Апробация обобщенной процедуры прогнозирования и снижения риска каскадных чрезвычайных ситуаций

Объектом иллюстративного исследования здесь выбраны технологическая линия завода по производству СПГ, предназначенная для предварительной обработки и сжижения газа, а также изотермическая цистерна, служащая для временного хранения этой продукции на отгрузочном терминале завода до ее отгрузки на морские танкеры. Используемое оборудование является крупногабаритным и работает как под высоким избыточным давлением, так и при низких температурах. Например, его объем может достигать 400 м3, давление – 6 МПа, а температура – -160 °С. Такая же температура поддерживается в изотермическом хранилище, объем которого измеряется уже сотнями тысяч кубометров.

Для определения вероятности Ргс возникновения инициирующего происшествия в течение одного года, вызванного разгерметизацией хранилища СПГ и способного запустить каскадный эффект, построена соответствующая причинно-следственная диаграмма и эквивалентная ей СФЦ. Дерево аварийного выброса СПГ представлено на рис. 21.9, а сведения об его исходных событиях – в табл. 21.3.

Рис. 21.9. Модель дерева происшествия, инициирующего каскадную аварию

Количественный анализ данной модели на комплексе "АРБИТР" позволил оценить вероятность Ргс = 0,108428 и вклады всех исходных вершин СФЦ; при этом оказалось, что наибольший из них имеют события-предпосылки с кодами 1–6,16, ЗА–36.

