Источники техногенных рисков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Особенности рисков, связанных с техногенными объектами

2. Основные типы природно-техногенных аварий и катастроф

3. Источники техногенных рисков

4. Риски при техногенных и природных катастрофах

5. Концепция физико-химических основ идентификации потенциальных источников опасности

6. Риски при аварийных состояниях

7. Ресурс и безопасность несущих конструкций по критериям прочности, долговечности и механики разрушения

8. Диагностика и контроль запроектных аварий на АЭС

9. Системы контроля и диагностирования оборудования добычи нефти и газа, магистральных газонефтепроводов

10. Анализ риска

11. Оценка риска

12. Основной метододический инструментарий

13. Управление риском

14. Критерии управления риском

1. Особенности рисков, связанных с техногенными объектами

Быстрое развитие техногенных объектов является неотъемлемой чертой современного этапа развития человечества. Их эксплуатация позволяет решать многочисленные задачи повышения уровня и качества жизни людей, обеспечения безопасности индивидуумов, сообществ и государств. В то же время сооружение, эксплуатация и демонтаж техногенных объектов в свою очередь порождают факторы опасности, обусловливающие возможность негативного воздействия на людей и окружающую природную среду. Многие экологические проблемы современности связаны с резким ростом производства и потребления энергии, использованием ядерной энергии, экстенсивным использованием вредных химический веществ.

Бурное развитие промышленности во второй половине двадцатого века, повлекшее за собой очевидное загрязнение окружающей среды, а также ряд катастроф на техногенных объектах, приведших к человеческим жертвам, выдвинули вопросы техногенной безопасности на передний план, привлекая внимание как законодательных и регулирующих органов, так и широкой общественности и чутко реагирующих на изменения общественного мнения политиков.

Первым и очевидным побуждением было требование сделать техногенные объекты "настолько безопасными, насколько это практически достижимо" (в западной литературе это получило название принципа ALAPA.

Это требование нашло отражение в законодательных и нормативных документах многих промышленных стран (в том числе и СССР). При этом снижение опасности достигалось главным образом экстенсивным путем, за счет введения специальных систем безопасности, что вело к повышению уровня затрат на техногенные объекты.

Постепенно становилось все более ясно, что принцип "чем больше, тем лучше" применительно к системам промышленной безопасности отнюдь не является оптимальным. Действительно, чем больше тратится средств на технические системы безопасности, тем меньше их остается (в силу ограниченности ресурсов общества) на здравоохранение и повышение качества жизни. Снижение техногенной опасности до нуля вообще невозможно, так как это предполагало бы прекращение всей промышленной и сельскохозяйственной деятельности. Поэтому в современных условиях все большее предпочтение отдается принципу разумной оптимизации затрат на промышленную безопасность, известному также как принцип ALARA, в соответствии с которым следует стремиться к обеспечению уровня воздействия на население и окружающую среду "настолько низкого, насколько это разумно достижимо" с учетом экономических и социальных факторов. При этом обеспечивается распределение затрат, обеспечивающее наибольший выигрыш общества.

Эффективным инструментом оптимизации затрат в обеспечение безопасности является анализ риска и установление уровня приемлемого риска. В этой связи следует отметить, что впервые вопросы приемлемого риска применительно к космонавтике были разработаны и нашли практическое применение в России (Советском Союзе). Один из наиболее перспективных методов анализа риска -- вероятностный анализ безопасности (ВАБ). ВАБ давно уже с успехом применяется при разработке отечественных космических систем (космические аппараты и пусковые системы). В США методы ВАБ в космонавтике стали широко использовать только после гибели американского космического корабля "Челленджер".

Техногенная деятельность порождает целый спектр опасностей различного вида, дифференцируемых по типу опасных факторов и характеру наносимых их действием повреждений: химические, пожарные, радиационные и т.д. Кроме того, деятельность техногенных объектов порождает экологические и социально-психологические опасности. Поскольку техногенные объекты являются элементами экономики, их деятельность (или прекращение оной) связана с вопросами экономической безопасности.

Для значительной части членов общества риск, связанный с деятельностью техногенных объектов, является вынужденным, обусловленным решениями, принятыми без их участия и прямого согласия.

Высокая концентрация техногенных объектов на ограниченной территории усугубляет опасность аварий, так как усиливает синергетические эффекты вредных воздействий.

Проблемы, возникающие в связи с использованием техногенных объектов, обусловлены как их непосредственным и постоянным воздействием на людей и окружающую среду, так и с наличием вероятности усиления имеющихся негативных воздействий и появления новых вредных факторов в результате нарушения правильных условий эксплуатации или возникновением аварийных ситуаций. В связи с этим возникают критические вопросы:

1 - какой риск можно считать максимально допустимым;

2 - до какого уровня целесообразно снижать риск, который считается условно допустимым, и как сбалансировать это снижение с точки зрения получаемых выгод и сделанных затрат.

Ряд государств ввели или намерены ввести политику управления риском в рамках общей политики в сфере безопасности. Такая политика осуществляется по двум направлениям: политика, ориентированная на воздействие, и политика, ориентированная на источник.

Политика, ориентированная на воздействие, должна исходить из целей, сформулированных по отношению к качеству окружающей среды. Ее конечная цель -- такое состояние окружающей среды, когда нельзя ожидать никаких вредных воздействий на людей, животных, растительность и продукты, вызванных порожденными техногенной деятельностью загрязнением или физическими воздействиями. Эта цель слишком абстрактна, чтобы служить руководством для управления риском и, особенно, чтобы успешно противостоять направленной на максимальный экономический результат техногенной деятельности. Поэтому необходимо сделать этот требуемый уровень безопасности понятным, количественно оценив концентрации вредных веществ в воде, почве и воздухе, или уровень воздействия на организмы, или результаты действия шума, радиации, тяжелого запаха, или уровень опасности, которая считается незначительной с точки зрения экологии. Этот тем или иным образом оцененный и выраженный уровень принимают за целевое значение.

