Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
11
в себе как последствия негативного воздействия, так и вероятность их
наступления.
При анализе и управлении техногенной безопасностью важными показателями риска являются:
индивидуальный риск — риск, которому подвергается индивидуум в результате воздействия факторов опасности;
коллективный риск — ожидаемое число пострадавших (жертв)
среди персонала за определенный период действия;
социальный риск — зависимость между вероятностью (или
частотой) опасных событий, вызывающих поражение определенной
группы (числа) людей (группы не менее определенной численности), и
этим числом людей;
потенциальный территориальный риск — пространственное
расположение частоты реализации негативного воздействия определенного уровня.
При оценке риска наиболее часто используется интервал времени, равный одному году. В этом случае размерность индивидуального риска ― 1/год; 1/чел.•год; смерть/чел.•год.
Приемлемый уровень риска – уровень индивидуального риска,
обусловленный хозяйственной деятельностью, который находится в
сфере компетенции регулирующих органов. Приемлемый риск разделяет опасности на чрезмерные (недопустимые) и приемлемые (допустимые). Максимальный уровень приемлемого риска определяет пре-
дельный (граничный) уровень опасности, который может быть допущен. Приемлемый риск сочетает в себе технические, экологические,
социальные аспекты и представляет некоторый компромисс между
приемлемым уровнем безопасности и экономическими возможностями его достижения. Эти требования должен соблюдать принимающий
решения.
1.2. Основы оценки техногенной опасности
Техногенная опасность может реализоваться в виде прямого
или косвенного ущерба для объекта (предмета) воздействия постепенно или внезапно, и резко в результате отказа системы. Скрытая
(потенциальная) опасность для человека реализуется в форме травм,
которые происходят при несчастных случаях, авариях, пожарах и пр.,
для технических систем — в форме разрушений, потери управляемости и т.д., для экологических систем ― в виде загрязнений, утрате
видового разнообразия и др. При оценке техногенной опасности могут
использоваться как детерминистский, так и вероятностный подходы.
Детерминистский подход базируется на пороговом характере
опасности, то есть реализация техногенной опасности с негативными
последствиями существует, если повседневные потоки вещества, энергии и информации превышают пороговые значения. Пороговые или
12
предельно допустимые значения опасностей устанавливаются из
)(
крн
UUP >=
λλ
н
λ
U
)(
кр
UUP >
Р∆
условия сохранения функциональной и структурной целостности
объекта (материального объекта, человека, объекта природной среды).
Математические модели оценки риска с учетом порогового характера
опасности для биологических и не биологических объектов основаны
на концепции превышения уровня негативного фактора некоторых
предельных значений, характеризующих уровень потерь для объекта
воздействия. При больших уровнях фактора проявляются отрицательные (негативные) воздействия.
В рамках детерминистской концепции объект воздействия рассматривается с точки зрения его надежности, и для количественных
оценок используется факторная модель «действующая нагрузка —
критическая нагрузка (или несущая способность)». В рамках этой модели степень разрушения (поражения) определяется превышением
случайным уровнем негативного фактора некоторого критического
уровня этого фактора. В соответствии с факторной моделью риск для
объекта, подвергающегося воздействию различных уровней воздействия, можно определить как частоту негативных исходов, численно
равных частоте предельных (критических) воздействий:
, где λ и
― частоты соответственно крити-
ческих и негативных воздействий;
негативных воздействий;
разрушения. Эта модель применяется при оценке ущербов, обусловленных прямым кратковременным воздействием негативных (поражающих) факторов значительной интенсивности, обусловленных происходящими в случайные моменты времени опасными явлениями. В
этом случае ущерб наступает при превышении уровнями воздействий
некоторых предельных для объекта значений, т.е. может быть описан
некоторыми детерминированными (условно) критериями. В этом
случае детерминированный критерий ― критическая нагрузка, при
которой с одной стороны преодолевается рубеж стойкости, а с другой
достигается порог уязвимости и наступает разрушение. Например, при
наличии угрозы разрушения объектов и поражения людей ударной
волной (УВ) детерминированные критерии отвечают критическим
значениям
окружающих объектов.
