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
21
хностей. Осаждение пыли облегчает появление токов утечки у твер-
,32
,,, ONOSOH
x
+
t
)(BP
BB
QP −=1
B
Q
дых изоляционных материалов.
Существенное влияние на конструкционные материалы
оказывают содержащиеся в атмосфере коррозионно-активные вещест-
ва:
и др. Скорость и степень повреждения
материала, как правило, рассматривают во времени (рис. I.4.).
Рис. I.4. Разрушающее действие на материал и сокращение срока службы
изделия
повреждение от климатических факторов и кислотных дождей; 3 —
повреждение в отсутствии кислотных дождей (Акимов В.А. и др., 2002)
: 1 — уровень окончательного разрушения;2 — суммарное
2.3. Техногенные аварии, связанные с пожарами
Пожары, взрывы, выбросы токсических веществ на опасных
промышленных объектах возникают при нарушении технологического
режима, в результате допущенных нарушений при проектировании,
отказов, связанных с недостаточной стойкостью конструкционных
материалов и защищенностью опасных объектов и др. Температура
внутри зданий во время пожара достигает 1200
0
С. При этом горят
дерево и пластмасса, теряют прочность металлические конструкции,
разрушаются железобетонные перекрытия и стены. При обрушении
несущих опор ущерб от пожара достигает максимального значения.
В настоящее время одним из наиболее конструктивных
подходов в оценке пожарной опасности объектов является
определение рисков (индивидуального и социального) гибели людей,
связанных с промышленной деятельностью или проживающих вблизи
объекта.
Вероятность предотвращения воздействия поражающих
факторов пожара
на людей в объекте вычисляют по формуле:
, где
― расчетная вероятность воздействия поражаю-
щих факторов на отдельного человека в год. Уровень обеспечения
безопасности людей при пожарах отвечает требуемому, если:
22
Н
BB
QQ ≤
, где
Н
В
Q
— допустимая вероятность воздействия ОФП на
отдельного человека в год.
Согласно требованиям пожарной безопасности [ФЗ от 22 июля
2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной
безопасности»] пожарная безопасность работников объекта считается
допустимой, если:
• величина индивидуального пожарного риска в зданиях, сору-
жениях, строениях и на территориях производственных объектов не превышает 10
—6
год—1;
• величина индивидуального пожарного риска в результате воз-
действия поражающих факторов пожара на производственном
объекте для людей, находящихся в селитебной зоне вблизи
объекта, не превышает 10
—8
год—1;
• величина социального пожарного риска воздействия поражаю-
щих факторов пожара на производственном объекте для людей, находящихся в селитебной зоне вблизи объекта, не превышает 10
—7
год—1.
Обеспечение пожарной безопасности — одно из основных требований при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий,
сооружений. Особое значение имеет обеспечение пожарной безопасности опасных промышленных объектов, особенно объектов нефтегазового комплекса. При горении нефти и газа (или углеводородном горении) скорость повышения температуры и максимальная температура
значительно выше, чем при пожаре в обычных зданиях. В. таких жестких условиях достижение критической температуры, при которой
незащищенные стальные конструкции теряют свою прочность и
целостность, происходит в течение нескольких минут.
2.3.1. Огнестойкость конструкций и сооружений
Одной из основных характеристик пожарной безопасности
конструкций и сооружений является степень огнестойкости. Показателем огнестойкости строительных конструкций является предел огне-
стойкости, который определяется во времени (в минутах) наступления одного или нескольких нормируемых для данной конструкции
признаков предельного состояния: потери несущей способности (R);
потери целостности (Е); потери теплоизолирующей способности (I).
Например, характеристика конструкции R60 означает, что предел
огнестойкости данной конструкции по признаку потери несущей способности не менее 60 минут; характеристика EI30 означает, что предел
огнестойкости конструкции по потере целостности и теплоизолирующей способности не менее 30 минут.
