Методология применения анализа риска в целях обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АНАЛИЗА РИСКА В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МАРТЫНЮК ВАСИЛИЙ ФИЛИППОВИЧ

Москва 2009

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Прусенко Борис Ефимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Антипьев Владимир Наумович

доктор технических наук, профессор Хуснияров Мират Ханифович

доктор технических наук Лесных Валерий Витальевич

Ведущая организация: Головной научно-исследовательский и проектный институт Российской Федерации по проблемам газификации ОАО «ГИПРОНИИГАЗ»

Защита состоится 23 октября 2009 года в 14-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 2009 года.

Ученый секретарь совета подпись Лягов А..В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние промышленной безопасности на опасных производственных объектах вызывает обеспокоенность общественности, привлекают внимание ученых и специалистов. В нефтегазовом комплексе уровень аварийности и производственного травматизма остается высоким.

В России научные разработки по проблемам безопасного развития техносферы в последнем десятилетии ХХ века были сконцентрированы в Государственной научно-технической программе «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска природных и техногенных катастроф», где проводилось комплексное исследование межотраслевых проблем промышленной безопасности, включая разработку научных методов теории техногенных и природных катастроф, теории защиты и безопасности, переход к проектированию, созданию и эксплуатации потенциально опасных производств и объектов на базе новых критериев, методов и средств обеспечения безопасности, создание методов и средств оповещения, защиты и спасения людей, а также ведения восстановительных работ в зонах возникновения и развития катастроф, создание единой национальной, региональной и международной нормативно-законодательной базы по техническому, правовому, и экономическому регулированию вопросов безопасности, создание отдельной отрасли законодательства Российской Федерации в сфере промышленной безопасности. Разработка научных основ обеспечения безопасности в нефтегазовой области ведется в ВУЗах этого профиля, отраслевых научно-исследовательских институтах и научно-производственных фирмах. В работах Бурдакова Н.И., Гельфанда Б.Е., Генделя Г.Л., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Елохина Н.А., Козлтина А.М., Короленка А.М., Корольченко А.Я., Котляревского В.А., Мастрюкова Б.С., Махутова Н.А., Одишаря Г.Э., Сафонова В.С., Хусниярова М.Х., Швыряева А.А., Шебеко Ю.Н. и других исследователей обоснован подход к управлению промышленной безопасностью как управлению рисками и разработаны методы оценки опасности. Между тем опыт использования анализа риска (ограниченный большей частью оценкой риска в декларациях промышленной безопасности) показывает, что его результаты не учитываются при принятии решений, касающихся безопасности опасных производственных объектов. В результате у специалистов складывается впечатление о «виртуальном» характере методологии анализа риска. При этом анализ риска является по существу ключевым элементом на пути совершенствования систем управления промышленной безопасностью, учитывающих постоянно меняющийся риск аварии на объекте. Указанные обстоятельства обуславливают актуальность проведенных исследований.

Целью настоящей работы является разработка методологии применения анализа риска для обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтегазового комплекса.

При этом в диссертации решались следующие основные задачи:

- комплексный анализ состояния промышленной безопасности и создание эмпирических баз данных по аварийности и травматизму, как основы для идентификации основных опасностей объектов нефтегазового комплекса;

- исследование механизмов и закономерностей физико-химических процессов, определяющих отдельные стадии инициирования и развития аварий и катастроф и разработка моделей для оценки их последствий;

- разработка алгоритмов и методов анализа опасностей и риска промышленных объектов;

- разработка критериев категорирования опасностей, объектов и производств; риск промышленный безопасность аварийность

- выявление зависимостей между различными показателями риска и обоснование критериев выбора приемлемого индивидуального, коллективного, социального, технического и материального риска;

- разработка методов идентификации признаков предаварийных ситуаций на опасном объекте;

- анализ риска типовых опасных объектов и производств.

В работе использовался системный подход к решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились с помощью методов моделирования, а в необходимых случаях использовались методы экспертных оценок и статистики. Применяемые методы исследований позволили комплексно рассмотреть различные аспекты методологии применения анализа риска.

Информационной основой исследований являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые, нормативные источники, материалы расследования аварий, материалы научно-исследовательских работ различных ВУЗов и НИИ по тематике промышленной безопасности и охраны труда, электронные базы данных.

