CC BY
62
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Махутов Н.А., Гаденин М.М.
УДК 621.311
МНОГОУРОВНЕВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Постановка проблемы.
Возрастающая важность проблем обеспечения комплексной безопасности техносферы, повышения уровня технического регулирования и защищенности критически важных для национальной безопасности объектов инфраструктуры страны была определена рядом Федеральных законов и решениями совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и президиума Государственного совета Российской Федерации 13 ноября 2003 г. Протокол №4 этого заседания был утвержден Президентом Российской Федерации 4 декабря 2003 г. Принципиальное значение при этом имеют Федеральные законы «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», «О техническом регулировании», а также ряд других федеральных законов.
К настоящему времени в России и за рубежом выполнен значительный объем научных исследований и прикладных разработок по комплексным проблемам обеспечения техногенной безопасности объектов инфраструктуры, населения и среды жизнедеятельности, а также по подготовке и переподготовке специалистов по этим проблемам. Результаты этих исследований и разработок отражены в Концепции национальной безопасности Российской Федерации, в указанных выше Федеральных законах (в том числе и в законах о защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, о ядерной и радиационной безопасности, о безопасности гидротехнических сооружений, о транспортной безопасности, а также в фундаментальных публикациях отечественных специалистов (в том числе в многотомных энциклопедических изданиях «Машиностроение», «Безопасность России» и «Природные опасности России», в энциклопедических изданиях МЧС России «Гражданская защита») [1-7].
Научные основы анализа безопасности технических объектов с учетом риска возник-
новения аварий и катастроф природного и техногенного характера развивались в нашей стране с 1990 года в рамках Государственной научно-технической программы «Безопасность» [6], в ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» (МЧС России), «Национальная технологическая база» (Ми-нобрнауки России). В последние годы проблемы безопасности получили свое отражение в ряде других Федеральных целевых программ, научно-технических программ отраслей и регионов. Реализация такой многоуровневой постановки проблемы способствует деятельности большой сети научно-производственных организаций и их объединений, а также высших технических учебных заведений и научно-исследовательских центров [8, 9]. Это позволяет выделить для последующего анализа три группы объектов, для которых предусмотрены соответствующие требования к безопасности — объекты технического регулирования (ОТР), опасные производственные объекты (ОПО) и критически важные объекты (КВО).
Вместе с тем в течение двух последних десятилетий мир столкнулся с серией крупнейших за всю историю катастроф техногенного и природно-техногенного характера на ОПО и КВО (химические комплексы Севезо, Бхопал, АЭС ТМА и Чернобыль, РКК «Челленджер» и «Колумбия», транспортные системы под Арзамасом и Уфой, АПЛ «Трэшер» «Комсомолец», «Курск», летательные аппараты «Боинг», «Антей», Ту-160, буровые платформы в Англии, морские суда в Эстонии, России, Японии). К этим катастрофам добавились несанкционированные и террористические воздействия на объекты инфраструктуры гражданского и военного назначения в США, России, Ираке, Югославии.
Реализация опасностей и угроз в природ-но-техногенной сфере на всех упомянутых выше типах объектов (ОТР, ОПО, КВО) стала
приводить к прямым и косвенным ущербам национальным экономикам до 3-8% ВВП, а в ряде случаев — до 20-40%, к гибели десятков тысяч людей, нанесению увечий сотням тысяч и загрязнению огромных территорий.
Эти данные показали, что все промышлен-но развитые страны и мировое сообщество оказались не в состоянии противостоять усилению опасностей, угроз и вызовов безопасности населения, объектов инфраструктуры и среды жизнедеятельности, несмотря на большие усилия по повышению требований к конструированию, технологическим процессам и эксплуатации. Возникла необходимость создания единых научно-методических подходов к выработке мер по комплексному обеспечению защищенности важнейших объектов инфраструктуры от воздействий на состояние технологической и техногенной безопасности поражающих факторов аварий и катастроф, а также реализации мер правового, экономического, технического, надзорного и специального характера на всех уровнях — международном, национальном, региональном, отраслевом и объектовом по повышению требований к безопасности продукции.
Для России, ставящей задачи об удвоении ВВП в текущем десятилетии, отмеченные выше прямые и косвенные ущербы на уровне 3%, а с учетом вторичных ущербов - на уровне 5-6% от ВВП, оказываются сопоставимыми с планируемым приростом ВВП. Это делает проблему повышения безопасности производственных процессов и комплексов, а также защищенности объектов инфраструктуры критически важных для национальной безопасности (КВО) одной из приоритетных.
Только своевременная постановка новых фундаментальных, поисковых и прикладных исследований, порученная указанным выше Протоколом №4 Российской академии наук, Министерству образования и науки Российской Федерации, Министерству Российской Федерации по чрезвычайным ситуациям, гражданской обороны и ликвидации последствий стихийных бедствий, Ростехнадзору и Ростехрегулирования, а также совершенствование системы профессиональной подготовки (переподготовки) кадров в области безопасности и защищенности КВО, в том числе введение государственного заказа на подготовку специалистов в этой области, могут стать важнейшим элементом и исходной базой для обеспечения стабильного социально-экономичес-
кого развития страны, повышения уровня жизни населения, укрепления национальной безопасности и международного престижа Российской Федерации [7-8].
