Анализ степени риска сложных технологических систем, созданных методами сварки

УДК 621.791

А. Н. Черный, А. Г. Лупачев

АНАЛИЗ СТЕПЕНИ РИСКА СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ, СОЗДАННЫХ МЕТОДАМИ СВАРКИ

Анализируются наиболее вероятные сценарии развития аварийной ситуации на нефтяном резервуаре РВСПК-50000. Разработана модель дерева событий, позволяющая оценить вероятность исходов разных путей развития аварийной ситуации. Рассматривается возможный наихудший вариант развития событий и последствия, к которым это может привести. Дается характеристика уровня опасности объекта. Рассмотрены вопросы практического применения методики анализа.

Анализ степени риска - систематическое использование имеющейся информации для идентификации опасностей и оценки величины риска для человека, общества, имущества или окружающей среды. К анализу риска также иногда относят вероятностный анализ безопасности, вероятностный анализ риска, количественный анализ безопасности, количественный анализ риска.

Основная опасность резервуара РВСПК-50000, которая может привести к катастрофическим последствиям с большим материальным ущербом и гибелью людей, связана с возможностью полного разрушения наземного резервуара с нефтью с последующим распространением облака нефтяных паров, воспламенением, взрывом, пожаром пролива.

Наиболее слабым звеном в резервуарах являются вертикальные и уторный швы. Например, швы с завышенными размерами имеют крупнозернистую литую дендритную структуру металла. Если в сварном шве с крупным зерном имеется завышенное усиление и в этой зоне имеется подрез или наплыв, то в результате резкого увеличения коэффициента концентрации напряжений риск возникновения хрупкого или малоциклового разрушения конструкции в таких зонах высок. Следует также отметить, что для резервуаров характерны повреждения вследствие местной коррозии внутренней поверхности углового шва таврового соединения с днищем. Таким образом, целесообразно рассматривать сварное соединение как наи-

более слабое и подверженное большому количеству опасных факторов звено РВСПК-50000, выход из строя которого может привести к катастрофическим последствиям со значительным материальным ущербом.

Процесс разрушения резервуара чрезвычайно быстрый, а ударная сила образовавшейся волны прорыва достаточно велика. Даже нормативное обвалование, рассчитанное на гидростатическое удержание вылившейся жидкости, под воздействием гидродинамического потока в 49 % случаях разрушалось или промывалось, а в 29 % - поток перехлестывал через обвалование. Как следствие, жидкость растекалась по прилегающей территории на площади от нескольких десятков до сотен тысяч квадратных метров.

Статистика аварий это подтверждает: аварийный разлив на Камской нефтебазе Ростовской обл. (1960 г.) при разрушении резервуара V = 700 м3, площадь пожара 10 тыс. м2, погибло более 40 человек; аварийный разлив на нефтебазе г. Дудинка (1983 г.) при разрушении резервуара РВС-5000, площадь пожара 18 тыс. м2, погибло 2 человека; аварийный разлив на НГДУ Кама-Измагил «Татнефть» (1987 г.) при разрушении резервуара РВС-5000, площадь пожара 9 тыс. м2 [2, 3].

В нашем случае максимальная возможная площадь растекания нефти составляет 1 тыс. м2. Возможность человека покинуть опасную зону до прихода в рассматриваемую точку волны

прорыва будет зависеть от времени добе-гания до данной точки нефти, адекватности действий человека в сложившейся ситуации и скорости его передвижения.

Скорость гравитационного растекания нефти при разрушении резервуара связана с текущей толщиной слоя жидкости к(Ь) следующим соотношением [3]:

^=42?  [к

Ш

где g - сила тяжести, g = 9,81 И-кг; к - минимальная толщина слоя жидкости.

Текущая толщина слоя к(Ь) для данного объема растекающейся нефти зависит от массы вещества, участвующего в аварии, его плотности при заданной температуре, текущего значения площади разлития и определяется выражением [3]

к

рп  ь

где Q - масса вещества, участвующего в аварии, Q = 34500 т; р - плотность вещества, р = 0,69 г/см3; Ь - текущее значение радиуса зеркала разлития.