Наименьшую огнестойкость строительных конструкций различных типов, применяемых на практике, имеют металлические конструкции. Предел их огнестойкости зависит, в первую очередь, от
23
приведенной толщины металла, то есть отношения площади сечения
элемента к обогреваемой части периметра сечения. Например, стальные балки и другие подобные детали конструкций с приведенной толщиной металла 3; 5; 10; 15; 20; 30 мм имеют пределы огнестойкости:
5; 9; 15; 18; 21; 27 мин., соответственно. Для противопожарных перегородок (стен, перекрытий и т.п.) в зависимости от их типа устанавливаются пределы огнестойкости от REI15 до REI150.
В условиях пожара конструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под действием напряжений от внешних нагрузок
и температуры. В условиях пожара дерево, а также композиционные
полимерные материалы подвергаются термическому разложению с
выделением парогазовой смеси сложного состава и образованием
пористого кокса, что приводит к потере их прочности и жесткости.
Для стали, характерно снижение жесткости и прочности с последующим переходом в пластичное состояние. Бетон при нагреве уменьшает
свою жесткость и прочность. Кроме того, происходит его дегидратация, сопровождающаяся переносом массы пара. Бетон повышенной
влажности испытывает взрывное разрушение при огневом воздействии. Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в
зависимости от толщины элементов сечения и действующих напряжений составляет от 0,1 до 0,4 ч, в то время как минимальные значения требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляют от 0,25 и до 2,5 ч в
зависимости от степени огнестойкости зданий и типа конструкций.
Снижение стойкости конструкций или их элементов приводит
к возникновению конструкционных отказов, что, в свою очередь,
является причиной аварий, появления первичных и вторичных опасных и поражающих факторов, способствует усилению опасности (развитию эффекта «домино»). Разрушение конструкций вследствие пожара не только представляет серьезный риск для жизни, но и ведет к
дальнейшему распространению огня и окончательному разрушению
всего сооружения в целом.
В общем случае повышение огнестойкости может быть
достигнуто двумя способами:
• Техническими решениями, замедляющими нагрев строитель-
ных конструкций до критического уровня;
• Техническими решениями, понижающими температуру газо-
вой среды у поверхности строительных конструкций.
Повышение огнестойкости конструкций до требуемого уровня
безопасности обеспечивается применением огнезащитных покрытий
требуемой толщины. Определение необходимой толщины огнезащитных покрытий базируется на трех основных принципах:
1. Толщина огнезащиты, необходимая для обеспечения требуемого
(нормируемого) предела огнестойкости каждой конкретной конструк-
24
ции, рассчитывается из основного условия факторной модели:
фн
ПП≥
П
н
П
, где
емой конструкции с огнезащитой;
— фактический предел огнестойкости рассматрива-
ф
— нормативное значение преде-
ла огнестойкости.
2. Предел огнестойкости представляет временной интервал от начала
огневого воздействия по стандартному режиму на обогреваемую
поверхность конструкции до возникновения предельного состояния.
3. Требуемая толщина выбранного средства огнезащиты несущих
конструкций определяется взаимосвязанными теплотехническим и
статическим расчетами, основанными на факторной модели непревышения нормативных значений. Для несущих конструкций предельным
состоянием является потеря несущей способности (обрушение и т.п.),
а для ограждающих — потеря теплоизолирующей способности (достижение температуры не обогреваемой поверхности предельного
значения) (рис. I.5.).
Рис. I.5. Определение фактического предела огнестойкости (Пф) несущих
(а) и ограждающих (б) строительных конструкций: 1— предельная
нагрузка (предельная температура); 2— действующая нагрузка
(температура не обогреваемой поверхности); 3— момент потери несущей
(теплоизолирующей способности); t— продолжительность огневого
воздействия; N(M) — продольная сила (изгибающий момент); Т —
температура воздействия; Т
(Страхов В.Л. и др., 2000)
— начальная температура воздействия
0
Контрольные вопросы
1. Основные факторы и условия возникновения техногенных аварий
2. Причины возникновения отказов технических систем
3. Роль конструкционных материалов в возникновении отказов ТС
4. Критерии пожарной безопасности объектов и населения
5. Показатели огнестойкости конструкций
6. Способы повышения огнестойкости конструкций до требуемого
уровня безопасности
25
ГЛАВА 3.
