PRACTICAL ASPECTS OF DETERMINING THE FREQUENCY OF IMPLEMENTATION OF ACCIDENT SCENARIOS IN A PRODUCTION FACILITY
PRACTICAL ASPECTS OF DETERMINING THE FREQUENCY OF IMPLEMENTATION OF ACCIDENT SCENARIOS IN A PRODUCTION FACILITY
Abstract
Relevance of the research topic. The article examines the practical aspects of using the method of logical tree of events, which is necessary, among other things, for carrying out calculations to evaluate fire risk at production facilities. The method allows to determine by calculation the frequencies of implementation of scenarios of accident development of production equipment, which is necessary in the development and evaluation of the effectiveness of fire prevention measures. However, within the framework of application of the logical tree of events method, specialists may make inaccuracies that reduce the objectivity of the results. In this regard, the study of practical aspects of using the logical event tree method and the development of recommendations to minimize errors is highly relevant.
Problem statement. The main problem is that inaccuracies during the application of the logical tree of events method are allowed directly in the methodological literature on the assessment of fire risks at production facilities. This circumstance can lead to the spread of misinterpretation of the method among specialists.
Objectives and methods of the research. In this regard, the aim of the study is to examine and comment on the practical aspects of applying the logical event tree method step by step, and to develop recommendations for minimizing errors. The logical event tree method is a computational analytical method, which is described in the normative methodology for fire risk assessment for production facilities. Consideration of the sequence of implementation of this method was carried out by analysing the logical links between incompatible random events.
Results and key conclusions. On the example of the solvent production shop (flammable liquid) the implementation of the logical tree of events method for determining the frequency of implementation of accident development scenarios is discussed, the stages of construction are commented, recommendations on error minimization are given, including a new tool for controlling the correctness of the constructed logical tree of events (the principle of "dividing the whole into parts"), currently absent in the methodological literature.
1. Введение
При разработке и оценке эффективности противопожарных мероприятий необходимо применение методов инженерного анализа и компьютерного моделирования . При расчёте величины индивидуального пожарного риска на производственном объекте применяется нормативная методика . Изложенная в ней методология является частным случаем оценки техногенного риска , , , . Для определения частоты реализации аварии в качестве исходных данных могут применяться справочные и экспериментальные данные, приведенные в работах , , , . При отсутствии необходимых данных указанная частота может быть определена расчетным путем с помощью метода дерева неисправностей . Для выявления перечня возможных сценариев развития аварии используется метод логического дерева событий , который в настоящее время входит в состав указанной выше нормативной методики .
Актуальность проведенного исследования состоит в том, что специфичность аналитического инструментария, позволяющего моделировать процессы, протекающие при пожарах и сопутствующих им явлениях, обуславливает определенные трудности для их корректной реализации . Анализ методической литературы по оценке пожарных рисков на производственных объектах
, показал, что в рамках применения метода логического дерева событий имеют место неточности, которые могут существенно снижать объективность результатов.В связи с этим целью исследования является поэтапное рассмотрение и комментирование практических аспектов применения метода логического дерева событий, а также разработка рекомендаций по минимизации ошибок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
а) сформулировать расчетный вариант аварии;
б) сформировать банк исходных данных для проведения расчетов;
в) рассмотреть и прокомментировать этапы построения логического дерева событий;
г) предложить рекомендации для минимизации ошибок;
д) рассмотреть неточности, допущенные в методической литературе
, , при реализации метода логического дерева событий.2. Методы и принципы исследования
Рисунок 1 - Установка приготовления и фасовки растворителя
Для выявления перечня вероятных сценариев развития аварии был использован упомянутый ранее метод логического дерева событий . Метод логического дерева событий является расчетным аналитическим методом. Данный метод достаточно подробно описан в нормативной методике по оценке пожарного риска для производственных объектов . Суть метода состоит в использовании условных вероятностей реализации характерных сценариев развития аварии при воспламенении горючей среды. Условные вероятности являются справочными величинами, полученными в результате обработки большого объема статистических данных, проведенных сотрудниками ВНИИПО и других научных организаций.
Рассмотрение последовательности реализации метода логического дерева событий проводилось путем анализа логических связей между несовместными случайными событиями.