Таблица 21.3. Исходные предпосылки дерева происшествия и их вероятности

Код

Наименование предпосылки к инициирующему происшествию

Вероят

ность

1

Сейсмическое воздействие

1 • 10-5

2

Падение метеорита

1 • 10-6

3

Аэродинамическое воздействие

1 • 10-6

4

Гидродинамическое воздействие

1 • 10-5

5

Падение летательного аппарата

2 • 10-5

6

Диверсия с применением взрывчатого вещества

3 • 10-4

7

Критический тепловой поток от горящего соседнего хранилища

3 • 10-3

8

Отказ тепловых датчиков

5,6 • 10-2

9

Отказ устройств управления системой орошения резервуара

1 • 10-3

10

Отказ системы подачи охлаждающей воды

2 • 10-3

11

Повышение напряжений в районе сварных швов днища

1 • 10-3

12

Отказ средств конструктивной защиты днища от перегрузки

2 • 10-2

13

Образование трещин в фундаментных плитах хранилища

3 • 10-2

14

Заполнение возникших трещин фундамента грунтовыми водами

1 • 10-1

15

Отказ системы подогрева грунта под хранилищем

4• 10-3

16

Гидродинамическое воздействие на внутренний резервуар

1 • 10-4

17

Отказ датчиков, фиксирующих давление внутри резервуара

8,5 • 10-2

18

Отказ управляющих устройств системы уменьшения давления

3,1 • 10-3

19

Отказ системы подачи азота в резервуар

1 • 10-2

20

Резкое уменьшение атмосферного давления в районе хранилища

1 • 10-2

21

Отказ датчиков, фиксирующих давление внутри резервуара

8,5 • 10-2

22

Отказ управляющих устройств системы увеличения давления

3,1 • 10-3

23

Отказ клапана отвода газа в оборотное использование

4 • 10-3

24

Отказ датчиков, фиксирующих давление в резервуаре

8,5 • 10-2

25

Отказ управляющих устройств системы сброса паров на факел

3,1 • 10-3

26

Отказ клапана отвода природного газа на факел

4 • 10-3

27

Отказ датчиков, фиксирующих давление в резервуаре

8,5 • 10-2

28

Отказ управляющих устройств системы сброса давления

3,1 • 10-3

29

Отказ клапана сброса газа в атмосферу

3 • 10-3

30

Резкое увеличение атмосферного давления в районе хранилища

1 • 10-2

31

Повышенный расход выдачи СПГ насосными установками

3,1 • 10-3

32

Отказ системы защиты от уменьшения давления в резервуаре

эквивалентная

33

Отказ датчиков уровня СПГ в резервуаре

8,8 • 10-2

34

Отказ управляющих устройств системы защиты от перелива СПГ

3,1 • 10-3

35

Отказ автоматического выключателя насосных установок

1,8 • 10-2

36

Отказ системы защиты от увеличения давления в резервуаре

эквивалентная

37

Отказ датчиков контроля температуры электрооборудования

8,8 • 10-2

38

Отказ управляющих устройств системы его защиты от перегрева

1,8 • 10-3

39

Отказ устройств отключения электроэнергии

3,1 • 10-3

40

Замыкание токоведущих частей электрооборудования резервуара

3 • 10-3

41

Отказ системы регулирования давления в резервуаре

эквивалентная

42

Отказ датчиков, фиксирующих температуру по слоям СПГ

8,9 • 10-2

43

Отказ преобразователей сигнала от датчиков температуры

2,4 • 10-3

44

Невыдача команды на предотвращение явления "ролловер"

2 • 10-2

45

Недопустимый температурный градиент по высоте СПГ

2,1 • 10-2

46

Отказ датчиков, фиксирующих температуру по слоям СПГ

8,0 • 10-2

47

Отказ преобразователей сигнала отдатчиков температуры

2,4 • 10-3

48

Невыдача команды на устранение ролловера перемешиванием СПГ

8,3 • 10-2

Примечание. Исходные предпосылки дерева происшествия, обозначенные на рис. 21.9 в форме треугольников с кодами 32, 36, 41 и не имеющие в табл. 21.3 вероятностей появления, означают отказ системы регулирования давления внутри резервуара СПГ, т.е. являются эквивалентными совокупности событий, помеченными там же кодами 21–29.

Последующие усилия касались уже непосредственной оценки показателей риска каскадной аварии, инициируемой выбросом большого количества СПГ из-за разгерметизации заполненной им изотермической емкости. В качестве необходимого для этого дерева событий использована приведенная выше (см. рис. 21.3) модель, а расчет ее параметров осуществлен в соответствии с рекомендациями предыдущего параграфа. Ниже приводятся поэтапные результаты подобного расчета, полученные с помощью приведенной выше обобщенной методики.

1. Для моделируемой ситуации, характеризуемой большим количеством аварийно высвободившегося природного газа, вероятности того, что уровень концентрации образовавшегося облака ТВС будет находиться между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения/взрыва , логично принять равными

2,3. Так как на территории завода по производству СПГ предусмотрен контроль и сигнализация о появлении ТВС взрывопожароопасных концентраций, то соответствующие вероятности были приравнены проектной безотказности имеющихся там систем газового контроля: Подобным образом определены и значения вероятностей предупреждения возможного воспламенения/взрыва ТВС – по проектной безотказности заводских систем аварийной вентиляции заполненного ею пространства и надежности устройств аварийной герметизации тех помещений, где возможно искрообразование или появление других источников открытого огня. При этом оказалось, что

Оценка условных вероятностей воспламенения – и взрыва – облака ТВС под воздействием какого-либо инициатора подобного физико-химического превращения была принята равной вероятности совмещения этого облака с источниками открытого огня:

(21.12)

где – радиус и средний объем облака ТВС полусферической формы, дрейфующего в направлении производственных и бытовых сооружений завода; – максимальный размер тех площадей территории завода, где могут существовать источники открытого огня.

Значения полученных подобным образом вероятностей оказались равными следующим числовым величинам:

5, 6. Для прогноза вероятностей предупреждения интенсивного физико-химического превращения ТВС в виде воспламенения/взрыва, а также вероятностей ослабления вызванных этим опасных факторов, использованы данные конструкторской документации. Они касались проектной надежности систем аварийного отключения трубопроводов, питающих сосуды с КПГ, и срочной разгерметизации содержащих их производственных помещений (вскрытия специальных проемов) с целью снижения перепада ДР давлений между стенами помещения и атмосферой. При этом оказалось, что вероятность срабатывания первой системы , а второй

7. Оценка опасных факторов, способных привести к каскадной техногенной ЧС, осуществлялась последовательно, начиная с поражающего воздействия воздушной волны сжатия.

7.1. При прогнозе последствий физического взрыва сосудов с КПГ из-за чрезмерного нагрева воспламенившимся вблизи облаком ТВС поэтапно получены следующие результаты.

