Надежность технических систем и техногенный риск

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет



НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК Учебно-методическое пособие для практических работ

Электронное издание

Красноярск СФУ 2012

1

УДК 66.192(07) ББК 30.82я73 Н172 Составители: В.В. Коростовенко, Н.М. Капличенко Н172 Надежность технических систем и техногенный риск: учебнометодическое пособие для практических работ [Электронный ресурс] / сост. В.В. Коростовенко, Н.М. Капличенко. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана. В учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы оценки надежности и лимитирующие параметры технических систем, методологические и организационные принципы анализа риска техногенных аварий, управления риском на основе производственного экологического контроля, страхования ответственности при техногенных авариях. Предназначена для студентов направления 280000 всех форм обучения.

УДК 66.192(07) ББК 30.82я73 ©Сибирский Федеральный Университет, 2012 Учебное издание Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ Подписано в свет 02.07.2012 г. Заказ 8250. Тиражируется на машиночитаемых носителях. Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел/факс (391)206-21-49. E-mail [email protected] http://rio.sfu-kras.ru

2

ВВЕДЕНИЕ Специалист в области инженерной защиты окружающей среды при производственно-технологической деятельности принимает непосредственное участие в разработке, эксплуатации и совершенствовании оборудования, соответствующих алгоритмов и программ расчета параметров технологических процессов защиты окружающей среды, а в организационно-управленческой деятельности - осуществляет производственный экологический контроль и управление. Инженер-эколог должен уметь разрабатывать проекты и программы, проводить мероприятия, связанные с испытаниями природоохранного оборудования, внедрением его в эксплуатацию и обеспечением его надежности. Неадекватность концепции «абсолютной» безопасности условиям развития техносферы вызывает необходимость оценить возможные последствия выхода из строя технических, в том числе природоохранных, систем (реализацию вероятности отказа системы) с целью снижения риска аварий до минимума, а в случае ее возникновения - правильно организовать локализацию и ликвидацию последствий и оценить меру ответственности за наступившие последствия в части возмещения вреда. Изучив принципы, показатели и условия обеспечения надежности простых и сложных технических систем, специалист имеет реальную возможность объективно оценить техногенный риск с целью профессионального управления охраной окружающей среды. Практическая работа 1 ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ С УЧЕТОМ ВИДА РАЗРУШЕНИЯ Цель работы: изучить конструктивные и технологические способы и меры повышения надежности на примере увеличения коррозионной стойкости. Краткие теоретические сведения Анализ режимов и условий эксплуатации позволяют выявить возможные причины отказов отдельных элементов и осуществить конструктивные мероприятия, предохраняющие изделие от прогнозируемого вида разрушения. Основными видами разрушения изделий машиностроения являются износ, коррозия, потеря прочности и деформационных характеристик. Эксплуатация изделий, применяемых в природоохранном оборудовании, характерна постоянным контактом с химически агрессивной средой: жидкая фаза (промышленные стоки) практически повсеместно представлена электро3

литами различной концентрации; в твердой минеральной фазе присутствуют активные химические соединения (например, в сульфидным рудах достаточно много соединений серы, а в хвостовой части и в хвостовых пульпах имеют место различные реагенты); газообразная фаза, как правило, характерна повышенной температурой и влажностью и др. Такая среда оказывает разрушительное действие на элементы конструкций природоохранного оборудования в виде коррозионного разрушения. Коррозионное разрушение Коррозия - разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия с коррозионной средой. Коррозионная стойкость в общем случае характеризует способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды. Коррозионная стойкость оценивается: . изменением массы металла по отношению к единице поверхности и единице времени; объемом выделяющегося водорода (или поглощенного кислорода), отнесенным к тем же единицам; уменьшением толщины металла (мм), отнесенным к единице времени; изменением какого-либо показателя механических свойств за определенное время; плотностью тока, соответствующей скорости данного коррозионного процесса; временем до появления первого коррозионного очага или числом очагов по истечению заданного времени. Критериями отказов из-за коррозии могут быть следующие события: разрушение детали; изменение массы или толщины металла до минимальной допустимой величины; сквозное проявление коррозионного очага; превышение допустимого уровня скорости коррозии. В техническим системах, применяемых в природоохранных машинах и оборудовании, наиболее распространена электрохимическая коррозия - взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролитов, потоком газов при увлажнении), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают многократно (чередуясь), а их скорость зависит от электродного потенциала среды. Процессы электрической коррозии описываются законами электрохимической кинетики. При этом процессе протекают две группы реакций: катодная и анодная. За счет возникающего электрического тока может иметь место удаление продуктов коррозии от очагов разрушения. Анодный процесс при коррозии всегда включает ионизацию металла. В катодном процессе в основном участвуют ионы или молекулы среды (в т.ч. 4

