Анализ риска аварий и опасных происшествий. Анализ риска аварий металлургического предприятия
Любой объект техносферы потенциально опасен. Всегда существует возможность происшествия: инцидента, аварии, катастрофы.
Инцидент – событие в результате которого возникает или может возникнуть несчастный случай.
Аварией обычно считается происшествие, в результате которого повреждена техника, без гибели людей.
Крупная авария , повлекшая за собой человеческие жертвы, значительный материальный ущерб, загрязнение среды, считается катастрофой.
Причины происшествия могут быть внутренними (отказы техники, ошибочные действия персонала) и внешними (транспортные аварии при перевозке опасных грузов, противоправные действия, природная среда и др.).
Опасность объекта техносферы – это его свойство, состоящее в возможности в процессе эксплуатации при определенных обстоятельствах причинять ущерб человеку, организации, окружающей природной среде .
Экономический ущерб , который может быть причинен объектом, называется потенциалом угрозы . Верхний предел потенциала угрозы обозначается как потенциал опасности технического объекта.
По потенциалу опасности промышленные объекты делятся на неопасные и опасные. Ущерб от потенциально опасных объектов наступает в случае аварий. В РФ опасные объекты подлежат регистрации в государственном реестре, обязаны заниматься декларированием безопасности и страхованием ответственности за ущерб третьим лицам.
Согласно федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 № 116-ФЗ различают 5 групп объектов по виду опасности :
1) опасные вещества (воспламеняющиеся, окисляющиеся, горючие, взрывчатые, токсичные);
2) давление (более 0,07 МПа), температура нагрева воды (более115°);
3) высота (грузоподъемные машины, эскалаторы, фуникулеры, канатные дороги);
4) расплавы черных и цветных металлов;
5) подземные условия (горные работы).
По природе образующихся в результате аварии опасных факторов выделяют 6 групп потенциально-опасных объектов:
1) ядерно и радиационно опасные;
2) химически опасные;
3) пожаровзрывоопасные;
4) биологически опасные;
5) гидродинамически опасные;
6) объекты жизнеобеспечения.
Различают следующие виды опасных техногенных явлений: транспортные аварии, пожары, взрывы, химические аварии, радиационные аварии, гидродинамические аварии, разрушения зданий.
Оценка риска аварии
– процесс, используемый для определения вероятности (или частоты) и степени тяжести последствий реализации опасностей аварий для здоровья человека, имущества и (или) окружающей природной среды.
Оценка риска включает анализ вероятности (или частоты), анализ последствий и их сочетания.
Риск аварии – мера опасности, характеризующая возможность возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее последствий.
Основными количественными показателями риска аварии являются:
· технический риск – вероятность отказа технических устройств с последствиями определенного уровня (класса) за определенный период функционирования опасного производственного объекта (определяют методами теории надежности);
· индивидуальный риск – частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий. Рекомендуется оценивать индивидуальный риск отдельно для персонала объекта и для населения прилегающей территории или, при необходимости, для более узких групп, например, для рабочих различных специальностей;
· потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) – частота реализации поражающих факторов аварии в рассматриваемой точке территории;
· коллективный риск – ожидаемое количество пораженных в результате возможных аварий за определенное время;
· социальный риск , или F/N-кривая (в зарубежных работах – кривая Фармера), – зависимость частоты возникновения событий (F), в которых пострадало на определенном уровне не менее N человек, от этого числа N. Характеризует тяжесть последствий (катастрофичность) реализации опасностей. Под N можно понимать и общее число пострадавших, и число смертельно травмированных или другой показатель тяжести последствий. Критерий приемлемого риска будет определяться не числом для отдельного события, а кривой, построенной для различных сценариев аварии с учетом их вероятности. В настоящее время общераспространенным подходом для определения приемлемости риска является использование двух кривых, когда, например, в логарифмических координатах определены F/N-кривые приемлемого и неприемлемого риска смертельного травмирования. Область между этими кривыми определяет промежуточную степень риска, вопрос о снижении которой следует решать, исходя из специфики производства и региональных условий;
· ущерб от аварии – потери (убытки) в производственной и непроизводственной сфере жизнедеятельности человека, вред окружающей природной среде, нанесенные в результате аварии на опасном производственном объекте и исчисляемые в денежном эквиваленте».
Объектом анализа опасностей является система «человек – машина – окружающая среда» (ЧМС).
Нештатное взаимодействие объектов, входящих в систему ЧМС, может выражаться в виде ЧП.
ЧП – нежелательное, незапланированное, непреднамеренное событие в системе ЧМС, нарушающее обычный ход вещей и происходящее в относительно короткий отрезок времени.
Н.с. – ЧП, заключающееся в повреждении организма человека.
Отказ – ЧП, заключающееся в нарушении работоспособности компонента системы.
Инцидент – вид отказа, связанный с неправильными действиями или повреждением человека.
Анализ опасностей делает предсказуемыми перечисленные выше ЧП и следовательно, их можно предотвратить соответствующими мерами.
Анализ опасностей – это прежде всего поиск ответов на следующие вопросы:
Какие объекты являются опасными?
