Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность технических систем и техногенный риск. Учебное пособие
.pdf
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК
Учебное пособие
Составители С.А. Сазонова, С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко
Ай Пи Ар Медиа
Москва
2021
УДК 62-192:504.1
ББК 30.14
Н17
Рецензенты:
Кафедра прикладной математики и инженерной графики
Воронежского института ГПС МЧС России;
Бакаева Г.А. — канд. техн. наук, доц. кафедры пожарной безопасности
технологиче-ских процессов Воронежского института ГПС МЧС России
Н17 Надежность технических систем и техногенный риск : учебное пособие /
составители С.А. Сазонова, С.А. Колодяжный, Е.А. Сушко; Воронежский государственный технический университет. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2021. —
147 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-1147-2
В учебном пособии рассмотрены понятие риска как меры опасности и концепция надежности технических систем и производственной безопасности как составной части техногенной безопасности. Приведены основные термины и определения надежности технических систем, указаны основные опасности технических
систем, обоснована актуальность проблемы безопасности с точки зрения ее социально-экономической значимости. Изложены основные положения теории надежности технических систем и техногенного риска, а также современные методы управления рисками. Даны примеры расчета задач.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению
подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» и специальности 20.05.01
«Пожарная безопасность», изучающих дисциплину «Надежность технических
систем и техногенный риск».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-1147-2 © Сазонова С.А., Колодяжный С.А.,
Сушко Е.А., составление, 2013
© Воронежский государственный
технический университет, 2013
© Оформление. ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2021
3
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение надежности систем охватывает самые различные аспекты
человеческой деятельности. Надежность является одной из важнейших характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации
самых различных технических систем.
С развитием и усложнением техники углублялась и развивалась проблема
ее надежности. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение
закономерностей, которым они подчиняются, разработка метода проверки
надежности изделий и способов контроля надежности, методов расчетов и испытаний, изыскание путей и средств повышения надежности являются предметом исследований надежности.
Наука о надежности является комплексной наукой и развивается в тесном
взаимодействии с другими науками, такими как физика, химия, математика и
др., что особенно наглядно проявляется при определении надежности систем
большого масштаба и сложности.
Если в результате анализа требуется определить параметры, характеризующие безопасность, необходимо в дополнение к отказам оборудования и
нарушениям работоспособности системы рассмотреть возможность повреждений самого оборудования или вызываемых ими других повреждений. Если на
этой стадии анализа безопасности предполагается возможность отказов в системе, то проводится анализ риска для того, чтобы определить последствия отказов в смысле ущерба, наносимого оборудованию, и последствий для людей,
находящихся вблизи него.
До недавнего времени в России в основу концепции безопасности был
положен принцип «нулевого риска». Как показывает практика (многочисленные аварии и катастрофы последних десятилетий), такая концепция неадекватна законам техносферы. Эти законы имеют вероятностный характер, и возможность аварий и катастроф всегда существует. Нулевая вероятность аварии достигается лишь в системах, лишенных запасенной энергии, химически и биологически активных компонентов. Исходя из этого, в нашем государстве, как и в
большинстве стран мирового сообщества, в настоящее время принята концепция «приемлемого риска», позволяющая использовать принцип «предвидеть и
предупредить». Появились директивные документы, регламентирующие проведение анализа и оценок риска и декларирование промышленной безопасности
опасных промышленных объектов с учетом опасностей и рисков потерь, связанных со спецификой явлений природы и деятельности человека.
В условиях сложившейся в настоящее время в России ситуации проблема
техногенной опасности приобретает особое значение для промышленных районов, где сосредоточен огромный потенциал опасных производств (которых
насчитывается около 30 тыс.) в сочетании со значительным износом основного
оборудования и сложной социально-экономической обстановкой. При этом
должен оцениваться риск не только для нормальных условий эксплуатации, но
4
и для случаев реализации аварий с разрушением систем защитных оболочек,
сосудов, резервуаров, сопровождающимся выходом опасных веществ в окружающую среду.
Методы анализа и оценки риска создают базу для эффективного применения соответствующих методов и приемов управления риском. Информационное обеспечение управления рисками включает социальные и психологические аспекты, затрагивает проблемы нормирования и приемлемости риска.
Учебное пособие по дисциплине «Надежность технических систем и техногенный риск» предназначено для студентов, обучающихся по направлению
подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» и специальности 20.05.01
«Пожарная безопасность», изучающих дисциплину «Надежность технических
систем и техногенный риск».
Учебное пособие состоит из девяти глав, в достаточном количестве содержащих информацию по изучаемой дисциплине в соответствии с учебным
планом. Подробно изложен теоретический материал и приведены примеры решения практических задач, имеются информация для самостоятельного изучения и контрольные вопросы.