В общем виде время добегания жидкости t(L) до какой-либо точки, расположенной на расстоянии ь от аварийного резервуара, имеет вид [3]:

ь 1

t (Ь) = 1 </ь,

г < Ь < Ьр,

где г - радиус аварийного резервуара, г = 30350 мм; Ьр - максимальный радиус разлития при полном растекании нефти по подстилающей поверхности с минимальной глубиной загрязнения, принятой кщщ = 10 см, Ьр = 564,33 м.

Характер изменения времени t(L) добегания гидродинамической волны прорыва нефти до рассматриваемой точки территории для идеально ровной поверхности показан на рис. 1.

Характер изменения скорости до-бегания гидродинамической волны прорыва нефти до рассматриваемой точки территории для идеально ровной поверхности показан на рис. 2.

Ь------

Рис. 1. Характер изменения времени добегания гидродинамической волны прорыва нефти до рассматриваемой точки территории при развитии аварии на резервуаре РВСПК-50000

ь-

Рис. 2. Характер изменения скорости добегания гидродинамической волны прорыва нефти до рассматриваемой точки территории при развитии аварии на резервуаре РВСПК-50000

В результате можно сделать вывод, что за 1 мин обслуживающий персонал, оказавшийся в этой зоне, практически не успеет покинуть свои рабочие места и в случае пожара получит сильные ожоги.

Форма зоны открытого пламени при

растекании горящей нефти зависит от вида рельефа прилегающей к объекту территории. Для данного случая зона открытого пламени определяется площадью круга с центром в точке расположения резервуара (рис. 3).

Рис. 3. Зоны возможного теплового поражения персонала при развитии аварии на резервуаре РВСПК-50000

Оценка поражающего теплового воздействия на животных, материалы и растительность производится в соответствии с табл. 1 [4].

Для определения радиусов зон поражения при взрыве ТВС допустимо использовать следующую формулу:

Я = к Ж1/3/(1 + (3180/Ж)2)1/6 =

= 3,8  45471/3 /(1 + (3180/ 4547)2)1/6 =

= 644,6 м,

где К - коэффициент, характеризующий степень повреждений, К = 3,8 для смертельного поражения человека; Ж - тротиловый эквивалент взрыва [1].

Ж = 0,4  Мг-Цг =

0,9  4,5  106 = 0,4  10230  4,5 =

= 0,9  4,5  106 =

= 4547 кг,

где цг - теплота сгорания газа, цг = 4,5 мДж/кг; Мг - масса горючего газа, содержащегося в ТВС, Мг = 10230 кг.

Аналогично проводим расчет для К = 5,6 (тяжелые повреждения), К = 9,6 (средние повреждения), К = 28 (разрушение оконных проемов, легкосбрасы-ваемых конструкций). Результаты сводим в табл. 2.

Табл. 1. Оценка поражающего действия теплового воздействия на животных, материалы и растительность

Воздействие ит , кДж/ м2

Животные

Ожог легкой тяжести 80-100

Ожог средней тяжести 100-400

Тяжелые ожоги 400-600

Смертельные ожоги Более 600

Растительный комплекс

Воспламенение сухого дерева 500-670

Воспламенение кроны деревьев 500-750

Техногенный комплекс

Воспламенение досок, резины 230-400

Воспламенение кровли (рубероид) 580-710

Табл. 2. Зависимость степени поражения при взрыве ТВС от расстояния до эпицентра взрыва

Коэффициент К Радиус зоны поражения, м Избыточное давление АР, кПа Характеристика повреждений

3,8 644,6 100 и более Полное разрушение зданий. Смертельное поражение человека

5,6 949,98 70 Тяжелые повреждения человека. Здания подлежат сносу

9,6 1 628,54 28 Средние повреждения

28 4 749,9 14 Разрушение остекления оконных проемов, легко сбрасываемых конструкций

Данная оценка дает возможность представить последствия аварии, но для определения степени опасности объекта необходимо знать величину индивидуального риска и ожидаемый ущерб, которые рассматриваются ниже.