2. Исследования проблем безопасности объектов техносферы.
Современные объекты инфраструктуры и техносферы в целом, в т.ч. машиностроительного комплекса страны (гражданского и оборонного назначения), включают десятки тысяч опасных производств, сотни тысяч опасных технологических установок, сотни тысяч километров магистральных и технологических трубопроводов, разветвленные системы коммуникаций. Они создаются с применением все более современных технологий — механических, термохимических, плазменных, вакуумных, лазерных, а также нанотехнологий. Ежегодное возникновение и развитие сотен и тысяч техногенных и природно-техногенных аварийных и катастрофических ситуаций в техносфере приводит, как отмечалось выше, к гибели и травматизму многих тысяч человек, разрушению промышленной инфраструктуры и среды обитания.
Исследования, поддержание и повышение уровня технического регулирования производственной сферы по критериям безопасности, надежности, эффективности и ресурса призваны обеспечить приемлемый уровень защищенности объектов инфраструктуры и населения. Они становятся все более важной и актуальной задачей науки, органов государственного управления и надзора, специалистов научных организаций и промышленных предприятий системы специального и высшего образования.
Техническое регулирование с обеспечением безопасности должно осуществляться через определение рисков N аварий и катастроф в технической, природной и социальной сферах и управление ими по заданным параметрам. Используемый для этой цели обобщенный функционал записывается в форме
N = {Р,и} = и НСрР'и(Р№ = (1)
= | СиР (и )ши,
где Р — вероятность возникновения аварий или катастроф; и — математическое ожидание ущерба от них; С — весовые функции; г — вид аварий или катастроф.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Для обеспечения техногенной безопасности в XXI веке должно быть учтено, что в мировой техногенной гражданской и оборонной сферах насчитывается до 103 объектов ядерной техники мирного и военного назначения, более 5-104 ядерных боеприпасов, до 8104 тонн химических вооружений массового поражения, сотни тысяч тонн взрывопожароопасных, сильнодействующих ядовитых веществ, десят-
Рис. 1. Типы аварийных и катастрофических ситуаций.
Рис. 2. Ущербы на одну катастрофу от необеспечения надежнос ти и безопасности промышленных объектов.
ки тысяч объектов с высокими запасами потенциальной и кинетической энергии, энергии газов и жидкостей.
Государственные доклады МЧС России, Ростехнадзора (Госгортехнадзора России), Минприроды России о состоянии безопасности природно-техногенной сферы позволили дать оценку Я, Р и и по реализовавшимся опасностям, угрозам и вызовам. Обобщение [2-6] отечественной и зарубежной информации позволило классифицировать Р и и в зависимости от типов аварийных и катастрофических ситуаций (рис. 1).
Вероятности возникновения наиболее тяжелых катастроф 4-6 классов в мирное время составляют от (2^3)-10-2 до (0,5^1)-10-1 1/год, а ущербы от 1011 до 109 долл./катастрофа. При этом их риски изменяются в пределах от 104 долл./год до 1010 долл./год.
При анализе безопасности в техногенной сфере следует учитывать как упомянутые выше ущербы, так серийность соответствующих потенциально опасных объектов. Наиболее тяжелые аварийные ситуации возникают на уникальных объектах - единичных и многосерийных, к которым предъявляются повышенные требования по безопасности. Число однотипных атомных энергетических реакторов в мире составляет 1-10 при их общем числе в эксплуатации 450-500 (в России около 30), число однотипных ракетно-космических систем обычно составляет от 3-5 до 50-80 (рис. 2). Среднесерийные потенциально опасные объекты исчисляются сотнями и тысячами, а крупносерийные - десятками и сотнями тысяч (автомобили, сельскохозяйственные машины, станки). В соответствии с изложенным интегральные экономические риски, определяемые произведением единичных рисков на число объектов, оказываются сопоставимыми как для глобальных, так и для объектовых катастроф.
Таким образом, ущербы от единичных катастроф глобального и объектового масштаба отличаются на 8-10 порядков,
риски - на 4-6 порядков, а интегральные ущербы - на 1-3 порядка.
Исключительно важное значение как для нашей страны, так и для других промышленно развитых стран, имеет достигнутый уровень проектного обоснования безопасности различных объектов техносферы федерального, регионального и местного значения. Применительно к локальным и объектовым авариям для крупносерийных технических систем, в которых опасные повреждения возникают в нормальных условиях эксплуатации, уровень проектного обоснования безопасности и надежности составляет 10-100%. При этом большое значение имеют национальные и международные нормы проектирования, изготовления и эксплуатации, а также огромный и длительный опыт поддержания и повышения безопасности производства и обеспечения бесперебойного функционирования этих систем.
Опасные и катастрофические разрушения крупно- и среднесерийных технических систем в условиях нормальной эксплуатации даже при росте требований к безопасности прогнозируются уже в существенно меньшей мере - от 1 до 10%. Предварительный количественный анализ крупных аварийных ситуаций удается пока проводить в 0,1-1,0% случаях. Конкретные техногенные катастрофы регионального и национального характера получают отражение в расчетах и прогнозах не более, чем в 0,001-0,1%. Глобальные катастрофы на уникальных объектах, к которым предъявляются самые высокие требования при проектировании, изготовлении и эксплуатации, как правило, не предсказываются.