Первая глава «Научно-техническая революция и техногенный риск» посвящена общему обзору по изучаемой дисциплине. Во второй главе «Используемые в теории надежности модели распределений» приводится достаточное количество информации из теории вероятности и математической статистики для
применения в изучаемом предмете.
В третьей главе «Оценка надежности с помощью математических зависимостей» рассматриваются функциональные зависимости надежности и теоремы
сложения и умножения вероятностей. В четвертой главе «Основные понятия и
показатели надежности машин и технических систем» в полном объеме изложены необходимые при изучении дисциплины термины и определения.
В пятой главе «Причины потери работоспособности технического оборудования» рассматриваются источники и причины изменения начальных параметров технической системы, процессы, снижающие работоспособность системы. Приведена классификация процессов, действующих на машину, по скорости их протекания. Рассматриваются допустимые и недопустимые виды повреждений деталей и сопряжений. Приведена классификация показателей надежности технических систем.
В шестой главе «Характеристики надежности элементов и систем» изложенный теоретический материал используется в подробно разобранных задачах
расчета показателей надежности восстанавливаемых, невосстанавливаемых
элементов и для систем, состоящих из независимых элементов.
В седьмой главе «Структурные модели и схемы надежности технических
систем» подробно рассмотрены структурные модели надежности сложных систем: с последовательным, параллельным соединениями элементов и с другими
видами соединения.
5
В восьмой главе «Методы анализа надежности и техногенного риска»
приводятся определения и символы, используемые при построении деревьев.
Изложена процедура анализа дерева отказов, в примерах показана последовательность построения дерева отказов. Приводится качественная и количественная оценка дерева отказов, рассматриваются преимущества и недостатки метода дерева отказов.
В девятой главе «Снижение техногенного риска объектов экономики»
рассмотрено большое количество задач по определению значений риска. Изложены последовательность моделирования риска и принципы построения информационных технологий управления риском. Проиллюстрирована последовательность определения приемлемого риска. Изложены: проблема управления
риском; применение теории риска в технических системах; анализ и оценка
риска при декларировании безопасности производственного объекта; последовательность разработки декларации промышленной безопасности; оценка риска
аварий. Рассмотрена последовательность определения основных показателей
опасности и риска.
В учебном пособии использованы авторские наработки, а также в учебных
целях наработки из учебных пособий Акимова В.А. и др. [1], Ветошника А.Г.
[2], материалы научной статьи Гуреева В.В., Лукшина А.В., Чугунова М.Н. [3],
теория из учебника Вентцель Е.С. [4]. В библиографическом списке указана рекомендуемая литература для самостоятельного изучения по курсу «Надежность
технических систем и техногенный риск».
По учебному плану после дисциплины «Надежность технических систем и
техногенный риск» следует изучение дисциплины «Прогнозирование опасных
факторов пожара». В рамках дисциплины «Прогнозирование опасных факторов
пожара» студенты изучают математическое моделирование пожара, лежащее в
основе методик расчетов пожарных рисков. Ввиду этого в данном учебном пособии не рассматриваются методики расчета пожарных рисков на основе применения моделей пожара. По этой теме можно посмотреть публикации Кошмарова Ю.А. и других авторов.
1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК
Человек как живое существо постоянно находится во взаимодействии с
техносферой. Техносфера - участок биосферы, преобразованный человеком для
удовлетворения своих потребностей, а биосфера - это область распространения
жизни на земле. Гармоничное существование человека и техносферы может
быть только в том случае, если эти потоки не превышают определенных значений. Это существование может быть комфортным, если человек может пропускать эти потоки, не вызывающие в анатомической структуре человека необратимых последствий. Потоки живого вещества, энергии и т.д. могут быть допу-
6
стимыми, опасными и чрезвычайно опасными. Показателем негативности техносферы является коэффициент частоты травматизма.
Человек подвергается воздействию опасных и вредных негативных факторов техносферы. Опасным фактором называется такой фактор, воздействие
которого приводит к мгновенному повреждению анатомической целостности
тела человека. Вредный фактор - фактор, приводящий к постепенному повреждению анатомической целостности тела человека. Достижения научнотехнического прогресса необходимо использовать для снижения ущерба от аварийности и травматизма, вызванного негативными техносферными воздействиями на человека.
Актуальность проблемы обеспечения безопасности особенно возрастает
на современном этапе развития производительных сил, когда из-за трудно
предсказуемых техногенных и экологических последствий чрезвычайных происшествий поставлено под сомнение само существование человеческого общества. Рассматриваемая проблема становится все более острой как неизбежное
следствие происходящей научно-технической революции, т.е. следствием
обострения противоречий между новыми средствами производства и традиционными способами их использования.
Современная цивилизация столкнулась с грандиозной проблемой, заключающейся в том, что основа бытия общества - промышленность, сконцентрировав в себе колоссальные запасы энергии и новых материалов, стала угрожать
жизни и здоровью людей, и даже окружающей среде.