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
ДЛЯ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Частые отказы или длительные периоды неисправного состояния могут привести к полной потере работоспособности системы и ее
непригодности к последующей эксплуатации. Чрезвычайно важный
аспект последствий технических отказов связан с безопасностью людей и окружающей среды. Процессы возникновения отказов объектов и способы борьбы с этими отказами изучает теория надежности.
3.1. Основные понятия теории надежности
Работа любой технической системы характеризуется ее эффек-
тивностью (рис. I.6.), под которой понимается совокупность свойств:
надежность—экономичность—безопасность, определяющих способ-
ность системы выполнять при ее создании определенные задачи.
Рис. I.6. Основные свойства технических систем, определяющие ее
эффективность (по Акимов В. А., и др. 2002 )
Применительно к опасным промышленным объектам понятия
«безопасность» и «надежность» неразрывно связаны. Во-первых, при
определенных условиях нарушение работоспособного состояния может привести к аварийным или катастрофическим последствиям). Вовторых, возможно использовать при оценке безопасности количественные показатели, аналогичные в математическом отношении показателям в теории надежности, методы которой разработаны достаточно полно и широко используются на практике. Статистическую теорию надежности можно рассматривать как составную часть общего
подхода к количественной оценке безопасности технических систем,
при которой отказы рассматриваются как результат взаимодействия
объекта как физической системы с другими объектами и окружающей
26
средой. В основе классической теории надежности лежит детерминистский подход в оценке техногенной опасности.
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения,
технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.
Надежность — комплексное свойство, которое может проявляться через безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость как для объекта в целом, так и для его частей, элементов.
Очевидно, без знания основных вопросов теории надежности невозможно реализовать наилучшие условия проектирования технических
систем и решить задачи безопасности при эксплуатации.
В теории надежности для удобства решения задач часто
различают системы, элементы, и объекты. Под «системой» понимается совокупность совместно действующих элементов с определенными связями, предназначенная для выполнения определенных функций.. Термин «элемент» применяется для составной части системы.
Обычно элемент не предназначается для самостоятельного практического применения, но должен обладать способностью выполнять
определенные функции в системе. Под объектом подразумеваются
изделия, сооружения и системы, а также подсистемы, компоненты и
элементы. Объектами могут быть различные системы и их элементы, в
частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства,
машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали
Объекты могут находиться в работоспособном, неработо-
способном и предельном состоянии. Работоспособное состояние ―
состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют
нормативно-технической (проектной) документации. Неработоспо-
собное состояние ― состояние объекта, при котором значение хотя
бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Предель-
ное состояние ― состояние объекта, при котором его дальнейшая
эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Критерием предельного состояния служит признак состояния
объекта, установленный нормативно-технической и (или) проектной
документацией. Переход в предельное состояние влечет за собой
временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта.
Техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность
объекта, называют показателем надежности. Показатель надежности
27
может иметь размерность (например, среднее время восстановления)
)(t
λ
)(t
λ
)(t
λ
)(t
λ
или не иметь ее (например, вероятность безотказной работы). Количественные характеристики показателей надежности определяют согласно правилам статистической теории надежности, теории вероятностей и математической статистики. К наиболее важным показателям
надежности, которые нашли широкое применение в теории безопасности, относят понятие «отказа» и «повреждения».
Часто изменение интенсивности отказов или параметра пото-
ков отказов (
Рис. I.7. Изменение интенсивности отказов во времени: I ― период
«приработки»; II ― период нормальной работы; III ― период старения
) во времени имеет следующий характер (рис. I.7).
