Инженерные методы исследования безопасности технических систем

Лекция 6 ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ План 1. Понятие и методология качественного и количественного анализов опасностей и выявления отказов систем 2. Порядок определения причин отказов и нахождения аварийного события при анализе состояния системы 3. Предварительный анализ опасностей 4. Метод анализа опасности и работоспособности—АОР (Hazard and Operability Study — HAZOP) 5. Методы проверочного листа (Check-list) и «Что будет, если ...?» («What — If») 6. Анализ вида и последствий отказа — АВПО (Failure Mode and Effects Analysis — FMEA) 7. Анализ вида, последствий и критичности отказа —АВПКО (Failure Mode, Effects and Critical Analysis — FMECA) Литература 1. Акимов В. А., Лапин В. Л., Попов В. М., Пучков В. А., Томаков В. И., Фалеев М. И. Надежность технических систем и техногенный риск. — М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002 — 368 с. 2. Асмолов В.Г., Сидоренко В.А. Учебное пособие для студентов Московского энергетического института (ТУ), - 2004. –103 с. 1. Понятие и методология качественного и количественного анализов опасностей выявления отказов систем Процедуры для обеспечения безопасности: •идентификация опасностей, их анализ и оценка; •логические процедуры формулирования предупредительных мероприятий (контрмер); •выбор лучшей контрмеры для внедрения (принятие решения). Методы анализа Количественные Качественные •оценки будущих характеристик системы могут выполняться по характеристикам компонентов системы. Оценки на этом уровне более точны, а их погрешности меньше влияют на результат; •оценки могут выполняться различными лицами, так что для каждого вида оценок может быть привлечен наиболее квалифицированный специалист; •оценки могут осуществляться методом последовательного приближения, причем при каждом пересчете можно изучать влияние изменения исходных данных. Требования к критериям количественных оценок количественных методов анализа: •иметь ясный физический смысл; •быть определяющим и соответствовать основной цели функционирования системы, подсистемы или элемента; •учитывать основные детерминированные и стохастические факторы, определяющие уровень безопасности системы; •быть критичным к анализируемым параметрам и достаточно чувствительным к ним. Классификация критериев включает: A. Общие (интегральные) критерии, дающие наиболее полную оценку совершенствования системы (общее число возможных аварий и случаев травматизма, сумма затрат на создание системы безопасности). Б. Условные (косвенные) критерии, отражающие одно из свойств системы путем отнесения его к некоторому показателю (стоимость получения единицы конечной продукции, вероятность безотказной работы определенного комплекса защитных мер, вероятность возникновения аварийной ситуации в определенном промежутке времени). B. Относительные (нормированные) критерии, характеризующие безопасность системы в отношении оснащенности и эффективности средств защиты (отношение времени воздействия опасного фактора к общему времени работы, сопоставление экономической эффективности внедрения различных средств защиты, изменение уровня безопасности по сравнению с внедрением). 2. Порядок определения причин отказов и нахождения аварийного события при анализе состояния системы Анализ причинных связей прямой анализ анализ с обратным порядком При построении дерева событий (ДС), проведении анализа вида и последствий отказа (АВПО), анализа критичности (АК) используется прямой порядок. Обратный — для анализа с помощью деревьев отказов (ДО). Для предварительного анализа опасностей (ПАО) используется как прямой подход, так и обратный. При выполнении анализа в прямом порядке принимается ряд определенных последовательностей событий и составляются соответствующие этим последствиям сценарии, оканчивающиеся опасными состояниями системы. При этом задается вопрос: к какому событию в процессе работы системы (ее элементов) приводит отказ элемента следующего уровня системы, например: « Что случится, если разорвется трубопровод системы охлаждения реактора?» При анализе с прямой последовательностью оказываются полезными контрольные перечни возможных состояний элементов. Обратный подход, т. е. анализ с помощью дерева отказов, используется при определении причинных связей, ведущих к данному опасному состоянию системы. Само опасное состояние становится конечным событием дерева отказов. При этом задается вопрос: по каким причинам может произойти отказ системы, например: «Каким образом может отказать электропитание насоса, подающего охлаждающую жидкость в систему охлаждения реактора?» 