Авария в условиях современной техносферы по своим масштабам и тяжести последствий стала сравнима с природными катастрофами и разрушительными последствиями военных действий с применением ядерного оружия. Как
свидетельствуют статистические данные, последние 20 лет 20-го века принесли
от общего количества аварий долю в 56 % аварий в промышленности и на
транспорте. Считается, что ущерб от аварийности и травматизма достигает
10…15 % от валового национального продукта промышленно развитых государств, а экологическое загрязнение окружающей природной среды и несовершенная техника безопасности являются причиной преждевременной смерти
20…30 % мужчин и 10…20 % женщин. В 1995 году на территории РФ было зафиксировано около 1550 чрезвычайных ситуаций, из которых 1150 носили техногенный характер и 400 - природный. В них пострадало 18000 человек, погибло свыше 1800.
Сложившаяся кризисная ситуация в вопросах аварийности и травматизма
объясняется не только низкой культурой безопасности и технологической недисциплинированностью персонала, но и конструктивным несовершенством
используемого в РФ промышленного и транспортного оборудования.
В наибольшей степени аварийность свойственна угольной, горнорудной,
химической, нефтегазовой и металлургической отраслям промышленности,
транспорту. Проблема предупреждения происшествий приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химической промышленности, при эксплуа-
7
тации военной техники, где используются и обращаются мощные источники
энергии, высокотоксичные и агрессивные вещества.
Основными причинами крупных техногенных аварий являются:
отказы технических систем из-за дефектов изготовления и нарушений ре-
жимов эксплуатации;
ошибочные действия операторов технических систем;
концентрации различных производств в промышленных зонах;
высокий энергетический уровень технических систем;
внешние негативные воздействия на объекты энергетики, транспорта и др.
Безопасность - состояние защищённости отдельных лиц, общества и природной среды от чрезмерной опасности.
Оценка и обеспечение надежности и безопасности технических систем
при их создании, отработке и эксплуатации - одна из важнейших проблем в современной технике и экономике.
Анализ реальных аварийных ситуаций, событий и факторов и человеческая практика позволяет сформулировать ряд аксиом об опасности технических
систем [1].
Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна. Потенциальность опасности заключается в скрытом, неявном характере и проявляется
при определенных условиях. Ни один вид технической системы при ее функционировании не может достичь абсолютной безопасности.
Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные потоки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значения. Пороговые или предельно допустимые значения опасностей устанавливаются из условия сохранения функциональной и структурной целостности человека и природной среды. Соблюдение предельно допустимых значений потоков
создает безопасные условия жизнедеятельности человека в жизненном пространстве и исключает негативное влияние техносферы на природную среду.
Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы
техносферы. Опасности возникают при наличии дефектов и иных неисправностей в технических системах, при неправильном использовании технических
систем. Технические неисправности и нарушения режимов использования технических систем приводят, как правило, к возникновению травмоопасных ситуаций, а выделение отходов (выбросы в атмосферу, стоки в гидросферу, поступление твердых веществ на земную поверхность, энергетические излучения и
поля) сопровождается формированием вредных воздействий на человека, природную среду и элементы техносферы.
Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во времени. Травмоопасные воздействия действуют, как правило, кратковременно и
спонтанно в ограниченном пространстве. Они возникают при авариях и катастрофах, при взрывах и внезапных разрушениях зданий и сооружений. Зоны
влияния таких негативных воздействий, как правило, ограничены, хотя возможно распространение их влияния и на значительные территории.
8
Для вредных воздействий характерно длительное или периодическое
негативное влияние на человека, природную среду и элементы техносферы.
Пространственные зоны вредных воздействий изменяются в широких пределах
от рабочих и бытовых зон до размеров всего земного пространства. К последним относятся воздействия выбросов парниковых и озоноразрушающих газов,
поступление радиоактивных веществ в атмосферу и т.п.
Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие
на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно. Человек
и окружающая его техносфера, находясь в непрерывном материальном, энергетическом и информационном обмене, образуют постоянно действующую пространственную систему "человек - техносфера". Одновременно существует и
система "техносфера - природная среда". Техногенные опасности не действуют
избирательно, они негативно воздействуют на все составляющие вышеупомянутых систем одновременно, если последние оказываются в зоне влияния опасностей.
Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят
к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды.
Опасности носят потенциальный, т.е. скрытый характер. Под идентификацией (лат. indentifico) опасностей понимается процесс обнаружения и установления количественных, временных, пространственных и иных характеристик, необходимых и достаточных для разработки профилактических и оперативных мероприятий, направленных на обеспечение нормального функционирования технических систем и качества жизни.
