно появление новых факторов опасности. Усиливается синергетический эффект их

проявления.

Как уже говорилось, развитие аварии носит вариантный характер: при этом

реализуется одна из множества возможных цепочек событий. На течение аварийного процесса

влияют как состояние оборудования, изменение условий его работы из-за аварийной

обстановки и связанные с этим отказы, так и действия персонала и еще ряд факторов,

вплоть до метеорологической обстановки в зоне аварии. Ряд возможных цепочек событий

развития аварии можно предугадать при проектировании нового предприятия или анализе

деятельности уже работающего предприятия. В таком случае говорят о проектной аварии.

Для проектных аварий разрабатывают специальные меры предупреждения их возникновения

или/и смягчения их последствий.

Однако развитие событий может пойти по непредусмотренному пути и привести к

тяжелым последствиям, как для самого предприятия, так и для окружающей среды

(окрестного населения и окружающей природной среды). Такие аварии называют

запроектными. В особо неблагоприятных случаях авария может перерасти в катастрофу

локального, регионального или даже глобального характера. Особое значение приобретает

управление аварией с тем, чтобы направить ход ее развития по возможности в менее опасное

русло и тем самым смягчить неблагоприятные последствия.

РЕСУРС И БЕЗОПАСНОСТЬ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО КРИТЕРИЯМ

ПРОЧНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ И МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Проблемы продления ресурса безопасной эксплуатации машин и конструкций

приобрели исключительную актуальность во всех промышленно развитых странах в

последние десятилетия. Для нас важность их решения обусловлена снижением объемов

производства для восполнения выводимых из эксплуатации машин и конструкции. Это в

первую очередь касается объектов тепловой и ядерной энергетики, нефтегазопроводов,

химической промышленности, наземного, надводного и воздушного транспорта,

промышленного и гражданского строительства. Такого же характера проблемы имеют место и

в оборонном комплексе: ракетно-космической технике, авиации, надводном и подводном

флоте с ядерными силовыми установками.

Во многих странах мира и в международном научном сообществе проблемы продления

ресурса стали ведущими для научно-исследовательских, конструкторских и технологических

организаций, служб надзора и эксплуатации потенциально опасных объектов. В этой связи

следует упомянуть программы США, ФРГ, Франции по развитию работ в области продления

ресурса гражданских самолетов и атомных энергетических реакторов. В нашей стране

указанные работы ведутся не только на ведомственном (Минатом, Минстрой, Минтранспорт,

Госгортех-надзор, Госатомнадзор, Госавианадзор, РАО "Газпром" и ЕЭС, Минобороны), но и

на федеральном уровне. В 1991 г. они вошли составным элементом, а с 1996 г. —

специальным проектом в государственную научно-техническую программу "Безопасность

населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и

техногенных катастроф".

При этом в комплексе должны быть решены следующие методические вопросы:

— численный анализ исходного, использованного и остаточного ресурсов как отдельных

объектов, так и систем объектов;

— обоснование проектного, фактического и остаточного ресурсов;

— оценка состояния конструкционных материалов несущих элементов с учетом

исходной технологической наследственности и возникающих эксплуатационных

повреждений;

— определение характера, параметров, дислокации и размеров макро- и микродефектов

в несущих элементах;

— расчетный и экспериментальный анализ деформированных состояний несущих

элементов;

— исследование механизмов естественного и ускоренного старения;

— оценка живучести материалов и элементов конструкций на разных стадиях

повреждений;

— комплексная диагностика ресурса;