Из данных о вероятностях и рисках техногенных аварий и катастроф на объектах с исключительно высокой потенциальной опас-
ностью следует, что качественное и количественное различие в уровнях требуемых и приемлемых (в национальных и международных рамках) рисков, с одной стороны, и уровнем реализованных рисков, с другой, достигает двух и более порядков. Вместе с тем известно, что повышение уровня защищенности объектов техносферы от аварий и катастроф на один порядок требует больших усилий в научно-технической сфере и существенных затрат, сопоставимых с 10-20% стоимости проекта.
В фундаментальных [10-12] и прикладных [1-4, 13-15] исследованиях последних трех десятилетий поставлена новая задача об определении и обеспечении безопасности объектов техносферы по критериям приемлемых рисков. При такой постановке задачи только безопасность с заданными уровнями рисков дает основание к принятию (или непринятию) решений о допустимости реализации новых проектов или допустимости эксплуатации действующих объектов техносферы. По уровню потенциальной опасности, по требованиям законодательства и решениям Совета Безопасности Российской Федерации объекты техносферы могут быть разделены на три основные группы (рис. 3):
-объекты технического регулирования (ОТР) по закону о техническом регулировании — их число измеряется миллионами и десятками миллионов;
-опасные производственные объекты (ОПО по закону о промышленной безопасности - их число измеряется сотнями тысяч;
-критически важные объекты (КВО) по решению Совета Безопасности Российской Федерации - их число измеряется тысячами.
Объекты жизнедеятельности в техносфере
4, I
Объекты технического Опасные Критически важные
регулирования производственные объекты
ОТР объекты КВО
ОПО
4 1 4,
Число объектов
4 4 4
106 н МО8 106 + 3-Ю6 103 + 5-Ю3
I | _Т Т
Рис. 3. Структурная схема анализа потенциально опасных объектов
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Указанные выше вероятности и ущербы отнесены к единичной аварийной ситуации. Однако по мере перехода от уникальных и единичных объектов (КВО) к серийным (ОПО) и массовым (ОТР) крупносерийным нарастает их суммарное число, и интегральные ущербы от необеспечения их надежности и безопасности; при этом риски начинают резко возрастать, переводя их в категорию стратегических рисков [9] (рис. 1, 3). В этой связи система государственного надзора за безопасностью на большом числе КВО, ОПО и ОТР должна охватывать широкий спектр технологий, сценариев катастроф, видов повреждений, условий на-гружения, методов диагностики и контроля.
Для КВО гражданского и оборонного комплексов, а также для ряда ОПО, на базе обобщения опыта атомной энергетики и ракетно-космической техники типы аварийных и катастрофических ситуаций и степень их защищенности при переходе от нормальных условий эксплуатации к аварийным можно принять по табл. 1 следующим образом:
- режимные аварийные ситуации при отклонении от нормальных условий эксплуатации (возникают при штатном функционировании потенциально опасных объектов, последствия от них предсказуемые, защищенность от них достаточная);
- проектные аварийные ситуации (возникают при выходе за пределы штатных режимов с предсказуемыми и приемлемыми последствиями, защищенность от них частичная);
- запроектные аварийные ситуации (возникают при необратимых повреждениях ответственных элементов с высокими ущербами и человеческими жертвами; степень защищенности от них недостаточная с необходимостью в последующем проведения восстановительных работ);
- гипотетические аварийные ситуации (могут возникать при непредсказанных зара-
нее вариантах и сценариях развития с максимально возможными ущербами и жертвами; защищенность от них низкая и прямому восстановлению объекты не подлежат).
При разработках методов и систем обеспечения безопасности и защиты особо опасных объектов (КВО, ОПО и ОТР) от угроз природного, техногенного и террористического характера должны постулироваться указанные выше аварийные ситуации и рассматриваться необходимость учета указанных выше двух базовых положений:
- снижение рисков инициирующих воздействий и предупреждение чрезвычайных ситуаций;
- снижение рисков чрезвычайных ситуаций вслед- ствие реализовавшихсяи угроз.
Для защиты КВО и ОПО от инициирующих воздействий и развиваю- щихся чрезвычайных ситуаций исследуются и разрабатываются следующие типы систем защиты (рис. 4):
- жесткая защита 1 (защита, на преодоление которой необходимо затратить большое количество энергии);
- постоянно действующая функциональная защита 2 (защита, которая в случае аварии или выхода из режима нормальной эксплуатации элементов сложной технической системы способна взять на себя выполнение отдельных функций системы в течение ограниченного времени, либо предотвратить развитие аварии);
- естественная защита 3 (предусматривает использование пассивных природных явлений и процессов, направленных на прекращение аварии и снижение уровня поражающих факторов);
- комбинированная защита (объединяющая свойства жесткой, функциональной и естественной систем защиты).
При этом степень защищенности от анализируемых аварийных ситуаций всеми мето-
Табл. 1
Типы аварийных ситуаций и степень защищенности объектов техносферы.
