Обобщенная процедура прогнозирования и снижения риска каскадных чрезвычайных ситуаций

Как было показано выше, самыми предрасположенными к авариям каскадного характера ныне являются объекты химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, а также трубопроводы и другие транспортные средства, поставляющие их сырье или готовую продукцию. Ведь разгерметизация оборудования с используемыми аварийно опасными веществами может приводить к образованию взрывопожароопасных и удушающих смесей, тогда как их последующее физико-химическое превращение в форме детонации или дефлаграции чревато образованием вторичных поражающих факторов ударного (осколки, перегрузки или избыточное давление воздушной волны сжатия) и термического (тепловые потоки пожара) воздействия.

В качестве наиболее характерного сценария возникновения каскадных ЧС на подобных объектах может служить следующая совокупность случайных событий, вызванных разрушением либо разгерметизацией емкости с АХОВ, сосуда с вредным веществом под избыточным давлением или подпитывающих их коммуникаций:

.

Анализ данного сценария указывает на возможность упорядочения прогноза риска каскадных аварий, инициируемых крупной утечкой различных взрывопожароопасных веществ. Делать это следует путем построения и системного анализа причинно-следственных диаграмм типа «дерево событий», при обязательном учете заблаговременно предусмотренных проектно-конструкторских и эксплуатационно-технических препятствий-барьеров нежелательному развитию инициирующих происшествий с АХОВ.

Обобщенная структура одного из построенных подобным образом деревьев-событий показана на рис. 21.3.

Обратим внимание, что приведенная здесь модель как бы воспроизводит нижнюю часть рис. 21.2, но уже конкретизируя ее применительно к возможным последствиям аварийного высвобождения большого количества какого-либо горючего вещества вследствие его интенсивной утечки из соответствующей емкости по причине ее повреждения и несвоевременного отключения подпитывающих коммуникаций. Однако вместо подобного инициирующего происшествия вверху изображена лишь стрелка с вероятностью Р_гс его наступления, тогда как различные исходы процесса его последующего развития, также рассматриваемого на семи уровнях, помечены цифровыми кодами и безусловными вероятностями Q_ij. При этом предполагалось, что термическое (Т) и ударное (У) воздействие опасных факторов пожара/взрыва могло привести к эффекту домино, что учтено вероятностями Q_j и ущербами Y_j. только восьми конечных исходов данного дерева событий.

Проиллюстрируем возможность прогноза приведенных выше параметров техногенного риска на примере такого воздействия опасных факторов инициирующей аварии, которое чревато последующим повреждением других объектов, расположенных вблизи и незащищенных от подобных факторов. Будем считать также, что среди пострадавших от этого объектов могут быть сосуды, наполовину заполненные горючей жидкостью и находящиеся под избыточным давлением ее паров, в результате чего возможны взрыв или воспламенение продуктов пролива с появлением вторичных поражающих факторов. Образующиеся при этом осколки, сейсмовоздушные волны сжатия и мощные тепловые потоки способны затем привести к повреждению близлежащего технологического оборудования, включая разгерметизацию других сосудов с АХОВ, т. е. к проявлению каскадного эффекта.

Нетрудно видеть, что самым вероятным первоисточником развития каскадной аварии в подобных случаях является мгновенное разрушение сосуда, имеющего большой объем либо высокое внутреннее давление и наполненного каким-либо вредным или аварийно опасным веществом. Ведь это чревато одновременным образованием не только осколков и первичной волны сжатия, но также облака вредной или топливовоздушной смеси. Вот почему основное внимание ниже будет уделено рассмотрению особенностей развития каскадных аварий, вызванных разгерметизацией перечисленных выше сосудов с взрывопожароопасными АХОВ, так как при этом возникают мощные вторичные поражающие факторы.