Какие ЧП можно предотвратить?
Какие ЧП нельзя устранить полностью и как часто они будут иметь место?
Какие повреждения неустранимые ЧП могут нанести людям, материальным объектам, окружающей среде?
Анализ опасностей описывает опасности качественно и количественно и заканчивается планированием предупредительных мероприятий.
Существует техника вычисления вероятностей отказа, которая базируется на здании алгебры логики и событий, теории вероятностей, статистическом анализе.
ЛЕКЦИЯ 5. ТЕХНОГЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И ЗАЩИТА ОТ НИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ
Производственная санитария - система организационных, гигиенических и санитарно-технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих вредных производственных факторов.
Воздух рабочей зоны
Под рабочей зоной производственных помещений понимается зона высотой 2 м над уровнем пола или площадки постоянного или временного пребывания работающих.
Воздух представляет собой физическую смесь различных газов, образующих атмосферу Земли. Чистый воздух – это смесь газов, содержащая 78,09 % - азота, 20,95 % - кислорода, 0,93 % - аргона, 0,03 % - диоксида углерода.
Для эффективной трудовой деятельности необходимо обеспечение требуемой чистоты воздуха и нормальных метеорологических условий (микроклимата) производственных помещений. В результате производственной деятельности в воздушную среду могут поступать различные вредные вещества .
Вредным называется вещество , которое при контакте с организмом человека в случае нарушения требований безопасности может вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами как в процессе работы, так и в последующие сроки жизни настоящего и будущего поколений .
Вредные вещества могут проникать в организм человека через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, кожные покровы, слизистые оболочки и вызывать отравления.
Отравления в производственных условиях могут быть острыми (возникают быстро при наличии относительно высоких концентраций вредных веществ, в основном в аварийных ситуациях) и хроническими (развиваются медленно в результате накопления в организме токсических веществ).
По степени воздействия на организм человека все вредные вещества подразделяются на четыре класса (табл. 1).
Таблица 1. Классификация вредных веществ по степени опасности
По характеру воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на:
- общетоксические – вступают во взаимодействие с организмом человека, вызывая различные отклонения в состоянии здоровья (ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилол и др.);
- раздражающие – вызывают воспалительную реакцию (кислоты, щелочи, хлор, аммиак, оксиды азота и др.);
- канцерогенные – вызывают образование злокачественных опухолей (полициклические ароматические углеводороды, входящие в состав сырой нефти и образующиеся при термической обработке горючих ископаемых – угля, древесины, нефти - и неполном их сгорании, а также пыль асбеста);
- сенсибилизирующие – после непродолжительного действия на организм вызывают повышенную чувствительность к этому веществу (соединения ртути, платина, формальдегид);
- мутагенные – воздействуют на генетический аппарат клетки (соединения свинца, ртути, органические перекиси, формальдегид и др.).
С целью устранения негативного влияния вредных веществ на организм человека установлены предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений. Предельно-допустимой называется такая концентрация , которая, воздействуя на человека в течение всего рабочего стажа при ежедневной 8 -часовой работе, не вызывает заболевания или отклонения здоровья от нормального ни в данное, ни в последующее время жизни работающего и его потомства . Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений в виде газов, паров и пыли не должны превышать ПДК, установленных ГОСТом 12.1.005–88.
В качестве примера приведем: предельно-допустимые концентрации некоторых вредных веществ в воздухе рабочей зоны.
Таблица 2. Выписка из ГОСТа 12.1.005-88
Пыли могут оказывать на человека фиброгенное (нарушают нормальной строение и функции органа), раздражающее и токсичное действия.
При одновременном присутствии в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ , обладающих однонаправленным действием , сумма отношений их концентраций не должна превышать единицы
где С 1 , С 2 ,…, С n – концентрациивредных веществ в воздухе рабочей зоны;
ПДК 1 , ПДК 2 ,…, ПДК n – предельно-допустимые концентрации данных веществ в воздухе.
К вредным веществам однонаправленного действия, относятся вредные вещества, близкие по химическому строению и характеру действия на организм (спирты, щелочи, кислоты, оксид углерода и амины, оксид углерода и нитросоединения).
Первые ПДК для 40 токсичных веществ были утверждены в нашей стране еще в 1939 году. По ныне действующим нормативам их около 800.
По мере загрязнения окружающей среды и ухудшения состояния здоровья человека ПДК многих веществ со временем пересматриваются и снижаются. Например, ПДК бензола в несколько этапов была снижена с 200 до 5 мг/м 3 .
Количество поступающих в рабочую зону вредных веществ необходимо контролировать. Частота контроля зависит от класса опасности вещества и определена ГОСТом.
Защита от вредных веществ осуществляется следующими способами:
Разработкой прогрессивных технологий (надежной герметизацией, заменой токсичных веществ нетоксичными, механизацией и автоматизацией технологических процессов, дистанционным управлением и т.д.);
Вентиляцией;
Использованием индивидуальных средств защиты (когда общетехнические средства недостаточно эффективны).