На защиту вынесены следующие результаты:

- концепция системы методик оценки возможных последствий аварий;

- зависимость параметров поражающего действия взрывных волн от природы взрывоопасного вещества и характеристик пространства;

- алгоритмы и схемы анализа риска аварий сложных технических систем;

- принципы категорирования взрывоопасных зон на объектах нефтегазового комплекса;

- зависимости между показателями риска и критерии приемлемого риска.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

- на основании рассмотрения сценария инициирования и развития аварии как последовательности физико-химических процессов разработана концепция системы методик оценки возможных последствий аварий на производственных объектах, причем методики, описывающие отдельные стадии развития аварийных процессов создаются как результат изучения процессов и их моделирования, что позволяет ограниченным числом моделей описывать возможные аварийные ситуации;

- выявлены зависимости параметров поражающего действия взрывных волн от природы взрывоопасного вещества и характеристик пространства, которые позволяют оценить характер разрушений от взрыва и вероятность поражения объектов;

- с использованием методологии анализа риска проведен систематический анализ материалов расследований аварий и несчастных случаев с обобщением информации в виде логико-графических деревьев происшествий, позволяющих проводить идентификацию сценариев и обоснованное построение деревьев отказов для аварий в нефтегазовой отрасли;

- на основе опыта риск-анализа типовых производств, анализа возможностей нормативного обеспечения процедуры анализа риска и зарубежного опыта предложены алгоритмы и схемы анализа риска аварий сложных технических систем, в которых для каждого этапа определено, что считать результатом и определены порядок и способы получения результата на основе исходных данных для каждого этапа;

- с позиций разрешения коллизии между рисковым и детерминированным подходом к обеспечению промышленной безопасности проведено исследование обоснованности категорирования опасных объектов в нефтегазовой отрасли и выявлены имеющиеся несоответствия;

- предложен метод мониторинга опасности объекта в реальном времени, учитывающий вероятность реализации нежелательных событий заданного уровня в зависимости от технического состояния элементов системы, действий персонала, внешних воздействий;

- выявлены зависимости между показателями риска и обоснованы критерии выбора приемлемого риска, позволяющие аргументировано принимать управленческие решения.

Практическая ценность работы.

Результаты систематической обработки данных по аварийности и производственному травматизму на опасных объектах нефтегазовой отрасли, обобщенные в монографиях «Анализ аварий и несчастных случаев в нефтегазовом комплексе России», «Анализ аварий и несчастных случаев на трубопроводном транспорте России», «Анализ аварий и несчастных случаев на объектах газового надзора», «Аварии и несчастные случаи на объектах котлонадзора», использованы в ООО «ВолгоУралНИПИгаз» при разработке методов и средств снижения техногенных рисков нефтегазовых производств (скважины, объекты промысловой подготовки и переработки углеводородов, нефтепродуктопроводы).

Методы анализа риска, моделирование аварийных процессов, алгоритмы оценки риска, выбор критериев приемлемого риска и их использование для категорирования опасных объектов и производств используются в учебном процессе РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина для подготовки специалистов по специальности 280100 «Безопасность жизнедеятельности» при чтении лекций, проведении семинарских занятий по курсам «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Теория горения взрыва», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Разработанные правила аттестации и программы подготовки экспертов в нефтяной и газовой промышленности используются в МФ «Национальный институт нефти и газа» при сертификации (аттестации) экспертов по промышленной безопасности Единой системы оценки соответствия на объектах, подконтрольных Ростехнадзору.

Основные научные и практические результаты работы использованы в НТЦ «Промышленная безопасность» при разработке нормативных документов Ростехнадзора:

- «Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России» (РД 09-102-95, утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 17.11.95 № 57);

- «Методические указания по проведению анализа риска опасных промышленных объектов» (РД 08-120-96, утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 12.07.96 № 29);

- «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 09.04.99 № 24);

- «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности» (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 06.10.98 г. № 64);

- «Методики проведения экспертизы промышленной безопасности на объектах газоснабжения» (согласованы отделом газового надзора Госгортехнадзора России от 30.04.2003 г. № 14-3/100);

- «Положение о порядке технического расследования причин аварий на опасных производственных объектах» (РД 03-293-99, утверждено постановлением Госгортехнадзора России от 08.06.99 г. № 40);

- «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (РД 03-409-01, утверждена Госгортехнадзором России 26.06.01);

- «Методика расчета геометрических характерных масштабов зон поражения по концентрациям и токсодозам при выбросах парожидкостной фракции хлора в стратифицированную атмосферу» (согласована Госгортехнадзором России 22.07.98).

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, достаточным объемом исходных статистических данных, использованием апробированных методов исследований, верификацией результатов расчетов с последствиями экспериментов и реальных аварий, сходимостью результатов, полученных на различных технических объектах, с результатами расследования аварий.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Совета Безопасности Российской Федерации на 1994, 1995 и 1996 гг., а также в рамках Государственной научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска природных и техногенных катастроф», Федеральной программы «Экологическая безопасность России» и Комплексной программы «Безопасность Москвы».