Рис. 21.3. Обобщенная модель развития каскадной аварии с выбросом АХОВ Что касается конкретных резервуаров или сосудов, повреждение которых способно привести к появлению техногенных ЧС каскадного характера, то их выбор целесообразно осуществлять в ходе предварительной оценки техногенного риска создаваемых ОПО. Это означает, что прогнозирование риска каскадных аварий следует начинать с изучения особенностей проектируемого объекта на стадии его эскизной проработки и продолжать в течение технического проектирования, а окончательную оценку проводить по завершении приема в эксплуатации головного объекта. Основным же методом должно стать моделирование, реализуемое с учетом изложенных выше (см. гл. 8 и 10−15) рекомендаций.

Столь же естественно, что большинство этапов соответствующей обобщенной процедуры должно быть увязано с семью уровнями дерева событий, приведенного на рис. 21.3. При этом значения одних искомых параметров могут быть найдены с помощью конструкторско-технологической документации и статистических данных, тогда как для определения других потребуются дополнительные модели и исходные данные. Проиллюстрируем последовательно и кратко, как могут прогнозироваться на всех этих этапах не только указанные там условные вероятности, но и те параметры, которые минимально необходимы для их априорной количественной оценки.

• 1. Определение вероятностей того, что концентрация внутри облака ТВС, образовавшегося после аварийной утечки АХОВ, находится внутри нормативных пределов взрывопожароопасности, рекомендуется проводить с учетом количества, плотности и характера истечения АХОВ, а также особенностей заполняемого им пространства. Если объем утечки велик, плотность его облака выше атмосферного воздуха и он малоподвижен, то допускается приближенная оценка средней концентрации ТВС путем деления количества АХОВ на половину объема шара или эллипсоида; в других случаях требуется прогнозирование полей концентрации по рекомендованной выше (см. гл. 14) методологии.
• 2, 3. Оценку вероятностей своевременного обнаружения облака ТВС взрывопожароопасной концентрации и предупреждения или снижения интенсивности его возможного воспламенения/взрыва целесообразно осуществлять с учетом надежности предусмотренных для этого технических систем — по их паспортным или статистическим данным о безотказности, быстродействии и готовности к работе.
• 4. Прогноз вероятностей инициации воспламенения и взрыва облака ТВС под воздействием внешних источников рекомендуется проводить, основываясь на сведениях о местоположении и окружении источника выброса АХОВ, размерах формируемого при этом облака ТВС, возможности его последующего распространения в направлении функционирующего технологического оборудования и находящихся там людей. Приближенные значения искомых вероятностей могут быть найдены, например, исходя из соотношения размеров облака ТВС и пространства, содержащего только что перечисленные источники открытого огня.
• 5, 6. Оценку вероятностей предупреждения интенсивного физико-химического превращения ТВС в виде воспламенения/взрыва и вероятностей ослабления образующихся при этом опасных факторов следует осуществлять с учетом надежности предусмотренных на такие случаи технических систем исследуемого ОПО — по их паспортным либо статистическим данным о безотказности, быстродействии, готовности и эффективности соответствующей работы.
• 7. Проверку минимально необходимых условий проявления эффекта домино, а также оценку соответствующих вероятностей и ущербов от ударного и термического поражающих факторов инициирующего происшествия целесообразно проводить, руководствуясь приводимыми ниже соображениями.
• 7.1. Прогноз вероятностей развития каскадного эффекта из-за ударного воздействия осколков взорвавшегося сосуда высокого давления, чреватого причинением соответствующих ущербов необходимо осуществлять в следующей очередности:
  • а) оценка формы и размеров образуемых при взрыве фрагментов емкости;
  • б) определение математического ожидания начальной скорости их разлета;
  • в) оценка вероятности поражения типовыми осколками конкретной «мишени» .