Детерминированные критерии позволяют описывать условную вероятность поражения человека (или воздействие на материалы
или строительные конструкции) и последствия для конкретного объекта в виде дискретной функции:
для той или иной степени разрушения (поражения)
― случайная величина уровней
― условная вероятность
13
0 кр
1 кр
W =0, если u< u
W
W =1, если u >u
=
W
кр
u
..яо
λ
ttM
яояо
∆=∆
....
)(
λ
ав
q
W
где
― ущерб; u – действующая нагрузка;
- несущая
способность конкретного объекта.
Вероятностный подход основан на представлении, что вероятность гибели человека (разрушения материального объекта) изменяется в пределах, практически, от 0 до 100%. В случае вероятностного
подхода последствия опасного события (например, техногенной аварии) на некоторой территории можно рассматривать как сложное со-
бытие, происходящее при совместном наступлении ряда случайных
событий:
• опасного явления на рассматриваемой территории, харак-
теризуемого частотой
числа
или математическим ожиданием
за интервал времени t∆;
• попадания произвольного техногенного объекта в зону дейст-
вия негативных факторов опасного явления;
• разрушения техногенных объектов в результате действия
негативных факторов опасного явления, характеризуемого
условной вероятностью q их разрушения;
• отказа системы безопасности потенциально опасного объек-
та, характеризуемого вероятностью
перерастания аварий-
ных ситуаций в аварию;
• причинения ущерба
в результате разрушения объектов тех-
носферы.
Вероятностные критерии показывают условную вероятность
того или иного уровня поражения (разрушения) при заданном значении поражающего фактора (например, избыточного давления и импульса положительной фазы УВ).
1.3. Подходы к обеспечению безопасности техногенного объекта
Методология анализа риска является фундаментом для
проведения количественных оценок и, в конечном счете, основой для
принятия управленческих решений для обеспечения безопасности
техногенного объекта. Основная задача анализа риска заключается в
предоставлении объективной информации о состоянии опасного
объекта лицам, принимающим решения в отношении его безопасной
эксплуатации, для принятия решений о мерах по снижению риска и
обеспечения безопасности при возникновении чрезвычайных
ситуаций. Основные этапы и состав этапов анализа риска в различных
14
сферах деятельности (на объектах разного уровня) мало различается,
WPR ∗=
[ ]
( )
WttWM ∆=∆α,
( ) ( )
авис
qqtt ∆=∆
αα
t∆
( )
кросл
UUkPq ≥=
ав
q
( )
tt
исис
∆=∆
λα
ис
λ
осл
k
Параметр
Способы
безопасности
Меры
Угроза номаль-
работы объекта
Снижение час-
ющих событий
Соблюдение норм
режима и т.п.
Защищенность
объектов
U,Kосл
Снижение уровней нагрузок,
Повышение защищенности
Прочность,
объектов
Uкр
Повышение
элементов
Применение эле-
ной надежности
Эффективность
Снижение веро-
ций в аварию
Повышение на-
безопасностью
Последствия
(ущербы)
W
Минимизация
последствий
Применение барьерной защиты
поскольку определены базовой формализованной формулой
, выражающей показатель риска.
Способы повышения безопасности техногенного объекта
следуют из основной формулы для оценки техногенного риска при
эксплуатации промышленных объектов:
,
Где
потенциально опасного объекта за интервал времени
ледствия аварии;
чески важных элементов объекта (инициирования аварии);
— математическое ожидание числа аварий
; W— пос-
— вероятность разрушения крити-
— ве-
роятность перерастания аварийной ситуации в аварию;
— частота аварий потенциально опасных объектов;
— коэф-
фициент ослабления действующих на объект аварийных нагрузок.
Исходя из математического выражения техногенного риска,
различают способы снижения частоты (вероятности) возможных аварий и способы снижения последствий аварии (табл.I.1.).