В большинстве случаев (концентрации веществ и т.д.) целевое значение представляется достижимым только в далекой перспективе. В такой ситуации к целевому значению следует двигаться постепенно, в несколько стадий. Это можно делать с помощью стандартов безопасности, которые можно реализовать в краткосрочной или ближнесрочной перспективе, и которые обоснованно гарантируют, что риск остается ниже максимально допустимого уровня. Такие стандарты безопасности -- результат компромисса между желательными значениями и тем, что реально достижимо технически, экономически или в каком-либо другом отношении (например, с точки зрения перспективы использования земли). Диапазон значений риска, в котором может иметь место этот компромисс, ограничен, с одной стороны, уровнем, при котором риск для людей, животных, растений, продуктов и т. д. максимально допустимый, а с другой стороны -- уровнем, при котором риск пренебрежимо мал. Таким образом, политика, ориентированная на воздействие, должна определить предел, до которого должны быть снижены полная эмиссия вредных газов в атмосферу, захоронение вредных веществ и другие виды потенциально опасных проявлений техногенной деятельности.

Формулируя политику, ориентированную на источник, следует определить, какие категории источников вредных факторов могут создавать нежелательные воздействия, и насколько велик вклад каждой из этих категорий. Целью является наиболее целесообразное распределение усилий по снижению этих воздействий, основанное на учете вклада каждого загрязнения в полную опасность. Распределение усилий по контролю загрязнения атмосферы нефтеперерабатывающими заводами, электростанциями, сельским хозяйством и транспортом -- пример этого.

2. Основные типы природно-техногенных аварий и катастроф

На основе анализа последствий и периодичности природно-техногенных аварий и катастроф можно выделить их следующие классы: планетарные, глобальные, национальные, региональные, местные, объектовые (табл. 1.1.8.). По мере развития человечества и его возможностей в промышленной и военной сферах все больше возрастают риски переходов к наиболее тяжелым авариям и катастрофам.

Планетарные катастрофы с возможностью гибели жизни на Земле связываются с такими катастрофическими природными явлениями, как столкновение Земли с крупными астероидами, имеющими скорости движения до 80 км/сек, а также с полномасштабными военными действиями с применением современного ядерного, термоядерного и химического оружия массового поражения. В табл. 1.1.9. показаны основные характеристики глобальных, национальных, региональных, местных и объектовых катастроф.

Глобальные катастрофы могут затрагивать территории ряда сопредельных стран; периодичность таких катастроф оценивается в 30 - 40 лет и более, число пострадавших в них достигает более 100 тыс., а экономический ущерб может превышать 100 млрд. долл. Такие последствия связываются с крупномасштабными техногенными катастрофами на ядерных реакторах гражданского и военного назначения с расплавлением активной зоны, на предприятиях ядерного цикла, на ядерных боеголовках, на мощных ракетах-носителях, на атомных подводных лодках и надводных судах, на складах с химическим оружием и на крупных химических предприятиях с большими запасами сильнодействующих ядовитых отравляющих веществ. К природным катастрофам с глобальными последствиями можно отнести крупнейшие землетрясения, извержения вулканов, цунами, ураганы.

Национальные катастрофы затрагивают территории отдельных стран; их периодичность составляет 15-20 лет; при этом число жертв и пострадавших не менее 10 тыс. человек, а экономические ущербы достигают 10 млрд долл. и более. Такие катастрофы могут возникать на указанных выше объектах, а также при транспортировках больших масс людей и опасных грузов, на пересечениях магистральных трубопроводных систем с транспортными линиями и линиями электропередач, при пожарах на крупнейших промышленных и гражданских комплексах, при падениях самолетов на опасные объекты, при разрушениях крупных плотин и дамб. К опасным природным процессам с последствиями национального масштаба относятся землетрясения, ураганы, наводнения, лесные пожары, селевые потоки и др..

Природные и техногенные катастрофы регионального масштаба захватывают территории целых республик, краев и областей; их периодичность составляет 10-15 лет. Число жертв и пострадавших в них может превышать 1000 человек, а экономический ущерб - 1,0 млрд. долл. Такого рода катастрофы вызываются теми же причинами и приводят к тем же последствиям, что и национальные катастрофы. Дополнительно к ним можно отнести взрывы и пожары на объектах с опасными веществами, при крушениях поездов, судов и самолетов, при взрывах на металлургических комплексах, элеваторах, шахтах. Дополнительными опасными природными процессами являются обвалы, ливни, оползни, снежные лавины, горные удары.

Локальные (местные) аварии и катастрофы создают ущербы для городов и районов. Частота их возникновения существенно выше - менее одного года; пострадавшими в них оказываются сотни людей, а экономический ущерб достигает 100 млн. долл. Спектр основных причин и источников локальных аварий и катастроф дополняется обрушениями и пожарами на промышленных и гражданских сооружениях, при локальных выбросах радиоактивных и отравляющих веществ.

Объектовые аварии и катастрофы ограничиваются территориями санитарно-защитных зон объекта; частота таких аварий и катастроф характеризуется временем до одного месяца; число жертв и пострадавших находится на уровне десятков, а экономический ущерб - на уровне миллиона долл. Наиболее частыми здесь являются пожары, взрывы, столкновения и крушения транспортных средств, обрушения, провалы.

Такая классификация аварий и катастроф в природно-техногенной сфере позволяет более ориентированно вести разработку методов и систем их анализа, прогнозирования и предотвращения.



3. Источники техногенных рисков

Источниками техногенных рисков принято называть различные опасности, приводящие к нештатному функционированию технических систем или к ошибкам операторов. Различают внутренние и внешние источники для каждого технического устройства и каждой технической системы.