№ 1. Аварийные ситуации Нормальные условия эксплуатации Защищенность Повышенная Риски Управляемые
2. Отклонения от норьвльных условий (режимные Ч С) Достаточная Регулируемые
3. 4. Проектные авария Запроектные аварии Частичная Недостаточная Анализируемые Повышенные
5. Гипот етически е аварии Низкая Высокие
(Жесткая ] (Комбинированная ]
4D С фД ® Контайменты, бункеры, контейнеры, скафандры <Э Системы управления, диагностики
V® V/ ® / Самозащищенные, пассивные системы Ф Охранная защита
(Функциональная) [ Естественная)
Рис. 4. Типы и системы защиты от аварий и катастроф.
дами и риски их возникновения остаются различными (табл. 1).
Применительно к проблеме несанкционированных воздействий и терроризма в дополнение к рассмотренным системам защиты добавляется специальная охранная защита 4, охватывающая сами высокорисковые объекты, их персонал и существующие защитные барьеры. В ее состав включаются соответствующие военизированные и специальные подразделения, оснащенные системами наблюдения и оповещения, а также средствами вооружения и военной техники.
Снижение рисков для КВО, ОПО и ОТР, как правило, достигается применением комплекса всех указанных систем защиты.
Если проводить анализ рисков природных и техногенных катастроф (или рисков чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера), то с учетом [2, 6-8] для вероятности реализации стратегических системных угроз с использованием функционала РРС можно записать
Рс ={ РЛ ,РТ ,Р0 }, (2)
где Ры —вероятность появления неблагоприятного события, обусловленная человеческим фактором;
РТ —вероятность, обусловленная состоянием объектов техносферы;
РО —вероятность, обусловленная воздействием окружающей среды.
Вид функционала (2) остается таким же и для вероятностей реализации интегральных, дифференцированных и объектовых рисков. Важное значение при этом имеет то обстоятельство, что роль человеческого фактора в
оценке PS при изменении PN определяется не только операторами и персоналом, их профессиональными и физиологическими качествами, но лицами, принимающими решения на всех уровнях государственного управления национальной безопасностью.
Вероятности PT существенно зависят от уровня защищенности КВО, ОПО и ОТР от аварий и катастроф. Эта защищенность определяется качеством их исходного и текущего состояния, степенью деградации объектов на заданной стадии эксплуатации, уровнем диагностирования и мониторинга. Такое положение указывает на прямое взаимодействие параметров PT и PN с учетом базовых показателей надежности объектов техносферы.
Вероятности РО, как известно, зависят от проявления опасных природных процессов, а также от состояния КВО, ОПО и ОТР и, следовательно, от PT. Принятие необоснованных (с точки зрения стратегических рисков) решений о размещении объектов техносферы и зон проживания делает параметр РО зависящим и
от Pn.
Ущербы US от реализации системных стратегических угроз в общем случае можно записать через функционал FUS
us = Fus { UN ,UT UO }, (3)
где UN — ущербы, наносимые населению при взаимодействии первичных и вторичных поражающих факторов при реализации стратегических системных угроз;
UT — ущербы, наносимые объектам техносферы;
Uo -
щей среде.
ущербы, наносимые окружаю-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Величины им, ит и ио могут измеряться как в натуральных единицах (например, числом погибших людей, числом разрушенных объектов и площадью поврежденных территорий), так и в эквивалентах (например, в экономических, денежных показателях).
В целом в России с учетом социально-экономических преобразований базовые характеристики рисков Я аварий и катастроф техногенного и природно-техногенного характера, определяемые их ущербами и (или тяжестью Т) и вероятностью Р (или числом М), имеют сравнительно сложный характер изменения во времени х с общей тенденцией к возрастанию (рис. 4).
Из данных рис. 5 вытекает важнейшая роль управления безопасностью по критериям рисков, повышения надежности и безопасности продукции, а также уровня и качества подготовки специалистов всех уровней, способствующих снижению вероятностей возникновения аварий и катастроф и сопутствующих им ущербов и.
Рис. 5. Изменение во времени числа N и тяжести T катастроф.
ни возрастания их тяжести (1 — локальные, 2 — объектовые, 3 — местные, 4 — региональные, 5 — национальные, 6 — глобальные, 7 —
чинах системных рисков Я5 (рис. 6).
Я5- =л/ Ям
-м + Кт + Яо
(4)
Для достижения приемлемой защищенности КВО, ОПО и ОТР необходимо осуществление комплекса мероприятий по снижению Я5.
Если на шкалах Ят, Ям и Яо отложить градации (классы) 1-7 аварий и катастроф по степе-
В тех случаях, когда для КВО, ОПО и ОТР планетарные), то представляется возможной определены риски Я5 (для населения Ям, для об- к°личественная одетта стетени без°пасн°сти ъектов техносферы Ят и для окружающей сре- любого из объектов (КВа °П° и ОТР) по кри-ды Яо), поверхность предельныхсостоянийдля териям рисков. Такая оценка дается ради-таких объектов может быть построена в вели- ус-вектором объекта в трехмерном пр^тра-
нстве «Ят-Ям-Яо». Повышение требований к обеспечению безопасности на всех стадиях проектирования, создания и эксплуатации объектов должно способствовать снижению степени опасности объекта.