Таблица I.1 Превентивные меры по снижению риска технических
объектов
Свойство
ному режиму
стойкость
λис
повышения
тоты иницииру-
стойкости
безопасности
технологического
ментов повышен-
,
безопасности
систем
qав
ятности перерастания аварийных ситуа-
дежности ТС,
процессы с внутренне присущей
15
В практике инжиниринга безопасности технических систем
(ТС) для снижения уровня техногенной опасности и повышения
устойчивости, в общем случае, используются три основных принципа:
1. Использование внутренней безопасности процесса, вещест-
ва, материала (inherently safe design). Этот принцип призван исклю-
чить (минимизировать) присущую (внутреннюю) опасность реакционных веществ и продуктов. Например, огнестойкие материалы используются вместо горючих материалов и т.д.
2. Использование запаса прочности. Конструкция технического изделия и характеристики материала должны быть достаточно
надежны, чтобы противостоять тем нагрузкам и воздействиям, на которые они рассчитаны. Этот принцип призван скомпенсировать основные категории источников возникновения опасной (аварийной) ситуации, связанной с недостатками конструкционных материалов (возникновение более высоких нагрузок на материал; проявление более
низких характеристик материала, чем заложено в проекте; ошибки при
проектировании свойств (дизайне) конструкционного материала).
3. Использование барьерной защиты (safety barriers). Для
уменьшения последствий (ущербов) для персонала промышленного
объекта, населения, окружающей среды, а также материальных объектов предпринимаются меры по снижению уровня негативного воздействия путем создания средств физической защиты на пути распространения негативных факторов.
Своевременно устранять опасность возможно при наличии адекватных
методов, направленных на борьбу с ней, то есть, управляя
техногенным риском. Совокупность технических мер воздействия на
риск определяет пространство возможных решений, которые могут
быть реализованы в каждой конкретной ситуации.
Контрольные вопросы
1. Почему риск можно считать исчерпывающим критерием оценки
опасности
2. Основные характеристики ситуации и объекта воздействия, от
которых в большой мере зависит величина риска
3. Что принимается в качестве критерия оценки опасности
4. В чем отличие подходов к оценке опасности техногенного объекта
5. Какие основные положения анализа риска лежат в основе способов
обеспечения техногенной безопасности
6. Основные инженерные принципы повышения техногенной
безопасности
16
ГЛАВА 2.
ТЕХНОГЕННЫЕ АВАРИИ — РЕАЛИЗАЦИЯ
ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ
ОБЪЕКТОВ
В ряде случаев потенциальная опасность технических объектов реализуется в виде техногенных аварий, главным образом, в усло-
виях нерегламентированных воздействий.
Авария — разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выброс опасных веществ (ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116-Ф3
от 21.07.97).
Техногенные аварии связаны со сложными техническими устройствами и сооружениями (аварии на промышленных производствах, крушения поездов, авиакатастрофы, обрушения зданий, мостов и
т.п.). Последствия аварий влияют на здоровье, а зачастую и на жизнь
человека. Наиболее тяжелыми исходами аварий являются выбросы
вредных веществ в окружающую среду, пожары, взрывы, разлет
осколков, последствия воздействий: ионизирующего, токсического,
термического, избыточного давления (барического).
Условия, которые приводят к реализации потенциальной опасности, называются причинами, или инициирующими событиями. Они
характеризуют совокупность обстоятельств, благодаря которым опасности проявляются и вызывают те или иные нежелательные последствия (рис. I.2.):
Рис. I.2. Схема развития техногенной аварии
«Опасность – источник опасности - инициирующее событие опасный (поражающий) фактор - нежелательные последствия» ―
это логический процесс развития, реализующий потенциальную опас-
17
ность в реальное нежелательное последствие. Как правило, этот процесс является многопричинным.
На процесс зарождения и развития риска техногенных аварий
оказывает влияние многообразие факторов и условий (рискообразующих факторов), характерных для техногенной системы (рис. I.3.).