Личный вклад автора в выполнение работы заключается в разработке комплексных программ НИР с определением целей и постановкой задач исследований, научных методов их конкретного решения, обработке результатов экспериментов, а также научно-методической координации НИР при межотраслевых исследованиях. При его непосредственном участии проведены теоретические исследования, составлены алгоритмы и программы. Автор активно внедрял результаты разработок в практику.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертации изложены в 80 научных изданиях, включая 27 публикаций в ведущих научных журналах и изданиях из Перечня ВАК для докторских диссертаций. Они докладывались на Втором и Третьем Российско-норвежских семинарах «Безопасность и надежность сложных технических систем» (Трондхейм, 1994 г., Санкт-Петербург, 1996 г.), на НТС МЧС России (1995 г.), на ХШ Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопасность-95» (ВНИИПО МВД России, 1995 г.), на Научно-практической конференции «Спасение, защита, безопасность - новое в науке, технике, технологии» (Москва, 1995 г.), на XI Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996 г.), на Международной конференции «Риск: наука, обучение, рынок труда» (Москва, 1996 г.), на Научно-практической конференции «Безопасность населения г. Москвы и меры по снижению риска от чрезвычайных ситуаций» (Москва, 1997 г.), на ХШ Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Терскол, 1998 г.), на 4 Международной конференции «Промышленная безопасность» (Москва, 1998 г.), на Международной конференции «Совершенствование работ по оценке, экспертизе, сертификации и страхованию объектов повышенной опасности» (Анталия, 1998 г.), на Научно-технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.), на семинарах Госгортехнадзора России (Воскресенск, 1994 г., Туапсе, 1995 г., Железноводск, 1996 г., Таганрог, 1997 г., Владимир, 2003, 2004, 2005, 2006 гг., Тверь 2008 г.,), Научно-практическом семинаре «Взрывобезопасность промышленных объектов» (Москва, 2000 г.), на конференции «Управление рисками и устойчивое развитие Единой системы газоснабжения» (Москва, 2006 г.), на международной конференции «Безопасность морских объектов» (Москва, 2007 г.) Седьмом международном симпозиуме по промышленным взрывам (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 334 страницах, одержит 34 таблицы, 49 рисунков, список литературы из 343 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, излагаются основные положения диссертации.

В первой главе рассмотрено состояние промышленной безопасности нефтегазового комплекса России. Результаты системного анализа статистических данных об авариях и несчастных случаях, их причинах и мероприятиях по их предупреждению, а также нарушений требований нормативных документов, выявленных в процессе технического расследования причин аварий, свидетельствуют об устойчивой тенденции повышения безопасности объектов нефтегазового комплекса. Среди причин аварийности и травматизма 80% занимают организационные, среди зафиксированных нарушений Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности 60% имеют организационный характер, а около 50% мероприятий, рекомендованных комиссиями в ходе технического расследования причин аварий, по существу касаются совершенствования систем управления промышленной безопасностью и охраной труда. Изменение положения с промышленной безопасностью и охраной труда требуют смены и парадигмы промышленной безопасности, которая должна быть ориентирована прежде всего на дальнейшее уменьшение опасности промышленной деятельности.

Анализ контрольно-профилактической работы Ростехнадзора, международного опыта по созданию систем управления промышленной безопасностью, охраной труда и охраной окружающей среды показал, что в системах обеспечения безопасности на производстве показателями, свидетельствующими о приближении аварийной ситуации, являются нарушения правил и норм, а методами предупреждения аварий - меры, принятые по выявленным нарушениям, что определяет необходимость наличия соответствующей современным требованиям нормативной базы, в которой критерии опасности научно и методически обоснованы. Поэтому целевой функцией предупреждения аварийности и травматизма является обеспечивающая деятельность системы управления промышленной безопасностью система нормативных документов, регулирующих правовые, организационные, социально-экономические и технические аспекты безопасности производств на основе выявленных с применением анализа риска критериев безопасности.

Проведен анализ существующих подходов к анализу риска в нашей стране и за рубежом и сформулированы принципы нормативного обеспечения процедуры оценки опасности, являющиеся в настоящее время общепринятыми.

Опыт оценки риска при разработке деклараций промышленной безопасности свидетельствует, что эта деятельность может успешно осуществляться только при наличии соответствующей методической базы. Проведенная в работе оценка состояния и возможностей применения на практике существующих методов расчета степени риска аварий на опасных промышленных объектах и их верификация показала, что имеющаяся нормативная база оценки последствий промышленных аварий и катастроф не соответствует требованиям практики и возможностям, которые предоставляет современный уровень развития науки. Выходом из сложившейся ситуации является разработка системы методик оценки риска аварий на промышленном объекте.

Использование анализа риска в системе управления промышленной безопасностью по существу призвано ответить на принципиальный вопрос о соотношении реального уровня опасности объекта и уровня приемлемого риска, а также обосновать экономическую эффективность предлагаемых мер по повышению промышленной безопасности с учетом математического ожидания экономических потерь при различных рисках аварий. Поэтому обоснование критериев выбора приемлемого риска, которые могут быть взяты за основу при решении практических задач управления, является одной из задач диссертации.

На основании анализа состояния промышленной безопасности в нефтегазовом комплексе, нормативного и методического обеспечения анализа риска и практики его использования предложены принципиальные направления, на которых строится разработка научно-методических основ применения анализа риска в целях обеспечения промышленной безопасности, включающие:

- создание эффективной научно-обоснованной системы расследования аварий, сбора и анализа данных по аварийности и травматизму;

- исследование закономерностей и механизмов физико-химических процессов, определяющих инициирование техногенных катастроф, ход и последствия аварий;

- создание моделей аварийных процессов;

- категорирование промышленных объектов и производств по степени опасности с учетом результатов анализа риска;

- обоснование критериев допустимого риска, позволяющих аргументировано принимать управленческие решения;

- реализация в нормативных документах научных выводов, полученных в результате анализа риска типовых производственных объектов.

