Надежность технических систем и техногенный риск

 

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………3

ГЛАВА 1. Природа и характеристика опасностей в техносфере

1. 7. Квантификация опасностей ………………………………

ГЛАВА 2. Основные положения теории риска

2. 2.3.8. Системно-динамический подход к оценке техногенного риска……….

ГЛАВА 3. Роль внешних факторов, воздействующих на формирование отказов технических систем

3. 3.9. Воздействие биологических факторов…………………………..……….

ГЛАВА 4. Основы теории расчета надежности технических систем

4. 4.1. Основные понятия теории надежности…………………………..……….

ГЛАВА 5. Методика исследования надежности технических систем

5. 5.1. Системный подход к анализу возможных отказов: понятие, назначение, цели и этапы, порядок, границы исследования……………………………..……….

ГЛАВА 6. Инженерные методы исследования безопасности технических систем

6. 6.2. Порядок определения причин отказов и нахождения аварийного события при анализе состояния системы………………………………..……….

ГЛАВА 7. Оценка надежности человека как звена сложной технической системы

7. 7.1. Причины совершения ошибок ………………………………..……….

ГЛАВА 8. Организация и проведение экспертизы технических систем

8. 8.5. Опрос экспертов………………………………..……….

ГЛАВА 9. Мероприятия, методы и средства обеспечения надежности и безопасности технических систем

9. 9.5. Технические средства обеспечения надежности и безопасности технических систем………..

ГЛАВА 10. Технические системы безопасности

10. 10.4.6. Технические средства защиты ………………………………..……….

ГЛАВА 11. Правовые аспекты анализа риска и управления промышленной безопасностью

11. 11.7. Информирование государственных органов и общественности об опасностях и авариях ……………………..…………………………………………..

ГЛАВА 12. Принципы оценки экономического ущерба от промышленных аварий

12. 12.1. Понятие ущерба и вреда. Структура вреда……………………………..
13. Заключение……………………………………………………………………30
14. Используемая литература……………………………………………………35

Приложение………………………………………………………………………..36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1.

Природа и характеристика опасностей в техносфере.

Энергоэнтропийная концепция опасностей

Энергоэнтропийная концепция опасности – это совокупность представлений о природе опасности и условиях их реализации.

Повседневная деятельность человека потенциально опасна, т.к. связана с использованием различных видов энергии. Опасности появляются в результате неконтролируемого выхода энергии. Возникновение нежелательных последствий есть следствие появления и развития причинной цепи предпосылок. Инициаторами этой цепи, чаще всего, являются ошибочные действия человека, кроме этого, может служить неисправность в технике или воздействия не нее на расстоянии.

Все это не противоречит фундаментальному свойству энтропии (мера беспорядка): Любая предоставленная самой себе система стремится к максимуму энтропии, т.е. к максимальному беспорядку. Такое состояние является равновесно-устойчивым и система может находится в нем сколь угодно долго. Любые попытки человека в результате своей деятельности упорядочить систему приводят к уменьшению энтропии и к неустойчивости, к потенциально опасному состоянию.

Энергоэнтропийная концепция опасности позволяет проследить путь нежелательного высвобождения энергии и это лежит в основе построения дерева происшествий.

Энергоэнтропийная концепция связана с повседневной потенциально опасной деятельностью человека неконтролируемым и неуправляемым выходом энергии и вредных веществ в окружающую среду отсутствием или недостаточным уровнем предупредительных мероприятий по уменьшению масштабов последствий ЧС 
накоплением отходов производства и энергетики, являющихся источником распространения вредных веществ в окружающей среде низким качеством защиты от опасных технологий и выброса энергии.