Рис. I..3. Факторы и условия, влияющие на зарождение и развитие
техногенного риска
Вследствие возможности возникновения указанных причин
опасные промышленные объекты постоянно находятся в неустойчивом состоянии, которое по отношению к безопасности производства
становится особенно критичным при возникновении аварийных ситуаций на объектах. При возникновении случаев непредвиденной остановки, отказов или аварий возникают огромные убытки, а в ряде случаев возможно травмирование или гибель людей. Причем значительную часть убытков составляют затраты на высококвалифицированный
ремонт и восстановление технических устройств.
2.1. Формирование отказов
Отказ объекта (элемента, системы) ― событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять
заданные функции. Повреждение (второстепенный отказ, дефект)
― событие, состоящее в нарушении исправного состояния объекта
при сохранении его работоспособного состояния. По причинам возникновения отказов в данном месте различают отказы из-за конструктивных дефектов; отказы из-за технологических дефектов; отказы из-за эксплуатационных дефектов; отказы из-за постепенного
старения (износа) материалов.
Отказы вследствие конструктивных дефектов (конструктив-
ных ошибок) возникают как следствие несовершенства конструкции
из-за ошибок при конструировании. В этом случае наиболее распространенными являются недоучет «пиковых» нагрузок, применение
18
материалов с низкими потребительскими свойствами, схемные
ошибки и др. Отказы этой группы сказываются на всех экземплярах
изделия, объекта, системы. Отказы из-за технологических дефектов
возникают как следствие нарушения принятой технологии изготовления изделий (например, выход отдельных характеристик, параметров
за установленные пределы). Отказы этой группы характерны для отдельных партий изделий, при изготовлении которых наблюдались
нарушения технологии изготовления. Отказы из-за эксплуатационных
дефектов возникают по причине несоответствия требуемых условий
эксплуатации, правил обслуживания действительным. Отказы этой
группы характерны для отдельных экземпляров изделий. Отказы из-за
постепенного старения (износа) вследствие накопления необратимых
изменений в материалах, приводящих к нарушению прочности (механической, электрической), взаимодействия частей объекта.
В свою очередь отказы элементов систем могут возникать в
результате: первичных отказов; вторичных отказов; ошибочных команд (инициированные отказы). Отказы всех этих категорий могут
иметь различные причины. Первичный отказ элемента определяют
как нерабочее состояние элемента, причиной которого является он
сам. Первичные отказы объясняются естественным старением элементов. Примером первичного отказа может служить разрыв резервуара
вследствие старения (усталости) материала. Вторичный отказ – также
как и первичный, определяется как нерабочее состояние, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа.
По характеру возникновения принято различать отказы вне-
запные, состоящие в резком, практически мгновенном изменении
определяющего параметра, и отказы постепенные, происходящие за
счет медленного, постепенного изменения этого параметра. (Определяющим называют такой параметр, который характеризует основные
свойства объекта).
Изменения, которые происходят с течением времени в любой
технической системе и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. При этом различают влияние воздействий, возникающих в процессе эксплуатации и влияние воздействий, не связанных с процессом
эксплуатации. Различные виды энергии (механическая, тепловая, химическая, ядерная, электромагнитная), биологические факторы вызывают в элементах системы процессы, связанные со сложными физикохимическими явлениями, приводящими к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров системы и отказ.
Таким образом, нарушается основное условие, предопределяющее
безопасную работу оборудования, которое заключается в том, что его
19
составные части должны выдерживать заданные рабочие нагрузки и,
σ
как следствие, обеспечивать безопасность окружающей среды.
Анализ внутренних рискообразующих факторов (физических
процессов, происходящих в материалах), показывает, что состояние
элементов систем и их надежность полностью определяются свойствами материалов, комплексным характером внешних воздействий и факторов нагрузки. В зависимости от назначения материала снижение его
свойств допустимо до некоторых предельных значений, что и определяет продолжительность использования материала.