Аварии на резервуаре РВСПК-50000 могут развиваться по пути распространения пожара разлития с нанесением социального, материального и экологического ущербов. В связи с этим, в качестве меры опасности будет рассматривается интегрированный риск [4] Я(У%) - комплексный показатель безопасности, объединяющий в себе риски социального Я(УС), материального Я(УМ) и экологического Я(УЭ) ущербов:

ЯУ) = Я

Для оценки рисков таких событий необходимо знать частоту возникновения ХА и условные вероятности РА развития аварии на объекте, а также вероятности последствий поражающего воздействия на человека, технологическое оборудование, здания и сооружения.

Более подробно рассмотрим оценку коллективного риска. В основу модели коллективного риска положена формула, связывающая частоту реализации неблагоприятного события и ущерб (нанесенный данным неблагоприятным событием), которая может быть записана в следующем виде:

Я(УС) = ЦСЖ ^Я,-Р,уМи;

г,]

г = 1,2,..., п; ] = 1,2,..., т,

где Яг - распределение суммарного потенциального риска по зонам теплового поражения индивидуума; - распреде-

ление персонала объекта на прилегающей к аварийному оборудованию территории; Рг,] - вероятность пребывания человека в рассматриваемой точке; ЦСЖ - цена спасения жизни человека; п - число учитываемых зон теплового поражения; т - ко-

личество имеющихся на объекте мест нахождения персонала в пределах 1-й зоны теплового поражения.

Социальный ущерб определяется количеством ожидаемых летальных исходов в пределах круга вероятного поражения и измеряется в стоимостном эквиваленте.

Потенциальный риск в нашем случае рассматривается как пространственное распределение в пределах круга вероятного поражения (КВП), частоты реализации поражающего воздействия. КВП - это площадь внутри окружности с центром в точке реализации опасности, за пределами которой вероятность поражения мала. Радиус окружности, ограничивающей данную территорию, определяется установленным для рассматриваемого риска порогом воздействия основного поражающего фактора.

Рассмотрим последовательность оценки суммарного потенциального риска Яг в пределах 1-й зоны круга вероятного поражения для определенного типа аварий. В вышеприведенных исследованиях показано, что имеется потенциальный риск поражения людей. Этот потенциальный риск можно представить интегральной формулой полной вероятности:

ттах

тт1п

где /(М) - плотность распределения частот аварийных выбросов; [ттгп; ттах] -диапазон изменения массы аварийных выбросов в рассматриваемой группе сценариев; Ъ.(Г/М) - условная вероятность теплового поражения человека в рассматриваемой точке пространства (определяется координатным законом теплового поражения человека); Г -расстояние от аварийного резервуара до места нахождения персонала.

Функция /(М) определяется методами регрессионного анализа. При по-

строении регрессионной модели учитывается весь спектр возможных аварийных выбросов от ттгп до ттах в рассматриваемой группе сценариев и частоты их появления, взвешенные по условным вероятностям возникновения и развития аварий.

Нас интересует оценка последствий конкретного набора сценариев, поэтому достаточно использовать дискретный аналог формулы

Я, = £ Р

где ] - номер сценария (гипотезы); Р(М]) -вероятность гипотезы ]; Р(Г/М) - условная вероятность координатного поражения при гипотезе ] [6].

Рассмотрим вклад в (9) одного, но наиболее тяжелого по своим последствиям сценария - разрушения резервуара с формированием горящей гидродина-

мической волны прорыва, который интерпретируется нами как максимально возможная авария на резервуаре РВСПК-50000.

Для оценки соответствующей ему вероятности Р(Мтса) представим эту гипотезу как сложное событие, являющееся произведением таких элементарных событий, как разрушение резервуара, пролив нефти, образование паров ^ развитие пожара пролива ^ взрыв, тепловое воздействие на объекты. Эти элементарные события описываются вероятностями Рк, поэтому:

Р

где ХА - частота аварий в нефтехранилище.

Значение Pk в уравнении (10) определяем с использованием дерева событий [5] (рис. 4).