Охарактеризуем подробнее особенности реализации каждого такого этапа, имея в виду, что поражающий эффект ударного воздействия во многом будет зависеть от направления, величины скорости, массы и геометрии осколков, а их число и форма — от особенностей макрои микроструктуры стенок аварийных сосудов и наличия в них концентраторов напряжения в виде насечек, нарезов, изгибов, сварных швов и трещин, а также от реального состояния соединений конкретного сосуда с коммуникациями и фундаментом.

• (а) Геометрию (форму и размеры) наиболее типичных осколков, образующихся, например, при физическом взрыве наполненных газом сферических и цилиндрических сосудов, следует определять, руководствуясь табл. 21.1 [48], а значения их характерных параметров — с учетом специфики каждого конкретного сосуда.
• (б) Определение начальной средней скорости осколков обычно рекомендуется [19] проводить графоаналитическим методом после сбора следующих исходных данных: объем и масса т взорвавшегося сосуда, внутреннее давление , температура и показатель адиабаты газа, а также индивидуальная газовая постоянная , определяемая для газовых смесей делением универсальной газовой постоянной на молярную массу газа. Данный метод существенно упрощает приближенную оценку этой скорости при физическом взрыве сосудов различного типа благодаря применению следующей универсальной процедуры:
  • 1) вычисление относительной массы осколка — делением его веса на вес всего сосуда;

Таблица 21.1. Типовые формы осколков и их характерные параметры.

Форма осколка.	Описание.	Код формы.	Параметры.
	Крышка или чаша, образующаяся при разрыве сферического сосуда более чем на четыре части, или сосуда цилиндрической формы с приваренными сферическими днищами.	F1.	? — угол фрагмента сферической крышки, рад; r — радиус, м.
	Фрагмент образуется при разрушении цилиндрического сосуда по трещине в месте его соединения с коническими днищами.	F2	h — высота конуса, м; r — радиус конуса, м.
	Осколок прямоугольной формы, являющийся обломком обечайки цилиндрического сосуда.	F3	1 -длина, м; l1 — ширина, м.
	Фрагмент цилиндрической оболочки в форме плоской или изогнутой пластины, а если х = 2р, то осколок имеет форму трубки.	F4.	1 — длина цилиндра, м; r — радиус, м; ? — угол, рад.
	Осколок цилиндрической оболочки, образующийся при ее разрушении по двум радиальным трещинам либо по одной или двум осевым трещинам.	F5.	l — длина, м; r — радиус, м; у — угол, рад.
	Фрагмент цилиндрической оболочки, сформированный радиальной и двумя осевыми трещинами. При у = 0 имеет форму дна цилиндрического сосуда.	F6.	l — длина цилиндра, м; r — радиус, м; у — угол, рад.

Рис. 21.4. Зависимость величин К от относительной массы осколков (а) и и от объема сосуда (б).

2) расчет приведенного давления р в сосуде — по следующей формуле :

(21

3) расчет математического ожидания реальной скорости полета осколка — по формуле.

(21.2).

где К — коэффициент, величина которого для осколков конкретной формы и массы определяется по графикам, подобным показанным на рис. 21.4, а, как проекция на ось ординат точки пересечения с соответствующей прямой; U — приведенная скорость осколков (зависит от приведенного давления р и их числа п, определяемого по графикам рис. 21.4, б с учетом объема взорвавшегося цилиндрического сосуда). Оценивается с помощью графиков рис. 21.5.

(в) Оценку вероятности повреждения оборудования осколками следует осуществлять, руководствуясь изображенной на рис. 21.6 расчетной схемой [45].

В качестве мишени на нем изображена цилиндрическая емкость с АХОВ, имеющая радиус R, высоту Н и расположенная на удалении D от места взрыва. Пунктирными кривыми отмечено математическое ожидание трубки поражающих мишень траекторий полета осколка, характеризуемых диапазонами начальных углов тангажа ??, рыскания и описываемых системой уравнений.

(21.3).