К внешним источникам обычно относятся:

· природные воздействия, связанные с опасными явлениями природы;

· внешние пожары, взрывы;

· внешние техногенные воздействия (столкновения, аварии и катастрофы на др. техногенных объектах и т.п.);

· внешние бытовые воздействия (отключение питания, водоснабжения, протесты населения);

· диверсии, акты терроризма;

· военные действия;

· иные.

К внутренним источникам обычно относятся:

· ошибки собственных операторов;

· внутренних саботаж;

· отказы технических устройств, в составе технической системы;

· разрушения несущих конструкция вследствие дефектов или усталости конструкционных материалов;

· внутренние аварии, вызванные отключением питания, водоснабжения, перерывом технологических процессов и т.п.;

· внутренние пожары, взрывы;

· структура технической системы, наличие узлов и цепочек инцидентов;

· иные.

Для технических объектов характерно накопление определенных запасов энергии, концентрация энергии на ограниченных пространствах.

Важно отметить, что для каждой технической системы существует свой набор источников опасности, как направленных на нее, так и исходящие от нее. По мере усложнения технической системы количество источников опасности увеличивается. Обычно источники опасности объединяются в различные группы, которые служат основой для факторного анализа техногенных рисков.

4. Риски при техногенных и природных катастрофах

Проблемы оценки рисков при возникновении катастроф природного и техногенного характера приобрели особую актуальность на рубеже XX и XXI веков. Если принять, что история человеческого существования измеряется протяженностью 1,5 - 2,5 млн. лет, то для человека потенциальные опасности природного происхождения характеризуются выраженным наложением цикличности на медленно (на протяжении сотен миллионов и миллиардов лет) и монотонно протекающие процессы на Земле и в Космосе. Глобальные изменения состояния земной поверхности, Мирового океана и климата на Земле в связи с гелио-геопроцессами характеризуются большими циклами - от 10 - 20 тыс. лет до 500 - 1100 тыс. лет и более. Они вызывают глобальные потепления и похолодания, вариации положения земной оси, магнитного поля, состояния атмосферы, стратосферы и ионосферы.

На эти монотонные и циклические процессы могут накладываться случайные (с чрезвычайно малой вероятностью до 10'⁸-10~⁹ и менее в год) планетарные природные катастрофы, обусловленные весьма большими (близкими к взрывным) изменениями активности Солнца, прохождениями планет через астероидные и метеоритные пояса с возможными их столкновениями.

Указанные выше монотонные, циклические и случайные процессы земного и космического масштаба приводят к кардинальным изменениям условий жизни на Земле. Несмотря на неизмеримо возросшие возможности человека противостоять природным и техногенным угрозам, закономерности и параметры этих процессов очень сложны в исследовании и количественном описании. В связи с этим такого рода глобальные катастрофы, затрагивающие все человечество и все живое на Земле, должны быть пока отнесены к гипотетическим, а степень реально прогнозируемой защищенности от них чрезвычайно мала. Последствия такого рода общепланетарных катастроф могут оцениваться как предельные, когда вероятность уничтожения жизни на Земле приближается к 100%. В этом случае риск летального исхода, обычно измеряемый числом смертей на 1000 человек, также составит 10³. При общем числе жителей на Земле в настоящее время порядка 5-Ю⁹ и вероятности возникновения общепланетарных природных катастроф в 10'⁶-10~⁹ 1/год, риск летального исхода для человека при такой катастрофе составляет 5-10°-5-10³, а риск уничтожения жизни будет 10⁶-10⁹ 1/год.

Глобальные природные катастрофы, обусловленные природными процессами на Земле и затрагивающие территории ряда стран и континентов (землетрясения, извержения вулканов, цунами, ураганы), зарегистрированы за период 10³-10⁴ лет с человеческими жертвами до 10⁶ чел. При средней численности населения на период таких катастроф до 5-10⁸ риск летального исхода для одного жителя Земли составляет от 2-Ю⁶ до 2-Ю⁷ 1/год, или 2-10° на одну тысячу. Необратимый ущерб живому при этих катастрофах возникал на ограниченных территориях -- до 5-10~⁶-10⁷от поверхности Земли. Тогда риск уничтожения жизни на Земле при таких катастрофах можно оценить, как (2-5)-10¹⁰ 1/год. Риск уничтожения жизни на 1-2 порядка меньше, чем при общепланетарных природных катастрофах; риск летального исхода при этом меньше в 5-10² раза.

Можно принять, что реальные техногенные угрозы для человека (пожары, взрывы, обрушения) на протяжении последних 10⁴-10³ лет стали значительными только в последние столетия, когда началось интенсивное гражданское строительство поселений, плотин, акведуков, дамб. Крупные пожары в древнеримских и средневековых городах возникали с периодичностью 50 - 100 лет и гибелью в них до 10³ человек и более. В этом случае риск летального исхода составлял (1-2)-10*⁷1/год или 2-10 ² на 1000 жителей. В последние десятилетия риск летального исхода при техногенных катастрофах в силу ускоренного развития техногенной сферы и неподготовленностью человечества к защите от них резко возрос и стал достигать (2-3)-10"¹ на 1000 жителей. Эти риски становятся сопоставимыми или превосходят риски гибели людей при всех видах природных катастроф, составляющих (0,3-0,5)-10¹ на 1000 жителей.

В табл. 1.1.10. Приведены данные о вероятности летального исхода в быту и в профессиональной деятельности (6 человек/час). Летальность на транспорте, в горных работах и в строительстве может превышать бытовую в 3 -- 5 раз и более. В России в последнее десятилетие многие из показателей индивидуального риска повысились в 1,5 -- 2 раза.

Глобальными антропогенными катастрофами по своим последствиям можно считать крупнейшие войны. Если до начала XX столетия в этих войнах вероятность смертей достигала 0,3 - 0,5 на 1000 жителей, то в первой мировой войне этот показатель достиг 5, а во второй -- 25 на 1000 жителей.