Р1.1 Развитие пожара пролива

Р1.1.1 Ликвидация пожара

Р1 Группа сценариев А

I

Разрушение резервуара, пролив нефти, образование паров

Р1.2 Отсутствие пожара

Р1.1.2 Взрыв, тепловое воздействие на объекты

Р2 Группа сценариев Б

Частичное разрушение резервуара, оборудования, локальные утечки

Р2.2 Отсутствие пожара

Р2.1 Развитие пожара

Р2.1.1 Ликвидация пожара

Р2.1.2 Взрыв, полное разрушение резервуара

Рис. 4. Дерево событий для аварий на резервуаре РВСПК-50000

Из (9) и (10) следует выражение для потенциального риска теплового поражения человека при аварии на резервуаре с нефтью РВСПК-50000 с разрушением, проливом и образованием взрывоопасных паров (сценарий «А-1»).

Я * = ЯЛ-Р *

где Р*(Г) - соответствующий максимальной гипотетической аварии координатный закон теплового поражения человека; £ -число рассматриваемых элементарных событий, совместное выполнение которых предопределяет развитие аварии на резервуаре с нефтью РВСПК-50000.

Величина ХА определяется на основе статистических данных об авариях резервуаров на объектах хранения нефтепродуктов. Анализ разрушений резервуаров можно представить как частную выборку из генерального статистического массива зарегистрированных случаев пожаров и аварий на резервуарах по стране за сорокапятилетний период с 1960 по 2006 гг.

На основе этих данных среднестатистическая частота аварий в резервуарных

парках составляет 5,73-10"4 год-1 на резервуар.

При расчете величины Р (Г) в уравнении (11) исходим из следующих предположений:

- в зоне действия открытого пламени условная вероятность летального исхода равна единице Р (Г) = 1;

- в зоне действия теплового излучения с поверхности фронта пламени горящего разлития поражение человека, при получении им определенной дозы теплового излучения, носит случайный характер и описывается параметрической зависимостью «доза-эффект» Р(Ф).

В качестве функции «доза-эффект» Р(ф) используем параметрический закон распределения Гаусса-Лапласа (также известный как функция ошибок). Верхним пределом интеграла функции ошибок является так называемая пробит-функция (Рг) [1], отражающая связь дозы теплового излучения и пробита относительной частоты поражения. Значения параметров пробит-функции зависят от рассматриваемой степени поражения человека. Связь вероятности поражения человека с пробит-функцией отражена в табл. 3.

Табл. 3. Связь вероятности поражения человека с пробит-функцией

Р,% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 2,67 2,95 3,12 3,25 3,38 3,45 3,52 3,59 3,66

10 3,72 3,77 3,82 3.86 3,92 3,96 4,01 4,05 4,08 4,12

20 4,16 4,19 4,23 4.26 4,29 4,33 4,36 4,39 4,42 4,45

30 4,48 4,50 4,53 4,56 4,59 4,61 4,64 4,67 4,69 4,72

40 4,75 4,77 4,80 4,82 4,85 4,87 4,90 4,92 4,95 4,97

50 5,00 5,03 5,05 5,08 5,10 5,13 5,15 5,18 5,20 5,23

60 5,25 5,28 5,31 5,33 5,36 5,39 5,41 5,44 5,47 5,50

70 5,52 5,55 5,58 5,61 5,64 5,67 5,71 5,74 5,77 5,81

80 5,84 5,88 5,92 5,95 5,99 6,04 6,08 6,13 6,18 6,23

90 6,28 6,34 6,41 6,48 6,55 6,64 6,75 6,88 7,05 7,33

99 7,33 7,37 7,41 7,46 7,51 7,58 7,65 7,75 7,88 3,09

Однако, зная параметрический закон поражения человека Р(Ф), нельзя судить о характере распределения потенциального риска на прилегающей территории. Для решения данной задачи необходимо знать, как изменяется вероятность поражения человека по мере удаления от источника опасности, т. е. от параметрического закона необходимо перейти к координатному закону теплового поражения человека.

Для перехода от параметрического закона поражения Р(Ф) к координатному Р(Г), используем функциональную связь изменения теплового потока от расстояния Я = Я(Г).