3. Предварительный анализ опасностей Целью предварительного анализа опасностей (ПАО) является определение системы, части системы (оборудование, резервуары, продуктопроводы и т. п.); или отдельного элемента, топографии и выявление в общих чертах потенциальных опасностей или отдельных опасных состояний (перегрузка, разгерметизация, утечка, потеря устойчивости или несущей способности и т. д.), которые могут привести к опасным событиям, т. е. определение участка системы, где требуется более подробный анализ. Результатом ПАО будут: перечень опасностей, место или элемент системы и корректирующие воздействия. На этой основе в дальнейшем разворачивается детальный количественный анализ. Последовательность выполнения предварительного анализа: 1. Определение потенциальных источников опасностей — системы, части системы или элементы, которые могут вызвать опасности (энергетические установки, трубопроводы, химические реакторы, емкости, сосуды под давлением, новые технологии и др.). 2. Выявление опасностей — возможные пожары, взрывы, утечки токсичных веществ и т. д., которые маловероятны и еще не приводили к авариям. 3. Введение ограничения на анализ — исключение из списка опасностей, проявление которых неосуществимо, или части системы, в которых осуществление опасностей практически невозможно. Структура качественного исследования при ПАО выглядит следующим образом 1.Система, подсистема или элемент — аппаратура, механизм или функциональный элемент, технологические операции, подвергаемые анализу. 2.Ситуация — соответствующая фаза работы аппаратуры, механизма, элемента или вид технологической операции. 3.Опасный элемент — анализируемый элемент аппаратуры, механизма или технологическая операция, являющиеся по своей природе опасными. 4.Причина, вызывающая опасное состояние, — нежелаемое событие или ошибка, которые могут быть причиной того, что опасный элемент вызовет определенное опасное состояние. 5.Опасные условия — результат взаимодействия элементов в системе и система в целом, при котором может быть создано опасное состояние. 6. Событие, вызывающее опасные условия, — нежелательные события или дефекты, которые могут вызвать опасное состояние, ведущее к определенному типу возможной аварии. 7. Потенциальная авария. Рассматривается любая возможная авария, которая возникает в результате определенного опасного состояния. 8. Последствия. Рассматриваются возможные последствия потенциальной аварии в случае ее возникновения. 9. Класс опасности. Выполняется качественная оценка потенциальных последствий для каждого опасного состояния в соответствии с критериями опасности. 10. Мероприятия для предотвращения аварии. Рекомендуемые защитные меры для исключения или ограничения выявленных опасных состояний и (или) потенциальных аварий — требования к элементам конструкций, введение защитных приспособлений, изменение конструкций, введение инструкций для персонала и др. меры. Критерии классов опасности Класс I — безопасный. Состояние, связанное с ошибками персонала, недостатками конструкции или ее несоответствием проекту, а также неправильной работой, которое не приводит к существенным нарушениям и не вызывает повреждения оборудования и несчастных случаев с людьми. Класс II — граничный (предельно допустимый): состояние, связанное с ошибками персонала, недостатками конструкции, ее неправильным функционированием или несоответствием проекту, которое приводит к нарушениям в работе, но может быть компенсировано или взято под контроль без повреждений оборудования или несчастных случаев с персоналом. Класс III — критический: состояние, связанное с ошибками персонала, недостатками конструкции или несоответствием проекту, а также неправильным ее функционированием, приводящее к существенным нарушениям в работе, повреждению оборудования и создающее опасную ситуацию, требующую немедленных мер по спасению персонала и оборудования. Класс IV — катастрофический: состояние, связанное с ошибками персонала, недостаткам конструкции или ее несоответствием проекту, а также неправильным ее функционированием, полностью нарушающее работу и приводящее к последующему разрушению системы и (или) гибели или массовому травмированию персонала. 