технологические растворы, смеси и т.п.), являясь по отношению к металлу окислителями. Под химической коррозией понимается взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают одновременно. Методы и средства повышения надежности изделий, подвергаемых коррозионному разрушению На скорость коррозии оказывают влияние внутренние и внешние факторы. К первым относятся химический состав и структура металла, состояние его поверхности, наличие напряжений и т.п., причем с увеличением неоднородности состава и структуры скорость коррозии возрастает. Ко вторым относятся вид и состав как окружающей, так и технологической среды и условия, при которых эксплуатируется изделие (температура, давление, агрегатное состояние, скорость потока и т.д.). Даже при исключении особо агрессивных факторов на открытом воздухе конструкции ежегодно теряют из-за коррозии 0,13 % массы. В промышленной атмосфере скорость коррозии составляет в среднем 575 г/м2 в год, а на очистных сооружениях достигает 1 000 г/м2 в год. Коррозионная стойкость обеспечивается в основном двумя методами: 1) изоляция металла от агрессивной среды; 2) придание нужных антикоррозионных свойств среде. Первый способ обеспечивается конструктивными и (или) технологическими мероприятиями. К конструктивным относятся способы предотвращения проникновения агрессивной среды (рис. 1-3), а также способы электрохимической защиты (рис. 4). Мероприятия по предотвращению или ослаблению электрохимической коррозии сводятся к принятию мер, затрудняющих или исключающих прохождение электрического тока через металл или раствор, либо к уменьшению разности потенциалов двух элементов металлической конструкции, состоящей из разных металлов (например, один элемент из стали, другой - из алюминия). Начало коррозионного процесса (его зарождение) обычно обусловлено состоянием поверхности изделия, скорость же коррозии зависит от факторов окружающей среды (кислород, температура, влажность) и факторов технологической среды (химический состав, кислотность, наличие твердых частиц и др.). К технологическим мероприятиям повышения коррозионной стойкости относят нанесение металлических (плакирование) и неметаллических (лакокрасочных и химических) покрытий (табл. 1), а также упрочнение поверхности. В частности, для защиты изделий систем воздуховодов от атмосферной коррозии применяют ингибиторы - вещества, исключающие или замедляющие процессы коррозии, они наносятся на поверхность металла.

5

а

б

Рис. 1. Конфигурация деталей с точки зрения накопления влаги: а - неправильная конфигурация; б – правильная конфигурация

а

б

Рис. 2. Примеры конструкций емкостей: а – опорожняемых неполностью; б – опорожняемых полностью

а

б

Рис. 3. Влияние острых граней детали на равномерность покрытия: а – неправильная конструкция (острые углы); б – правильная конструкция

а

б

в

Рис. 4. Предотвращение контактной коррозии – электроизоляция разнородных металлов: а – изолирующая прокладка и втулка; б – изолирующая втулка; в – изолирующая прокладка

Мероприятия по предотвращению или ослаблению электрохимической коррозии сводятся к принятию мер, затрудняющих или исключающих прохождение электрического тока через металл или раствор, либо к уменьшению раз6

ности потенциалов двух элементов металлической конструкции, состоящей из разных металлов (например, один элемент из стали, другой – из алюминия). Начало коррозионного процесса (его зарождение) обычно обусловлено состоянием поверхности изделия, скорость же коррозии зависит от факторов окружающей среды (кислород, температура, влажность) и факторов технологической среды (химический состав, кислотность, наличие твердых частиц и др.). К технологическим мероприятиям повышения коррозионной стойкости относят нанесение металлических (плакирование) и неметаллических (лакокрасочных и химических) покрытий (табл. 1), а также упрочнение поверхности. В частности, для защиты изделий систем воздуховодов от атмосферной коррозии применяют ингибиторы – вещества, исключающие или замедляющие процессы коррозии, они наносятся на поверхность металла. Таблица 1 Виды защитных покрытий Назначение

Металл основы

Защита от атмосферной коррозии

Сталь Алюминий и его сплавы Цинковые сплавы Медь и его сплавы

Защитно-декоративная отделка

Вид Цинкование, кадмирование, оксидирование Анодное окисление металла Хромирование Никелирование

Сталь Медь и ее сплавы Цинковые сплавы Защита от действий серной кислоты Сталь

Защитно-декоративное никелирование, хромирование

Повышение поверхностной элек- Латунь тропроводности Защита от коррозии деталей ответ- Сплавы меди ственных приборов

Серебрение

Повышение антифрикционСталь ных свойств Защита от механического износа Сталь, чугун трущихся поверхностей

Осаждение сплавов серебра, сплавов свинца и индия Хромирование, химическое никелирование

Защита от цементации

Сталь

Меднение

Защита от азотирования

Сталь

Оловянированис

Защитно-декоративная ювелирных изделий

отделка Серебро

Свинцевание

Золочение, палладирование, родирование, платинирование

Золочение

7

Защита сложных систем, содержащих несколько металлов, требует учета электрохимического поведения каждого из них, т.е. подобная система рассматривается как многоэлектродная. В таких случаях требуется применение ингибиторов (хроматов, нитробензолов) или смеси ингибиторов. Защита подземных металлических сооружений (трубопроводов) наиболее сложна, т.к. такие системы должны защищаться от коррозии, вызываемой: 1) почвенной окружающей средой, в т.ч. подземными водами; 2) блуждающими токами; 3) средой, транспортируемой по трубопроводу. Для подобных систем необходим комплекс мероприятий по повышению коррозионной стойкости внутренней и наружной поверхностей изделия, а также ограничение либо изоляция источников блуждающих токов. Контрольные вопросы и задания 1. Какая среда является химически агрессивной? 2. В чем заключается химическая и физическая суть коррозии? 3. Как можно оценить коррозионную стойкость? 4. Какие события, вызванные коррозией, являются критериями отказов? 5. Что представляет собой электрохимическая коррозия? 6. Чем отличается химическая коррозия от электрохимической? 7. Какие факторы влияют на скорость коррозии? 8. Приведите примеры конструктивных способов защиты от коррозии. 9. Назовите основные технологические мероприятия повышения отенциионной стойкости. Практическая работа 2 ЛИМИТИРУЩИЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Цель работы: изучить методику выявления и контроля параметров технических систем, определяющих надежность эксплуатационных свойств. Краткие теоретические сведения К основным параметрам технологических процессов относят такие, которые определяют эксплуатационные свойства системы в целом и ее надежность. К ним могут относиться: качество исходных материалов, из которых изготовлены детали (узлы) технической системы; точность выполнения операций при осуществлении технологического процесса; 8