Вторая глава посвящена совершенствованию научно-методических основ расследования аварий, систематическому анализу материалов расследования аварий и несчастных случаев и созданию баз данных по аварийности и травматизму в целях информационной поддержки анализа риска.

В науке о промышленной безопасности сведения об авариях являются исходным и контрольным материалом по всем вопросам. Анализ этих данных, особенно по причинам аварийности и травматизма, служит основой для совершенствования нормативно-технической документации и тем самым для предупреждения аварий, принятия проектных и конструктивных решений, а также разработки предложений для научных исследований.

В работе проведен анализ существующих банков данных по авариям и инцидентам в промышленности. Разработана структура информационного представления данных о происшествии на основе блочно-модульного принципа с помощью систем показателей и текстовой информации, реализованная в карточке учета аварий в виде формы для сбора и учета данных по авариям, включенной в нормативный документ «Положение о порядке технического расследования причин аварий на опасных производственных объектах» (РД 03-293-99, утверждено постановлением Госгортехнадзора России от 08.06.99 г. № 40).

Впервые предложен логико-графический метод анализа причинных взаимосвязей между произошедшим событием (аварией или случаем травматизма) и исходными отказами. Результатом анализа являются логико-графические «деревья происшествий». «Дерево происшествий» представляет собой набор заключенных в прямоугольники констатаций событий, соединенных между собой в соответствии с временными причинно-следственными связями. При этом, в отличие от обычно используемых при анализе опасностей «деревьев отказов», при соединении констатаций событий в «деревьях происшествий» не используются логические символы, так как в них нет необходимости. По существу «дерево происшествий» отражает аварийное сочетание событий. То есть такое сочетание, что если все эти события происходят, то случится и происшествие. «Деревья происшествий» служат базой для построения «деревьев отказов» для аварий и несчастных случаев на различных объектах нефтяной и газовой промышленности при проведении анализа риска.

Проведен систематический анализ материалов расследования аварий и несчастных случаев в нефтегазовом комплексе России. Результаты систематического анализа статистических данных, материалов расследования аварий и несчастных случаев и результатов экспертиз обобщены в шести монографиях. В монографиях приведены описания происшествий, в каждом из которых содержится информация о характере, времени и месте происшествия, характеристика объекта, на котором произошла авария или несчастный случай, обстоятельства происшествия, дерево происшествия. Приводятся основные причины происшествия в том виде, в каком они представлены в Акте расследования аварии, а также перечень нарушений нормативно-технических документов и рекомендованные комиссией по расследованию мероприятия по устранению причин происшествия. В необходимых случаях представлены схемы установок и места происшествия. Полученные данные по аварийности и травматизму составляют основу для идентификации опасностей и верификации положений и выводов диссертации.

Третья глава посвящена моделированию аварий на объектах нефтегазового комплекса с целью разработки системы методик оценки опасности. Сформулированная концепция системы методик оценки риска аварий базируется на следующих положениях. Основные опасности объектов нефтегазового комплекса связаны с авариями в виде пожара, взрыва или токсического выброса. Прогнозирование последствий аварий на таких производствах связано прежде всего с поражающими факторами при реализации основных опасностей. При всем многообразии возможных сценариев аварий набор поражающих факторов ограничен. Это создает возможность описывать физические воздействия, приводящие к нанесению ущерба людям, материальным ценностям и окружающей среде, конечным числом параметров.

Сценарий аварии рассматривается как последовательность физических явлений, происходящих один за другим в ходе развития аварийной ситуации. Каждому физическому явлению соответствует своя методика расчета - элемент системы методик. Возможны разветвления путей развития аварии и их пересечения. Система методик, состоящая из элементов, описывающих отдельные физические явления, позволяет рассчитывать последствия аварий при реализации того или другого «дерева событий» на основе одного или нескольких корневых процессов. При таком подходе можно подробно охватить различные сценарии аварий на конкретном объекте ограниченным числом методик, каждая из которых дает метод расчета только отдельных стадий аварии. Собственно разработка алгоритма, описывающего выбор стадии аварий, и выработка требований к методикам по отдельным стадиям аварийного процесса, и составляют основную задачу при разработке системы методик.

Количество возможных сценариев аварии определяет число необходимых элементов системы методик. Деление сценария на структурные элементы происходит на основе следующих принципов:

- каждый элемент содержит в себе конкретное физическое явление, которое можно описать математической или эмпирической моделью;

- каждый элемент изолирован и может быть использован в сочетании с другими элементами в других сценариях развития аварии. Этим же требованием обеспечивается взаимозаменяемость элементов;

- возможность использования нескольких элементов, описывающих один и тот же процесс. Это открывает возможность замены устаревшей методики, при этом не потребуется переработки всей системы методик.