3. Основные результаты
Для проведения расчётов частоты реализации возможных сценариев развития аварии необходимо иметь информацию о частоте возникновения данной аварии Qа, то есть в рассматриваемом случае необходимо иметь информацию о частоте разгерметизации установки с растворителем. Данные сведения приведены в таблице П1.1 методики . Установка с растворителем является частным случаем резервуара для хранения ЛВЖ при давлении, близком к атмосферному . При данной аварии происходит истечение жидкости, и, согласно таблице П1.1 методики , необходимо рассмотреть истечение через аварийные отверстия трёх диаметров: 25 мм, 100 мм, полное разрушение. В этой же таблице также приводятся соответствующие данным вариантам частоты возникновения аварии Qа: 8,8·10-5 год-1, 1,2·10-5 год-1, 5,0·10-6 год-1.
Развитие аварии моделируется на основе построения логического дерева событий. В данном случае имеем три варианта разгерметизации, и для каждого варианта должно быть построено отдельное логическое дерево событий.
Для построения используется таблица П2.1 методики , в которой приводятся условные вероятности мгновенного воспламенения и воспламенения с задержкой в зависимости от массового расхода истечения горючих газов, двухфазной среды или жидкости. Таким образом, для каждого варианта разгерметизации необходимо предварительно определить массовый расход истечения горючего вещества.
Определение указанной величины массового расхода, с которым происходит истечение рассматриваемого горючего вещества, производится согласно расчетным формулам методики , которые выбираются для конкретного горючего вещества и конкретных технологических параметрах, при которых оно содержится в оборудовании. Для большинства расчетных сценариев могут быть применены следующие выражения методики : (П3.1), (П3.12), (П3.14), (П3.15), (П3.16). В рассматриваемом случае были проведены расчёты по указанным формулам и были получены значения массового расхода истечения растворителя (см. таблицу).
Таблица 1 - Вычисленные значения массового расхода истечения горючего вещества
Расчетный вариант аварии | Размер (диаметр) отверстия, мм | Частота возникновения аварии Qа, год-1 | Массовый расход истечение вещества, кг/с |
1-й | 25 | 8,8·10-5 | 0,2 |
2-й | 100 | 1,2·10-5 | 15,0 |
3-й | Полное разрушение аппарата | 5,0·10-6 | Выход всей содержащейся в аппарате массы горючего вещества |
Примечание: растворитель «645»
Следующим важным этапом при определении расчетных сценариев развит аварии является определение «состояния», к которому относится рассматриваемое горючее вещество. имеются в виду такие «состояния» как газ, двухфазная смесь (паровоздушная смесь или аэрозоль), жидкость. Указанные «состояния» также влияют на выбор значений из таблицы П2.1 методики . В частности, необходимо подчеркнуть, что рассматриваемое горючее вещество (растворитель «645») представляет собой ЛВЖ с температурой вспышки 13 ºС, а это согласно методике означает, что оно должно рассматриваться как «двухфазная смесь», то есть для него должны использоваться соответствующие условные вероятности воспламенения, приведенные в методике .
Переходим к этапу построения логического дерева событий. Для примера рассмотрим второй вариант разгерметизации, то есть образование аварийного отверстия диаметром 100 мм, при котором происходит истечение ЛВЖ с расходом 15 кг/с. По таблице П2.1 методики определяем, что условная вероятность мгновенного воспламенения равна 0,035.
Данная информация позволяет начать построение логического дерева событий, стадии которого формируются по схеме «или». Схема «или» в данном случае означает, что в результате реализации инициирующего события происходит или событие А, или противоположное ему событие Б. Важным является то, что события А и Б должны быть обязательно противоположными, то есть исключать друг друга. Например, если событие А — это «Мгновенное воспламенение», то для него противоположным событием (событием Б) будет являться «Мгновенного воспламенения не происходит». Как известно из теории вероятностей, сумма вероятностей реализации противоположных событий равна 1. Это же относится и к условным вероятностям. Зная условную вероятность события А, можно легко определить условную вероятность события Б. Например, если условная вероятность мгновенного воспламенения равна 0,035, то условная вероятность того, что мгновенного воспламенения не происходит, будет составлять: 1 – 0,035 = 0,965.
На данном промежуточном этапе построения логического дерева событий получаем схему, которая имеет вид, показанный на рис. 2.