При формулировании исходных утверждений, касающихся природы аварийности и травматизма в техносфере, будем исходить из тех представлений, которые были получены ранее в процессе знакомства с рассматриваемой проблемой. Суть этих представлений состоит в сложном, стохастическом характере событий рассматриваемого явления, их причинной обусловленности большим числом факторов, проявляющихся в объективном стремлении энергетических потенциалов к выравниванию, и противодействии им со стороны разного рода защитных механизмов. 
Эти идеи соответствуют современным представлениям и позволяют сформулировать энергоэнтропийную концепцию и классификацию объективно существующих в техносфере опасностей. 
При этом сущность такой концепции может быть представлена следующими основными утверждениями. 
1. Производственная деятельность потенциально опасна, так как связана с проведением технологических процессов, а последние - с энергопотреблением (выработкой, хранением, преобразованием тепловой, механической, электрической, химической и другой энергии). 
2. Техногенная опасность проявляется в результате несанкционированного или неуправляемого выхода энергии, накопленной в технологическом оборудовании и вредных веществах, непосредственно в самих работающих, во внешней относительно их и техники среде. 
3. Несанкционированный или неуправляемый выход больших количеств энергии или вредного вещества приводит к происшествиям с гибелью и травмированием людей, повреждениями технологического оборудования, загрязнением окружающей их природной среды. 
4. Возникновение техногенных происшествий является следствием появления причинной цепи предпосылок, приводящих к потере управления технологическим процессом, несанкционированному высвобождению используемой при этом энергии (рассеиванию вредных веществ) и их разрушительному воздействию на людей, объекты производственного оборудования и природной среды. 
5. Инициаторами и звеньями причинной цепи каждого такого происшествия являются ошибочные и несанкционированные действия работающих, неисправности и отказы технологического оборудования, а также неблагоприятное влияние на них внешних факторов. 
6. Ошибочные и несанкционированные действия персонала обусловлены его недостаточной технологической дисциплинированностью и профессиональной неподготовленностью к работам, характеризуемым потенциально опасной технологией и конструктивным несовершенством используемого производственного оборудования. 
7. Отказы и неисправности технологического и производственного оборудования вызваны его собственной низкой надежностью, а также несанкционированными или ошибочными действиями работающих. 
8. Нерасчетные (неожиданные или превышающие допустимые пределы) внешние воздействия связаны с недостаточной комфортностью рабочей среды для человека, ее агрессивным воздействием на технологическое оборудование, а также с не благоприятными климатическими или гидрогеологическими условиями дислокации производственного объекта. 
Сущность только что сформулированной концепции проиллюстрирована на рис. 3.5, а ее правомерность обусловлена, прежде всего, эмпирическим характером сделанных выше утверждений. Это объясняется тем, что опыт (корректная статистика) есть результат проявления объективно существующих факторов. Думается, что читателю уже знакомы достоверные факты, которые не противоречат изложенной здесь энергоэнтропийной концепции. 
Другим аргументом, подтверждающим справедливость только что сформулированной концепции, является ее непротиворечивость фундаментальным законам энтропии, в частности ее объективнoмy стремлению к самопроизвольному росту в условиях техносферы. Согласно второму началу термодинамики, например, получение синтетических веществ и химически чистых элементов, выработка и аккумулирование энергии, очистка и обогащение природных материалов являются «противозаконными», так как влекут за собой снижение энтропии. Вот почему большое число технологических процессов, включая транспортировку материальных ресурсов, являются потенциально опасными, поскольку содержат в себе не естественные с точки зрения энтропии преобразования. 
Учитывая необходимость в более тщательной проверке принятой здесь концепции, поясним последнюю особенность исследуемых процессов подробнее. Для этого напомним, что законы энтропии обычно играют как бы роль бухгалтера природы, следящего за балансом количества энергии (первый), и диспетчера, указывающего направление соответствующих преобразований (второй). Более того, они предписывают и конечный результат таких преобразований в закрытых системах: для вещества - это пыль, для информации - шум и для энергии - тепло. 
 
 
 
