Техносферная безопасность / Faleev - Nadezhnost tekhnicheskikh sistem i risk 2002
.PDFАкимов 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