Появление оружия массового поражения -- ядерного, химического и бактериологического -- и угроза третьей мировой термоядерной войны сопряжены с возможностью антропогенной общепланетной катастрофы с вероятностью летального исхода 5-10°-Ы0¹. Это означает возможность многократного уничтожения всего человечества. При этом, как и при природных общепланетарных катастрофах, возможно уничтожение жизни на Земле с риском, превышающим указанный выше на много порядков.

Возможность и необходимость исключения такой войны в последнее десятилетие была показана расчетами и крупномасштабными экспериментами.

Таким образом, на протяжении последнего столетия резко изменились соотношения между рисками природных и техногенных катастроф. Человечеству необходима разработка новой концепции резкого уменьшения рисков и предотвращения чрезвычайных ситуаций от техногенных катастроф и снижения ущерба от природных катастроф.

5. Концепция физико-химических основ идентификации потенциальных источников опасности

Процессы производства, хранения, транспортировки, переработки и применения различных химических соединений являются неотъемлемой основой современного народного хозяйства во всех его формах. Ряд из упомянутых веществ и способы их переработки являются потенциально опасными ввиду горючести, токсичности или склонности к взрывному превращению, а также в связи с повышенными уровнями параметров технологических операций (в первую очередь с особыми значениями температуры и давления). Широкий спектр химических веществ, вовлеченных в обращение при хозяйственной деятельности, разнообразие технологических схем предопределяет возможное разнообразие вариантов аварийных техногенных ситуаций и их последствий. Дополнительное осложнение сопряжено с сосуществованием сложных технических систем с конкретными природными факторами риска, порождаемыми стихийными явлениями, становящимися в ряде случаев спусковым механизмом для последующей техногенной катастрофы.

Накопленная статистика о техногенных катастрофах и анализ основных причин гибели людей и разрушения производственных помещений и жилых комплексов позволяет сделать определенные концептуальные выводы об основных факторах опасности, сопровождающих промышленные аварии и природные катастрофы, обусловленные физическими и химическими процессами, происходящими с веществами и соединениями, вовлеченными в аварию. Основными причинами гибели персонала аварийного технического объекта и людей на территории, прилегающей к нему, являются:

- разрушение зданий и сооружений;

- различные формы пожара (преимущественный фактор поражения - тепловое);

- разлетающиеся осколки и фрагменты оборудования (осколочное поражение);

- падение, столкновение или удар биообъектов с неподвижными элементами конструкций;

- отравление (удушение) газообразными продуктами выброса либо исходных соединений, либо соединений, образовавшихся при химическом превращении в процессе аварии (токсическое поражение);

- прямое поражение ударными или взрывными волнами давления (фугасное поражение).

Примерная диаграмма распределения несчастных случаев, обусловленных перечисленными причинами, представлена на рис. 3.1.

Представляет практический интерес экспертное заключение о вероятности и частоте появления перечисленных факторов поражения при свершившейся промышленной аварии.

При особо крупномасштабных авариях замечалось дополнительное сотрясение почвы. На современном этапе этим фактором аварий пока пренебрегают из-за неизученности.

Кроме того, на основе анализа последствий крупнейшей физико-химической аварии на продуктопроводе (Башкирия, июнь 1989 г.) сделан новый вывод ещё об одном последствии быстрого выгорания значительной массы углеводородного горючего вблизи неровной земной поверхности, покрытой порослями кустарника и низкорослого леса. Оказывается, что выгорание приземного слоя углеводородовоздушной смеси при центральном или периферийном поджигании способно вызвать мощный ураганный порыв движения атмосферы. В упомянутой аварии в Башкирии именно этот порыв воздуха вызвал ориентированный повал леса в направлении смещения воздушного вихря, образованного перемещением фронта пламени.

В связи с тем, что разрушение зданий и сооружений в основном вызывается фугасным действием наружных взрывных превращений или действием внутренних взрывов опасность вызывающих их физико-химических процессов сводится к следующим основным факторам:

- фугасный;

- тепловой;

- осколочный;

- токсический.

Сделанный вывод подтверждается также статистическими данными по авариям на газопроводах Средняя Азия - Центр. Распределение аварий по времени представлено на диаграмме (рис. 3.3.).

Избранная концепция физико-химических основ идентификации потенциальных источников опасности позволяет избежать ненужной детализации и сформулировать методические подходы к анализу вероятной аварийной ситуации на произвольном промышленном объекте. Все эти подходы обоснованы на многочисленных исследованиях разнообразных химических и физических явлений, которые здесь не рассматриваются.

После того как на основе фундаментально-прикладных теоретических и экспериментальных исследований, а также данных расследований аварий, установлены основные факторы, характеризующие различные виды поражения при химико-термических авариях, и найдена их связь с параметрами источников опасности, состоянием окружающей среды и относительным расположением донора и акцептора фактора опасности, имеется реальная возможность оценить ожидаемый уровень ущерба для акцептора опасности. Акцепторами факторов поражения выступают различные биообъекты (в том числе и человек), объекты промышленной и жилой застройки, элементы конструкций, объекты растительного происхождения и сама окружающая среда. Каждый из акцепторов факторов поражения (фугасное, осколочное, тепловое, токсическое) испытывает как правило комбинированное влияние нескольких типов воздействия. На данном этапе понимания уровней, степени и особенностей поражения от комплексных источников опасности нет надежных критериев и методов оценки комбинированного воздействия. Поэтому приходится вынужденно рассматривать отдельные факторы опасности как изолированные и исключать эффекты аддитивности или синергетичности одновременного действия нескольких факторов поражения.