Рис. 1 Схема развития аварийного процесса

Количество элементов должно быть не слишком большим, чтобы обеспечить целостность описания физических процессов, но и не слишком малым, чтобы обеспечить необходимую гибкость системы. Пример схемы развития аварийного процесса, содержащий не слишком большое число физических явлений, показан на рис. 1.

Современное развитие и распространение компьютерной техники позволяет широко использовать сложные по математическому аппарату методики, если для них созданы компьютерные программы. Данное обстоятельство позволяет отойти от принципа создания упрощенных методик с простыми расчетными формулами, что делалось ранее в интересах пользователя.

В рамках реализации разработанной концепции создан ряд методик по оценке последствий аварий, связанных со взрывами и распространением облаков тяжелых газов - явлений, моделирование которых к началу работы над созданием системы методик приводило к наиболее противоречивым результатам. В результате согласованных действий с группами исследователей соответствующих явлений удалось адаптировать разработанные физико-математические модели к требованиям системы методик, провести их верификацию, разработать соответствующие алгоритмы и блок-схемы расчета и довести довольно-сложные модели до нормативных документов, доступных широкому кругу пользователей. В работе использован подход к оценке фугасного действия взрыва, который не связывает амплитуду и длительность ударной волны только с выделившейся энергией, как это делалось ранее, но учитывает особенности взрывного процесса. Взрыв облака топливно-воздушной смеси может протекать как в режиме детонации, так и в режиме горения (дефлаграции), при этом параметры генерируемых ударных волн существенно различаются. В работе представлены результаты анализа зависимостей параметров ударных волн при различных режимах превращения.

Наиболее опасным и разрушительным режимом превращения облака топливно-воздушной смеси является детонация. Для описания параметров ударных волн (избыточное давление ?P и импульс фазы сжатия I) в зависимости от расстояния от центра облака генерированных детонацией сферического объема газообразной топливовоздушной смеси рекомендуются зависимости:

ln(P_x)= -1,124 - 1,66 ln(R_x) + 0,26 (ln(R_x))² ±10%

ln(I_x)= - 3,4217 - 0,898 ln(R_x) - 0,0096 (ln(R_x))² ±15%

Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии от центра облака R в м при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующий безразмерный радиус по соотношению R_x=R/(10E/P_o)^1/3. (Здесь Е - эффективный энергозапас ТВС в МДж, Р₀ - атмосферное давление в атм). Далее рассчитываются безразмерное давление P_x и безразмерный импульс фазы сжатия I_x. Из соотношений I=10ЧI_xЧ(0,1P₀^2/3)Ч E^1/3 /C₀ и DP=P_xЧP₀ определяются размерные величины. Зависимости соответствуют детонации сферического объема горючей смеси в неограниченном пространстве и справедливы в диапазоне: 0,2< R_x <5,6. При необходимости оценки параметров ударной волны в ближней зоне при R_x <0,2, что соответствует параметрам внутри облака топливно-воздушной смеси, величина давления полагается равной давлению в детонационной волне в точке Чепмена-Жуге. Для большинства углеводородо-воздушных смесей эта величина близка к 18 атм. Величина импульса положительной фазы зависит от места инициирования детонации в облаке, однако для оценок внутри облака считается I_x= 0,231, что соответствует давлению 18 атм.

При переходе от газовых топливно-воздушных смесей к гетерогенным, доля энергии смеси, перешедшая в ударную волну, снижается, что связано с неполным сгоранием капель горючего за фронтом детонационной волны. На основе экспериментов предложены соотношения, описывающие зависимости избыточного давления и импульса фазы сжатия волны от расстояния для детонации облака стехиометрической гетерогенной топливно-воздушной смеси:

P_x =0,125/R_x+ 0,137/R_x²+ 0,023/R_x³ ±10%

I_x = 0,022/R_x ±15%

для диапазона расстояний 0,3 < R_x< 2,0. Приведенные соотношения для расчета параметров воздушных ударных волн при детонации гетерогенных топливно-воздушных смесей справедливы лишь на некотором удалении от границы облака. Для оценки радиусов разрушения представляется правомерным экстраполировать приведенные выше зависимости до эффективной границы облака смеси, которой соответствует избыточное давление в ударной волне ~ 18 атм., близкое к давлению Чепмена-Жуге стационарной детонационной волны для большинства гетерогенных топливно-воздушной смесей.

В случае дефлаграции топливно-воздушной смеси параметры воздушной ударной волны зависят не только от энергетических характеристик смеси, но и от скорости распространения фронта пламени V_г и степени расширения продуктов сгорания s (для большинства газообразных углеводородо- воздушных смесей s = 7). Для гетерогенных топливно-воздушных смесей эта величина была определена экспериментально и составила s = 4. Безразмерные давление P_х1 и импульс фазы сжатия I_x1 определяются по соотношениям:

P_x1=(V_г/С_o)²(s /(s -1))(0,83/R_x - 0,14/R_x²))

I_x1=(V_г/C_o)²(s /(s -1))(1-0,4s V_г/((s -1)С_o)(0,06/R_x+0,01/R_x²-0,0025/R_x³)

Последние два выражения справедливы для значений R_x, больших величины R_кр=0,34, в противном случае вместо R_x в соотношения подставляется величина R_кр. В случае гетерогенной смеси энергозапас домножается на (s-1)/s.

