CC BY
15ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 519.87:622.323:622.8
Острейковский В.А., Муравьев И.И., Шевченко Е.Н.
Ostreikovsky V.A., Muravyov I.I., Shevchenko E.N.
Развитие теории техногенной безопасности и риска объектов нефтегазовой отрасли
Development of the Theory of Technogenic Safety and Risk for Oil and Gas Industry Equipment
В статье сделан анализ современного состояния и развития теории техногенной безопасности и риска сложных высокоопасных динамических систем. Особое внимание уделено вопросу количественной оценки техногенного риска оборудования нефтегазового комплекса энергетики.
The article provides an analysis of the current state and development of the theory of technical safety and risk for complex highly dangerous dynamic systems. Particular attention is paid to the quantitative assessment of technogenic risk for oil and gas industry equipment.
Ключевые слова: теория техногенной безопасности, техногенный риск, методология, моделирование, прогнозирование, оценка риска.
Key words: theory of technical safety, technical risks, methodology, modeling, forecasting, risk assessment.
Введение
По мере все ускоряющегося развития и усложнения техногенной сферы оценка, анализ и прогнозирование техногенной безопасности стало одной из наиболее актуальных задач фундаментальных междисциплинарных исследований. Конечной целью таких исследований и разработок является научно обоснованная оценка рисков техногенных катастроф и доведения данных рисков до приемлемых уровней.
В нашей стране, начиная с 1991 по 2006 гг., были выполнены Федеральные целевые научно-технические программы по снижению рисков и смягчению последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. В развитие этих программ в 2008-2012 гг. постановлением Президиума РАН утвержден «План фундаментальных исследований Российской академии наук до 2025 г.».
Вместе с тем в ряде указанных программ пока в явном виде отсутствуют количественные показатели стратегических рисков в условиях модернизации экономики России, что существенно затрудняет планирование и контроль за эффективностью их реализации.
Последние техногенные катастрофы XXI в. -Саяно-Шушенская ГЭС (2009 г.), заражение акватории Мексиканского залива в результате утечки огромного количества нефти на морской буровой установки (2010 г.), разрушение четырех энергоблоков на АЭС «Фукусима-1» (Япо-
ния, 2011 г.) - свидетельствуют о многомиллиардных экономических убытках и неблагоприятном состоянии в области техногенной безопасности.
Главную роль в топливно-энергетической безопасности России играют добыча и транспортировка жидких и газообразных углеводородов. Так, по данным Гостехнадзора РФ с 1992 по 2001 гг., на магистральных трубопроводах произошло 545 аварий. Только в 2001 г. На внутри-промысловых трубопроводах произошло 42 тыс. случаев разгерметизации. На рельеф местности вылилось более 65 тыс. м3 нефти и пластовой воды. Поэтому в статье рассматривается одна из наиболее важных во всем комплексе методологических проблем - проблема количественной оценки техногенной безопасности объектов нефтегазовой отрасли. С точки зрения научной классификации нефтегазовые комплексы - это сложные геотехнические нелинейные динамические восстанавливаемые человеко-машинные системы. Очевидно, что если полностью исключить отрицательные последствия опасностей и риска при эксплуатации таких систем невозможно, то политика безопасности должна строиться на нахождении оптимума между полезностью развития нефтегазового комплекса и степенью их отрицательного воздействия (принцип ALARP - «настолько низкое воздействие, насколько это достижимо»).
Безопасность как раздел теории систем
Свойство «безопасность» всегда связано с понятием «опасность». Опасность - это свойство среды (естественной, искусственной, социальной), окружающей исследуемый объект (человека, техническую или социальную систему), состоящее в возможности (случайного или детерминированного характера) создания негативных воздействий, способных привести к нежелательным последствиям для рассматриваемого объекта и/или окружающей его среды. Иными словами, опасность - это всегда возможность, угроза бедствия, несчастья, катастрофы.
Безопасность - это положение, при котором кому/или чему-либо не угрожает опасность
(Словарь русского языка: в 4 т. М.: Русский язык, 1985).
Для технических систем (в том числе и для объектов нефтегазовой отрасли) наиболее четко свойство «безопасности» сформулировано в ядерной энергетике: «Безопасность - это свойство атомной станции при нарушениях нормальной эксплуатации, включая аварии, ограничивать радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду установленными пределами при нормальной эксплуатации» [4].
В общей теории систем сформулировано положение о взаимосвязи свойства безопасности с основными свойствами сложных систем, как показано на рис. 1 [2].
А-качество
Рис. 1. Взаимосвязь основных эксплуатационных свойств АС
Причины актуальности проблемы техногенной безопасности
Актуальность решения проблемы техногенной безопасности вытекает из анализа данных, представленных в таблице [1].
Основные характеристики катастроф
Тип катастрофы Объекты Территория Период Ущерб (долл.) Население (чел.)