Имеется ряд исторических причин, затрудняющих внедрение современных способов оценки и использование новых критериев ожидаемого ущерба. В связи с анализом ущерба от оружия массового поражения сложилась практика пренебрежения эффектами конечного времени действия источников опасности при многих типичных авариях на предприятиях химической, топливо-энергетической, горнорудной и иных отраслей промышленности. Пренебрежение конечностью временного периода действия ранее было оправдано недостаточным уровнем понимания реального динамического отклика любых акцепторов поражения. В итоге многие нормативные документы существенно завышают ожидаемые отрицательные последствия аварии, приводят к неразумным дорогостоящим мерам противодействия, дезориентируют персонал при проведении профилактических, ликвидационных или защитных мероприятий. Ряд ошибок при оценках опасности обусловлен неполным осознанием вероятностного характера наступления определенного уровня поражения при известном уровне параметров анализируемого фактора воздействия (амплитуда волны давления, уровень температуры, величина теплового потока, уровень скоростей движения атмосферы и т.п.). Обычно считается, что достижение некоего критического уровня воздействия однозначно ведёт к 100% -ной вероятности реализации соответствующего ущерба. В действительности такой детерминизм никогда не реализуется и реальные разрушения оказываются намного менее значительны.

При анализе аварий необходимо установить типичные случаи утраты герметичности в элементах технологического оборудования с описанием наиболее вероятных мест разрушения и их масштабов. Другим важным аспектом при оценке опасности является определение соответствующих химических и физических свойств веществ, используемых в технологическом процессе и находящихся на промышленной площадке. Такие свойства желательно знать как при штатных режимах работы, так и при экстремальных аварийных обстоятельствах. Особо следует выделить вероятность выброса токсичных и (или) реакционноспособных (горючих) веществ. При этом возможность выхода какого-либо химического процесса из-под контроля уместно предусмотреть на самых ранних стадиях предполагаемого сценария аварии. На основе выводов, полученных после реализации описанных этапов, определяется последовательность физико-химических явлений, возникающих при аварии, и оцениваются условия возможного контроля над их развитием с учётом потенциальных способов подавления. Как правило сценарий аварии и её последствия заданы свойствами веществ, используемых в элементах оборудования, среди которых наиболее важными являются: фазовое состояние (жидкость, газ, двухфазная система); давление; температура; способность к воспламенению и горению; токсичность.

При выбросе токсичного и горючего соединения необходимо рассматривать оба последствия развития аварийной ситуации, обусловленного горением и заражением атмосферы, почвы и воды. Специально отметим, что при горении некоторых веществ образуются высокотоксичные продукты горения. Опасные вещества и соединения могут быть сгруппированы по следующим категориям:

- жидкости, хранимые при атмосферных условиях или при давлении и температуре окружающей среды;

- сжиженный газ, хранимый под давлением, но при температуре окружающей среды;

- сжиженный газ, хранимый при атмосферном давлении, но при пониженной температуре;

- сжиженный газ, хранимый под давлением и при пониженной температуре. Выброс такого газа сопровождается импульсной фазой быстрого испарения;

- сжатый газ, смесь пара с газом.

Следует различать три типа взрывов: физические, химические и взрывы типа "BLEVE".

Физические взрывы не сопровождаются химическими превращениями с выделением тепла и образованием продуктов сгорания. Типичный пример физического взрыва - разрыв сосудов высокого давления, наполненных негорючими газами, паром или многофазными сжимаемыми системами (пыль, пена).

Химические взрывы сопровождаются химическими превращениями с выделением тепла и продуктов горения (газообразных, конденсированных). Типичные примеры химических взрывов - взрывы газовоздушных облаков, взрывы конденсированных ВВ, пылевые взрывы.

"BLEVE" (взрыв паров вскипающей жидкости) - особый тип физико-химического взрыва, характерного для емкостей под давлением, наполненных легкокипящей жидкостью (чаще всего - сжиженным горючим газом) и подвергаемых внешнему нагреву. В процессе нагрева отмечается быстрый рост внутреннего давления, разрыв емкости с малым фугасным эффектом, выброс горючего в атмосферу с последующим воспламенением и образованием огненного шара. Главный фактор поражения при "BLEVE" - мощное импульсное тепловое излучение. Отметим, что при разрыве емкости образуются высокоскоростные осколки оболочки, способные вызвать значительные повреждения соседнего оборудования в случае, когда отсутствуют специальные заградительные сооружения.

Строгий анализ аварийной ситуации особенно сложен в случаях, когда в инциденте участвует смесь опасных веществ. Здесь при анализе следует опираться на физико-химические свойства основного компонента смеси. Возможно ещё одно полезное упрощение, если один из компонентов смеси является токсичным. В этом случае свойства токсичности этого вещества распространяются на всю смесь. Например, в случае утечки углеводорода с примесями сероводорода всю смесь можно рассматривать как вещество с физическими свойствами углеводорода (при анализе формирования облака и его последующего горения или взрыва) и с токсичностью сероводорода. Одновременное наличие смеси горючего газа и токсичной примеси с воздухом предполагает параллельный анализ взрывных эффектов и токсического поражения.

При выбросе токсичной жидкости, не кипящей при атмосферном давлении, несмотря на незначительное испарение, облако паров как правило не образуется. Основная опасность от таких проливов сконцентрирована вблизи места утечки продукта. Дополнительно следует принять во внимание возможность стоков в реки, море или другие бассейны. Подобные соображения служат базой для создания обваловок, поддонов в местах вероятных проливов.

Особое внимание следует уделить тому факту, что при проливе сжиженного или охлажденного компонента сначала образуется бассейн с жидкостью, постепенно переходящий в парогазовое облако. Поэтому случайное или преднамеренное воспламенение на ранних стадиях завершается только пожаром, тогда как запаздывающее воспламенение требует рассмотрения модели газового взрыва.