2.2. Влияние внешних факторов среды на конструкционные
материалы
К внешним рискообразующим факторам относят влияние факторов окружающей среды, в том числе воздействие природных факторов. Климатические факторы и атмосферные явления вызывают изменение физических и химических свойств конструкционных материалов, что приводит к снижению надежности элементов систем, ускоряет появление внезапных и постепенных отказов.
Тепловые воздействия возникают как снаружи системы — солнечная радиация, внешние тепловые воздействия (внешний пожар) и
др., так и внутри системы — выделение тепла электронными схемами,
при трении механических узлов, химической реакции и др. Высокие
температуры вызывают изменение упругости материалов. Особенно
вреден нагрев узлов и деталей при повышенной влажности окружающей среды, а также при циклическом изменении этих факторов. Быстрое изменение температур (в течение суток или нескольких часов)
увеличивает эффект вредного их воздействия на технические системы.
При резком изменении температуры воздуха происходит неравномерное охлаждение или нагрев материала, что вызывает дополнительные
напряжения в нем. Деформации изделий, возникающие при пери-
одических тепловых воздействиях, приводят к возникновению
повреждений. Высокая скорость изменения температуры (тепловой
удар), имеющие место при апериодических воздействиях тепла, приводит к быстрому изменению размеров материалов, что является причиной повреждений (внезапных отказов).
Наибольшие напряжения возникают при резком охлаждении
деталей. Низкие температуры непосредственно ухудшают основные
физико-механические свойства конструкционных материалов, повышают возможность хрупкого разрушения металлов, вызывают стеклование полимерных материалов.
Для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимер-
ных материалов, полупроводников органического и неорганического
стекла и др.) экспериментально установлена температурно-временная
зависимость прочности — между напряжением
, температурой T
20
и временем τот момента приложения постоянной механической на-
−
=
RT
U
γσ
ττ
0
0
exp
γτ
,,00U
ε
ν
−
−=≈
−−
RT
U
γσ
ττν
ε
0
1
0
1
exp
грузки до разрушения образца:
, где:
— параметры уравнения, харак-
теризующего прочностные свойства материалов.
Скорость процесса разрушения (
) при определенной темпе-
ратуре записывается как:
Характер неблагоприятного влияния влажности воздуха на материал зависит от процентного содержания влаги в воздухе. При большом содержании влаги в воздухе (более 90 %) снижаются служебные
свойства материалов, в результате проникновения влаги внутрь этих
материалов или образования на их поверхности пленки жидкости. При
малом содержании влаги в воздухе (ниже 50 %), влага, содержащаяся
в материалах, испаряется в воздух, что также изменяет свойства материалов: они становятся хрупкими, в них появляются трещины.
На конструкционные материалы немаловажное значение оказывает атмосферное давление. Изделия наземной техники должны сохранять надежность и заданные эксплуатационные характеристики в
пределах изменения атмосферного давления от 505 до 1080 гПа. Наибольшее влияние атмосферное давление оказывает на конструкционные материалы систем, используемых при работе в высокогорных условиях.
На технические изделия, расположенные вне помещений, действует ветер и гололед. Ветер оказывает в одних случаях благоприятное влияние на надежность технических систем, в других —
неблагоприятное влияние на процессы в материалах машин. Кроме
того, ветер при больших скоростях действует как силовой (нагрузочный) фактор, создавая дополнительные напряжения. При оледенении
увеличивается размер и масса изделий, что приводит к возрастанию
действующих на них аэродинамических и физических нагрузок. Кроме
того, гололед и гололедица, действуя на влажные гигроскопические
материалы, вызывают образование частичек льда в порах, снижая
электрическое сопротивление этих материалов. При замерзании влаги
в порах материала происходят микроразрушения этого материала.
Загрязненный атмосферный воздух также оказывает негативное влияние на эксплуатационную надежность конструкционных материалов. Частицы твердых веществ (например пыли, диаметром 0,1—
2000 мкм), перемещаясь в воздухе, при контакте с открытыми
поверхностями материалов оказывают на них истирающее воздействие. Твердые частицы пыли и песка способны многократно увеличивать скорости абразивного изнашивания контактирующих повер-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]