(а) Форма и параметры осколков определялись с учетом реальных данных о взорвавшемся сосуде, в качестве которого выбран адсорбер ртути, представляющий собой вертикально стоящее и закрепленное снизу сооружение колонного типа объемом 205 м3, заполненное смесью природного газа под давлением 5,6 Мпа при температуре 21°С, имеющее сферические днища и цилиндрическую обечайку, части которой соединены между собой и с днищами сваркой. Перечисленные особенности указали места концентрации растягивающих напряжений, что позволило утверждать о возможности (см. рис 21.4, б) образования 12 крупных осколков, имеющих форму (см. табл. 21.1), массу диаметр и толщину

(б) При определении математического ожидания начальной скорости полета каждого такого осколка установлено следующее:

величина приведенного давления р в адсорбере найдена по формуле (21.1):

(21.13)

1) значение приведенной скорости U рассматриваемых осколков, соответствующей найденному выше приведенному давлению, получено с помощью графиков, представленных на рис. 21.5, и оказалось равным примерно 4;

2) подобным образом (по графикам рис. 21.5) определено значение драг-коэффициента, необходимого для расчета реальной скорости осколков:

3) математическое ожидание начальной скорости и полета отдельных осколков рассчитано по формуле (21.2), что дало следующий результат:

(21.14)

(в) Так как ближайшей к взорвавшемуся адсорберу была емкость орошения скрубберной колонны, то оценку вероятности Pjmp провели применительно к данной мишени. Это было сделано с помощью представленного на рис. 21.7, а графика для мишени типа Т8, удаленной на расстояние 50 м, что дало следующий результат:

7.2. Вероятности термического поражения определялись применительно к воздействию на соседние объекты горящей струи, истекающей из поврежденной осколками скрубберной колонны:

(а) Величина теплового потока оценивалась по графикам рис. 21.8 для двух случаев: 1) горение газообразного метана, истекающего из отверстия в верхней части колонны; 2) горение двухфазной струи, истекающей из нижней половины этой емкости. Оцененные (при взятых для примера массовом расходе в 100 кг/с и удалении в 75 м) тепловые потоки (кВт/м2) были равны:

(б) Необратимые повреждения технологического оборудования, подвергнутого подобному термическому воздействию, были рассчитаны по величине пробит- и эрфик-функций, найденных с помощью формул (21.6), (21.7) итабл. 15.6. Полученные подобным образом вероятности оказались принадлежащими отрезку [0,01; 0,02].

Найденные выше параметры использованы при оценке безусловных вероятностей проявления эффекта домино под воздействием инициирующего происшествия (разгерметизации хранилища СПГ), связанного с воспламенением/взрывом облака образовавшейся при этом ТВС. Это удалось сделать, руководствуясь наиболее опасными исходами модели рис. 21.3, для которых были получены формулы, учитывающие как вероятность инициирующего происшествия так и условные вероятности , тех промежуточных событий, от которых зависел оцениваемый здесь эффект. Например, оценка вероятности возникновения каскадного эффекта (разрушения адсорбера ртути тепловыми потоками факела, образовавшегося при воспламенении КПГ, струя которого истекала из поврежденной скруберной колонны), может быть осуществлена по формуле

(21.15)

а вероятность проявления эффекта домино под воздействием воздушной волны сжатия, образовавшейся при взрыве облака ТВС, – по формуле

(21.16)

Только что полученные значения безусловных вероятностей проявления исследуемого здесь эффекта затем были использованы для соответствующего зонирования территории одной из технологических линий завода по производству СПГ. Несколько взятых для примера изолиний вероятности повреждения его оборудования воздушной волной сжатия приведены на рис. 21.10 для удалений от центра взрыва на 50,100 и 150 м.