При изучении последствий выбросов токсичных веществ чаще всего используется модель рассеяния тяжелых газов в облаках небольшой толщины, отслеживающих профиль окружающей место утечки местности. Это обусловлено физическим состоянием облака, как правило имеющего температуру ниже, чем окружающая атмосфера.

При анализе любого сценария аварии необходимо учитывать возможность вовлечения в процесс других источников опасности. Таковыми могут быть соседние хранилища опасных веществ, коммуникации, разрушение которых сопровождается дополнительными очагами поражения. Здесь существенен контроль над плотностью опасных веществ, который задает тип распространения облака в атмосфере: всплывание, осаждение или нейтральное смешение с воздухом. Подобная информация вместе с данными о вероятных источниках поджигания позволяет оценить массу вещества, вовлекаемого во взрывное превращение. На многих технологических установках безопасность обеспечивается установкой клапанов, вентилей, систем аварийного сброса давления и т.п.. При этом места наиболее вероятных разрывов достаточно просто идентифицировать. Чаще всего здесь устанавливаются системы сброса давления с учетом того, что горючие вещества не должны истекать через вентиляционные приспособления. Например, при аварийном погасании дежурного факела на башне дожигания попутных горючих продуктов, в атмосферу не должны поступать опасные количества горючего или токсичного продукта. При реализации конкретного технологического процесса необходимо исключить или сделать маловероятным развитие нежелательных химических реакций, способных вызвать неконтролируемое повышение давления и температуры.

При утечке опасных веществ из больших резервуаров важно правильно оценить время, в течение которого удается реально изолировать емкость от внешней среды с помощью отсечной аппаратуры. Этот период времени зависит от следующих факторов:

- возможности обнаружения утечки с помощью газовых, температурных и иных детекторов с учетом их размещения и времени быстродействия;

- инерционности действия систем отсечки и изоляции, связанной с наличием автоматизированных или ручных устройств и включающей время активации соответствующих устройств;

- надежности и скорости срабатывания отсечных клапанов и запорных регуляторов.

Можно предполагать, что масштабные разрывы и выбросы опасных веществ обнаруживаются немедленно либо детекторами, либо персоналом. На объектах с неавтоматизированными системами управления время устранения аварийных выбросов зависит от действий операторов, надежности систем оповещения и тренированности персонала и составляет от 3 до 15 минут (с учётом факторов паники, стресса и потенциальных ошибок). Для автоматизированных систем время срабатывания зависит от размеров клапанов и уровня рабочих параметров (в основном - давления). Считается, что характерное время срабатывания больших клапанов при высоком давлении составляет около 30 секунд.

В любом случае анализ последствий аварии или построение ее вероятного сценария могут быть существенно упрощены при использовании базы данных по уже случившимся промышленным катастрофам, подвергнутым достаточной экспертизе и описанию. При выборе аналогов самой существенной является общность природы и физико-химических свойств опасного вещества и способов его переработки и хранения. Существующая информация о типичных авариях на продуктопроводах, системах хранения и раздачи горючих веществ позволяет сделать ряд важных практических выводов:

- основные факторы поражения биообъектов и оборудования обусловлены фугасными и тепловыми эффектами при сгорании парогазовоздушных систем;

- в незагроможденном пространстве отсутствует фугасный фактор поражения, и вся опасность связана с тепловыми потоками при горении, в основном длительностью и интенсивностью теплового излучения;

- в загромождённом пространстве с размерами более [15x15x5] м³ можно ожидать быстрые режимы горения с серьезными последствиями от фугасного действия волн давления;

- погодные условия (температура окружающей среды, сила ветра и т.п.) несущественно влияют на взрывоопасность газовых смесей.

6. Риски при аварийных состояниях

При штатном функционировании объекта техногенной сферы имеет место ситуация, тем или иным образом предусмотренная и проанализированная проектировщиками и регулирующими органами, выдавшими разрешение (лицензию) на строительство, эксплуатацию (или на снятие с эксплуатации) данного предприятия. Как правило, при этом должен обеспечиваться достаточный уровень безопасности, хотя, как мы знаем, исторически сложилось так, что для целого ряда предприятий этот уровень недостаточно высок с точки зрения населения и ввиду растущих требований к охране окружающей природной среды. Но существенно, что хотя при этом и могут происходить сбросы вредных веществ за пределы предприятия (в том числе эмиссия загрязняющих атмосферу газов), эти сбросы имеют известную (или лежащую в известных пределах) величину и поэтому к ним можно, так или иначе, приспособиться.

При этом воздействие опасных факторов имеет прогнозируемый характер, и общество, в принципе, имеет достаточно информации и времени, чтобы адекватно отреагировать на наличие такого рода рисков. Неопределенность, связанная с эмиссией загрязняющих атмосферу веществ и влиянием других вредных факторов, вообще говоря, невелика (в предположении надлежащего состояния регулирования).

Иное положение возникает при отходе от штатной ситуации, особенно если этот отход ведет к развитию аварийного процесса. Следует иметь в виду, что при значительном отклонении от штатных режимов работы многие технические системы попадают в сложные условия работы, и резко возрастает вероятность различного рода отказов, а персонал находится в условиях дефицита времени на принятие решений и высокой нервной нагрузки. При этом возможны различные цепочки событий развития аварийного процесса и значительно возрастают различного рода неопределенности.

Если при штатном функционировании характер и величина рисков, вообще говоря, известны, то в аварийных условиях эти риски, как правило, резко возрастают, и, кроме того, возможно появление новых факторов опасности. Усиливается синергетический эффект их проявления.

