Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Акимов Лапин НТС уч пос

.pdf
Скачиваний:
175
Добавлен:
23.05.2015
Размер:
8.29 Mб
Скачать

Акимов В. А., Лапин В. Л., Попов В. М., Пучков В. А., Томаков В. И., Фалеев М. И.

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК

Учебное пособие

Под общей редакцией М. И. Фалеева

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва Деловой экспресс 2002

ÓÄÊ 62-192:504.1(075) ÁÁÊ 30.14ÿ7

Í17

Í17 Акимов В. А., Лапин В. Л., Попов В. М.,

Пучков В. А., Томаков В. И., Фалеев М. И.

Надежность технических систем и техногенный риск. — М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002 — 368 с.

Учебное пособие подготовлено ведущими учеными и специалистами высшей школы и МЧС России в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки «Безопасность жизнедеятельности» и предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность технологических процессов и производств», «Пожарная безопасность», «Защита в чрезвычайных ситуациях».

Системно рассмотрены характеристики опасностей, проблемы риска технологий, причины отказов технических систем, инженерные методы исследования надежности технических систем и обеспечения их безопасности, правовые и экономические аспекты управления безопасностью.

Материал будет полезен преподавателям и студентам технических специальностей вузов, преподавателям и слушателям учебно-методических центров управлений по делам ГО и ЧС, инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами обеспечения безопасности производств, студентам других специальностей, изучающим вопросы обеспечения надежности и безопасности технических систем.

Рецензенты: кафедра «Безопасность жизнедеятельности и промышленная экология» Государственного индустриального университета (зав. кафедрой профессор Резников Е. А.); доктор технических наук, профессор Прусенко Б. Е. (Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губина).

Учебное пособие подготовлено при финансовой поддержке МЧС России.

ISBN 5-89644-078-2

Авторы, 2002

МЧС России, 2002

Оформление «Деловой экспресс», 2002

Ñ Î Ä Å Ð Æ À Í È Å

ÏРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

ÃËÀÂÀ 1

Природа и характеристика опасностей в техносфере . . . . . . . . 19

1.1.Техносфера. Техника. Техническая система. Технология . . . . 19

1.2.Определение опасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3.Аксиомы о потенциальной опасности технических систем . . . 22

1.4.Таксономия опасностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4.1.Примеры таксономий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.5.Алгоритм развития опасности и ее реализации . . . . . . . . . 31

1.6.Источники опасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.7.Энергоэнтропийная концепция опасностей . . . . . . . . . . . 33

1.8.Номенклатура опасностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.9.Квантификация опасностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.10.Идентификация опасностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.11.Причины и последствия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.12.Пороговый уровень опасности . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.13.Показатели безопасности технических систем . . . . . . . . . 37

ÃËÀÂÀ 2

Основные положения теории риска . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.Понятие риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2.Развитие риска на промышленных объектах. . . . . . . . . . . 45

2.3.Основы методологии анализа и управления риском . . . . . . . 47

2.3.1.Анализ риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем . . . . . . . . . . . . . 47

2.3.2.Оценка риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем . . . . . . . . . . . . . 50

2.3.3.Управление риском: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем . . . . . . . . . . . . . 52

3

ÑÎ Ä Å Ð Æ À Í È Å

2.3.4.Общность и различие процедур оценки

èуправления риском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.3.5. Количественные показатели риска . . . . . . . . . . . . 53

2.3.6.Приемлемый риск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3.7.Сравнение рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3.8.Системно-динамический подход к оценке техногенного риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.4.Моделирование риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.5.Принципы построения информационных технологий управления риском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

ÃËÀÂÀ 3

Роль внешних факторов, воздействующих на формирование отказов технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.1.Общие замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.2.Классификация внешних воздействующих факторов . . . . . . 91

3.3.Воздействие температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.4.Воздействие солнечной радиации . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.5. Воздействие влажности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.6.Воздействие атмосферного давления . . . . . . . . . . . . . . 104

3.7.Воздействие ветра и гололеда . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.8.Воздействие примесей воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.9.Воздействие биологических факторов . . . . . . . . . . . . . 109