используемые методы и средства контроля качества, точности и стабильности технологического процесса. Выбор основных параметров технологических процессов, лимитирующих надежность конечной продукции (лимитирующих параметров технологического процесса) производят с целью: обоснования их допустимых значений из условия обеспечения требуемой надежности; корректировки системы контроля качества продукции, которую выпускает система; проведения мероприятий по совершенствованию технологического процесса; получения дополнительной информации, используемой при составлении программ и методик испытаний на надежность. Выявление и контроль лимитирующих параметров Выбор лимитирующих параметров технологического процесса производят либо по результатам анализа причин отказов, либо экспертными методами. При выборе лимитирующих параметров по результатам анализа причин отказов (предельного состояния) используется схема, представленная на рис. 1. При этом в результате анализа причин отказов предварительно определяются выходные параметры технологического процесса, нарушение которых потенциально может привести к потере работоспособного состояния системы. Выявление лимитирующих параметров производится в следующей последовательности: сначала исключают параметры, которые подлежат непрерывному (автоматическому) контролю; затем – параметры, для которых установлены сокращенные (технологические) допуски; далее – параметры, по которым предусмотрено проведение отдельных приемо-сдаточных испытаний или контроль при приемо-сдаточных испытаниях процесса в целом, и в конце – параметры, по которым в течение конкретного промежутка времени не зафиксировано нарушений технологии и (или) отказов при эксплуатации системы. В этом случае целесообразно использовать графики причин отказов. Графики составляют на уровне технологического процесса изготовления технической системы (диаграмма-отказов); элементов (деталей, узлов) системы; технологических операций (диаграмма видов дефектов). Количество уровней составления графиков определяется сложностью технической системы и технологического процесса, а также информацией о причинах отказов и видах дефектов как системы, так и процесса.

9

При составлении графиков ранжируют отказавшие элементы (причины отказов, виды дефектов) по частости их появления за рассматриваемый промежуток времени и строят кривую накопительных частостей (в процентах). При определении лимитирующих параметров с помощью графиков задаются допустимой погрешностью анализа Е и исключают из дальнейшего рассмотрения детали (узлы), суммарная частота отказов которых не выше 5 % .

Анализ стандартов на продукцию и технических условий

Установление номенклатуры показателей качества конечной продукции, подлежащей проверке

Анализ стандартов и технических условий на составные части

Установление номенклатуры показателей качества составных частей, влияющих на качество конечной продукции

Анализ технологической документации

Составление структурной схемы технологического процесса изготовления

Влияние технологических процессов и операций, оказывающих решающее влияние на качество продукции

Анализ результатов испытаний, данных рекламаций и претензий потребителей, данных о причинах отказов аналогов и т.п.

Выявление технологических процессов и операций, являющихся причиной наиболее часто встречающихся дефектов и причин отказов

Анализ действующей системы контроля отказов

Анализ точности и стабильности основных техънологических операций. Анализ эффективности систем контроля

Разработка и реализация мероприятий по повышению качества выпускаемой продукции

Рис. 1. Схема выявления параметров технологических систем, влияющих на надежность изделий

10

Пример Определить по регистрационным данным основные виды дефектов, связанные с нарушением требований к параметрам технологического процесса, заключающегося в транспортировании пульпы по трубопроводу. Производительность трубопровода не обеспечивается. Лимитирующим элементом является снижение надежности электродвигателя насосного привода постоянного тока. Допустимая погрешность Е = 20 %. Решение приведено на рис. 2-4 (с разъяснениями). Решение 1. Составляем диаграмму отказов лимитирующего узла (рис. 2). С учетом погрешности Е надежность изделия определяется, в основном, отказами коллектора и щеткодержателя электродвигателя (частость возникновения отказов – более 30 %, чередование отказов – от 60 до 100 %). 2. Составляем диаграмму причин отказов коллектора и щеткодержателя (рис. 3). Основными причинами отказов (при заданной погрешности Е = 20 %) являются дефекты заготовок и комплектующих изделий. 3. Составляем диаграмму видов дефектов по заготовкам и комплектующим изделиям (рис. 4). Анализ решения показывает, что с учетом принятой погрешности Е основные дефекты связаны с невыполнением требований к лимитирующим параметрам технологического изготовления электродвигателя привода насоса (трещины, раковины и выщерблины заготовок и комплектующих изделий коллектора и щеткодержателей), что в конечном итоге приводит к отказу или снижению надежности пульпопровода. Экспертные методы основаны на использовании результатов опроса экспертной группы, располагающей информацией о надежности изделия, и технологических факторов, влияющих на количество выпуска продукции (соответствие выходных параметров изделия заданным значениям). Для учета и упорядочения мнений экспертов лучше всего использовать схемы причинно-следственных связей (схема Исикава, рис. 5). При построении схемы результат (показатель надежности) изображается центральной (горизонтальной) стрелкой. Явления (факторы), влияющие на результат, изображают стрелками, направленными острием к центральной линии.