Как уже говорилось, развитие аварии носит вариантный характер: при этом реализуется одна из множества возможных цепочек событий. На течение аварийного процесса влияют как состояние оборудования, изменение условий его работы из-за аварийной обстановки и связанные с этим отказы, так и действия персонала и еще ряд факторов, вплоть до метеорологической обстановки в зоне аварии. Ряд возможных цепочек событий развития аварии можно предугадать при проектировании нового предприятия или анализе деятельности уже работающего предприятия. В таком случае говорят о проектной аварии. Для проектных аварий разрабатывают специальные меры предупреждения их возникновения или/и смягчения их последствий.

Однако развитие событий может пойти по непредусмотренному пути и привести к тяжелым последствиям, как для самого предприятия, так и для окружающей среды (окрестного населения и окружающей природной среды). Такие аварии называют запроектными. В особо неблагоприятных случаях авария может перерасти в катастрофу локального, регионального или даже глобального характера. Особое значение приобретает управление аварией с тем, чтобы направить ход ее развития по возможности в менее опасное русло и тем самым смягчить неблагоприятные последствия.

7. Ресурс и безопасность несущих конструкций по критериям прочности, долговечности и механики разрушения

Проблемы продления ресурса безопасной эксплуатации машин и конструкций приобрели исключительную актуальность во всех промышленно развитых странах в последние десятилетия. Для нас важность их решения обусловлена снижением объемов производства для восполнения выводимых из эксплуатации машин и конструкции. Это в первую очередь касается объектов тепловой и ядерной энергетики, нефтегазопроводов, химической промышленности, наземного, надводного и воздушного транспорта, промышленного и гражданского строительства. Такого же характера проблемы имеют место и в оборонном комплексе: ракетно-космической технике, авиации, надводном и подводном флоте с ядерными силовыми установками.

Во многих странах мира и в международном научном сообществе проблемы продления ресурса стали ведущими для научно-исследовательских, конструкторских и технологических организаций, служб надзора и эксплуатации потенциально опасных объектов. В этой связи следует упомянуть программы США, ФРГ, Франции по развитию работ в области продления ресурса гражданских самолетов и атомных энергетических реакторов. В нашей стране указанные работы ведутся не только на ведомственном (Минатом, Минстрой, Минтранспорт, Госгортех-надзор, Госатомнадзор, Госавианадзор, РАО "Газпром" и ЕЭС, Минобороны), но и на федеральном уровне. В 1991 г. они вошли составным элементом, а с 1996 г. -- специальным проектом в государственную научно-техническую программу "Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф".

При этом в комплексе должны быть решены следующие методические вопросы:

-- численный анализ исходного, использованного и остаточного ресурсов как отдельных объектов, так и систем объектов;

-- обоснование проектного, фактического и остаточного ресурсов;

-- оценка состояния конструкционных материалов несущих элементов с учетом исходной технологической наследственности и возникающих эксплуатационных повреждений;

-- определение характера, параметров, дислокации и размеров макро- и микродефектов в несущих элементах;

-- расчетный и экспериментальный анализ деформированных состояний несущих элементов;

-- исследование механизмов естественного и ускоренного старения;

-- оценка живучести материалов и элементов конструкций на разных стадиях повреждений;

-- комплексная диагностика ресурса;

-- предварительное и уточненное расчетно-экспериментальное определение остаточного ресурса.

Указанные выше методические разработки могут иметь как ведомственно-объектовый, так и унифицированный характер. При этом принципиально важно, что остаточный ресурс должен определяться с более высокой научно-методической точностью, чем проектный и исходный.

Для вновь проектируемых машин и конструкций расчеты прочности проводят применительно ко всему спектру эксплуатационных режимов нагружения, включая предпусковые и периодические испытания, пуски

-- остановы, регулирование рабочих параметров и срабатывание систем аварийной защиты.

Для надлежащего обоснования прочности, ресурса и трещиностойкости требуется комплекс расчетов напряженно-деформированного состояния несущих элементов, включающий определение номинальных а^э_н и максимальных а^э_{тах к} напряжений, амплитуд этих напряжений, максимальных 7^ъ_тахи минимальных Р _min температур эксплуатации, чисел циклов N* и времени т^э эксплуатации. Эти расчеты для сложных многоэлементных узлов дополняют испытаниями моделей из оптически активных (фотоупругость) и низкомодульных материалов и из соответствующих конструкционных материалов. Испытания проводят при имитации эксплуатационных режимов нагружения, а номинальные и локальные напряжения, деформации, температуры измеряют тензорезисторами, оптически активными и хрупкими тензочувствительными покрытиями, средствами муара, голографии, термовидения.

Для подтверждения критериальных характеристик прочности, ресурса и трещиностойкости проводят комплекс аттестационных испытаний на стандартных, унифицированных или специальных лабораторных образцах. В тех случаях, когда создаются новые и ответственные конструкции, проводят испытания моделей с доведением их до предельного состояния

-- развитие недопустимой деформации, вязкое или хрупкое разрушение, образование и развитие трещин. При этом широко используют методы и средства дефектоскопии -- ультразвуковой, рентгеновской, оптической, акустической и акустоэмиссионной, электромагнитной, термовизионной, голографической.

По результатам указанных испытаний решают две важные практические задачи:

-- обоснование принятых расчетных схем, расчетных случаев, предельных состояний и запасов прочности;

-- переход на новые, обычно пониженные, запасы прочности.

8. Диагностика и контроль запроектных аварий на АЭС

Мировой опыт эксплуатации АЭС, составляющий примерно 5000 реакторолет, показывает, что проблема безопасности -- проблема потенциально возможных маловероятных аварий по причине отказа технических систем, ошибок персонала и внешних воздействий. Объекты атомной промышленности (АЭС, промышленные и исследовательские реакторы, предприятия ядерного топливного цикла, атомные подводные лодки и пр.) относятся к потенциально радиационно-опасным объектам (РОО) при аварии и разрушениях которых могут произойти массовые поражения людей, животных, растений. Сила воздействия поражающих факторов определяется степенью тяжести аварии. Оценка степени тяжести аварии определяется по Международной шкале оценки опасности событий на АЭС.