Рисунок 2 - Промежуточный вид логического дерева событий
Если же развитие рассматриваемой расчетной аварии будет развиваться по ветке, начинающейся с события «Мгновенного воспламенения не происходит», то развитие ситуации будет зависеть от дополнительных факторов, которые связаны с параметрами окружающей среды. Дело в том, что на данном этапе над пролившейся жидкостью могут образовываться пары, которые будут смешиваться с окружающим воздухом и накапливаться у поверхности жидкости в виде паровоздушного облака. При воспламенении данного паровоздушного облака возможет достаточно мощный взрыв. При этом, чем больше масса облака, тем мощность взрыва выше. Но для формирования указанного взрывоопасного облака необходим штиль, то есть отсутствие ветра. При наличии ветра пары жидкости будут сдуваться с поверхности жидкости, а значит, возможность взрыва можно исключить. Если авария развивается в цехе, как в рассматриваемом случае, где ветер гарантированно отсутствует из-за ограждающих конструкций, то над проливом будет гарантированно образовываться взрывоопасное паровоздушное облако. В связи с этим авария в цехе представляет более серьезную угрозу, чем авария на открытой площадке. Условную вероятность образования паровоздушного облака в цехе необходимо принять равной 1.
Данный промежуточный этап построения логического дерева событий предполагает схему, которая имеет вид, показанный на рис. 3.
Рисунок 3 - Промежуточный вид логического дерева событий
Следующий промежуточный этап построения логического дерева событий предполагает схему, представленную на рис. 4.
Рисунок 4 - Промежуточный вид логического дерева событий
Согласно данным, приведенным в таблице П2.1 нормативной методики , условная вероятность сгорания горючего вещества с образованием избыточного давления (событие «Взрыв») составляет 0,240. Указанные сведения позволяют по схеме «или» рассчитать условную вероятность противоположного события «Отсутствие взрыва»: 1 – 0,240 = 0,760. Необходимо подчеркнуть, что в данном случае «Отсутствие взрыва» предполагает отсутствие образования взрывной волны, но не отсутствие самого факта сгорания паровоздушной среды. Явление сгорания паровоздушной среды без образования взрывной волны называется пожаром-вспышкой, поэтому корректнее данное противоположное событие обозначить именно так. Таким образом, условная вероятность реализации события «Пожар-вспышки» равна 0,760.
Подчеркнем, что если произойдет взрыв, то это приведет к определенным негативным последствиям, которые связаны с опасными факторами взрыва (воздушная волна сжатия, разлет осколков, обрушение конструкций и т.д.). Этот самостоятельный сценарий развития рассматриваемой расчетной аварии обозначен как С2. Если же произойдет такое явление, как пожар-вспышка, то оно приведет к другим негативным последствиям, поскольку будет сопровождаться принципиально иными опасными факторами (раскаленные продукты горения, тепловое излучение от газа). Данный сценарий развития рассматриваемой расчетной аварии обозначен как С3.
Если же последующего воспламенения паровоздушной среды, которая образовалась нал поверхность пролива жидкости, так и не произойдет, то дальнейших опасных последствий аварии (с точки зрения пожара или взрыва) не возникнет (сценарий С4).
На данном этапе логическое дерево событий будет уже окончательный вид, который представлен на рис. 5.
Рисунок 5 - Окончательный вид логического дерева событий
С помощью полученного графического изображения логического дерева событий можно достаточно просто рассчитать значения частот реализации каждого из выявленных расчетных сценариев развития аварии. Для этого необходимо частоту возникновения первичной аварии Qа последовательно умножить на условные вероятности реализации каждого промежуточного этапа, входящего в состав логической ветки, которая приводит к интересующему конечному сценарию (рис. 6).
Рисунок 6 - Последовательность расчёта частоты реализации сценария с помощью логического дерева событий
Путем последовательного перемножения данной частоты возникновения аварии Qа на условные вероятности реализации промежуточных этапов каждого из сценариев С1, С2, С3, С4, получаем значения частот реализации данных сценариев:
Q(C1) = 1,2·10-5·0,035·1,000 = 4,20 10-7 год-1;
Q(C2) = 1,2·10-5·0,965·1,000·0,036·1,000·0,240 = 1,00·10-7 год-1;
Q(C3) = 1,2·10-5·0,965·1,000·0,036·1,000·0,760 = 3,17·10-7 год-1;
Q(C4) = 1,2·10-5·0,965·1,000·0,964·1,000 = 1,116·10-5 год-1.