3.10.Старение материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.11. Факторы нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

ÃËÀÂÀ 4

Основы теории расчета надежности технических систем . . . . . . 115

4.1.Основные понятия теории надежности. . . . . . . . . . . . . 116

4.1.1.Предварительные замечания . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.1.2. Объект, элемент, система . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.1.2.1.Состояние объекта . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.1.2.2.Переход объекта в различные состояния . . . . . 119

4.1.2.3. Временные характеристики объекта . . . . . . . 120

4.1.3.Определение надежности. . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.1.3.1.Показатели безотказности и ремонтопригодности 123

4.1.3.2.Показатели долговечности и сохраняемости . . . 125

4.1.4.

Виды надежности . . . .

. .

. . . .

. .

. .

. .

.

.

.

.

126

4.1.5.

Характеристики отказов .

. .

. . . .

. .

. .

. .

.

.

.

.

126

4

ÑÎ Ä Å Ð Æ À Í È Å

4.1.6.Виды отказов и причинные связи . . . . . . . . . . . . 128

4.2.Количественные характеристики надежности . . . . . . . . . 131

4.2.1.Критерии и количественные характеристики надежности 131

4.2.1.2.Критерии надежности невосстанавливаемых объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.2.1.3.Критерии надежности восстанавливаемых объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.3.Теоретические законы распределения отказов . . . . . . . . . 140

4.3.1.Случайное событие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.3.2.Случайная величина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.3.3.Основные законы распределения, используемые в теории надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

4.3.4.О выборе закона распределения отказов при расчете надежности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.4.Резервирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.4.1.Виды резервирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.4.2.Способы структурного резервирования . . . . . . . . . . 152

4.5.Основы расчета надежности технических систем по надежности их элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

4.5.1.Целевое назначение и классификация методов расчета. . 155

4.5.2.Последовательность расчета систем . . . . . . . . . . . 156

4.5.3.Расчет надежности, основанный на использовании параллельно-последовательных структур . . . . . . . . . 158

4.5.3.1.Система с последовательным соединением элементов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.5.3.2.Система с параллельным соединением элементов. 161

4.5.3.3.Способы преобразования сложных структур . . . 163

4.5.4.Надежность резервированной системы . . . . . . . . . . 167

4.5.4.1.Параллельное соединение резервного оборудования системы . . . . . . . . . . . . . . 167

4.5.4.2.Включение резервного оборудования системы

замещением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.5.4.3.Надежность резервированной системы в случае комбинаций отказов и внешних воздействий . . . 169

4.5.4.4.Анализ надежности систем при множественных отказах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

4.5.4.5.Модель надежности системы с множественными отказами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5

Ñ Î Ä Å Ð Æ À Í È Å

ÃËÀÂÀ 5

Методика исследования надежности технических систем . . . . . . 181

5.1.Системный подход к анализу возможных отказов: понятие, назначение, цели и этапы, порядок, границы исследования . . 181

5.2.Выявление основных опасностей на ранних стадиях проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

5.3.Исследования в предпусковой период . . . . . . . . . . . . . 187

5.4.Исследования действующих систем . . . . . . . . . . . . . . 187

5.5.Регистрация результатов исследования . . . . . . . . . . . . . 188

5.6.Содержание информационного отчета по безопасности процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.6.1.Описание промышленной системы . . . . . . . . . . . . 189

5.6.2.Описание производственных процессов . . . . . . . . . 189

5.6.3. Описание опасных веществ . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.6.4.Предварительный анализ опасностей . . . . . . . . . . . 190

5.6.5.Описание элементов системы безопасности . . . . . . . 190

5.6.6.Оценка возможности развития опасностей . . . . . . . . 191

5.6.7.Организация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.6.8.Оценка последствий крупных производственных аварий . 192

5.6.9.Планирование мер смягчения последствий аварий . . . . 192

5.6.10.Отчеты перед местными органами власти . . . . . . . . 193

ÃËÀÂÀ 6

Инженерные методы исследования безопасности технических систем 195

6.1.Понятие и методология качественного и количественного анализов опасностей и выявления отказов систем . . . . . . . 195