При работе с вредными веществами пользуются спецодеждой : комбинезонами, халатами, фартуками и т.д., для защиты от щелочей и кислот – резиновыми обувью и перчатками. Для защиты кожи рук, лица, шеи применяют защитные пасты: антитоксичные, маслостойкие, водостойкие. Глаза от возможных ожогов и раздражений защищают очками с герметичной оправой, масками, шлемами. Органы дыхания защищают фильтрующими и изолирующими приборами. Фильтрующие приборы – это промышленные противогазы и респираторы, состоящие из полумаски и фильтров, очищающих вдыхаемый воздух от пыли или газов. Изолирующие дыхательные приборы – это шланговые или кислородные противогазы, применяющиеся в случаях высоких концентраций вредных веществ.
1.1 Вероятность безотказной работы
Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.
Вероятность безотказной работы обозначается как P
(l
)
, которая определяется по формуле (1.1):
где
N
0 - число элементов в начале испытания;
r
(l
) - число отказов элементов к моменту наработки.
Следует отметить, что чем больше величина
N
0
, тем с большей точностью можно рассчитать вероятность
P
(l).
В начале эксплуатации исправного локомотива P
(0)
= 1, так как при пробеге l
= 0 вероятность того, что ни один элемент не откажет, принимает максимальное значение - 1. С ростом пробега l
вероятность P
(l
) будет уменьшаться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность безотказной работы будет стремиться к нулю P
(l
→∞)
= 0. Таким образом в процессе наработки величина вероятности безотказной работы изменяется в пределах от 1 до 0. Характер изменения вероятности безотказной работы в функции пробега показан на рис. 1.1.
Рис.2.1. График изменения вероятности безотказной работы P(l) в зависимости от наработки
Основными достоинствами использования данного показателя при расчетах является два фактора: во-первых, вероятность безотказной работы охватывает все факторы, влияющие на надежность элементов, позволяя достаточно просто судить о его надежности, т.к. чем больше величина P (l ), тем выше надежность; во-вторых, вероятность безотказной работы может быть использована в расчетах надежности сложных систем, состоящих из более чем одного элемента.
1.2 Вероятность отказа
Вероятностью отказа называют вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в предела
х заданной наработки произойдет хотя бы один отказ.
Вероятность отказа обозначается как Q
(l
), которая определяется по формуле (1.2):
В начале эксплуатации исправного локомотива Q (0) = 0, так как при пробеге l = 0 вероятность того, что хотя бы один элемент откажет, принимает минимальное значение - 0. С ростом пробега l вероятность отказа Q (l ) будет увеличиваться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность отказа будет стремиться к единице Q (l →∞ ) = 1. Таким образом в процессе наработки величина вероятности отказа изменяется в пределах от 0 до 1. Характер изменения вероятности отказа в функции пробега показан на рис. 1.2. Вероятность безотказной работы и вероятность отказа являются событиями противоположными и несовместимыми.
Рис.2.2. График изменения вероятности отказа Q(l) в зависимости от наработки
1.3 Частота отказов
Частота отказов - это отношение числа элементов в единицу времени или пробега отнесенного к первоначальному числу испытуемых элементов. Другими словами частота отказов является показателем, характеризующим скорость изменения вероятности отказов и вероятности безотказной работы по мере роста длительности работы.
Частота отказов обозначается как и определяется по формуле (1.3):
где - количество отказавших элементов за промежуток пробега .
Данный показатель позволяет судить по его величине о числе элементов, которые откажут на каком-то промежутке времени или пробега, также по его величине можно рассчитать количество требуемых запасных частей.
Характер изменения частоты отказов в функции пробега показан на рис. 1.3.
Рис. 1.3. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки
1.4 Интенсивность отказов
Интенсивность отказов представляет собой условную плотность возникновения отказа объекта, определяемую для рассматриваемого момента времени или наработки при условии, что до этого момента отказ не возник. Иначе интенсивность отказов - это отношение числа отказавших элементов в единицу времени или пробега к числу исправно работающих элементов в данный отрезок времени.
Интенсивность отказов обозначается как и определяется по формуле (1.4):
где 
Как правило, интенсивность отказов является неубывающей функцией времени. Интенсивность отказов обычно применяется для оценки склонности к отказам в различные моменты работы объектов.
На рис. 1.4. представлен теоретический характер изменения интенсивности отказов в функции пробега.
Рис. 1.4. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки
На графике изменения интенсивности отказов, изображенном на рис. 1.4. можно выделить три основных этапа отражающих процесс экс-плуатации элемента или объекта в целом.
Первый этап, который также называется этапом приработки, характеризуется увеличением интенсивности отказов в начальный период эксплуатации. Причиной роста интенсивности отказов на данном этапе являются скрытые дефекты производственного характера.
Второй этап, или период нормальной работы, характеризуется стремлением интенсивности отказов к постоянному значению. В течение этого периода могут возникать случайные отказы, в связи с появлением внезапной концентрации нагрузки, превышающей предел прочности элемента.
Третий этап, так называемый период форсированного старения. Характеризуется возникновением износовых отказов. Дальнейшая эксплуатация элемента без его замены становится экономически не рациональной.