При выборе ожидаемого режима взрывного превращения основными факторами являются геометрические характеристики окружающего пространства и свойства горючей смеси. По результатам анализа чувствительности к инициированию взрывных процессов топлива, способные к образованию горючих смесей с воздухом были разделены на четыре класса. Геометрические характеристики окружающего пространства также разделены на четыре класса в соответствии со степенью их опасности.

Исходя из литературных данных, в соответствии с предложенной классификацией типов топлив и характеристик окружения составлена экспертная таблица, определяющая диапазоны скоростей распространения взрывного превращения ТВС, служащие основой для определения возникающих ударно-волновых нагрузок. На рис. 2 представлен алгоритм расчета последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.

Е=М_гq_г, при С_г?С_ст,

или

Е=М_гq_гС_ст/С_г, при С_г>С_ст

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается

Определение ожидаемого режима взрывного превращения

Расчет безразмерного расстояния R_x=R/(10E/P_o)^1/3

Расчет параметрического расстояния l=R_o/E^1/3

Определение размерных величин

DP=P_xP_o и I=10 I_x(0,1P_o)^2/3E^1/3/C_o

Определение дополнительных характеристик взрыва ТВС

Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси (давление, импульс и длительность фаз сжатия и разрежения)

ln(DP₊/P_o)=0,299-2,058lnl+0,26(lnl)² и ln(DP_-/P_o)=-1,46-1,402lnl+0,079(lnl)²

ln(t₊/E^1/3)=0,106+0,448lnl-0,026(lnl)² и ln(t_-/E^1/3)=1,299+0,412lnl-0,079(lnl)²

ln(I₊/E^1/3)=-0,843-0,932lnl-0,037(lnl)² и ln(I_-/E^1/3)=-0,873-1,25lnl+0,132(lnl)²

Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения

DP(t, l)=DP(sin(p(t-t₊)/t_-)/sin(-pt₊/t_-))exp(-K_it/t₊)

Декремент затухания K_i=0,889-0,356lnl+0,105(lnl)²

Параметры отраженной волны (давление, импульс и длительность фаз сжатия и разрежения)

ln(DP_r+/P_o)=1,264-2,056lnl+0,211(lnl)² и ln(DP_r-/P_o)=-0,673-1,043lnl+0,252(lnl)²

ln(t_r+/E^1/3)=-0,109+0,983lnl-0,23(lnl)² и ln(t_r-/E^1/3)=1,265+0,857lnl-0,192(lnl)²

ln(I_r+/E^1/3)=-0,07-1,033lnl+0,045(lnl)² и ln(I_r-/E^1/3)=-0,052-0,462lnl-0,27(lnl)²

Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения

DP_r(t, l)=DP(sin(p(t-t_r+)/t_r-)/sin(-pt_r+/t_r-))exp(-K_rt/t_r+)

Декремент затухания K_r=0,978-0,554lnl+0,26(lnl)²

Оценка поражающего воздействия

Вероятность повреждений стен промышленных зданий

P_r1=5-0,26lnV₁, где V₁=(17500/DP)^8,4+(290/I)^9,3

Вероятность разрушения промышленных зданий

P_r2=5-0,22lnV₂, где V₂=(40000/DP)^7,4+(460/I)^11,3

Вероятность длительной потери управляемости у людей

P_r3=5-5,74lnV₃, где V₃=4,2/`p+1,3/`i, здесь `p=1+DP/P<sub>0</sub>, `i=I/(P_o^1/2m^1/3)

Вероятность разрыва барабанных перепонок

P_r4=-12,6+1,524lnDP

Вероятность отброса людей волной

P_r5=5-2,44lnV₅, где V₅=7,38 10³/DP+1,3 10⁹/DP I

Выявленные закономерности и предложенный алгоритм легли в основу РД 03-409-01 «Методика оценки нагрузок, возникающих при воздействии взрывов топливно-воздушных смесей» (утверждена Госгортехнадзором России 26.06.01).

Как показал проведенный анализ, наиболее сложная ситуация в части оценки последствий возможных аварий сложилась с описанием распространения и дисперсии облаков опасных веществ. Условно модели распространения и дисперсии облаков тяжелых газов в случае аварийных выбросов можно разделить на «К-модели», основанные на трехмерных уравнениях в частных производных, и модели с сосредоточенными параметрами «ящичного типа». По сравнению с трехмерными теориями модели с сосредоточенными параметрами позволяют проанализировать большое число катастрофических ситуаций без значительных затрат времени, получая характеристики паровоздушного облака в зависимости от таких факторов, как скорость ветра, устойчивость атмосферы, влажность, поверхностная неоднородность.