Рис. 21.10. Зоны вероятностей воздействия термических факторов:

Q = 0,000645 – вокруг пожара; Q = 0,000020 и Q = 3 • 10 8 – для ближней и дальней кольцевых зон

Что касается среднего ущерба от рассматриваемой аварии, то его величина также может быть найдена с помощью показанного на рис. 21.3 дерева событий – как сумма произведений размеров ущерба и безусловных вероятностей тех конечных исходов данной модели, которые завершились проявлением эффекта домино. В случае, когда данные исходы можно считать несовместными случайными событиями, эта величина будет равна

(21.17)

В завершение проиллюстрируем возможность использования результатов моделирования каскадных ЧС для обоснования рациональных мероприятий по снижению техногенного риска, что является одной из главных задач соответствующего программно-целевого менеджмента. Делать это представляется логичным применительно к уменьшению не только тяжести последствий, ожидаемых от наиболее тяжелых сценариев проявления эффекта домино, но и вероятности Ргс инициирующего этот эффект происшествия. Продемонстрируем конструктивность подобного подхода, начиная с мер по снижению данной вероятности.

Анализ диаграммы вкладов и значимостей исходных предпосылок дерева происшествия, изображенной в нижней части рис. Е.2 из приложения Е к данной книге, показал, что наибольшее влияние на величину Ргс оказывают события-предпосылки с кодами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 16 и 33–36. Из них первые шесть обусловлены воздействием природных и техногенных катаклизмов, а последние пять – низкой надежностью технологического оборудования. При этом считалось практически наиболее реальным снизить вероятность событий 4 и 5 путем оснащения отгрузочного терминала завода средствами защиты резервуаров от цунами и от падения на них какого-либо летательного аппарата, а предпосылок 33 и 34 – повышением безотказности системы управления заправкой хранилища СПГ.

Результативность подобных мероприятий обычно рекомендуется [32] оценивать по затратам Si. на их внедрение и ожидаемому от этого эффекту, выражаемому изменениями вероятностей соответствующих предпосылок ΔРi и головного события ΔРгс в целом, например в течение одного года. Значения же последнего можно получить повторным расчетом на ПК "АРБИТР". Выбранные для примера технологические мероприятия совместно с перечисленными выше их параметрами, полученными подобным образом, приведены в табл. 21.4.

Таблица 21.4. Характеристика мероприятий по снижению вероятности аварии

Код предпосылки

4

5

33

34

Наименование предпосылки

Гидродинамическое воздействие цунами

Падение летательного аппарата

Отказ датчика уровня цистерны

Отказ управляющего устройства системы ее защиты от перелива

1 • 10-5

2 • 10-5

8,8 • 10-2

3,1 • 10-3

Мероприятия

Установка

волнореза

Установка

3PK

Резервирование датчика

Резервирование этого устройства

1 • 10-6

4 • 10-6

7,744 • 10-3

9,61 • 10-6

Вероятность головного события с учетом мероприятия

0,11216

0,11216

0,03400

0,10942

Затраты на мероприятие, усл. ед.

330000

40000

7000

30000

Величина ∆Рrc

0,00001

0,00001

0,07817

0,00275

Вторая группа мероприятий касалась уже снижения условных вероятностей появления тех сценариев дерева событий и его конечных исходов (см. рис. 21.3), которым в случае развития каскадной аварии будет соответствовать наибольший ущерб. При выборе данных мероприятий были учтены результаты анализа этой модели, в частности вклад ее различных исходов. При этом оказалось, что наибольший эффект от внедрения подобных мероприятий, как это будет показано ниже, был вызван уменьшением объема КПГ/СПГ, аварийно высвободившихся вследствие возникновения инициирующего происшествия, и повышением надежности обнаружения образовавшейся при этом ТВС.

Если точнее, то целью первого мероприятия стало оперативное перекрытие коммуникаций, подпитывающих разгерметизированную емкость, что снижало объем аварийной утечки, а значит, и вероятность образования ТВС взрывопожароопасной концентрации. Данное решение было реализовано установкой дополнительного отсечного клапана, способного в случае аварии отключить подпитку поврежденной емкости. Второе мероприятие относилось к резервированию системы контроля загазованности территории завода по производству СПГ путем ее обустройства совокупностью дополнительных датчиков. Их внедрение повысило бы надежность обнаружения облака взрывопожароопасной ТВС, что могло снизить его концентрацию, например, за счет своевременного включения мощных систем аэродинамического рассеяния опасного облака.