Рис. 3.5. Иллюстрация природы опасностей 
В частности, в последнем случае имеется в виду стремление любой энергии постепенно переходить в тепло, равномерно распределяемое среди окружающих тел. При этом оказывается, что энтропия любой системы обратно пропорциональна величине эксэргuu - той свободной части энергии, которая способна к дальнейшим превращениям. В силу этого каждая предоставленная самой себе система неминуемо переходит в состояние с максимальной энтропией, характеризуемое отсутствием энергетических потенциалов - такое равновесное состояние, которое соответствует наибольшей степени дезорганизации. 
Вот почему любые попытки вывести систему из таких состояний требуют преодоления естественных энергетических барьеров и рассматриваются как приводящие ее в неустойчивое, а стало быть, опасное состояние. Можно показать также, что потенциально опасной является не только. Производственная (физическая) деятельность, но и творческая или познавательная, связанная с добычей не материальных ценностей, а информации. 
Дело в том, что интеллектуальная работа направлена на уменьшение энтропии, т. е. степени неопределенности, но уже в информационном смысле: поиск внутренней структуры и организованности вещей, выяснение закономерностей появления и предупреждения событий, создание моделей объектов и процессов, конструирование новых образцов технологического оборудования. Рассматриваемая деятельность человека требует интеллектуальных усилий, вызванных необходимостью преодоления «стремления природы к сокрытию своих тайн», а поэтому сопровождается усталостью или перенапряжением анализаторов человека, возможностью ухудшения состояния его здоровья в результате профессиональных заболеваний. 
С учетом сделанных замечаний энергоэнтропийная концепция может быть обобщена с целью описания не только техногенных происшествий, но и остальных неблагоприятных событий, происходящих в других средах обитания человека. Для этого необходимо скорректировать сделанные выше утверждения на предмет замены энергии энтропией, а опасности - вредностью. Например: 
в первом утверждении необходимо слово «опасна» поменять на «вредна», а всю его оставшуюся часть, начиная со слова «энергопотребление» - на «понижение энтропии и получение различных видов информацию»; 
во втором - сменить слово «опасность» на «вредность», а выражение «несанкционированного и неуправляемого выхода энергии...» на «постепенного расходования той части свободной энергии, которая накоплена в технологическом ...»; 
в третьем - перейти от всей фразы «несанкционированный или неуправляемый выход энергии» к фразе «несвоевременный  
рост энтропии организма человека и других биологических особей может сопровождаться увеличением их заболеваемости, повышенной смертностью и сокращением естественного разнообразия природы».  
 
Если продолжить подобные дальнейшие обобщения, то можно формулировать более общую концепцию, касающуюся уже природы всех объективно существующих опасностей не только в техносфере, но и в повседневной жизнедеятельности человека. 
Приведенные выше соображения подтверждают правомерность энергоэнтропийной концепции, раскрывающей природу объективно существующих опасностей и позволяющей дать их наиболее общую классификацию. Действительно, исходя из неадекватности потоков энергии, вещества и информации, все опасности можно делить на следующие три класса: 
1) природно-экологические, вызванные нарушением естественных циклов миграции вещества, в том числе по причине природных катаклизмов; 
2) техногенно - производственные, связанные с возможностью нежелательных выбросов энергии и вредного вещества, накопленных в созданных людьми технологических объектах; 
3) антрогиогенно-социальные, обусловленные умышленным сокрытием и/или искажением информации. 
Сущность энергоэнтропийной концепции описывается следующими положениями:  повседневная деятельность человека потенциально опасна, т. к. связана с выработкой, хранением и преобразованием химической, электрической и других видов энергии, которая всегда стремится к неконтролируемому выходу по ряду причин, что приводит к гибели людей, ухудшению их здоровья, загрязнению окружающей среды;  опасность проявляется в результате несанкционированного либо неуправляемого выхода энергии, накопленной в оборудовании, вредных веществ, зданиях и сооружениях, непосредственно в самих работающих и во внешней среде;  такой внезапный выход энергии может сопровождаться происшествием с гибелью и травмированием людей, нанесением ущерба экономике и природе;  происшествиям предшествуют цепи предпосылок, приводящие к потере управления технологическим процессом, нежелательному выбросу энергии или вредных веществ и воздействию их на людей, оборудование и окружающую среду;  звеньями причинной цепи происшествия являются, как правило, ошибочные несанкционированные действия персонала, неисправности и отказы техники, а также нерасчетные энергетические воздействия извне;  ошибочные и несанкционированные действия персонала обуславливаются его недостаточной технологической дисциплинированностью и профессиональной переподготовкой к работам, характеризуемым потенциально опасной технологией и конструктивным несовершенством используемого производственного оборудования;  отказы и неисправности технологического оборудования вызываются его недостаточной надежностью, а также несанкционированными или ошибочными действиями работающих;  воздействия нерасчетных (превышающих допустимые пределы) внешних нагрузок (сочетаний) связываются с недостаточностью базы данных (знаний) для данной территории или объекта. Обобщая все изложенные положения по формированию опасности можно сформулировать более общую концепцию их возникновения в повседневной жизнедеятельности человека, которая, учитывая неадекватность взаимодействия энергии, вещества и информации позволяет все опасности подразделить на три класса:  природно-экологические, вызванные нарушением естественных циклов миграции вещества, в том числе по причине природных катаклизмов;  техногенно-производственные, связанные с возможностью нежелательных выбросов энергии и вредного вещества, накопленных и созданных в техногенных объектах;  антропогенно-социальные, обусловленные уменьшением (сокрытием) и/или искажением информации об имеющихся или реализованных опасностях. Таким образом, чтобы всесторонне оценить жизнедеятельность человека, необходимо оценить с качественной и количественной сторон все опасности, которым подвергается человек в процессе своего существования и взаимодействия его со средой обитания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2.