Для дальнейшего анализа формирования и рассеяния облака тяжелого газа модифицирована разработанная в Институте химической физики РАН модель с сосредоточенными параметрами. Отличие от вышеперечисленных моделей состоит в том, что учитывается наличие капель в образовавшемся при выбросе облаке, стратификация и влажность атмосферы и наличие неоднородного по высоте ветра произвольной интенсивности.

На основании модели распространения и дисперсии компактного паровоздушного облака в стратифицированной атмосфере с устойчивым профилем ветра разработана методика, предназначенная для прогностических оценок параметров эволюционирующего в атмосфере паровоздушного облака в зависимости от таких факторов, как параметры выброса, состояние атмосферы (устойчивость, влажность, профиль ветра), шероховатость подстилающей поверхности и другие. В качестве иллюстрации рассчитаны конфигурации зон поражения по смертельной, опасной и предельно-допустимой концентрациям, а также смертельной и пороговой токсодозам при мгновенных выбросах парожидкостной фракции хлора в атмосферу. Модель может быть использована для оценок последствий аварий, связанных с выбросами тяжелых (по отношению к воздуху) паров токсичных и пожаровзрывоопасных веществ. На основе модели разработана инженерная «Методика расчета геометрических характерных масштабов зон поражения по концентрациям и токсодозам при выбросах парожидкостной фракции хлора в стратифицированную атмосферу» (согласована Госгортехнадзором России 22.07.98).

Четвертая глава посвящена вопросам применения схем и алгоритмов при анализе риска. Разработка алгоритма как конечного набора правил для механического решения конкретной задачи из некоторого класса однотипных задач требует прежде всего выделения этих однотипных задач. В случае анализа риска это могут быть либо отдельные типовые объекты при конкретных целях анализа риска, либо отдельные стадии аварийного процесса. Ниже в качестве алгоритмов рассмотрен порядок оценки опасности, который подразумевает наличие ряда этапов, для каждого из которых известно, что считать результатом, и определен процесс получения этого результата на основе исходных данных для каждого этапа. Так, для отдельных стадий анализа риска, описываемых разными физико-математическими моделями, разработаны алгоритмы анализа, наиболее точно соответствующие определению алгоритма (например, рис. 2).

Разработан общий алгоритм анализа риска широкого класса объектов, содержащих пожаро- и взрывоопасные вещества, к которым относятся большинство производств нефтегазового комплекса. Обширный текстовый комментарий отличает этот алгоритм от обычных схем анализа риска. В общем алгоритме процесс анализа опасности разделен на одиннадцать этапов: выбор и описание системы; предварительный анализ опасности; характеристика опасных веществ; последствия выброса опасного вещества; развитие аварийного процесса; определение количества вещества, способного участвовать в создании поражающих факторов; определение поражающих факторов; определение ущерба для рассматриваемых сценариев аварии; получение вероятностных оценок; оценка риска; выводы об опасности объекта в соответствии с целями анализа. Для каждого этапа выстроена последовательность действий, даны подробные рекомендации по использованию методов анализа риска, определены возможные результаты этапа, позволяющие обоснованно проводить процесс и получать исходные данные для начала работы на следующем этапе. Обширные литературные ссылки на источники информации, включая нормативные документы, разъяснение имеющих место физико-химических процессов, приведение конкретных формул для вычисления показателей риска позволяет избежать многих ошибок, встречающихся при проведении анализа риска.

С учетом основополагающих требования к проведению анализа риска опасного производственного объекта разработаны алгоритмы количественной оценки риска типовых объектов систем газораспределения, в качестве которых рассмотрены распределительные газопроводы и газорегуляторные пункты (ГРП). Актуальность разработки алгоритма анализа риска объектов газораспределения определяется требованием Федерального закона «О газоснабжении в Российской Федерации» «постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф». Наличие горючих газов в системах газораспределения, сложная пространственная конструкция системы надземных трубопроводов, пересечение газопроводами водных переходов, автомобильных и железных дорог, наличие параллельных ниток газопроводов, нахождение трасс распределительных газопроводов, ГРП на населенных территориях требует оценки присущих системам опасностей. Алгоритм анализа риска распределительного газопровода, представленный на рис. 3, учитывает результаты идентификации опасности для таких систем. При разгерметизации газопровода чаще всего происходит истечение природного газа в атмосферу с последующим рассеянием. При разгерметизации надземных/наземных участков газопроводов гораздо чаще происходит факельное горение. Факельное горение также возможно при истечении из подземного газопровода, обычно в искусственно созданном котловане (при ведении земляных работ). При этом расстояние действия поражающих факторов определяется дальностью прямого огневого воздействия газовых струй, , где Q_ф - общее тепловыделение факела (МВт), пропорциональное интенсивности истечения (массовой скорости истечения газа) m_og (кг/с) и теплоте сгорания газа - Q_нт (МДж/кг). В случае перекачки газа под давлением более 0,18 МПа истечение происходит со звуковой скоростью. При этом массовая скорость звукового истечения газа определяется как:

, кг/с,

где А - наибольший размер нераспространяющейся трещины в газопроводе (м²), С_D - коэффициент расхода, зависящий размера утечки и числа Рейнодльдса (для практических расчетов рекомендуется принимать коэффициент расхода С_D =0,62), р - давление в трубопроводе (Па), Т - температура в газопроводе (К), R = 8314 - универсальная газовая постоянная (кг•м²/К•кмоль•с²), М - молярная масса (кг/кмоль). При этом наибольший размер нераспространяющейся трещины в газопроводе А рекомендуется оценивать как , где r - радиус трубопровода (м), t - толщина стенки трубопровода (м).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Алгоритм количественной оценки риска распределительного газопровода

Размещено на http://www.allbest.ru/

В случае утечки газа из подземного участка газопровода происходит проникновение вещества через грунт над трубой с последующим воспламенением вдоль трассы - наблюдается колышущееся пламя. Кроме того, при аварии на подземном газопроводе на территории населенного пункта может произойти проникновение за счет фильтрации природного газа в помещения зданий, в результате чего возможно образование взрыво- и пожароопасной газовоздушной смеси, которая при наличии источника зажигания способна к взрыву, приводящему к разрушению зданий и травмированию людей.

Разработан алгоритм количественной оценки риска газорегуляторных пунктов и установок, основные этапы которого соответствуют этапам анализа риска газораспределительных газопроводов, однако учитываются технология и особенности развития аварий на ГРП и ГРУ.

В общем случае, аварийный процесс на газорегуляторных пунктах может сопровождаться утечкой и мгновенным воспламенением в помещении ГРП при наличии источника зажигания, в случае образования взрыво- и пожароопасной смеси в результате утечки газа и в присутствии источника воспламенения в газорегуляторном пункте происходит взрыв, сопровождающийся разрушением сооружений и технологического оборудования. Наиболее часто наблюдается загазованность ГРП без возгорания. Отдельно отмечены случаи, когда авария на ГРП приводит к опасным ситуациям на источниках потребления. Так, при нарушении технологического процесса ГРП происходит пропуск повышенного давления в подводящий газ непосредственно к потребителям газопровод низкого давления и разгерметизация газового оборудования на источниках потребления, в том числе в жилых домах или котельных. Здесь авария протекает аналогично, как и в помещении ГРП. В процессе анализа «деревьев происшествий» из созданной базы данных по авариям и несчастным случаям построены типовые «деревья отказов» для головных событий «Утечка на источниках потребления из-за повышения давления в газопроводе низкого давления», «Утечка газа в помещении газорегуляторного пункта», которые вместе с представленными обобщенными данными по вероятностям исходных событий позволяют рассчитать риск нежелательных событий.

В пятой главе рассмотрены вопросы использования категорирования опасных производств и объектов как элемента управления промышленной безопасностью, обоснованность категорирования (классификации) опасностей в нормативных документах с точки зрения количественных показателей риска, предложены критерии категорирования опасностей и рекомендации по их применению. Категорирование позволяет разрешить коллизию между вероятностным и детерминированным подходом к обеспечению промышленной безопасности. Характерным при категорировании является выбор в качестве критерия, как правило, одного из показателей опасности (последствия или частота возможных аварий), при этом вырабатываются конкретные требования, существенно влияющие на другой показатель опасности с тем, чтобы их сочетание обеспечивало поддержание опасности на приемлемом уровне, который не обсуждается и численно не определяется, а оценивается разработчиками нормативного документа на основании опыта.

Проведение анализа риска характерных опасных объектов, выявление для них основных опасностей и их приемлемого уровня, выявление основных факторов, влияющих на безопасность и регламентация требований к ним в зависимости от уровня основных опасностей позволяет эффективно использовать в нормативных документах принципы анализа риска, относя результаты такого анализа не к отдельным объектам, а к их группам (категориям) в соответствии с выбранными критериями и выявленными закономерностями протекания аварийных процессов.

Проведен анализ существующих систем категорирования опасных производственных объектов с позиций анализа риска. Основным критерием категорирования взрывоопасных помещений и пространств является возможность образования взрывоопасной смеси при нормальных режимах работы, или только в результате аварий и неисправностей. Классом взрывоопасной зоны определяется выбор электроустановок, которые можно использовать в этих зонах. В работе показано, что как в России, так и за рубежом, определение взрывоопасных зон на объектах нефтегазодобывающей промышленности носит вероятностный характер, принципы построения классификаций зон идентичны. Последовательное применение анализа риска позволяет представить в нормативных документах взрывоопасную область вокруг объекта совокупностью нескольких зон различных классов (рис. 4).

Рис. 4 Буровая установка с укрытием от ветра и помещением с машинным отделением

Кроме того, учет вентиляции как фактора, оказывающего существенное влияние на вероятность образования взрывоопасной смеси, позволяет понизить класс взрывоопасной зоны при неизменном уровне приемлемого риска. Результаты анализа использованы для обоснования классов взрывоопасных зон в «Правилах безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 09.04.99 № 24).

...