1.5 Средняя наработка до отказа
Средняя наработка до отказа - это средний пробег безотказной работы элемента до отказа.
Средняя наработка до отказа обозначается как L
1 и определяется по формуле (1.5):
где l
i
- наработка до отказа элемента; r
i
- число отказов.
Средняя наработка до отказа может быть использована для предварительного определения сроков ремонта или замены элемента.
1.6 Среднее значение параметра потока отказов
Среднее значение параметра потока отказов характеризует среднюю плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.
Среднее значение параметра потока отказов обозначается как W
ср и определяется по формуле (1.6):
1.7 Пример расчета показателей безотказности
Исходные данные.
В течение пробега от 0 до 600 тыс. км., в локомотивном депо произведен сбор информации по отказам ТЭД. При этом количество исправных ТЭД в начале периода эксплуатации составляло N0
= 180 шт. Суммарное количество отказавших ТЭД за анализируемый период составило ∑r(600000) = 60. Интервал пробега принять равным 100 тыс. км. При этом количество отказавших ТЭД по каждому участку составило: 2, 12, 16, 10, 14, 6.
Требуется.
Необходимо рассчитать показатели безотказности и построить их зависимости изменения во времени.
Сначала необходимо заполнить таблицу исходных данных так, как это показано в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
| , тыс. км | 0 - 100 | 100 - 200 | 200 - 300 | 300 - 400 | 400 - 500 | 500 - 600 |
| 2 | 12 | 16 | 10 | 14 | 6 | |
| 2 | 14 | 30 | 40 | 54 | 60 |
Первоначально по уравнению (1.1) определим для каждого участка пробега величину вероятности безотказной работы. Так, для участка от 0 до 100 и от 100 до 200 тыс. км. пробега вероятность безотказной работы составит:
Произведем расчет частоты отказов по уравнению (1.3).
Тогда интенсивность отказов на участке 0-100 тыс.км. будет равна:
Аналогичным образом определим величину интенсивности отказов для интервала 100-200 тыс. км.
По уравнениям (1.5 и 1.6) определим среднюю наработку до отказа и среднее значение параметра потока отказов.
Систематизируем полученные результаты расчета и представим их в виде таблицы (табл. 1.2.).
Таблица 1.2.
| , тыс.км. | 0 - 100 | 100 - 200 | 200 - 300 | 300 - 400 | 400 - 500 | 500 - 600 |
| 2 | 12 | 16 | 10 | 14 | 6 | |
| 2 | 14 | 30 | 40 | 54 | 60 | |
| P(l) | 0,989 | 0,922 | 0,833 | 0,778 | 0,7 | 0,667 |
| Q(l) | 0,011 | 0,078 | 0,167 | 0,222 | 0,3 | 0,333 |
| 10 -7 , 1/км | 1,111 | 6,667 | 8,889 | 5,556 | 7,778 | 3,333 |
| 10 -7 , 1/км | 1,117 | 6,977 | 10,127 | 6,897 | 10,526 | 4,878 |
Приведем характер изменения вероятности безотказной работы ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.5.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности безотказной работы примет максимальное значение - 1.
Рис. 1.5. График изменения вероятности безотказной работы в зависимости от наработки
Приведем характер изменения вероятности отказа ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.6.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности отказа примет минимальное значение - 0.
Рис. 1.6. График изменения вероятности отказа в зависимости от наработки
Приведем характер изменения частоты отказов ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.7.).
Рис. 1.7. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки
На рис. 1.8. представлена зависимость изменения интенсивности отказов от наработки.
Рис. 1.8. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки
2.1 Экспоненциальный закон распределения случайных величин
Экспоненциальный закон достаточно точно описывает надежность узлов при внезапных отказах, имеющих случайный характер. Попытки применить его для других типов и случаев отказов, особенно постепенных, вызванных износом и изменением физико-химических свойств элементов показали его недостаточную приемлемость.
Исходные данные.
В результате испытания десяти топливных насосов высокого давления получены наработки их до отказа: 400, 440, 500, 600, 670, 700, 800, 1200, 1600, 1800 ч. Предполагая, что наработка до отказа топливных насосов подчиняется экспоненциальному закону распределения.
Требуется.
Оценить величину интенсивности отказов, а также рассчитать вероятность безотказной работы за первые 500 ч. и вероятность отказа в промежутке времени между 800 и 900 ч. работы дизеля.
Во-первых, определим величину средней наработки топливных насосов до отказа по уравнению:
Затем рассчитываем величину интенсивности отказов:
Величина вероятности безотказной работы топливных насосов при наработке 500 ч составит:
Вероятность отказа в промежутке между 800 и 900 ч. работы насосов составит:
2.2 Закон распределения Вэйбулла-Гнеденко
Закон распределения Вейбулла-Гнеденко получил широкое распространение и используется применительно к системам, состоящим из рядов элементов, соединенных последовательно с точки зрения обеспечения безотказности системы. Например, системы, обслуживающие дизель-генераторную установку: смазки, охлаждения, питания топливом, воздухом и т.д.