Оценка эффективности конкретных мероприятий осуществлялась по изменению вероятностей рассчитываемому по формулам типа (21.15) и (21.16), при условии что вместо первоначальных значений их параметров Q; использовались те их уменьшенные величины, которые обусловлены внедрением подобных мер. В частности, для показанных в нижней части рис. 21.3 конечных исходов 7 и 15 это дало следующий результат:

Обратим внимание, что в данных математических выражениях вероятности образования облака ТВС пожароопасной и взрывоопасной концентрации соответственно уменьшены от значений 0,6 до 0,5 и от 0,4 до 0,3; а вероятности сигнализации о его появлении на территории завода увеличены от прежней величины 0,8 до

Подобным образом следует оценивать вклад данных мероприятий в снижение интенсивности поражающих факторов возможного воспламенения/взрыва благодаря включению соответствующих противоаварийных средств по команде системы контроля загазованности. Если точнее, то для этого необходимо составлять новые математические выражения, которые должны уже включать вероятности срабатывания средств, реализующих барьеры-препятствия №3, 5 и 6 (см. рис. 21.2). Однако здесь ограничимся лишь вышеприведенными иллюстративными формулами и расчетами, не приводя должных обоснований относительно тех значений их параметров, которые им были присвоены выше.

Что касается относительного экономического эффекта Е, ожидаемого от предложенных здесь мероприятий по снижению каскадного риска, то он может быть рассчитан с помощью соответствующих затрат ΣSi и обусловленного ими снижения ущерба . Сделать это можно по следующим выражениям, второе из которых является частным случаем формулы (21.17):

(21.18)

где – величины ущербов тех конечных исходов модели, которые показаны на рис. 21.3 как вызвавшие эффект домино под воздействием воздушной волны сжатия воспламенившегося облака ТВС и осколков взорвавшейся от нагрева емкости орошения скрубберной колоны.

Результативность мероприятий второй группы оценивалась с помощью программного комплекса "АРБИТР". При этом использованы найденные подобным образом вероятности Q( всех промежуточных и конечных исходов дерева событий, а также выбранные для примера значения ущерба Y. от наступления всех последних. Полученные подобным образом итоговые сведения об экономической эффективности подобных мероприятий представлены в табл. 21.5.

Таблица 21.5. Характеристика мероприятий по снижению ущерба от аварии, у.е.

Результаты расчета

Затраты

Ожидаемый

средний

ущерб

Относи

тельный

эффект

До внедрения предлагаемых мероприятий

–

21 522

–

После внедрения предлагаемых мероприятий

15 000

14 918

0,44

Рис. 21.11. Интерфейс ПК "АРБИТР" с результатами оценки ущерба

Интерфейс программного комплекса "АРБИТР" с исходными данными и оценками возможного ущерба от каскадной аварии приведен на рис. 21.11.

Поясним, что в правой верхней части данного рисунка помещены результаты статического расчета ущерба, ожидаемого до и после внедрения этих двух мероприятий по его снижению, а под ней – сведения об условных вероятностях всех событий имеющегося там дерева. А нижняя часть содержит столбчатую диаграмму с оценками отрицательных вкладов соответствующих исходов, на сей раз выраженных не вероятностями, а единицами ущерба.

Как свидетельствует анализ всех этих сведений, при выбранных для примера затратах Si на предлагаемые технологические мероприятия в 15 000 у.е. ожидаемый от них абсолютный экономический эффект составит 6604 у.е., а относительный – -0,44. Однако с точки зрения максимально возможного снижения риска подобных аварий на заводе по производству СПГ наиболее предпочтительным будет одновременное внедрение как этих мероприятий, так и тех (см. табл. 21.4), которые были направлены на уменьшение вероятности предпосылок инициирующего происшествия, помеченных кодами 33 и 34.

Таким образом, приведенные в данной главе сведения указывают на конструктивность графоаналитического моделирования каскадных аварий с целью прогнозирования и уменьшения соответствующего техногенного риска. Внедрение подобной технологии необходимо для повышения результативности программно-целевого менеджмента, осуществляемого администрацией опасных производственных объектов с целью повышения безопасности их эксплуатации. Естественно, что данная технология окажется полезной как соответствующим специалистам, так и студентам, специализирующимся в области техносферной безопасности и претендующим на получение квалификации (степени) "магистр".