11

Рис. 2. Диаграмма отказов электродвигателя насосного привода

Рис. 3. Диаграмма причин отказов

Рис. 4 Диаграмма видов дефектов

12

Рис 5. Схема Исикавы

Для выявления основных факторов (лимитирующих параметров) фиксируют мнения 5-10 экспертов и составляют схему так, как показано на рис. 5. Далее обсуждают и выделяют (с использованием методов обработки экспертной информации, включая законы распределения) те из них, которые существенно влияют на надежность изделия или технологического процесса, обеспечиваемого данным изделием. Из выявленных факторов снова выделяют важнейшие и т.д. до тех пор, пока не будет составлен перечень основных параметров, лимитирующих надежность продукции. После выявления основных технологических процессов и операций, лимитирующих надежность, необходимо определить, обеспечивают ли они требуемую точностей спрогнозировать уровень дефектности на этих операциях. Эти задачи решаются методами оценки точности и стабильности. Точность технологического процесса (операции) - это свойство, обусловливающее допустимую близость фактических и заданных значений параметров производимой продукции (или технологии). Под стабильностью понимается свойство технологического процесса (операции) обеспечивать постоянство значений его параметров в течение некоторого интервала времени без вмешательства извне. Анализ точности и стабильности технологического процесса позволяет выявить и исключить факторы, отрицательно влияющие на конечный результат. Главная задача анализа - не констатация факта появления брака, а выявле-

13

ние основных источников его появления и принятие своевременных мер к предупреждению брака. Контрольные вопросы и задания 1. Назовите основные параметры, определяющие надежность системы при ее эксплуатации. 2. С какой целью выбирают лимитирующие надежность параметры систем? 3. Какие способы применяют для выбора лимитирующих параметров? 4. Укажите последовательность выявления лимитирующих параметров по результатам анализа причин отказов. 5. В чем заключается суть экспертных методов выбора лимитирующих параметров? 6. Как строится схема Исикавы? 7. Дайте характеристику точности и стабильности технологического процесса. 8. С какой целью проводят анализ точности и стабильности технологического процесса? Практическая работа 3 НАЗНАЧЕНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ АНАЛИЗА РИСКА ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЙ Цель работы: изучить основные требования к процедуре и оформлению результатов анализа риска. Краткие теоретические сведения Анализ риска является частью системного подхода к принятию политических решений, процедур и практических мер в решении задач предупреждения или уменьшения опасности промышленных аварий для жизни человека, заболеваний или травм, ущерба имуществу и окружающей среде, называемого в нашей стране обеспечением промышленной безопасности, а за рубежом управлением риском. Задачи анализа риска Управление риском включает сбор и анализ информации о промышленной безопасности, анализ риска (анализ опасности) и контроль (надзор) безопасности. Анализ риска - центральное звено в обеспечении безопасности базируется на собранной информации и определяет меры по контролю безопасности промышленных объектов. Процедура анализа риска - составная часть 14

декларирования безопасности промышленного объекта, экспертизы безопасности, экономического анализа безопасности по критериям «стоимостьбезопасность-выгода», страхования и других видов анализа и оценки состояния безопасности промышленных объектов и регионов, на территории которых возможны техногенные чрезвычайные ситуации. Основная задача анализа риска заключается в том, чтобы предоставить объективную информацию о состоянии промышленного объекта лицам, принимающим решения в отношении безопасности анализируемого объекта. Анализ риска должен дать ответы на три основных вопроса: 1. Что плохого может произойти? (Идентификация опасностей). 2. Как часто это может случаться? (Анализ частоты). 3. Какие могут быть последствия? (Анализ последствий). Анализ риска - эффективное средство, когда определены подходы к выявлению опасностей и рисков, принимаются меры по выработке объективных решений о приемлемом уровне риска, устанавливаются требования и рекомендации по регулированию безопасности. Основные процедуры Процесс риск-анализа должен содержать последовательность следующих "основных процедур: планирование и организация работ; идентификация опасностей; оценка риска; разработка рекомендаций по уменьшению риска (управлению риском). На каждом этапе анализа риска должна оформляться документация. На этапе планирования работ необходимо: описать причины и проблемы, которые вызвали необходимость проведения риск-анализа; определить анализируемую систему и дать ее описание; подобрать необходимую группу исполнителей для проведения анализа; определить и описать источники информации о безопасности системы; указать ограничения исходных данных, финансовых ресурсов и другие возможности, определяющие глубину, полноту и детальность риск-анализа; четко определить цели риск-анализа; указать критерии приемлемого риска. В состав группы исполнителей, выполняющих анализ риска, рекомендуется включать специалистов промышленного объекта (или соответствующей проектной организации) и органов госгортехнадзора. Чтобы обеспечить приемлемое качество анализа риска, необходимо использовать знание технической системы и методов анализа. Если существуют результаты анализа риска для подобной системы, то их можно применять в качестве исходного документа. Однако следует показать, что системы и процессы подобны или что отличия не будут вносить значительных изменений в результаты анализа.