Исходные данные.
Время простоя тепловозов в неплановых ремонтах по вине вспомогательного оборудования подчиняется закону распределения Вейбулла-Гнеденко с параметрами b=2 и a=46.
Требуется.
Необходимо определить вероятность выхода тепловозов из неплановых ремонтов после 24 ч. простоя и время простоя, в течение которого работоспособность будет восстановлена с вероятностью 0,95.
Найдем вероятность восстановления работоспособности локомотива после простоя его в депо в течение суток по уравнению:
Для определения времени восстановления работоспособности локомотива с заданной величиной доверительной вероятности также используем выражение:
2.3 Закон распределения Рэлея
Закон распределения Рэлея используется в основном для анализа работы элементов, имеющих ярко выраженный эффект старения (элементы электрооборудования, различного рода уплотнения, шайбы, прокладки, изготовленные из резиновых или синтетических материалов).
Исходные данные.
Известно, что наработки контакторов до отказа по параметрам старения изоляции катушек можно описать функцией распределения Рэлея с параметром S = 260 тыс.км.
Требуется.
Для величины наработки 120 тыс.км. необходимо определить вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднюю наработку до первого отказа катушки электромагнитного контактора.
3.1 Основное соединение элементов
Система, состоящая из нескольких независимых элементов, связанных функционально таким образом, что отказ любого из них вызывает отказ системы, отображается расчетной структурной схемой безотказной работы с последовательно соединенными событиями безотказной работы элементов.
Исходные данные.
Нерезервированная система состоит из 5 элементов. Интенсивности их отказов соответственно равны 0,00007; 0,00005; 0,00004; 0,00006; 0,00004 ч-1
Требуется.
Необходимо определить показатели надежности системы: интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа, вероятность безотказной работы, частота отказов. Показатели надежности P(l) и a(l) получить в интервале от 0 до 1000 часов с шагом в 100 часов.
Вычислим интенсивность отказа и среднюю наработку до отказа по следующим уравнениям:
Значения вероятности безотказной работы и частоты отказов получим, используя уравнения приведенные к виду:
Результаты расчета P(l) и a(l) на интервале от 0 до 1000 часов работы представим в виде табл. 3.1.
Таблица 3.1.
| l , час | P(l) | a(l) , час -1 |
| 0 | 1 | 0,00026 |
| 100 | 0,974355 | 0,000253 |
| 200 | 0,949329 | 0,000247 |
| 300 | 0,924964 | 0,00024 |
| 400 | 0,901225 | 0,000234 |
| 500 | 0,878095 | 0,000228 |
| 600 | 0,855559 | 0,000222 |
| 700 | 0,833601 | 0,000217 |
| 800 | 0,812207 | 0,000211 |
| 900 | 0,791362 | 0,000206 |
| 1000 | 0,771052 | 0,0002 |
Графическая иллюстрация P(l) и a(l) на участке до средней наработки до отказа представлена на рис. 3.1, 3.2.
Рис. 3.1. Вероятность безотказной работы системы.
Рис. 3.2. Частота отказов системы.
3.2 Резервное соединение элементов
Исходные данные.
На рис. 3.3 и 3.4 показаны две структурные схемы соединения элементов: общего (рис. 3.3) и поэлементного резервирования (рис. 3.4). Вероятности безотказной работы элементов соответственно равны P1(l) = P ’1(l) = 0,95; P2(l) = P’2(l) = 0,9; P3(l) = P ’3(l) = 0,85.
Рис. 3.3. Схема системы с общим резервированием.
Рис. 3.4. Схема системы с поэлементным резервированием.
Вероятность безотказной работы блока из трех элементов без резервирования рассчитаем по выражению:
Вероятность безотказной работы той же системы при общем резервировании (рис. 3.3) составит:
Вероятности безотказной работы каждого из трех блоков при поэлементном резервировании (рис. 3.4) будут равны:
Вероятность безотказной работы системы при поэлементном резервировании составит:
Таким образом, поэлементное резервирование дает более существенное увеличение надежности (вероятность безотказной работы возросла с 0,925 до 0,965, т.е. на 4%).
Исходные данные.
На рис. 3.5 представлена система с комбинированным соединением элементов. При этом вероятности безотказной работы элементов имеют следующие значения: P1=0,8; Р2=0,9; Р3=0,95; Р4=0,97.
Требуется.
Необходимо определить надежность системы. Также необходимо определить надежность этой же системы при условии, что резервные элементы отсутствуют.
Рис.3.5. Схема системы при комбинированном функционировании элементов.
Для расчета в исходной системе необходимо выделить основные блоки. В представленной системе их три (рис. 3.6). Далее рассчитаем надежность каждого блока в отдельности, а затем найдем надежность всей системы.
Рис. 3.6. Сблокированная схема.
Надежность системы без резервирования составит:
Таким образом, система без резервирования является на 28% менее надежной, чем система с резервированием.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
Причины техногенных аварий. Аварии на гидротехнических сооружениях, на транспорте. Краткая характеристика крупных аварий и катастроф. Спасательные и неотложные аварийно-восстановительные работы при ликвидации крупных аварий и катастроф.