Основными поражающими факторами в ходе запроектной аварии, связанной с разрушением активной зоны реактора при создании условий возникновения теплового или парового взрыва, будут ударная волна, тепловой и световой потоки, проникающая радиация. Эти факторы сопровождают разрушение активной зоны, и их действие проявляется в течение относительно короткого времени после аварии, и они локализованы вокруг места взрыва. Вторичными факторами аварии будут пожары, разрушения, затопления и радиоактивное заражение окружающей среды, которое может быть опасным на протяжении суток, недель и лет после аварии.

При эксплуатации АЭС рассматриваются следующие режимы функционирования: нормальная эксплуатация, нарушение нормальной эксплуатации, аварийная ситуация, авария. В свою очередь аварии подразделяются на проектные, максимально-проектные, тяжелые запроектные, запроектные и ядерные аварии.

Главная цель ядерной безопасности заключается в том, чтобы обезопасить от вредных воздействий отдельных лиц, общество и окружающую среду путем создания и поддержания на АЭС эффективной защиты от радиологической опасности. Такая защита, достигаемая техническими средствами и организационными мероприятиями, реализуется на основе последовательных уровней безопасности -- "принципа защиты в глубину". В рамках этого принципа задача первого уровня безопасности -- предотвращение аварий и инцидентов, поддержания эксплуатации АЭС в пределах, исключающих возникновение аварии, обеспечивается гарантиями качества работ, обработанностью конструкций установки, надежностью систем и квалификацией персонала. Задачей второго уровня является защита от проектных аварий, т.е. перевод реакторной установки в безопасное состояние и предотвращение развития аварии, которая должна подавляться на ранней стадии. Этот уровень обеспечивается системами безопасности. Задачей третьего уровня безопасности является защита от маловероятных и гипотетических аварий, ограничение их последствий.

Для достижения главной цели безопасности -- предотвращения выхода радиоактивных продуктов за пределы физических барьеров предусматривается выполнение следующих фундаментальных функций безопасности:

-- контроль и управление реактивностью, обеспечение охлаждения активной зоны реактора, локализация и надежное удержание радиоактивных продуктов.

Эти функции реализуются в соответствии с принципом защиты в глубину во всех проектах АЭС. При эксплуатации требуется выполнение этих фундаментальных функций одновременно и постоянно. Для реализации выполнения этих фундаментальных функций служат системы нормальной эксплуатации, важные для безопасности, и системы безопасности, которые по характеру выполняемых ими функций разделяются на защитные СБ, локализующие СБ, управляющие СБ, обеспечивающие СБ.

Согласно требованиям ПН АЭС все системы, оборудование и трубопроводы АЭС (элементы АЭС), предназначенные для выполнения фундаментальных функций, подлежат ранжированию на классы по влиянию элементов и систем на безопасность, и группы безопасности по степени влияния систем, составной частью которых они являются, на безопасность.

Еще на стадии проектирования АЭС в вероятностном анализе безопасности (ВАБ) проекта реакторной установки проводится анализ безопасности. В нем для всего спектра исходных событий проектных и запроектных аварий (отказов тех или иных систем) рассматриваются сценарии развития аварии, строятся "деревья событий", выявляются наиболее слабые узлы и системы оборудования АЭС, отказ которых способствует развитию аварийных процессов, и принимаются решения по введению дополнительных мер безопасности. Это позволяет уже на первом уровне ВАБ выявить наиболее существенные меры по повышению безопасности АЭС и снижению вероятности тяжелой аварии, произвести ранжирование систем и элементов систем АЭС.

Основное техническое решение, обеспечивающее радиационную безопасность АЭС, состоит в принципе эшелонированной защиты, включающей последовательный ряд независимых преград на пути от места образования радиоактивности до окружающей среды. Такими барьерами, предотвращающими распространение радиоактивности, являются топливная матрица, оболочка твэлов, корпус реактора или металлоконструкции реактора, системы оборудования и трубопроводов, прочноплотные боксы, конфтайнменты и контайменты и др.

Для повышения самозащищенности систем безопасности и барьеров АЭС разрабатываются и совершенствуются средства диагностики этих систем. Поэтому среди мероприятий, направленных на обеспечение надежной и безопасной работы АЭС, предотвращение и локализацию аварийных ситуаций и аварий, восстановление нормального состояния технологического оборудования важное место принадлежит технической диагностике. Глубина диагностирования каждого элемента зависит от класса и группы системы безопасности, к которой он относится, и осуществляется на основе критерия влияния отказа элемента на безопасность реакторной установки. Диагностирование систем безопасности и барьеров проводят на всех этапах жизненного цикла АЭС.

Согласно требованиям ОПБ-88/97 ядерный объект отвечает требованиям безопасности, если его радиационное воздействие на персонал, население, окружающую среду при нормальной эксплуатации и проектных авариях не приводит к превышению установленных доз облучения персонала и населения и нормативов по выбросам и содержанию радиоактивных веществ в окружающей среде, а также ограничивает это воздействие при запроектных авариях. Однако эксплуатация АЭС показала реальность возникновения аварийных ситуаций, поэтому в ОПБ-88/97 включены понятия проектных, запроектных, ядерных аварий и управления запроектной аварией. Запроектная авария -- авария, вызванная не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями или сопровождающаяся дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности сверх единичного отказа, реализацией ошибочных действий персонала, которые могут привести к тяжелым повреждениям или к расплавлению активной зоны. Уменьшение последствий запроектной аварии достигается управлением аварией и/или реализацией планов мероприятий по защите персонала и населения. Для этих действий используют любые имеющиеся в работоспособном состоянии технические средства, предназначенные для нормальной эксплуатации, для обеспечения безопасности при проектных авариях или специально предназначенные для уменьшения последствий запроектных аварий.