 Основные положения теории риска.

Системно-динамический подход к оценке техногенного риска

Установление уровня приемлемой безопасности и риска представляет довольно сложную задачу. Для ее решения требуется выполнение научного анализа экономических, экологических, демографических и других факторов, определяющих развитие общества, с учетом множества взаимосвязей и взаимозависимостей. Для обоснования приемлемого риска может оказаться полезным подход, разработанный доктором физ.-мат. наук И.И.Кузьминым при создании методики оптимизации затрат на снижение техногенного риска. Считаем целесообразным, изложить этот метод (с некоторыми сокращениями и изменениями) в авторском варианте.

При постановке вопроса об определении приемлемого риска в качестве цели управления выступает состояние здоровья общества, в качестве критерия – средняя продолжительность жизни (TL.E.), а в качестве целевой функции – риск смертности (Rs). Чтобы завершить с математической точки зрения постановку задачи об управлении риском (безопасностью), требуется определить управляющие переменные (управление) в целевой функции Rs, изменение которых позволяло бы обеспечивать оптимальность целевой функции. С этой целью напомним определение безопасности и рассмотрим эту проблему в историческом плане.

Безопасность – защита человека от чрезмерной опасности, где опасность – воздействие на человека неблагоприятных и несовместимых с жизнью факторов или снижающих качество жизни (под “качеством” в рамках данного определения следует понимать количество доступных для человека благ, необходимых для жизнедеятельности и удовлетворения духовных потребностей). Природа этих факторов может быть связана как с причинами социально-экономического характера (уровнем питания, образования, здравоохранения, с природными катастрофами и т.д.), так и с причинами техногенного характера (с уровнем загрязнения окружающей среды в результате производственной деятельности, с авариями на производстве и т.д.). В доисторический период люди, занимающиеся собирательством и охотой, находились во взаимодействии с экосистемами, являясь неотъемлемой ее частью. Риск смерти на этом этапе развития определялся чисто биотическими и абиотическими факторами.

Повышение безопасности, т.е. снижение уровня риска смертности Rs, всегда было одним из ведущих мотивов деятельности людей. Это достигалось развитием экономики, использованием достижений науки и техники и, соответственно, повышением материального уровня жизни, качества питания, медицинского обслуживания, образования, санитарно-гигиенических условий и пр. Недостаток продуктов питания ликвидировался индустриализацией сельского хозяйства, созданием различных видов удобрений почвы. Необходимость в защите от неблагоприятных погодных воздействий обусловила становления строительства, определила потребность в новых видах строительных материалов и энергоисточниках, рост структуры потребления продукции промышленности повлек за собой бурное развитие энерго- и ресурсонасыщенных производств. Другими словами, человечество, развивая экономику, создавало социально-экономическую систему безопасности, т.е. систему защиты от опасностей. С развитием цивилизации риск смерти определяется уже не природными факторами, а уровнем развития экономики и социальными отношениями в обществе.

Как показывают статистические данные (рис.1), в наиболее промышленно развитых странах достигнут и наибольший уровень безопасности (т.е. наибольшая продолжительность жизни или наименьший риск смерти) на данном этапе развития общества. Такой вид риска – социально-экономический (Rc.э.): 
Rs º Rc.э.(CïM, F, S, … ), 
где C – материальные ресурсы общества, характеризующие уровень жизни общества; M – материальный уровень жизни; F – уровень питания; S – уровень медицинского обеспечения и другие показатели социально-экономического развития.