реферат , добавлен 05.10.2006
Количественная оценка полного риска эксплуатации опасных производственных объектов с помощью математического ожидания ущерба. Формулы расчёта риска аварии, вероятности события, связанного с причинением вреда человеку и окружающей природной среде.
статья , добавлен 01.09.2013
Признаки, позволяющие отнести событие к чрезвычайной ситуации техногенного характера. Причины производственных аварий. Пожары, взрывы, угрозы взрывов. Аварии на коммунальных системах жизнеобеспечения, на очистных сооружениях. Внезапное обрушение зданий.
презентация , добавлен 09.03.2015
Классификация чрезвычайных ситуаций. Краткая характеристика аварий и катастроф, характерных для Республики Беларусь. Аварии на химически опасных, пожаро- и взрывоопасных объектах. Обзор стихийных бедствий. Возможные чрезвычайные ситуации для г. Минска.
реферат , добавлен 05.04.2015
История и виды аварий на гидродинамически опасных объектах, их причины и последствия. Затопление прибрежных территорий в результате разрушения гидротехнических сооружений (плотин и дамб). Меры по уменьшению последствий аварий на опасных объектах.
реферат , добавлен 30.12.2010
Основное понятие об авариях, примерный их перечень. Человеческий фактор как одна из причин аварий. Анализ аварий на шахте "Западная-Капитальная" (Ростовская обл., г. Новошахтинск), шахтах "Ак Булак комур", "Комсомольская", "Юбилейная", "Ульяновская".
реферат , добавлен 06.04.2010
Сущность техногенных аварий. Анализ количества чрезвычайных происшествий и аварий на коммунально-энергетических системах жизнеобеспечения в Республике Хакасия. Динамика аварий на коммунально-энергетических системах в городских муниципальных образованиях.
курсовая работа , добавлен 09.07.2011
Организационные основы осуществления мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий аварий и катастроф природного и технического характера. Функционально-организационные структуры поисково-спасательной службы по делам гражданской обороны.
отчет по практике , добавлен 03.02.2013
Опасность технических систем. Отказ, вероятность отказа.
Определение опасности
Опасность - центральное понятие как сферы безопасности жизнедеятельности в техносфере, так и промышленной безопасности. Под опасностью понимаются явления, процессы, объекты, способные в определенных условиях наносить вред здоровью человека, ущерб окружающей природной среде и социально-экономической инфраструктуре, т. е. вызывать нежелательные последствия непосредственно или косвенно. Другими словами, опасность - следствие действия некоторых негативных (вредных и опасных) факторов на определенный объект (предмет) воздействия. При несоответствии характеристик воздействующих факторов характеристикам объекта (предмета) воздействия и появляется феномен опасности (например, ударная волна, аномальная температура, недостаток кислорода в воздухе, токсичные примеси в воздухе и т. п.).
Опасность - свойство, внутренне присущее сложной технической системе. Она может реализоваться в виде прямого или косвенного ущерба для объекта (предмета) воздействия постепенно или внезапно и резко - в результате отказа системы. Скрытая (потенциальная) опасность для человека реализуется в форме травм, которые происходят при несчастных случаях, авариях, пожарах и пр., для технических систем - в форме разрушений, потери управляемости и т. д., для экологических систем - в виде загрязнений, утрате видового разнообразия и др.
Определяющие признаки - возможность непосредственного отрицательного воздействия на объект (предмет) воздействия; возможность нарушения нормального состояния элементов производственного процесса, в результате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы. Наличие хотя бы одного из указанных признаков является достаточным для отнесения факторов к разделу опасных или вредных.
Количество признаков, характеризующих опасность, может быть увеличено или уменьшено в зависимости от целей анализа.
Анализ реальных аварийных ситуаций, событий и факторов и человеческая практика уже сегодня позволяют сформулировать ряд аксиом об опасности технических систем:
Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна. Потенциальность опасности заключается вскрытом, неявном характере и проявляется при определенных условиях. Ни один вид технической системы при ее функционировании не обеспечивает абсолютной безопасности.
Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные потоки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значения. Пороговые, или предельно допустимые, значения опасностей устанавливаются из условия сохранения функциональной и структурной целостности человека и природной среды. Соблюдение предельно допустимых значений потоков создает безопасные условия жизнедеятельности человека в жизненном пространстве и исключает негативное влияние техносферы на природную среду.
Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы техносферы. Опасности возникают при наличии дефектов и иных неисправностей в технических системах, при неправильном использовании технических систем. Технические неисправности и нарушения режимов использования технических систем приводят, как правило, к возникновению травмоопасных ситуаций, а выделение отходов (выбросы в атмосферу, стоки в гидросферу, поступление твердых веществ на земную поверхность, энергетические излучения и поля) сопровождается формированием вредных воздействий на человека, природную среду и элементы техносферы.
Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во времени. Травмоопасные воздействия действуют, как правило, кратковременно и спонтанно в ограниченном пространстве. Они возникают при авариях и катастрофах, при взрывах и внезапных разрушениях зданий и сооружений. Зоны влияния таких негативных воздействий, как правило, ограничены, хотя возможно распространение их влияния и на значительные территории, например, при аварии на ЧАЭС.