В процессе идентификации выявляются номенклатура опасностей, вероятность их проявления, пространственная локализация (координаты), возможный ущерб и др. параметры, необходимые для решения конкретной задачи.
Методы обнаружения опасностей делятся на следующие:
инженерные. Определяют опасности, которые имеют вероятностную
природу происхождения;
экспертные. Направлены на поиск отказов и их причин. При этом созда-
ется специальная экспертная группа, в состав которой входят разные спе-
циалисты, дающие заключение;
социологический. Применяется при определении опасностей путем ис-
следования мнения населения (социальной группы). Формируется путем
опросов;
регистрационный. Заключается в использовании информации о подсчете
конкретных событий, затрат каких-либо ресурсов, количестве жертв;
органолептический. При органолептическом методе используют инфор-
мацию, получаемую органами чувств человека (зрением, осязанием,
обонянием, вкусом и др.). Примеры применения - внешний визуальный
осмотр техники, изделия, определение на слух (по монотонности звука)
четкости работы двигателя и пр.
9
Оценка опасности различных производственных объектов заключается в
e
m
P
m
m
!
определении возникновения возможных чрезвычайных ситуаций, разрушительных воздействий пожаров и взрывов на эти объекты, а также воздействия
опасных факторов пожаров и взрывов на людей. Оценка этих опасных воздействий на стадии проектирования объектов осуществляется на основе теории
надежности и нормативных требований, разработанных с учетом наиболее
опасных условий протекания чрезвычайных ситуаций и проявления их негативных факторов, утечек и проливов опасных химических веществ, пожаров и
взрывов, т.е. с учетом аварийной ситуации.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ
Для решения разнообразных технических задач необходимо подбирать
наиболее подходящие законы распределения. Например, логарифмически нормальное распределение нашло широкое применение в вопросах техники, биологии, экономики и теории надежности. Его успешно применяют для описания
наработки до отказа подшипников, электронных ламп и других изделий.
Закон Вейбулла удовлетворительно описывает наработку до отказа подшипников, элементов радиоэлектронной аппаратуры, его используют для оценки надежности деталей и узлов машин, в частности автомобилей, а также для
оценки надежности машин в процессе их приработки.
Гамма-распределение широко применяют при описании появления отказов стареющих элементов, времени восстановления, наработки на отказ резервированных систем. При различных параметрах гамма-распределение принимает разнообразные формы, что и объясняет его широкое применение.
2.1. Закон распределения Пуассона
Распределение Пуассона [4] играет особую роль в теории надежности, по-
скольку оно описывает закономерность появления случайных отказов в сложных системах. Этот закон нашел широкое применение при определении вероятности появления и восстановления отказов.
Случайная величина Х распределена по закону Пуассона, если вероятность того, что эта величина примет определенное значение т, выражается
формулой
, (2.1)
где λ - параметр распределения (некоторая положительная величина); m = 0, 1,
2, ... ∞.
10
Математическое ожидание и дисперсия случайной величины Х для закона
xx
DM
184,0
21
1
!2
1
22
eeP
2, 5, 2.tk
()
()
!
kt
t
te
Pk
k
00225,0
!2
10
)2(
10
2
5
eP
000495,0
!1
)10(
)1()0()2(
10
10
555
e
ePPêP
999505,0000495,01)2(1)2(
55
êPêP
Пуассона равны параметру распределения:
. (2.2)
Распределение Пуассона является однопараметрическим с параметром λ.
Пример 2.1. В ремонтную мастерскую по обслуживанию техники посту-
пают заявки со средней плотностью 5 шт. в течение рабочей смены за 10 ч. Считая, что число заявок на любом отрезке времени распределено по закону Пуассона, найти вероятность того, что за 2 ч рабочей смены поступят две заявки [2].
Решение
Среднее число заявок за 2 ч равно λ = 2 ∙ 5 / 10 = 1.
Применяя формулу (2.1), найдем вероятность поступления двух заявок
.
Пример 2.2. Среднее число вызовов, поступающих на АТС в одну мину-
ту, равно 2. Найти вероятность того, что за 5 минут поступит: а) 2 вызова;
б) менее 2-х вызовов; в) не менее 2-х вызовов. Поток вызовов предполагается
простейшим. Потоком событий называют последовательность событий, которые наступают в случайные моменты времени [2].
Решение
а)
б)
в)
Воспользуемся формулой Пуассона:
- событие практически невозможно;
:
- невозможно;
- практически
достоверно.
2.2. Экспоненциальное распределение
Экспоненциальный закон распределения [4], называемый также основным
законом надежности, часто используют для прогнозирования надежности в период нормальной эксплуатации изделий, когда постепенные отказы еще не
проявились и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы
вызываются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и поэтому
имеют постоянную интенсивность. Экспоненциальное распределение находит
довольно широкое применение в теории массового обслуживания, описывает
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]