Рис 1. Рост продолжительности жизни в различных странах

по мере социально-экономического развития

 

RS ≡ RС.Э. (C M,F ,S , ...)

где: C — материальные ресурсы общества, характеризующие уровень

жизни общества;

M — материальный уровень жизни;

F — уровень питания;

S — уровень медицинского обеспечения и другие показатели социально-

экономического развития

Созданная и развиваемая техносфера накопила в себе большие потенциальные опасности — техногенные факторы, и, соответственно, потребовала создания технических систем безопасности, обеспечивающих защиту от них Человека.

Необходимость в создании таких технических систем безопасности и одновременно совершенствование социально-экономической системы — это и есть новый элемент в обеспечении безопасности человека и окружающей среды. На их создание и эксплуатацию приходится использовать определенную долю материальных ресурсов общества, отвлекая средства из социально-экономической сферы. Таким образом, возникает важная задача распределения имеющихся материальных ресурсов. В настоящее время техническая система безопасности не позволяет полностью исключить воздействие техногенных факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3.

Роль внешних факторов, воздействующих на формирование отказов технических систем.

Воздействие биологических факторов

Биологические факторы — это все возможные влияния, которые испытывает живой организм со стороны окружающих его живых существ. Биологические факторы. В естественных условиях обитания микроорганизмы растут совместно с другими микроорганизмами, с растениями и животными. Между всеми этими группами организмов устанавливаются определенные взаимоотношения. Враждебные отношения называются антагонистическими, а обоюдополезные — симбиотическими. Могут быть и нейтральные отношения. Биологические факторы связаны в основном с воздействием микроорганизмов (бактерий и вирусов), которые попадают в природную среду вблизи предприятий по производству кормовых и пищевых добавок, дрожжей, аминокислот, антибиотиков. В результате прямого воздействия загрязненного микроорганизмами воздуха могут возникать аллергические заболевания, изменения иммунобиологической реактивности организма. В атмосферном воздухе может также находиться большое количество веществ природного происхождения, представленных частицами плесени, растительными волокнами, цветочной пыльцой и способных вызывать аллергические реакции у людей с повышенной чувствительностью. Биологические факторы являются самыми обычными и быстродействующими факторами. Можно указать, например, на роль бизонов, численность которых ранее составляла десятки миллионов голов, в развитии биоценозов американских прерий. Огромную роль в этом процессе играет и такой экологический фактор, как межвидовая конкуренция. Большое воздействие на конструкционные материалы оказывают биологические

факторы. Наиболее опасными являются плесневые грибы, споры

которых находятся в воздухе. Грибковые образования относятся к низшим

растениям, не обладающим свойством фотосинтеза. Взаимодействуя с материалами,

грибковые образования выделяют продукты обмена веществ, состоящие

главным образом из различного вида кислот, вызывающих разложение

изоляционных материалов и пластмасс.

Под действием плесневых грибов ухудшается механическая прочность

материалов и изделий. В электронных приборах под действием плесневых

грибов нарушаются электрические соединения, и ускоряется коррозия контактов.

Следует отметить большую скорость распространения плесени и огромную

(до 40 000) разновидность  плесневых грибков. Для ее образования  необходимы

питательная среда, тепло и малая вентиляция (ее отсутствие) воздуха.

Особенно благоприятные условия для образования плесени возникают

при функционировании систем в районах с повышенной влажностью и температурой (тропики, субтропики, районы южных морей и крупных озер).

Особенно подвержены действию грибковой плесени пластмассы на целлюлозной

основе. Плесень появляется и на неорганических изоляционных материалах,

стекле и металле.

Защита от грибковой плесени заключается в создании конструкций,

препятствующих проникновению влаги; в обеспечении хорошей вентиляции

и покрытии уязвимых элементов специальными защитными лаками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4.

 

Основы теории расчета надежности технических систем.

Основные понятия теории надежности

Наука о надежности – сравнительно молодая наука. Она занимается изучением причин, вызывающих отказы, определением закономерностей, которым они подчиняются, разработкой способов оценки (измерения) надежности, методов расчета и испытаний, а также поисков средств по повышению надежности.

Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью

(рис.1), под которой  понимается совокупность свойств,