Для обеспечения безопасного состояния КВО с использованием рисков Ям, Ят, Яо (рис. 6) необходимо понизить возможность неконтролируемых выходов потенциально опасных ве-щестБ, энергий и потоков информации, а также снизить риски аварий и катастроф. Этого можно достичь построением систем контроля, диагностики, мониторинга и защиты и введением в анализ безопасности сценариев возникновения и развития аварийных и катастрофических ситуаций. В число решаемых при этом проблем включена исторически сложившаяся последовательность формирования научных основ, разработки инженерных методов расчетов и испытаний, создания норм и правил проектирования и изготовления объектов техносферы, обеспечения их функционирования в задан-
Рис. 6. Области опасных и безопасных состояний систем.
2G104 VII А Управление Селила инистьш
1990 VT /Безо-\ /паеностА Приемлемые риг™ отказов, аварий и катастроф
1900 V / Живучесть \ Трещш юста йкостъ
1900 IV / Надежность \ Откямугтп нчи мг.тк
1900 III / Ресурс \ Долюиечнос1ь
1ЭОО и /Жесткость, устойчивость \ Сохранение оа-эмесов и фа омы
1600 1 / Прочность \ Н е раз руша вма сть
Гады Ё 1 £ % Базовые требования Практический результат
Ж Ж Ж A А
s
z 0)
Ё
о а *
с *
Щ
U
I*
и
га А
Направления развития
Рис. 7. Общая структура обеспечения работоспособности объектов техносферы.
ных пределах проектных режимов и параметров.
Важнейшими поэтапно повышающимися требованиями к штатному (нормальному) функционированию и проектным параметрам такого функционирования для всех объектов техносферы на всех стадиях их жизненного цикла к концу XX века стали «прочность ^ жесткость ^ устойчивость ^ ресурс ^ надежность ^ живучесть ^ безопасность ^ управление безопасностью». На основе указанных традиционных требований и параметров можно построить так называемую пирамиду комплексного обеспечения работоспособности объектов техносферы (рис. 7).
На этой пирамиде выделены годы и основные этапы развития (1-УП), базовые требования, основные практические результаты и направления взаимодействия. Из рис. 7 видно, что каждый выше расположенный элемент пирамиды опирается на нижние элементы, как на основу. Это означает, в конечном счете, что решение вершинных проблем безопасности должно обязательно опираться на решение проблем «живучести ^ надежности ^ ресурса ^ жесткости ^ устойчивости ^ прочности» с прохождением через традиционные этапы их взаимодействия «I ^ VII».
Фундаментальные результаты определения и обеспечения прочности (этап I) были получены в течение длительного времени к началу XIX века, а замкнутый анализ жесткости и устойчивости (этап II) завершился к его концу. XX век стал веком формирования теории и практики обеспечения «ресурса ^ надежности ^ живучести» (этапы III, IV, V). На
рубеже XX и XXI веков была поставлена фундаментальная проблема анализа и обеспечения безопасности (этап VI) и управления безопасностью (этап VII) для всех потенциально опасных объектов гражданского и оборонного назначения [2]. На этом этапе требование безопасности было сформулировано как определяющее, что потребовало развития нового направления «VII ^ I», как основного для будущего развития техносферы.
Каждому из традиционных этапов цепочки «I ^ VII» соответствовал свой практический результат в исследованиях, проектировании, создании и эксплуатации объектов техносферы «неразрушаемость ^ сохранение размеров и формы ^ долговечность ^ отказоустойчивость ^ трещиностойкость^ приемлемые риски отказов, аварий и катастроф».
По такому пути (традиционное направление) шло развитие самой техносферы и методов обеспечения работоспособности всех основных ее объектов.
В соответствии с рис. 3 и 7 для КВО в обязательном порядке необходимо удовлетворение базовых требований по этапам «VII ^ I», для ОПО — возможно практическое выполнение требований «VII ^ I», для ОТР — важно частичное выполнение требований из цепочки «VII ^ I». Эти условия будут закрепляться в технических регламентах и стандартах.
3. Научная база прочности, ресурса и техногенной безопасности.
Решение основных проблем прочности, ресурса и безопасности по рис. 7 для объек-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
тов техносферы (см. рис. 3) опирается на фундаментальные результаты XVII — XXI веков, полученные в таких дисциплинах, как сопротивление материалов, теория упругости, теория пластичности, теория ползучести, теория термоциклической прочности, линейная и нелинейная механика разрушения, механика катастроф, теория безопасности и рисков. Эта теоретическая база была положена в основу традиционного проектирования всех объектов техносферы (рис. 8). Новые методы анализа и проектирования, исходя из определяющих требований безопасности и рисков, потребуют развития дополнительных разделов в традиционных теориях. При этом в анализ безопасности и рисков войдут нормы проектирования и расчетов с учетом аварийных и катастрофических ситуаций (проектных, запроектных и гипотетических) [2, 10-12].