(Акимов В.А. и д., 2002)
В первом периоде функция (
этом периоде ранние отказы, в основном, связаны со скрытыми дефектами. Для периода нормальной работы характерна постоянная интенсивность отказов. В периоде старения интенсивность отказов возрастает, в основном, из-за старения и изменения свойств материалов.
Очевидно, что продолжительность нормальной эксплуатации, то есть
долговечность объекта, может быть увеличена за счет уменьшения
отказов как в период приработки, так и в период старения и износа.
К числу наиболее широко применяемых критериев
надежности относятся: вероятность безотказной работы в течение
определенного времени P(t); средняя наработка до первого отказа Tср;
наработка на отказ tср; интенсивность отказов
― продолжительность или объем работы объекта (в час., м
т.д.).
Интенсивность отказов позволяет более просто вычислять
количественные характеристики надежности сложной системы. Если
для оценки интенсивности отказов используются методы статистической надежности, то интенсивностью отказов (
тическим данным называется отношение числа отказавших изделий в
единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в
данный отрезок времени:
) имеет высокие значения. В
и др. Наработка
3
, км, кг и
) по статис-
28
tNtnt
ср
∆∆= /)()(
λ
2/)(1++=
iiср
NNN
i
N
t∆
t∆
−=
∫
t
dtttP
0
)(exp)(
λ
.)()(
00
∫∫
∞∞
== dttPdtttfm
t
τ
{ }
tPtP >=
τ
)(
{ }
tP >
τ
)(tP
),0( t
)(t
)(tP
)(T
{ }
tTS
tS >=)(
)(tS
, где
― среднее
число исправно работающих элементов в интервале t∆;
изделий, исправно работающих в начале интервала
элементов исправно работающих в конце интервала
; N
.
― число
- число
i+1
3.2. Связь теории надежности и теории безопасности
Безотказность ― свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени. Вероятностью безотказной работы называют вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникнет отказ объекта, что может привести к
аварийной ситуации.
Интенсивность отказов и вероятность безотказной работы связаны между собой зависимостью:
.
В качестве показателя надежности неремонтируемых объектов часто используется математическое ожидание наработки до отказа: средняя наработка до отказа:
Возникновение первого отказа ― случайное событие, а наработка от начального момента до возникновения этого события (
случайная величина. Если (t) ― время или наработка объекта, то вероятность безотказной работы объекта в интервале времени от 0 до (t)
определяют как:
бытия, заключенного в скобки. Очевидно, что эта величина является
функцией времени или наработки
эту величину называют функцией надежности. Функция надежности
характеризует вероятность безотказной работы объекта в течение
заданной наработки
функция
Аналогично определяют вероятность безаварийной работы,
рассматривая аварию как отказ из-за перехода объекта в предельное
состояние, а наработку (или время) от начального момента до достижения предельного состояния как ресурс
ятность безаварийной работы – вероятность того, что в пределах
заданной наработки отказ объекта не наступает:
Функцию
надежности) функцией безопасности. Если состояние объекта характе-
. Например:
в этом случае называют (по аналогии с функцией
. Здесь
. В технической литературе
. Эта вероятность рассматривается как
— функция надежности.
― вероятность со-
(срок службы). Веро-
) ―
.
29
ризуется набором параметров, функция безопасности
)(tS
[ ]
t,0
[ ]
{ }
tttuStS ,0,)()(
11
∈Ω∈=
)(tu
)(nu
Ω
)(tS
)(tH
)(th
),(1)( tStH −=
dttdSdtTdHth /)(/)()
( −==
)(tS
1)((0 ≤≤ tS
)(tS
)(tR
1)()( =+ tRtS
],0[ t
)(tS
)(1)( tStR −=
Источник технического
риска
Рискообразующие факторы
Низкий уровень научноисследовательских работ
Недостаточный учет критериев безопасности в технике и технологии
Низкий уровень конструкторских работ
Ошибочный выбор конструкций,
схем, материалов
Выпуск опасной техники
Нарушения в химическом составе
сборки,
Нарушение правил безопасной эксплуатации
Нарушение правил эксплуатации,
хранения, транспортировки
Ошибки персонала
Неправильные действия
)(TR
ется вероятностью случайного события, которое характеризуется тем,
что на отрезке времени
ситуация:
параметров
значений этих параметров (
Функция безопасности
и плотностью распределения
пример, возникновением аварии) соотношениями:
Однако полностью отождествлять понятия «безопасность» и
«надежность» не правильно. В теории безопасности и риска элементы
теории надежности используются, в основном, для оценки техничес-
кого риска.