6.2.Порядок определения причин отказов и нахождения аварийного события при анализе состояния системы. . . . . . 198

6.3.Предварительный анализ опасностей. . . . . . . . . . . . . . 199

6.4.Метод анализа опасности и работоспособности– АОР

(Hazard and Operability Study — HAZOP) . . . . . . . . . . . . 201

6.5.Методы проверочного листа (Check-list)

è«Что будет, если ...?» («What — If»). . . . . . . . . . . . . . 208

6.6.Анализ вида и последствий отказа – АВПО

(Failure Mode and Effects Analysis — FMEA) . . . . . . . . . . 214

6.7.Анализ вида, последствий и критичности отказа — АВПКО (Failure Mode, Effects and Critical Analysis — FMECA) . . . . . 215

6.8.Дерево отказов – ДО (Fault Tree Analysis — FTA) . . . . . . . 217

6.9.Дерево событий – ДС (Event Tree Analysis — ЕTA) . . . . . . . 235

6

Ñ Î Ä Å Ð Æ À Í È Å

6.10. Дерево решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

6.11.Логический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

6.12.Контрольные карты процессов . . . . . . . . . . . . . . . . 242

6.13.Распознавание образов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

6.14.Таблицы состояний и аварийных сочетаний . . . . . . . . . 249

ÃËÀÂÀ 7

Оценка надежности человека как звена сложной технической системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

7.1.Причины совершения ошибок . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

7.2.Методология прогнозирования ошибок . . . . . . . . . . . . 262

7.3.Принципы формирования баз об ошибках человека . . . . . . 264

ÃËÀÂÀ 8

Организация и проведение экспертизы технических систем . . . . . 266

8.1.Причины, задачи и содержание экспертизы . . . . . . . . . . 266

8.2.Организация экспертизы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

8.3.Подбор экспертов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

8.4.Экспертные оценки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

8.5.Опрос экспертов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

8.6.Оценка согласованности суждений экспертов . . . . . . . . . 280

8.7.Групповая оценка и выбор предпочтительного решения . . . . 285

8.8.Принятие решения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

8.9.Работа на завершающем этапе . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

ÃËÀÂÀ 9

Мероприятия, методы и средства обеспечения надежности и безопасности технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . 292

9.1.Стадия проектирования технических систем . . . . . . . . . . 292

9.2.Стадия изготовления технических систем . . . . . . . . . . . 293

9.3.Стадия эксплуатации технических систем . . . . . . . . . . . 293

9.4.Техническая поддержка и обеспечение . . . . . . . . . . . . . 294

9.5.Технические средства обеспечения надежности и безопасности

технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

9.5.1.Средства предупреждения отказов . . . . . . . . . . . . 295

9.5.2.Средства контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

9.5.3.Средства защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

9.6.Организационно-управленческие мероприятия. . . . . . . . . 298

7

ÑÎ Ä Å Ð Æ À Í È Å

9.6.1.Техническое обслуживание, ремонтные работы

èинспектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

9.6.2.Управление изменениями в технологическом процессе . . 300

9.6.3.Обучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

9.7.Диагностика нарушений и аварийных ситуаций

в технических системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

301

9.8. Алгоритм обеспечения эксплуатационной надежности

 

 

технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

308

ÃËÀÂÀ 10

Технические системы безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . 310

10.1.Назначение и принципы работы защитных систем . . . . . . 310

10.2.Типовые структуры и принципы функционирования автоматических систем защиты . . . . . . . . . . . . . . . . 312

10.3.Автоматическая интеллектуализированная система защиты объекта и управления уровнем безопасности . . . . . . . . . . 317

10.4.Типовые локальные технические системы и средства безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

10.4.1.Системы предотвращения отклонений от допустимых рабочих режимов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

10.4.2.Системы, предотвращающие разрушение деталей и узлов систем безопасности . . . . . . . . . . . . . . 321

10.4.3.Системы энергоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . 321

10.4.4.Системы аварийной сигнализации . . . . . . . . . . . 321

10.4.5.Защитная автоматика . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

10.4.6. Технические средства защиты . . . . . . . . . . . . . 322

10.4.7.Способы предотвращения человеческих и организационных ошибок . . . . . . . . . . . . . . . 322