4. Метод анализа опасности и работоспособности—АОР (Hazard and Operability Study — HAZOP) На основе этого метода (в ряде работ он именуется как «Метод изучения опасностей и функционирования», «Метод последовательной экспертизы», «Метод ключевых слов») возможно предсказание отдельных условий, приводящих к реализации опасностей. Он предназначен для рациональной организации функционирования производства и предотвращения несчастных случаев. По своей сути — это исследование, выполняемое на основе применения в соответствии с эвристическими правилами ключевых терминов для выявления всех отклонений (опасных состояний) в работе системы от нормы, и описание возможных последствий обнаруженных отклонений для безопасности функционирования, а также вероятных причин этих отклонений и действий, необходимых для безопасного поддержания процесса. Процедура реализации метода заключается в изучении каждой составляющей технологической схемы (линии, блока и т. д.). Конструктивное решение такой составляющей анализируется в том виде, в котором оно представлено в проектной документации. Затем набор ключевых терминов и слов «применяется» к этой составляющей и анализируются «сгенерированные» последствия. Примером может служить следующий набор: Не, Нет, Больше, Меньше, Помимо, Скорее чем, Позже чем, Наоборот, Также как, Чем другие, Часть из, Ни один из, Больше чем, Меньше чем, Часть чего-либо и др. Пример. Проведения ПАО с использованием ключевых слов на примере установки, в которой происходит реакция между химическими веществами А и В с получением продукта С. Схема технологической установки:расходная емкость; 2 — реактор; 3,4 — трубопроводы продуктов А и В;5 — насосы; 6 — запорный клапан Пример простой технологической карты Вещество А. Вещество В. Получаемый продукт С. Реакция А+В = С Предположим, что химия технологического процесса такова, что концентрация исходного материала А никогда не должна быть ниже концентрации материала В во избежание взрыва. Проектом определено, как должен работать участок трубопровода, по которому осуществляется перемещение материала А. Первое из появляющихся отклонений возникает при использовании ключевых слов «НЕ» или «НЕТ» применительно к проектному требованию. В данном случае получится: «НЕ ПЕРЕМЕЩАЕТСЯ А». Затем рассматривается схема технологического процесса для установления причин, которые могли бы полностью прекратить подачу А. Обратимся к схеме. Начнем с трубопровода, идущего от всасывающего патрубка насоса, который перекачивает исходный материал А до того места, где он поступает в реактор. Причинами прекращения подачи А могут быть следующие условия: •1. Расходный резервуар пуст. •2. Не действует насос из-за механической поломки, повреждения электросети или отключения насоса и т.д. •3. Разрыв трубопровода. •4. Закрыт запорный клапан. Очевидно, что, по крайней мере, некоторые из этих причин являются возможными и поэтому можно заключить, что они вызывают существенное отклонение А+В = С. Затем анализируются последствия. Полное прекращение доступа потока материала А скоро приведет к тому, что количество материала В в реакторе будет превышать количество материала А, что может привести к опасности взрыва. Таким образом, выявлены опасности в конструкции, и они отмечены для дальнейшего рассмотрения. Следующее ключевое слово: «БОЛЬШЕ». Отклонения выражаются следующими словами: «В РЕАКЦИОННЫЙ СОСУД ПОСТУПИЛО БОЛЬШЕ ВЕЩЕСТВА А». Причиной этому могут быть технические характеристики насоса, которые при определенных обстоятельствах приведут к увеличению скорости потока одного из веществ. Если это вполне объяснимая причина, то рассматривают следующие последствия: 1. В результате реакции в реактивном сосуде образуется вещество С,загрязненное избытком вещества А, переходящее в таком виде в следующую стадию процесса. 2. Избыточный поток в реактивный сосуд предполагает, что часть вещества будет удалена через сливное устройство. Для решения вопроса о степени опасности таких обстоятельств нужна дополнительная информация. Следующее ключевое слово «МЕНЬШЕ». Отклонение сформулировано как: «В РЕАКТИВНЫЙ СОСУД ПОСТУПИЛО МЕНЬШЕ ВЕЩЕСТВА А». Причины этого события несколько отличаются от причин, вызвавших отклонение от режима в результате прекращения подачи А: 1. Запорный клапан открыт неполностью. 2. Частичная закупорка трубопровода. 