15

На различных этапах жизненного цикла опасного объекта могут определяться конкретные цели анализа риска. На этапе размещения или проектирования целью риск-анализа может быть: выявление опасностей и количественная оценка риска с учетом воздействия поражающих факторов аварии на персонал, население, материальные объекты, окружающую природную среду; обеспечение учета результатов при анализе приемлемости предложенных решений и выборе оптимальных вариантов размещения оборудования, объекта с учетом особенностей окружающей местности; сбор информации для разработки инструкций, технологического регламента и планов ликвидации аварийных ситуаций, действий в чрезвычайных ситуациях; оценка альтернативных конструкторских предложений. На этапе эксплуатации и реконструкции целью риск-анализа может быть: сравнение условий эксплуатации объекта с соответствующими требованиями безопасности; уточнение информации об основных опасностях; разработка рекомендаций по организации деятельности органов госгортехнадзора (например, по обоснованию, изменению нормативных требований или решения о взятии объекта под надзор, по вопросам лицензирования, определения частоты проверок состояния безопасности производств и т.п.); совершенствование инструкций по эксплуатации и техническому обслуживанию, планов локализации аварийных ситуаций и действий в чрезвычайных ситуациях; оценка эффекта изменения в организационных структурах, приемах практической работы и технического обслуживания в. отношении параметров безопасности. На этапе вывода из эксплуатации (или ввода в эксплуатацию) целью риск-анализа может быть: выявление опасностей и оценка последствий аварий; обеспечение информации для разработки, уточнения инструкций по выводу из эксплуатации (вводу в эксплуатацию). При выборе метода анализа риска следует учитывать сложность рассматриваемых процессов, наличие необходимых данных и квалификацию привлекаемых специалистов, проводящих анализ. При этом более простые, но ясные методы анализа должны иметь предпочтение перед более сложными, но не до конца ясными и методически обеспеченными. Приоритетными в использовании являются методические материалы, согласованные или утвержденные Госгортехнадзором России или МЧС России. На этапе планирования должны быть четко выявлены управленческие решения, которые должны быть приняты, и требуемые для этих целей выходные данные (показатели) риск-анализа. 16

Критерии приемлемого риска определяются методами проведения анализа риска, наличием необходимой информации, возможностями и целями анализа. При этом критерии приемлемого риска могут задаваться нормативноправовой документацией или определяться на этапе планирования риск-анализа или в процессе получения результатов анализа. Основные требования к выбору критерия приемлемого риска при проведении анализа риска - его обоснованность и определенность. Документами для определения приемлемой степени риска в общем случае должны служить: законодательство по промышленной безопасности; правила, нормы безопасности в анализируемой области; дополнительные требования специально уполномоченных органов, влияющие на повышение промышленной безопасности; сведения об имеющихся аварийных событиях и их последствиях; опыт практической деятельности. Требования, к оформлению результатов анализа риска Результаты анализа риска должны быть обоснованы и оформлены таким образом, чтобы выполненные расчеты и выводы могли быть проверены и повторены специалистами, которые не участвовали в проведении первоначального анализа. Процесс анализа риска должен документироваться отчетом. Объем отчета зависит от целей риск-анализа, однако документация по отчету должна обязательно включать: титульный лист; список исполнителей с указанием должностей, научных званий, организации; аннотацию; содержание (оглавление); формулировку задач и целей; описание анализируемой технологической системы; методологию анализа, исходные предположения и ограничения, определяющие пределы риск-анализа; описание используемых методов анализа, моделей аварийных процессов и обоснование их применения; исходные данные и их источники, в том числе данные по аварийности и надежности оборудования; результаты идентификации опасности; результаты оценки риска; анализ неопределенностей результатов; рекомендации по уменьшению степени риска или управлению риском; заключение; список используемой литературы. 17

Контрольные вопросы и задания 1. Сформулируйте задачи, решаемые при анализе риска. 2. Каковы основные процедуры анализа риска, их последовательность? 3. Охарактеризуйте содержание процедуры анализа риска на этапе планирования работ. 4. Какова цель риск-анализа на этапе размещения или проектирования объекта? 5. Какова цель риск-анализа на этапе эксплуатации (или реконструкции) объекта? 6. Охарактеризуйте основания для определения приемлемой степени риска. 7. Какая информация должна содержаться в отчете о результатах анализа риска? Практическая работа 4 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА РИСКА Цель работы: изучить показатели риска, порядок выявления техногенной опасности и основные положения оценки риска. Краткие теоретические сведения Риск является неизбежным сопутствующим фактором промышленной деятельности. Риск фактически есть мера опасности. Цель управления риском предотвращение или уменьшение травматизма, разрушений материальных объектов, потерь имущества и вредного воздействия на окружающую среду. Для управления риском его необходимо проанализировать и оценить. Анализ риска служит полезным средством, когда имеется намерение выявить существующие опасности, определить уровни рисков выявленных нежелательных событий (по частоте и последствиям) и реализовать меры по уменьшению риска в случае превышения его приемлемого уровня. Показатели риска Анализ риска может быть не только количественным, при котором основные результаты получают путем расчета показателей риска, но и качественным, при котором результаты представлены в виде текстового описания, таблиц, диаграмм с применением качественных методов анализа опасностей и экспертных оценок Ниже рассмотрены основные показатели риска, характеризующие опасности промышленных аварий.