ÃËÀÂÀ 11

Правовые аспекты анализа риска и управления промышленной безопасностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

11.1. Классификация промышленных объектов по степени опасности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

11.2.Оценка опасности промышленного объекта . . . . . . . . . . 326

11.3.Декларация безопасности опасного промышленного объекта . 327

11.4.Требования к размещению промышленного объекта . . . . . 327

11.5.Система лицензирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

11.6.Экспертиза промышленной безопасности . . . . . . . . . . . 328

8

ÑÎ Ä Å Ð Æ À Í È Å

11.7.Информирование государственных органов и общественности об опасностях и авариях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

11.8.Ответственность производителей или предпринимателей за нарушения законодательства и нанесенный ущерб . . . . . . 329

11.9.Учет и расследование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

11.10.Участие органов местного самоуправления и общественности

âпроцессах обеспечения промышленной безопасности . . . 330

11.11.Государственный контроль и надзор за промышленной безопасностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

11.12.Разработка планов по ликвидации аварий и локализации их последствий, а также планов по ликвидации

чрезвычайных ситуаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

11.13.Экономические механизмы регулирования промышленной

безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

334

11.14. Российское законодательство в области промышленной

 

безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

335

ÃËÀÂÀ 12

 

Принципы оценки экономического ущерба от промышленных аварий

339

12.1. Понятие ущерба и вреда. Структура вреда . . . . . . . . . . 339

12.2.Экономический и экологический вред . . . . . . . . . . . . 340

12.3.Принципы оценки экономического ущерба . . . . . . . . . . 342

ÏРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица значений функции y = exp(–x) . . . . . . . . . . . . . . 347

ÏРИЛОЖЕНИЕ 2

Значения гамма-функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

ÏРИЛОЖЕНИЕ 3

Значение нормальной функции распределения F(t) = 0,5 + Ô(u) . . 349

ÏРИЛОЖЕНИЕ 4

Значения функции F(x). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

ÏРИЛОЖЕНИЕ 5

Основные понятия, термины и определения . . . . . . . . . . . . 351

ÁИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

9

Ï Ð Å Ä È Ñ Ë Î Â È Å

Безопасность и устойчивость развития общества — два взаимосвязанных понятия, имеющих определяющее значение при выборе ориентиров и путей достижения высокого материального и духовного уровней жизни людей.

Общее определение термина «безопасность» следует из Закона Российской Федерации «О безопасности», принятом 25 марта 1992 г. Под безопасностью понимается качественное состояние общества и государства, при котором обеспечивается защита каждого человека, проживающего на территории Российской Федерации, его прав и гражданских свобод, а также надежность существования и устойчивость развития Республики, защита ее ценностей, материальных и духовных источников жизнедеятельности, конституционного строя и государственного суверенитета, независимости и территориальной целостности от внутренних и внешних врагов.

Если подходить к проблеме промышленной безопасности именно с позиций настоящего определения, то становится очевидным, что она не ограничивается и не исчерпывается вопросами только научно-технического характера — проблема имеет огромное социально-экономическое значение в области обеспечения национальной безопасности России. Государство не может и не должно ежегодно нести колоссальные потери в виде челове- ческих жизней, существенного морального, материального и экологического ущерба. В настоящее время [13] частота возникновения чрезвычайных ситуаций в России с гибелью людей существенно (на порядок и более) превышает показатели развитых стран (см. рис. п1). Особенно это характерно для «мелких» происшествий на производстве, не ведущих к тяжелым последствиям, что достаточно распространено на отечественных предприятиях. Обычно они не привлекают к себе большого внимания общественности

èспециалистов аналогичных производств. Но каково приходится семьям, потерявшим кормильцев? Дети лишаются родителей, а государство — трудоспособных граждан.

Âэтом плане нельзя не отметить, что неудовлетворительное состояние дел в области обеспечения безопасности производства и надлежащих условий труда негативно влияет на общую продолжительность жизни людей

èпоказатели смертности в Российской Федерации. В настоящее время доля трудоспособного населения от общего числа умерших достигла 30 %,

10