3. Насос не справляется с подачей жидкости из-за снижения своих рабочих характеристик. Следствие аналогично тому, которое явилось результатом полного прекращения потока, и поэтому потенциальная опасность — это возможность взрыва. Затем оставшиеся ключевые слова по очереди применяются к проекту конструкции этой части, для того чтобы обеспечить исследование всех возможных отклонений. После проверки трубопровода, по которому в реактор поступает материал А, он отмечается на карте технологического процесса как прошедший проверку. Затем выбирается следующая часть конструкции для исследования, и это может быть трубопровод для подачи исходного материала В вреактор. Это повторяется для каждой части конструкции, каждого трубопровода, вспомогательных устройств, например мешалок, любых средств обслуживания реактора (подача тепла и холода) и самого реактора. Вот почему этот метод иногда называют методом последовательной экспертизы. Только при исключительных обстоятельствах на каждом этапе анализа составляется письменный отчет, придерживаясь рассмотренной структуры описания ПАО. Обычным является проведение анализа с записью только потенциальных опасностей и их причин. Изучение опасностей и функционирования системы Ключевое Нарушения слово Причина Опасность Требуемые и меры последствия защиты Нет Закрыт клапан Больше В — взрыв из-за нарушения реакции Нет подачи вещества А Предусмотреть электроблокировку включения насоса Последовательность проведения экспертизы Следующие два отклонения от проекта имеют качественный характер. Ключевыми словами являются ТАК ЖЕ КАК, а отклонение — ТАК ЖЕ КАК ПЕРЕМЕЩЕНИЕ А. Это может означать: 1. Перемещение какого-либо компонента в дополнение к А. Анализ технологического процесса показывает наличие дополнительного трубопровода с запорным клапаном насоса. Если этот клапан не закрыт, вместе с А в реактор может поступать другой компонент. При этом появляется возможность того, что этот компонент либо будет оказывать характерное для него действие, либо будет играть роль инертного разбавителя А. 2. Перемещение А куда-нибудь еще кроме реактора. При анализе карты технологического процесса мы видим, что это возможно. Он мог бы перемещаться вверх по трубопроводу до всасывающего отверстия насоса через Т-образный участок. 3. Другие процессы, происходящие одновременно с перемещением А. Например, может ли происходить кипение или разложение А в трубопроводе или насосе? Другим отклонением может быть такое отклонение, которое явилось причиной неполной реализации проектного замысла. Ключевыми словами являются: ЧАСТЬ ЧЕГО-ЛИБО и ОТКЛОНЕНИЕ ЧАСТИ ПЕРЕМЕЩАЕМОГО А. Это могло бы означать: 1. Компонент А отсутствует. В данном случае необходимо иметь данные о составе А для правильной оценки эффекта отсутствующего компонента. 2. Пропуск одного или более реакторов в том случае, если насос подает А в несколько реакторов. Эти последние два отклонения снова имеют качественный характер, однако ни один из проектных замыслов не сохраняется. Первое из отклонений противоречит проекту. Ключевое слово ОБРАТНЫЙ и отклонение формулируется КАК ОБРАТНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ А. Это означает, что поток направляется из реактора через насос. С помощью технологической схемы (карты) рассматриваются вероятность и возможныепоследствия такой ситуации. 3. Изучается возможность полной замены проектного замысла чем-нибудь еще. Ключевые слова — ДРУГОЕ а НЕ, а отклонение — ЧТО-ТО ДРУГОЕ,а НЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ А. Это могло бы означать: 3.1. Перенос материала, отличающегося от А. На технологической карте изучается возможность этого. Такое замещение могло бы произойти, например, при ошибочной подаче другого материала через насос. Необходима дополнительная информация о возможных материалах и их действии. 3.2. Изменение запланированного назначения оборудования. Например, подача компонента А не в реактор, а в другую емкость. Изучение карты технологического процесса показывает, что это может произойти через Т-образный отрезок трубопровода. 3.3 Изменение в характере действия вещества и его состоянии. Например, может ли А загустевать вместо того, чтобы перемещаться в трубопроводе? Ключевые слова представлены в виде набора стандартных терминов, которые могут применяться при рассмотрении проектной документации для того, чтобы сформулировать возможные значимые отклонения. Ключевые слова применяются при общем описании. При детальном описании они также могут применяться в качестве фраз. Однако при использовании этих слов для более подробных описаний необходимы некоторые ограничения и даже модификации. Все ключевые слова, за исключением, возможно, слова ОБРАТНЫЙ, могут также применяться к веществам. В данном случае также можно сформулировать два или несколько отклонений. Например, БОЛЬШЕ ПАРА может означать увеличение количества пара или повышение скорости его потока (увеличение расхода пара) или же повышение давления пара (возрастание интенсивности).