18

Понятие риска используется для измерения опасности и обычно относится к индивидууму или группе людей (производственного персонала и населения), имуществу (материальным объектам, собственности) или окружающей среде. Чтобы подчеркнуть, что речь идет об измеряемой величине, используют понятие «степень риска», или «уровень риска». Степень риска аварии сложной технической системы, для которой, как правило, присуще наличие множества опасностей, определяется на основе анализа совокупности показателей рисков, выявленных при анализе нежелательных событий (например, событий, связанных с разгерметизацией оборудования, отказом средств предупреждения, ошибками человека, с проявлением неблагоприятных метеоусловий, воздействиями на различные субъекты и т.п.). Одна из наиболее часто употребляющихся характеристик опасности - индивидуальный риск (individuai risk) - частота поражения отдельного индивидуума в результате воздействия исследуемых факторов опасности. Индивидуальный риск определяется потенциальным риском и вероятностью нахождения человека в районе возможного действия опасных факторов. При этом индивидуальный риск во многом определяется квалификацией и обученностью индивидуума действиям в опасной ситуации, его защищенностью. Индивидуальный риск зависит от распределения потенциального риска. При риск-анализе обычно не рассчитывается индивидуальный риск для каждого человека, а оценивается этот показатель для групп людей, характеризующихся примерно одинаковым времяпребыванием в различных опасных зонах и использующих одинаковые средства защиты. Обычно речь идет об индивидуальном риске для работающих и для населения окружающих районов или для более узких групп, например для рабочих различных специальностей. Другой комплексной мерой риска, характеризующей опасный объект (и территорию), будет потенциальный территориальный риск: пространственное распределение частоты реализации негативного воздействия определенного уровня. Данная мера риска не зависит от факта нахождения объекта воздействия (например, человека) в данном месте пространства. Предполагается, что вероятность нахождения объекта воздействия равна 1 (например, человек находится в данной точке пространства в течение всего рассматриваемого промежутка времени). Потенциальный риск не зависит от того, находится ли опасный объект в многолюдном или пустынном месте, и может меняться в широком интервале. Потенциальный риск, в соответствии с названием, выражает собой потенциал максимально возможного риска для конкретных объектов воздействия, находящихся в данной точке пространства. На практике важно знать распределение потенциального риска для отдельных источников опасности и для отдельных сценариев аварий. Как правило, потенциальный риск оказывается промежуточной мерой опасности, используемой для оценки социального и индивидуального риска. Распределение потенциального риска и плотности населения в исследуемом районе позволяет получить количественную оценку социального риска для населения. Для этого нужно определить число пораженных 19

при каждом сценарии от каждого источника опасности и затем определить зависимость частоты событий F, в которых пострадало на том или ином уровне количество людей, больше определенного числа N, от этого определенного числа людей (социальный риск). Социальный риск характеризует масштаб возможных аварий и определяется функцией, у которой есть установившееся название F/N-кривая. В зависимости от задач анализа под N можно понимать и общее число пострадавших, и число смертельно травмированных или другой показатель тяжести последствий. Соответственно, критерий приемлемой степени риска будет определяться уже не числом для отдельного события, а кривой, построенной для различных сценариев аварий. В настоящее время общераспространенным подходом для нахождения приемлемости риска является использование двух кривых, когда в логарифмических координатах определены F/N-кривые приемлемого и неприемлемого социального риска смертельного травмирования, а область между этими кривыми определяет промежуточную степень риска, вопрос о снижении которой следует решать с учетом специфики производства и местных условий путем согласования с органами надзора и местного самоуправления. Другой количественной интегральной мерой опасности является коллективный риск (Potential Loss of Life-PLL), определяющий масштаб ожидаемых последствий для людей от потенциальных аварий. Фактически коллективный риск определяет ожидаемое количество смертельно травмированных в результате аварий на рассматриваемой территории за конкретный период времени. Для анализа экологической безопасности зависимость площади зараженной поверхности от частоты аварии может служить мерой экологического риска. Для целей страхования важен такой показатель риска, как статистически ожидаемая величина ущерба в стоимостном выражении (величина, определяемая произведением частоты аварии на ущерб). Идентификация опасностей Основная задача этапа идентификации опасностей - выявление (на основе информации о безопасности данного объекта, данных экспертизы и опыта работы подобных систем) и четкое описание всех присущих системе опасностей. Это ответственный этап анализа, так как не выявленные на этом этапе опасности не подвергаются дальнейшему рассмотрению и исчезают из поля зрения. На начальном этапе идентификации проводится предварительный анализ опасностей с целью выявления опасных подсистем (блоков) технологической системы промышленного объекта. Критерий опасности подсистем на данном этапе - распределение в технологической системе опасных веществ и (или) их смесей с учетом возможности их неконтролируемого истечения (выброса), наличие источников их воспламенения (взрыва) и внешних (техногенных, природных) опасностей. 20