Для проектных аварийных ситуаций должен выполняться общий анализ «безопасность ^ живучесть ^ надежность ^ ресурс ^ жесткость ^ устойчивость ^ прочность» с повышенным уровнем определенности в формировании технических заданий и соблюдении требований эксплуатации, выбора материала
и технологии. Для запроектных аварийных и катастрофических ситуаций уровень определенности по указанным параметрам технического задания снижается, что связано с необходимостью включения в анализ опасных редких нештатных и несанкционированных воздействий и условий. В таких случаях погрешности в определении рисков возрастают. Гипотетические катастрофические ситуации в значительной степени рассматриваются для маловероятных, но чрезвычайно опасных воздействий и условий (в т.ч. террористических, военных, природных). В таком случае ущербы получаются максимальными, а риски - высокими и малоопределенными.
Решение вопросов безопасности, ресурса и прочности в таких ситуациях опирается на развитие новых научных направлений [11, 16-18]:
- статическая, циклическая и динамическая прочность в вероятностной постановке;
- теория катастроф;
- теория техногенной безопасности.
Эксплуатационные воздействия на
объекты техносферы (КВО, ОПО, ОТР) харак-
Рис. 8. Диаграммы опасных и безопасных состояний.
теризуются: числами циклов N временем на-гружения х, температурой £. При этом параметры N и х определяют ресурс объекта, а f — его термостойкость (хладоломкость или жаростойкость). Состояние дефектности несущих конструкций определяется размерами 1, формой и расположением дефектов (трещин). Величины 1 являются исходными для определения живучести объектов. Характеристика гибкости X несущего элемента рассматриваемого объекта зависит от формы и размеров поперечного сечения, длины и вида опоры; она определяет устойчивость элемента.
Внешние штатные и нештатные (в т.ч. аварийные и катастрофические) воздействия создают в анализируемом элементе расчетный уровень напряжений и и деформаций е; они зависят от действующих усилий (механических, тепловых, электромагнитных, аэрогидродинамических, сейсмических и др.), способа их приложения, размеров и форм сечений. Если эти воздействия возрастают, то в определенный момент в несущих элементах достигаются предельные (критические) состояния - элементы разрушаются, теряют устойчивость, получают недопустимые деформации; напряжения и деформации в этот момент приобретают предельные (критические) значения и , е .
Величины и , е в соответствии с рис. 8 зависят от N, х, 1, X. По этим зависимостям строятся:
- кривые усталости (выносливости) в напряжениях «и — N » идеформациях «е{—N[»;
- кривые длительной прочности в напряжениях «и—х» и деформациях «е{ —х{»;
- кривые трещиностойкости (живучести) в напряжениях «и—1» и деформациях «е {—1Г»;
- кривые термостойкости (хладостой-кости и жаростойкости) в напряжениях «И — и деформациях «е {—
- кривые устойчивости (общей или местной) в напряжениях «и — X» и деформациях «е 1 —X».
При относительно невысоких уровнях внешних воздействий, когда возникающие деформации оказываются упругими, расчеты в напряжениях и деформациях дают одинаковые результаты. При повышенных напряжениях, когда возникают общие и локальные пластические деформации, расчеты в напря-
жениях а идеформациях e расходятся — величины напряжений аf оказываются не чувствительными к варьированию величин N, хf, 1f, Xf. Это предопределяет важность перехода традиционных расчетов в напряжениях а к расчетам в деформациях e .
Потенциальная опасность как самих объектов техносферы, так и внешних воздействий на них нарастает и риски возникновения повреждений, аварий и катастроф повышаются; средняя область рис. 8 характерна для ОПО и связанных с ними катастроф, аварий и отказов; нижняя область рис. 8 характерна для ОТР и связанных с ними аварий, отказов и повреждений; верхняя левая область рис. 8 характерна для КВО и связанных с ними катастроф.
Если ввести запасы п>1 по оси ординат (а, e) и по оси абсцисс (N, х, l, t, X) рис. 8, то область предельных (критических) состояний опустится до допускаемых состояний [а], [e] и [N], [х], [l], [t], [X].
Создание и эксплуатация объектов техносферы в области допускаемых состояний характеризуется удовлетворением комплекса требований в цепочке «прочность ^ устойчивость ^ ресурс ^ живучесть ^ безопасность» по указанным выше параметрам. При этом риски повреждений, аварий и катастроф внутри области допускаемых состояний могут считаться приемлемыми с учетом накопленного научного и практического опыта.
Неблагоприятное изменение основных параметров нагруженности (рост напряжений а, деформаций e, числа циклов N, времени х), увеличение размеров дефектов 1, гибкости X, увеличение (или снижение) температур t может вызвать переход от штатных ситуаций к опасным - аварийным и катастрофическим. При этом риски окажутся выше приемлемых (или допустимых), а безопасность - необеспеченной.
4. Регулирование и повышение безопасности.
Государственное, региональное и объектовое управление, регулирование и обеспечение безопасности по критериям системных рисков сводится к качественному и количественному статистическому и детерминированному анализу на данном отрезке времени Дх
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
всех параметров уравнения (1) и осуществлению комплексных мероприятий по снижению стратегических рисков от фактических неприемлемых RS до приемлемых (допустимых) уровней [RS]:
Rs = PsUs <(/ns)[RS ]= (5)
= ( Xs HPS HUs ]= fz ( mzZ ) где nS — коэффициент безопасности по стратегическим рискам;
[PS], [US] —приемлемые (допускаемые) вероятности и ущербы;
Z—затраты на снижение рисков;
m — эффективность затрат
(1 < m/< 10).