Таким образом, с помощью метода логического дерева событий определены сценарии развития аварии в производственном цехе и рассчитаны частоты их реализации. Обобщая полученные результаты, можно заключить, что в случае аварии емкости с ЛВЖ возможно три варианта: разгерметизация с отверстием диаметром 25 мм; разгерметизация с отверстием диаметром 100 мм; полное разрушение. Каждый вариант аварии может развиваться по однотипным сценариям: пожар пролива (С1), взрыв паровоздушного облака (С2), пожар-вспышка (С3), опасность отсутствует (С4). Частоты реализации сценариев зависят от диаметра аварийного отверстия. Для каждого варианта разгерметизации (25 мм, 100 мм, полное разрушение) строится отдельное логическое дерево событий и рассчитываются частоты реализации сценариев.
4. Предложения
В настоящей статье для минимизации ошибок при использовании метода логического дерева событий предлагается после определения частот реализации сценариев развития аварии проводить контрольную проверку. Указанную проверку предлагается проводить путем использования принципа «деления целого на части». «Целым» в данном случае является частота возникновения аварии Qа, а «частями» — частоты отдельных сценариев Q(С1), Q(С2), Q(С3), Q(С4). Указанные условные вероятности реализации сценариев в сумме должны давать 1 или 100 % (рис. 7).
Рисунок 7 - Схема реализации принципа «деления целого на части»
Выполним контрольную проверку для рассматриваемого расчетного примера. В сумме все частоты реализации сценариев должны давать исходное значение частоты аварии Qа =1,2·10-5 год-1:
Qа = Q(C1) + Q(C2) + Q(C3) + Q(C4) =
= 4,2 10-7 + 1,00·10-7 + 3,17·10-7 + 1,116·10-5 = 1,20·10-5
Как видно, проверка успешно выполнена.
5. Обсуждение
В отдельных случаях специалистами могут быть допущены неточности, которые снижают объективность результатов. Так, в методических пособиях , , которые изданы с целью оказания методической помощи по применению нормативной методики , даются указания, в том числе по применению рассмотренного выше метода логического дерева событий. Однако в данных методических пособиях допущены неточности, которые могут повлиять на корректность результатов.
Неточность №1. В пособиях , построение логического дерева событий начинается с события «Воспламенение» (рис. 8), хотя в таблице П2.1 методики не приводится такое событие и отсутствуют значения условной вероятности для него. Поэтому с помощью приведенного логического дерева событий невозможно определить условную вероятность события «Воспламенение». С помощью него также невозможно определить и условную вероятность противоположного события «Воспламенение не происходит».
Рисунок 8 - Иллюстрация из методических пособий с авторскими пометками
Примечание: по ист. [15], [16]; авторские пометки выделены красным
Рисунок 9 - Иллюстрация из методических пособий с авторскими пометками
Примечание: по ист. [15], [16]; авторские пометки выделены красным
6. Заключение
Таким образом, на основе проведенных исследований, в том числе расчетов с применением метода логического дерева событий, рассмотрения практических особенностей его применения и анализа методической литературы, были получены следующие результаты.
1. Несмотря на достаточную прозрачность метода логического дерева событий, при его использовании специалистами в области оценки пожарного риска в некоторых случаях могут быть допущены неточности, вызванные ошибочной трактовкой логических связей.
2. Не рекомендуется использовать «типовые» логические деревья событий без их критического осмысления, в том числе приведенные в методических пособиях по расчету пожарного риска , .
3. Рекомендуется осуществлять построение логических деревьев событий самостоятельно, учитывая особенности рассматриваемого технологического оборудования, формулируя текстовые обоснования для каждого этапа построения.
4. Рекомендуется для контроля корректности построенного логического дерева событий использовать инструмент, предложенный в настоящей статье (принцип «деления целого на части»), с проведением соответствующей проверки.
5. Новизна предложенного инструмента (принципа «деления целого на части») состоит в том, что на данный момент он отсутствует в методической литературе и в настоящей статье сформулирован впервые. Данный инструмент для отдельных специалистов в области оценки пожарного риска может являться интуитивно понятным, но для широкого круга требует вербализации. Практическая ценность данного инструмента состоит в том, что с его помощью могут быть выявлены все ошибки, допущенные при построении логического дерева событий.