Для вредных воздействий характерно длительное или периодическое негативное влияние на человека, природную среду и элементы техносферы. Пространственные зоны вредных воздействий изменяются в широких пределах от рабочих и бытовых зон до размеров всего земного пространства. К последним относятся воздействия выбросов парниковых и озоноразруша- ющих газов, поступление радиоактивных веществ в атмосферу и т. п.
Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно. Человек и окружающая его техносфера, находясь в непрерывном материальном, энергетическом и информационном обмене, образуют постоянно действующую пространственную систему «человек - техносфера». Одновременно существует и система «техносфера - природная среда». Техногенные опасности не действуют избирательно, они негативно воздействуют на все составляющие вышеупомянутых систем одновременно, если последние оказываются в зоне влияния опасностей.
Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды.
1.2 Определение надёжности. Отказ, вероятность отказа.
Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью, под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы успешно выполнять определенные задачи.
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.
Надежность в общем случае - комплексное свойство, включающее такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.
Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности.
Причины возникновения отказов происходят из-за:
Конструктивных дефектов;
Технологических дефектов;
Эксплуатационных дефектов;
Постепенного старения (износа).
Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в начальный момент времени).
Для режимов хранения и транспортировки может применяться аналогично определяемый термин «вероятность возникновения отказа».
Средняя наработка до отказа - математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа.
Средняя наработка между отказами - математическое ожидание случайной наработки объекта между отказами.
Обычно этот показатель относится к установившемуся процессу эксплуатации. В принципе средняя наработка между отказами объектов, состоящих из стареющих во времени элементов, зависит от номера предыдущего отказа. Однако с ростом номера отказа (т.е. с увеличением длительности эксплуатации) эта величина стремится к некоторой постоянной, или, как говорят, к своему стационарному значению.
Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.
Этим термином можно назвать кратко среднюю наработку до отказа и среднюю наработку между отказами, когда оба показателя совпадают.
Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.
Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.
Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.
Вероятностью безотказной работы Р(t) называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдёт ни одного отказа:
Так как безотказная работа и отказ являются событиями несовместными и противоположными, то между ними справедливо следующее соотношение:
Так как Q (t) есть закон распределения случайной величины (отказов), то зависимость между возможными значениями непрерывной случайной величины Т и вероятностями попадания в их окрестность называется её плотностью вероятности.
Частота отказов a(t) есть плотность вероятности времени работы изделия до первого отказа:
Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени. Вероятностная оценка этой характеристики находится из выражения:
Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание М[t] времени работы изделия до отказа. Как математическое ожидание, Т ср вычисляется через частоту отказов (плотность распределения времени безотказной работы):
так как t > 0 и P(0) = 1, а P(∞) = 0, то
Зная один из показателей надёжности и закон распределения отказов, можно вычислить остальные характеристики надёжности с учётом следующих формул:
Опыт взаимодействия человека с техническими системами позволяет идентифицировать травмирующие и вредные факторы, а также выработать методы оценки вероятности появления опасных ситуаций. Прежде всего, это накопление статистических данных об аварийности и травматизме (табл. 1), различные способы преобразования и обработки статистических данных, повышающие их информативность. Недостатком этого метода является его ограниченность, невозможность экспериментирования и неприменимость к оценке опасности новых технических средств и технологий.
Значительное развитие и практическое применение получила теория надежности. Надежность это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, позволяющих выполнять требуемые функции. Для количественной оценки надежности применяют вероятностные величины.
Таблица 1
Широкое распространение получила диаграмма ветвящейся структуры, называемая «дерево событий». Рассмотрим процедуру построения дерева, его качественный и количественный анализ на примере.
Будем считать, что для гибели человека от электрического тока необходимо и достаточно включение его тела в цепь, обеспечивающую прохождение смертельного тока. Следовательно, чтобы произошел несчастный случай (событие А), необходимо одновременное выполнение по крайней мере трех условий: наличие потенциала высокого напряжения на металлическом корпусе электроустановки (событие Б), появление человека на заземленном проводящем основании (событие В), касание человека корпуса электроустановки (событие Г).
В свою очередь событие Б может быть следствием любого из событий - предпосылок Д и Е, например, нарушение изоляции или смещение неизолированного контакта и касание им корпуса. Событие В может появиться как результат предпосылок Ж и З, когда человек становится на заземленное проводящее основание или касается телом заземленных элементов помещения. Событие Г может явиться одной из трех предпосылок И, К и Л - ремонт, техобслуживание или работа установки.
Анализ дерева событий состоит в выявлении условий, минимально необходимых и достаточных для возникновения или невозникновения головного события. Модель может давать несколько минимальных сочетаний исходных событий, приводящих в совокупности к данному происшествию. В данном примере имеются двенадцать минимальных аварийных сочетаний: ДЖИ, ДЖК, ДЖЛ, ДЗИ, ДЗК, ДЗЛ, ЕЖИ, ЕЖК, ЕЖЛ,ЕЗИ, ЕЗК, ЕЗЛ и три минимальных секущих сочетания, исключающих возможность появления происшествия при одновременном отсутствии образующих их событий: ДЕ, ЖЗ, ИКЛ.