Результаты предварительного анализа и применения методов идентификации опасностей дают возможность определить, какие элементы, блоки или процессы в технологической системе требуют более серьезного анализа и какие представляют меньший интерес с позиций безопасности. Результат идентификации опасностей - это перечень нежелательных событий, приводящих к аварии. Идентификация опасностей завершается также выбором дальнейшего направления деятельности. Это может быть решение прекратить дальнейший анализ ввиду незначительности опасностей; решение о проведении более детального анализа риска; выработка рекомендаций по уменьшению опасностей. Оценка риска При необходимости после идентификации опасностей переходят к этапу оценки риска. На этапе оценки риска выявленные опасности должны быть оценены с учетом их соответствия критериям приемлемого риска. При этом критерии приемлемого риска и, соответственно, результаты оценки риска могут быть выражены как качественно (в виде текста, таблиц), так и количественно путем расчета показателей риска. Важно подчеркнуть, что использование сложных и дорогостоящих расчетов зачастую дает значение риска, точность которого для сложных технических систем невелика. Как показывает практика, погрешность значений вероятностных оценок риска даже в случае наличия всей необходимой информации, как правило, не менее одного порядка. В этом случае проведение полной количественной оценки риска более полезно для сравнения источников опасностей или различных мер безопасности (например, при размещении оборудования), чем для составления заключения о степени безопасности объекта. Поэтому на практике в первую очередь следует применять качественные методы анализа риска, опирающиеся на продуманную процедуру, специальные вспомогательные средства (бланки, детальные методические руководства) и практический опыт исполнителей. Однако количественные методы оценки риска очень полезны, а в некоторых ситуациях и единственно допустимы, в частности, для сравнения опасностей различной природы или для иллюстрации результатов. Оценка риска включает в себя анализ частоты, анализ последствий выявленных событий и анализ неопределенностей результатов. Однако, когда последствия незначительны или частота рассматриваемых событий крайне мала, достаточно оценить один параметр. Для анализа и оценки частоты обычно используются: статистические данные по аварийности и надежности систем, соответствующих типу объекта или виду деятельности; логические методы анализа «деревьев событий» или «деревьев отказов»; экспертная оценка путем учета мнения специалистов в данной области. Обеспечение необходимой информацией - важное условие оценки риска. Вследствие недостатка статистических данных, на практике рекомендуется ис21

пользовать экспертные оценки и методы ранжирования риска, основанные на упрощенных методах его оценки. В этих подходах рассматриваемые события обычно разбиваются по величине вероятности, тяжести последствий и риска на несколько групп (категории рангов), например с высоким, промежуточным, низким или незначительным уровнем риска. При таком подходе высокий уровень риска считается, как правило, неприемлемым, промежуточный требует выполнения программы работ по его уменьшению, низкий считается приемлемым, а незначительный вообще не рассматривается (подробнее см. прил. 2). Анализ последствий включает оценку воздействий на людей, имущество или окружающую среду. Для прогнозирования последствий необходимо оценить физические эффекты нежелательных событий (пожары, взрывы, выбросы токсичных веществ). В связи с этим необходимо использовать модели аварийных процессов и критерии поражения изучаемых объектов воздействия, понимая их ограничения. На этапе оценки риска необходимо проанализировать неопределенность и точность результатов. Имеется много неопределенностей, связанных с оценкой риска. Как правило, основные источники неопределенностей - недостаточность информации по надежности оборудования (высокая погрешность значений) и человеческим ошибкам, а также принимаемые предположения, допущения используемых моделей аварийного процесса. Чтобы правильно интерпретировать результаты оценки риска, необходимо понимать неопределенности и их причины. Анализ неопределенности - это перевод неопределенности исходных параметров и предположений, использованных при оценке риска, в неопределенность результатов. Источники неопределенности должны быть идентифицированы и представлены в результатах. При необходимости на заключительном этапе оценки определяется степень риска всего объекта путем анализа и обобщения показателей риска выявленных событий. Разработка рекомендаций по уменьшению риска Разработка рекомендаций по уменьшению риска (управлению риском) заключительный этап анализа риска. Рекомендации могут признать существующий риск приемлемым или указывать меры по уменьшению риска (или, в общем случае, меры по его управлению). Меры по уменьшению риска могут иметь технический или организационный характер. В выборе мер решающее значение имеет общая оценка действенности мер, влияющих на риск. На стадии эксплуатации опасного объекта организационные меры могут компенсировать ограниченные возможности для принятия крупных технических мер по уменьшению опасности. При разработке мер по уменьшению риска необходимо учитывать, что, вследствие возможной ограниченности ресурсов, в первую очередь должны

22

разрабатываться простейшие и связанные с наименьшими затратами рекомендации, а также меры на перспективу. Во всех случаях, где это возможно, меры уменьшения вероятности аварии должны иметь приоритет над мерами уменьшения последствий аварий. Это означает, что выбор технических и организационных мер для уменьшения опасности имеет следующие приоритеты: а) меры уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций, включающих: меры уменьшения вероятности возникновения неполадки (отказа); меры уменьшения вероятности перерастания неполадки в аварийную ситуацию; б) меры уменьшения тяжести последствий аварии, которые, в свою очередь, имеют свои приоритеты: меры, предусматриваемые при проектировании опасного объекта (например, выбор несущих конструкций); меры, относящиеся к системам противоаварийной защиты и контроля; меры, касающиеся организации, оснащенности и боеготовности противоаварийных служб. Иными словами, в общем случае (при равной возможности реализации рекомендаций) первоочередными мерами обеспечения безопасности являются меры предупреждения аварии. Контрольные вопросы и задания 1. Охарактеризуйте риск как меру опасности, виды анализа риска. 2. Дайте характеристику индивидуального риска. 3. Дайте характеристику потенциального территориального риска. 4. Дайте характеристику социального риска. 5. Охарактеризуйте коллективный и экологический риски. 6. Опишите задачу и этапы идентификации опасностей. 7. Каковы назначение и содержание оценки риска? 8. Каковы цель разработки рекомендаций по уменьшению риска? 9. Каковы приоритеты технических и организационных уменьшения опасности?