с допустимой по условиям безопасности областью
ни разу не возникнет аварийная
, где
).
связана с функцией распределения
случайной величины Т (на-
― вектор набора
определя-
3.3. Технический риск
Значение вероятности безотказной работы
вероятности, может находиться в пределах
безотказной работы
группу событий, поэтому:
резке времени
цы:
зывают функцией риска или техническим риском. Основные источни-
ки и факторы технического риска показаны в таблице I.2.
Таблица I.2. Источники и факторы технического риска
Технический риск
ти элементов техносферы. В отношении аварий и катастроф он выражает вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин,
механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и
дополняет функцию безопасности
. В теории безопасности и риска эту функцию на-
и вероятность отказа
, т.е. функция риска на от-
материалов, режимах обработки,
― комплексный показатель надежнос-
, как всякой
. Вероятность
образуют полную
до едини-
30
эксплуатации зданий и сооружений:
)()(fT
tT
R
T
∆
=
T
R
T
f
)(t
γ
)](1/[)()(/)()( tRtRtStSt −
′
=
′
−=
γ
)(t
γ
t
)( t∆
1)()(1 ≈=− tStR
);()()( tStRt
′
−=
′
≈
γ
dtdRtR /)( =
′
)(t
)(t
γ
TtRТ
ср
/)()( =
γ
1510−−
== годconst
ср
γ
4
5
1055010)()(
−−
⋅=⋅=⋅= TТtR
ср
γ
9995,01051)(1)(
4
=⋅−=−=
−
tRtS
ческий риск; T∆ — число аварий в единицу времени (t) на идентичных технических системах и объектах;
технических систем и объектов, подверженных общему фактору риска
(рискообразующего фактора)
В отличие от понятия риска в теории безопасности, технический риск не включает измерение потерь или ущерба; эта характеристика позволяет оценивать вероятность критического (аварийного)
отказа.
Интенсивность технического риска (риска аварийной ситуа-
ции)
рактеристикой в теории безопасности, так как она определяет вероятность того, что после безотказной работы до момента времени (
рия может произойти произойдет в последующем отрезке времени
быть высоким, то обычно принимают:
тенсивность риска аварийной ситуации будет:
дах, то
аналогична интенсивности отказов:
Интенсивность технического риска
. Поскольку уровень безопасности технической системы должен
Поскольку время
имеет смысл годового технического риска.
Средний годовой риск аварии может быть выражен как:
.
при оценке риска аварии исчисляют в го-
.
, где
— число идентичных
является важной ха-
— техни-
.
) ава-
. Тогда ин-
.
Например,
;
В технической литературе имеются статистические данные по
частотам и интенсивностям отказов (в том числе аварийным), которые
могут использоваться (с учетом их полноты и достоверности) для априорных и прогнозных оценок интенсивностей технических рисков.
; Т = 50 лет. Тогда:
3.4. Теоретические законы распределения отказов
Оценку надежности оборудования и его элементов можно проводить двумя путями: статистической обработкой экспериментальных
данных и аналитическим вероятностным представлением закономерностей процессов, протекающих в объектах.
При аналитическом анализе надежности объектом исследования являются случайные события и величины. Отказы элементов, входящих в состав системы, относятся, как правило, к случайным событиям, а время работы до возникновения отказов — к случайным величинам. Вероятностный характер показателей надежности обусловлен
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]