Аналитическое выражение условий появления исследуемого происшествия имеет вид А = (Д + Е) (Ж + 3)(И + К + Л). Подставив вместо буквенных символов вероятности соответствующих предпосылок, можно получить оценку риска гибели человека от электрического тока в конкретных условиях.
Например, при равных вероятностях Р(Д) = Р(Е) = = ...Р(Л) = 0,1 вероятность гибели человека от электрического тока в рассматриваемом случае
Р(А)=(ОД+0,1)(0,1+ОД)(0,1+о,1+ОД)=0,012.
Таким образом, может быть рассчитана вероятность несчастного случая или аварии на производстве.
Анализ причин появления опасности для человека при его взаимодействии с техническими системами позволяет выделить причины - организационные и технические. Для устранения организационных причин совершенствуется технологический процесс, уточняются процедуры подготовки и контроля операторов. При этом техническая система рассматривается как замкнутая система, взаимодействующая с окружающей средой. В этом случае под окружающей средой понимается комплекс условий на каждом этапе жизненного цикла системы. В комплекс условий включаются все возможные факторы, воздействующие на систему, в том числе профессионализм конструкторов, технологические факторы производственного процесса изготовления, режимы эксплуатации (электрические, тепловые и др.). Объективной закономерностью является то, что при переходе от этапа к этапу в жизненном цикле технической системы количество воздействующих на систему факторов возрастает, увеличивается в связи с этим и степень жесткости влияния. Это ведет к уменьшению надежности и увеличению опасности в цепочке «человек - техническая система - окружающая среда», что делает задачу обеспечения безопасности технических систем чрезвычайно сложной.
На практике необходимый уровень безопасности технических средств и технологических процессов устанавливается системой государственных стандартов безопасности труда (ССБТ) с помощью соответствующих показателей. Стандарты формируют общие требования безопасности, а также требования безопасности к различным группам оборудования, производственных процессов, требования к средствам обеспечения безопасности труда.
Нормативные показатели безопасности во всех сферах труда разрабатываются в соответствии с санитарными нормами и вводятся посредством соответствующих государственных стандартов (ГОСТ). Так, например, внедрение новой техники увеличило интенсивность шума и вибрации и расширило диапазон частот в ультра и инфразвуковых частях спектра колебаний. Это вызвало необходимость разработки и включения в ГОСТ нормативов допустимых уровней ультра и инфразвука на производстве.
Соответствующие нормативы, гарантирующие безопасное взаимодействие человека с техническими системами и технологическими процессами, установлены для электромагнитных полей, электрического напряжения и тока, излучений оптического диапазона, ионизирующих излучений, химических, биологических и психофизических опасных и вредных факторов. При разработке технических средств и технологий применяются все возможные меры для снижения опасных и вредных факторов ниже предельно допустимого уровня. Для каждого технического средства разрабатываются правила эксплуатации, гарантирующие безопасность при их выполнении. Для каждой технологической операции также разрабатываются правила техники безопасности.
2 Качественный и количественный анализ опасностей
Качественный анализ опасностей
Качественные методы анализа опасностей включают:
Предварительный анализ опасностей;
Анализ последствий отказов;
Анализ опасностей с помощью "дерева причин";
Анализ опасностей методом потенциальных отклонений;
Анализ ошибок персонала;
Причинно-следственный анализ.
В результате анализа аварийной (потенциальной) опасности могут быть определены следующие показатели:
Индивидуальный риск;
Социальный риск;
Структура поражённых по степени тяжести;
Вид поражений;
Материальный ущерб и др.
Наиболее распространённым методом анализа безопасности является метод построения "деревьев отказов (ошибок)". В терминологии теории построения и анализа "деревьев отказов " выход из строя определённых элементов, например, нарушение герметичности резервуара со сжиженным углеводородным газом с последующим образованием облака топливовоздушной смеси и его взрывом, классифицируется как внешнее нежелательное событие (ВНС).
В строящихся деревьях, как правило, имеются ветви опасностей. Многоэтажный процесс ветвления "дерева" требует введения ограничений с целью определения его пределов. Логические операции принято обозначать соответствующими символами (см.табл.2).
Таблица 2 - Символы событий
Построение "дерева причин", "дерева отказов" является эффективной процедурой выявлении причин различных нежелательных событий (аварий, травм, пожаров, дорожно-транспортных происшествий) и экспертизой безопасности оборудования и процессов.
Рисунок 2
А - отказ средств борьбы со взрывом; Б - образование облака ТВС; В - разгерметизация каждой ёмкости; Г - инициация взрыва; Д- факел, печь; Е - автотранспорт; З - электродвигатель; Ж - огневые работы; И - удар предмета; К - разрушение резервуара; Л - разрушение трубопровода; М -разгерметизация арматуры; Н - температура; О - скорость ветра; П - состояние атмосферы.