мер

Практическая работа 5 МЕТОДЫ АНАЛИЗА РИСКА Цель работы: изучить наиболее распространенные методы риск-анализа и условия их применения. Краткие теоретические сведения При выборе методов проведения анализа риска необходимо учитывать цели анализа, критерии приемлемого риска, тип анализируемой системы и ха23

рактер опасности, наличие ресурсов для проведения анализа необходимой информации, опыт и квалификацию исполнителей и другие факторы. Методы проведения анализа риска Метод риск-анализа должен удовлетворять следующим требованиям: научное обоснование и соответствие рассматриваемой системе; представление результатов в виде, позволяющем лучше понимать характер риска и намечать пути его снижения; повторяемость и проверяемость метода. На стадии идентификации опасностей рекомендуется использовать один или несколько из перечисленных ниже методов анализа риска: «Что будет, если...?» Проверочный лист. Комбинация методов «Что будет, если...?»/проверочный лист. Анализ опасности и работоспособности. Анализ вида и последствий отказов. Анализ дерева отказов. Анализ дерева событий. Соответствующие эквивалентные методы. Указания по выбору методов анализа риска для различных видов деятельности и этапов функционирования объекта представлены в табл.1. Таблица 1 Рекомендации по выбору методов риск-анализа Метод

Анализ «Что будет, если...?» Метод проверочного листа Анализ опасности и работоспособности Анализ видов и последствий отказов Анализ деревьев отказов и событий Количественный анализ риска

Вид деятельности Размеще- Ввод в экс- Проек- ЭксРеконние плуататирова- плуата- струкцию/вывод ние ция ция 0

++

+

++

+

0

+

+

++

+

0

+

++

+

++

0

+

++

+

++

0

+

++

+

++

++

0

++

+

++

Примечание. Принятые обозначения: 0 - наименее подходящий метод анализа; + - рекомендуемый метод; ++ - наиболее подходящий метод.

24

Методы могут применяться изолированно или в дополнение друг к другу, причем качественные методы могут включать количественные критерии риска (в основном по экспертным оценкам с использованием, например, матрицы «вероятность-тяжесть последствий» ранжирования опасности). Полный количественный анализ риска может включать все указанные методы. Характеристика и условия применения различных методов анализа Методы проверочного листа (Сheck-List) и «Что будет, если...?» (WhatIt) или их комбинация относятся к труппе качественных методов оценки опасности, основанных на изучении соответствия условий эксплуатации объекта или проекта действующим требованиям промышленной безопасности. Результат использования метода проверочного листа - это перечень вопросов и ответов о соответствии объекта требованиям безопасности и указания по обеспечению безопасности. Метод проверочного листа отличается от «Что будет, если...?» более обширным представлением исходной информации и результатов о последствиях нарушений безопасности. Эти методы наиболее просты (особенно при обеспечении их вспомогательными формами, унифицированными бланками, облегчающими на практике проведение анализа и представление результатов), недороги (результаты могут быть получены одним человеком в течение одного дня) и наиболее эффективны при исследовании безопасности хорошо изученных объектов с известной технологией или объектов с незначительным риском крупной аварии. Анализ вида и последствий отказов (АВПО,Failure Mode and Effects Analysis- FMEA) применяется для качественной оценки безопасности технических систем. Существенной чертой этого метода является рассмотрение каждого аппарата (установки, блока, изделия) или составной части системы (элемента) на предмет того, как он стал неисправным (вид и причина отказа) и как этот отказ воздействует на техническую систему (последствия отказа). Анализ вида и последствий отказа можно расширить до количественного анализа вида, последствий и критичности отказа (АВПКО, Failure Mode, Effects and Critical Analysis- FMEA). В этом случае каждый вид отказа ранжируется с учетом двух составляющих критичности-вероятности (или частоты) и тяжести последствий отказа. Понятие критичности близко к понятию риска и может быть использовано при более детальном количественном анализе риска аварии. Определение параметров критичности необходимо для выработки указаний и приоритетности мер безопасности. Результаты анализа представляются в виде таблиц с перечнем оборудования, вида и причин возможных отказов, частоты, последствий, критичности, средств обнаружения неисправности (сигнализаторы, приборы контроля и т.п.) и рекомендаций по уменьшению опасности. В табл. 2 приведены рекомендуемые показатели (индексы) уровня и критерии критичности по вероятности и тяжести последствий отказа (события). При анализе необходимо выделять четыре группы, которым может быть нане25

сен ущерб от аварии: персонал, население, окружающая среда, материальные объекты (оборудование и сооружения промышленного предприятия и близлежащих населенных пунктов). Катастрофический критерий отказа по тяжести последствий приводит к смерти людей, наносит существенный ущерб объекту и невосполнимый ущерб окружающей среде; критический (некритический) -угрожает (не угрожает) жизни людей, потере объекта, окружающей среде; отказ с пренебрежимо малыми последствиями не соответствует ни одному из трех указанных выше критериев. В табл. 2 приведены буквенные обозначения категорий отказов (степени риска отказа): А (обязателен детальный анализ риска, требуются особые меры безопасности для снижения риска); В (желателен детальный анализ риска, требуются меры безопасности); С (рекомендуется проведение анализа риска и понятие мер безопасности); Д (анализ и принятие мер безопасности не требуется). Таблица 2 Матрица «вероятность-тяжесть последствий» Ожидаемая частота возКритерий отказов по тяжести последствий никновения (количество за год) катастрокритический некритичеотказ с префический отказ ский отказ небрежимо отказ малыми последствиями Частый отказ А А А С >1 -2 Вероятный отказ А А В С 1-10 -2 -4 Возможный А В В С 10 -10 отказ Редкий отказ А В С Д 10-4 Практически невероятный отказ