Безопасность по критериям рисков может считаться обеспеченной, если будет достигнута справедливость неравенства nS> 1.
Для России в настоящее время по основным показателям системных рисков величины nS крайне низки (не более 0,01^0,1).
Отрезок времени Ах, для которого можно определять риски RS, обычно принимается равным одному году (Ах =1 год).
В соответствии с выражением (5) управление и планирование с использованием критериальной базы, основанной на рисках, сводится к следующим основным задачам:
- развитию научных методов анализа рисков RS и их основных параметров PS и US;
- принятию решений об уровне допускаемых величин [RS], [PS] и [US] с оценкой величин запасов nS;
- научно обоснованному определению уровня затрат Z на снижение рисков с выбором и повышением эффективности затрат (mj.
При этом прогнозирование, мониторинг и предупреждение аварий и катастроф на КВО, ОПО и ОТР оказывается существенно эффективнее, чем ликвидация последствий ЧС. Величины Z при надлежащем обосновании мероприятий по снижению рисков могут быть значительно (в mz раз) ниже ущербов Us, наносимых экономике страны незащищенностью КВО, ОПО и ОТР.
При разработке основ государственной политики, нормативно-правовой базы, проектов федеральных программ и пилотных отраслевых и объектовых проектов по обеспечению защищенности КВО, ОПО и ОТР, населения и среды жизнедеятельности от угроз техногенного, природного и террористического харак-
тера приоритетное значение приобретают следующие научные исследования и разработки:
- развитие научной критериальной базы оценки безопасности и состояния КВО, ОПО и ОТР и составления государственных регистров для объектов техносферы;
- формирование научных основ и принципов построения систем защиты — жесткой, функциональной, естественной, охранной и комбинированной;
- создание теории и методов контроля, диагностики, мониторинга и прогнозирования рисков для КВО, ОПО и ОТР на стадиях их проектирования, изготовления, эксплуатации и вывода из эксплуатации;
- разработка учебно-методических основ подготовки и переподготовки специалистов и руководителей всех уровней в области обеспечения защищенности КВО, анализа и управления рисками.
В соответствии с изложенными выше в п.п. 1-2 данными комплексное повышение безопасности входящих в состав КВО, ОПО и ОТР объектов должно обосновываться через комплексное повышение характеристик прочности, ресурса, надежности и живучести [1-18]. Одним из путей такого повышения, как отмечалось выше, является повышение качества проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации машин и конструкций. Это позволяет с учетом уравнения (1) и рис. 1 снизить риски R возникновения аварийных и катастрофических ситуаций за счет снижения вероятности P и ущербов U от этих ситуаций. При этом анализ R, P и U по мере усложнения технических систем и увеличения тяжести аварий и катастроф (рис. 2) становится все более сложной задачей.
При повышении качества производства потенциально опасных объектов в соответствии с рассматриваемыми выражениями можно, в первую очередь, понизить параметры PT и UT, характеризующие безопасное состояние техносферы и риски RT по выражению (3). В свою очередь характеристики PT и RT в значительной степени связаны с человеческим фактором (PN, UN, Rn) и воздействиями окружающей среды на объекты техносферы (Po, UO, RO).
Все указанные выше параметры в соответствии с (4) определяют системные риски RS и условие приемлемости рисков по (5). В этой связи можно говорить о повышении уров-
ня проектирования, испытаний, изготовления и эксплуатации всех технических систем и, особенно, критически важных объектов (КВО) с использованием критериев рисков -Rt, Rn, Ro и Rs (рис. 6).
Управление рисками по критериям прочности, ресурса, надежности и живучести предопределяет необходимость обеспечения безопасности ОТР, ОПО, КВО через расчетные характеристики, входящие в уравнения (1) - (5). В первую очередь, это относится к обеспечению качества конструкционных материалов за счет широкого использования прогрессивных металлургических процессов выплавки, термообработки, химикотермической, термомеханической обработки. Они позволяют получить заданного качества химический состав, структуру и механические свойства конструкционных материалов по их базовым характеристикам. Дополнительно к ним требования качества конструкционных материалов распространяются на такие характеристики, как пределы прочности, текучести, выносливости, длительной прочности, коэффициенты упрочнения в упругопластической области, критические коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций.
Качество и точность изготовления несущих элементов машин и конструкций позволяют регулировать и обеспечивать их заданные размеры, что при заданных эксплуатационных нагрузках дает возможность получать заданные уровни номинальных эксплуатационных напряжений, а также учитывать эффект абсолютных размеров.
Чрезвычайно важной для циклической, малоцикловой, длительной статической и низкотемпературной прочности оказывается роль концентрации напряжений, определяемой теоретическими и эффективными коэффициентами концентрации. Это обстоятельство требует повышенного внимания при механической обработке к зонам концентрации — отверстиям, выточкам, надрезам, резьбам, галтелям, фаскам.