где т — постоянная, равная 1 для нисходящей части траектории, и 2 — для его восходящего участка; к — коэффициент аэродинамического сопротивления полету осколка, иногда называемый драг-коэффициентом и рассчитываемый по следующей полуэмпирической формуле:

Рис. 21.6. Параметры траектории полета осколка и объекта-мишени:

а — форма F1, и = 50 м/с, D = 220 м; б — форма F5, и = 200 м/с, D = 567 м.

Рис. 21.5. Зависимость приведенной скорости от приведенного давления.

(21.4).

где - среднее значение драг-коэффициента, зависящее от формы конкретного осколка и его ориентации относительно вектора и скорости полета; - площадь его сечения в направлении, перпендикулярном этому вектору.

С учетом приведенных соображений величина вероятности попадания и повреждения мишени определенного типоразмера может быть оценена путем интегрирования правой части следующего математического выражения:

(21.5).

Рис. 21.7. Вероятности поражения осколками различных мишеней где - плотность вероятности поражения осколком показанной на рис. 21.6 мишени.

Для облегчения прогноза авторы [45] приводят графики, полученные численным интегрированием соотношения (21.5) для восьми типов мишеней (табл. 21.2) и осколков с разной формой и начальной скоростью. Некоторые из таких графиков показаны на рис. 21.7.

Таблица 21.2. Характеристика типовых мишеней в форме емкости с АХОВ.

• 7.2. Прогноз величин вероятностей термического поражения соседних объектов вследствие воспламенения струи АХОВ, истекающей из поврежденной осколками емкости, рекомендуется проводить следующим образом:
  • а) в соответствии с рекомендациями параграфов 14.1 и 15.2 настоящего учебника с учетом наиболее вероятных размеров и места разгерметизации (выше или ниже зеркала жидкости), определяющих агрегатное состояние (газ, жидкость) продуктов утечки и ее интенсивность, а значит, и величину излучаемого теплового потока;
  • б) либо с помощью заблаговременно подготовленных по результатам подобных расчетов графиков, которые будут иметь вид кривых, представленных на рис. 21.8, и применение которых может повысить оперативность приближенной оценки этого же параметра.

Рис. 21.8. Изменение интенсивности теплового потока горящей струи При найденных каким-либо способом интенсивностях термического поражающего фактора априорная оценка искомых здесь вероятностей осуществляется в соответствии с изложенной выше (см. параграфы 15.1 -15.3) процедурой, т. е. по эрфик-функциям, параметрами которых могут служить значения следующих пробит-функций, полученных для необратимого повреждения тепловыми потоками некоторых видов технологического оборудования [39]:

а) для вертикальных цилиндрических сосудов, работающих при атмосферном давлении,.

(21.6).

б) для горизонтальных цилиндрических сосудов, находящихся под избыточным давлением,.

(21.7).

где W — интенсивность теплового потока, кВт/м²; V — объем сосуда, подвергнутого внешнему термическому воздействию, м³.

7.3. Вероятности повреждения технологического оборудования избыточным давлением воздушной волны сжатия, чреватого соответствующими ущербами , следует оценивать подобным образом — с помощью следующих пробит-функций:

для оборудования, работающего при атмосферном давлении,.

(21.8).

для оборудования под избыточным внутренним давлением.

(21.9).

для нефтегазовых сосудов колонного типа.

(21.10).

для малогабаритного химико-технологического оборудования.

(21.11).

Исходные данные, необходимые для проведения подобных прогнозов, можно найти в проектной и эксплуатационной документации конкретных ОПО. Полученные при этом сведения рекомендуется использовать не только для оценки отдельных показателей каскадного риска, но также для обоснования рациональных стратегий его снижения путем выбора соответствующих конструкторско-технологических, эксплуатационно-технических и аварийно-спасательных мероприятий. Работоспособность и конструктивность такого (системного) подхода к прогнозированию и регулированию риска каскадных аварий, инициируемых выбросом большого количества АХОВ, иллюстрируется на конкретном примере в завершающем параграфе этой главы и книги в целом.