С учетом сделанных выше предположений, определяется характер распределения условной вероятности теплового поражения Р (Г) в зоне действия опасных факторов пожара - открытого огня и теплового излучения с поверхности фронта пламени гидродинамической волны прорыва, представленной следующим выражением:

Р*( Г) =

1 при Г < LP

Pr (Г)-5 Z 2

,— J exp

V 2п -» 2

1

Pr (Г) = А + В-ln[( Г) - j4/3 ]; t =

const

где I - эффективное время экспозиции; Я(Г) - интенсивность теплового излучения в зависимости от расстояния; ] - нижний порог теплового поражения человека; РГ(Г) - пробит-функция; 2 - переменная интегрирования; А, В - параметры пробит-функции.

Для летальных исходов параметры пробит-функции соответственно равны: А = -14,9; В = 2,56.

Рассмотрим величины, входящие в уравнение (12).

Время пребывания в зоне теплового облучения ^ при пожаре зависит от адекватности действий человека в сложившейся ситуации (не менее 5 с на оценивание обстановки и принятие решения) и скорости его передвижения к безопасной зоне

(не более 4-5 м/с). Также необходимо учитывать и тот факт, что фронт пламени движется со скоростью, определяемой скоростью растекания горящей нефти (рис. 2).

Эффективное время облучения человека принимаем при расчетах Р (Г), равным to = 30 с.

В качестве нижнего порога теплового воздействия для производственного персонала нами принята величина ] < 3,5 кВт/м2. Данная величина обосновывается тем, что минимальная доза теплового потока Бш;п = ]^0, которую может получить человек, не должна превысить дозу, соответствующую ожогу первой степени поражения.

Результаты расчетов распределения вероятностей летальных исходов вследствие теплового поражения человека на прилегающей к объекту территории (координатные законы поражения) при реализации максимальной гипотетической аварии на резервуаре с нефтью РВСПК-50000 по сценарию А-1 показаны на рис. 4.

Из сравнительного анализа координатных законов, представленных на рис. 4, можно видеть, что функция вероятностей летальных исходов Р (Г), учитывающая параметр порогового воздействия 7, стремится к нулю, при приближении к внешней границе КВП. В другом случае, при ] = 0, вероятность летальных исходов в результате воздействия теплового излучения остается значимой и за пределами КВП, что может приводить к необоснованному завышению уровня опасности объекта.

Выполненный анализ опасностей на резервуаре с нефтью РВСПК-50000 позволяет увидеть возможные последствия при возникновении и развитии максимальной возможной аварии, а также вероятность наступления каждого последующего шага по сценарию «А-1».

Is

Ы Си

а? §

I ш

¡1

1

01

0001-

0.000000001

0,00000000001

--

" зона ; зона х.

- открытого I теплового х.

_ пламени : излучения N.

j \

граница круга Вероятного поражения

300 W0 500 600

Расстояние от центра разлитин м

700

Рис. 4. Координатные законы распределения вероятностей летальных исходов при тепловом поражении человека на прилегающей к аварийному резервуару территории для аварии на резервуаре с нефтью РВСПК-50000

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изменениями и дополнениями). Утверждена постановлением Гостехнадзора России от 26.06.01. - № 25.

2. Швырков, С. А. Анализ статистических данных разрушений резервуаров / С. А. Швырков, В. Л. Семиков, А. Н. Швырков // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - 1996. -№ 5. - С. 39-50.

3. Сучков, В. П. Актуальные проблемы обеспечения устойчивости к возникновению и развитию пожара технологий хранения нефти и

нефтепродуктов / В. П. Сучков. - М. :

ЦНИИТЭнефтехим, 1995.

4. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Утверждены Госгортехнадзором России Постановлением от 10.07.2001. -№ 30.

5. СТБ МЭК 60300-3-9-2005. Управление надежностью. Анализ риска технологических систем. Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта Республики Беларусь от 30.05.2005. - № 24.

6. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. - М. : Высш. шк., 2000. - 480 с.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 23.02.2007

А. N. Chernyi, A. G. Lypachev The analysis of degree of risk difficult technological sistems created by methods of welding

Belarusian-Russian University

The most probable scripts of development an emergency on oil tank RVSPK-50000 are analyzed. The possible worst variant of succession events and a consequence in which it can result is considered. The characteristic a level of danger object is given. Questions of practical application of a technique of the analysis are considered.