Так как обычно процессы повреждения и разрушения формируются в поверхностных слоях деталей и элементов машин и конструкций, то требования качества распространяются на получение заданной микрогеометрии поверхностей, заданного уровня и знака остаточных поверхностных напряжений как в зонах концентрации, так и вне этих зон. В соответствии с этим при оценках прочности,
ресурса и живучести используются критические значения характеристик локальных механических свойств. Управление качеством за счет этих характеристик достигается соответствующими видами поверхностных обработок (механических — точение, фрезерование, сверление, шлифование, хонингование, алмазное выглаживание, электрохимических, лазерных, плазменных). В ряде случаев поверхностные обработки сочетаются с поверхностными закалками, наклепом, микролегированием, плакированием.
Особую роль в обеспечении ресурса и живучести имеет качество дефектоскопического контроля, позволяющего оценивать состояние микро- и макродефектов в наиболее нагруженных зонах. При этом наибольшую потенциальную опасность имеют дефекты типа трещин; их параметры входят в расчетные уравнения ресурса и живучести.
Надежность технических систем и вероятность возникновения на них аварийных и катастрофических ситуаций в значительной степени определяется устойчивостью качества всех указанных выше технологических операций при их изготовлении. При этом наряду с повышением основных расчетных характеристик в уравнениях (1)-(5) важнейшими показателями безопасности оказываются пониженные уровни коэффициентов их вариации.
Достижение заданных уровней безопасности КВО, ОПО и ОТР по критериям рисков в рамках технического регулирования с учетом всех его сложностей [17, 19, 20] будет базироваться на надлежащем учете роли человеческого фактора (PN, UN), а также параметров состояния природной среды (PO, UO), входящих в выражения (1) — (5).
Таким образом, для сложных технических систем и критически важных объектов будет выстраиваться комплексная методология технического регулирования, использующая методы и системы оценки, обеспечения и повышения характеристик прочности, ресурса, живучести, надежности и безопасности.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Машиностроение. Энциклопедия, тт. 1-28. М.: Машиностроение, 1996 - 2005.
2. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
аспекты. Многотомное издание. М.: МГФ «Знание» т.т. 1-28, 1997-2006 гг.
3. Природные опасности России. Многотомное издание. М.: «Крук», тт. 1-6, 1999-2003.
4. Гражданская защита. Энциклопедический словарь. Под общ. редакцией С.К.Шойгу. МЧС России. М.: ДЭКС-ПРЕСС. 2005. 568 с.
5. Гражданская защита. Энциклопедия. Том I (А-И). Под общ. редакцией С.К.Шойгу. МЧС России. М.: Московская типография №2. 2006. 568 с.
6. ГНТП «Безопасность». Концепция и итоги работ 1991-1992 гг. М.: ВИНИТИ, 1993. Т.1 -480 с. Т.2 - 350 с.
7. Достижения и задачи машиноведения. К 70-летию академика К.В.Фролова. М.: МГФ «Знание». 2006. 416 с.
8. Махутов Н.А., Гаденин М.М. Научные исследования и подготовка специалистов по обеспечению защищенности критически важных объектов. Машиностроение и инженерное образование. М.: Изд.: МГИУ.
2004, №1. С. 19-32.
9. Катастрофы и образование. Под ред. Ю.Л.Воробьева. М.: ЭдиториалУРСС, 1999, 174 с.
10. Н.А.Махутов. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение. 1981. 272 с.
11. Н.А.Махутов. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В двух частях. Новосибирск: Наука.
2005. Часть 1: Критерии прочности и ресурса — 494 с. Часть 2: Обоснование ресурса и безопасности — 610 с.
12. Н.А.Махутов, В.Н.Пермяков. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопро-
водов. — Новосибирск: Наука, 2005. — 516 с.
13. Исследования прочности при малоцикловом нагружении. Серия из 8 книг. М.: Наука, 1975 - 2006.
14. Исследования напряжение и прочности ядерных реакторов. Серия из 6 книг. М.: Наука, 1987 - 2004.
15. Прочность. Механика разрушения. Ресурс. Безопасность технических систем. Серия из 5 книг. Новосибирск: Наука, 2002 - 2006.
16. Стратегические риски чрезвычайных ситуаций: оценки и прогноз. Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции. 15-16 апреля 2003 г. М.: ЦСИ МЧС, 2003. 400 с.
17. Махутов Н.А., Гаденин М.М. Оценка и контроль рисков в техногенной сфере. Партнеры и конкуренты. Методы оценки соответствия. Научно-практический журнал. Москва: РИА «Стандарты и качество». 2006, № 1. С. 22-26.
18. Прочность, ресурс и безопасность машин и конструкций. Под. ред. чл.-корр. РАН Н.А.Махутова, к.т.н. М.М.Гаденина. Москва: ИМАШ РАН. 2000. 527 с.
19. Механика катастроф. Методические рекомендации. Под. ред. Н.А.Махутова, Е.М.Морозова, М.М.Гаденина. Т 1, М.: МИБ СТС, 1995, Т. 2. М.: ФЦНТП «Безопасность». 2001. 254 с.
20. Н.А.Махутов, М.М.Гаденин. Обеспечение безопасности: Проблемы качества и технического регулирования. Стандарты и качество. №6, 2007. С. 32-36.