Планетарная Гибель жизни на Земле Планета Земля - - -
Глобальная Техногенные катастрофы на ядерных, военных, ракетно-космических; землетрясения, вулканы и другие природные катастрофы Ряд сопредельных стран 30-40 лет 109-1010 104 - 2 ■ 106
Национальная Техногенные катастрофы на ядерных, военных, ракетно-космических; землетрясения, вулканы и другие природные, химические, энергетические, транспортные Отдельная страна 10-15 лет 108-109 103-105
Региональная Химические, энергетические, транспортные Область, край, республика 1-5 лет 107-108 103-104
Местная (локальная) Технические Город, район 1-6 мес. 106-107 101 - 103
Объектовая Пожары, взрывы, обрушения, провалы Санитарно-защи-щенная зона объекта 1-30 дней 105-106 10°-102
Содержание теории техногенной безопасности сложных критических систем:
Техногенная безопасность сложных систем подразумевает:
- выбор, обоснование и анализ критериев безопасности;
- анализ факторов, влияющих на безопасность;
- нормирование требований к количественным показаниям безопасности;
- математические методы и модели теории безопасности;
- разработку принципов обеспечения безопасности;
- качественный анализ обеспечения безопасности на всех этапах жизненного цикла;
- количественный анализ безопасности;
- разработку методов прогнозирования, выявления, локализации и предотвращения аварийных ситуаций;
- разработку рекомендаций по обеспечению безопасности.
Методология теории техногенной безопасности
Методология теории техногенной безопасности основана на закономерностях теории науковедения.
Объект: на что направлено исследование. Исторически это летательные аппараты, ядерные энергетические комплексы, объекты нефтегазовой отрасли.
Предмет: с помощью каких теоретических концепций решаются задачи теории техногенной безопасности.
Содержание методологии техногенной безопасности
Методология техногенной безопасности объектов нефтегазовой отрасли рекомендует использовать следующие методы:
1) вероятностно-статические:
- теорию случайных величин и случайных процессов;
- теорию прогнозирования случайных процессов;
- вероятностный анализ безопасности;
- теорию надежности;
- теорию катастроф;
2) детерминированные:
- теорию длительной прочности конструкционных материалов;
- теорию структурной устойчивости систем.
Как справедливо указывается в [5], аварии и
катастрофы на указанных в таблице объектах могут инициироваться опасными природными явлениями - землетрясениями, ураганами, штормами. Сами техногенные аварии и катастрофы
при этом могут сопровождаться радиационными и химическими повреждениями и заражениями, взрывами, пожарами, обрушениями. Типы и параметры поражающих факторов при этом могут изменяться в весьма широких пределах [1].
При этом большинство аварий и катастроф сопровождается нарушением условий прочности и исчерпанием ресурса наиболее нагруженных элементов в штатных или аварийных ситуациях критических систем. Вероятности, характеризующие частоту или периодичность возникновения наиболее тяжелых катастроф, 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, как произведения ущербов на вероятности, изменяются в пределах от 104 долл./год до 1010 долл./год.
Исключительно большое значение как для нашей страны, так и других промышленно развитых стран имеет достигнутый уровень обоснования безопасности по критериям риска вновь созданных потенциально опасных объектов и продление безопасной эксплуатации действующих объектов по критериям прочности и остаточного ресурса с учетом выработки назначенного ресурса на 50-70 % и более. Сказанное выше потребовало постановки на национальном и международном уровнях новых фундаментальных и прикладных научных задач, а именно:
1) математической теории катастроф и вероятностной теории рисков;
2) физики, химии и механики аварийных ситуаций и катастроф;
3) теории предельных состояний, прочности и ресурса с учетом аварийных и катастрофических ситуаций;
4) теории жесткой, функциональной и комбинированной аварийной защиты объектов, операторов и персонала;
5) теории мониторинга и прогнозирования (с применением космических, воздушных и наземных систем) сценариев и последствий техногенных катастроф;
6) научных методов, технологий и техники ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций техногенного характера.
По уровню потенциальной опасности (рис. 2) [5], требованиям законодательства и с учетом риска возникновения аварий и катастроф объекты техносферы могут быть разделены на четыре основные группы, для которых предусмотрены соответствующие требования к безопасности:
- объекты технического регулирования (ОТР), безопасность эксплуатации которых должна обеспечиваться по закону о техническом регулировании - их число измеряется миллионами и десятками миллионов;
Ущерб (долл.) 109 - СВО -10-2 Частота (1/год)
Техногенные:
Радиация -10-1
КВО Отравляющие вещества
106 - Взрывчатые вещества Пожары Взрывы Разрушения Столкновения -10°
103 - Обрушения -101
Локальные Объектовые Местные Региональные Национальные Глобальные Планетарные
Катастрофы
Рис. 2. Ущербы и периодичность природных и техногенных катастроф
- опасные производственные объекты (ОПО), безопасность эксплуатации которых должна обеспечиваться по закону о промышленной безопасности - их число измеряется сотнями тысяч;
- критически важные объекты (КВО), безопасность эксплуатации которых должна обеспечиваться по решению Совета безопасности Российской Федерации - их число измеряется тысячами;
- стратегически важные объекты (СВО), безопасность функционирования которых влияет на состояние национальной безопасности страны -их число измеряется сотнями.
Необходимость введения четвертой категории объектов (СВО) обусловлена анализом самых тяжелых катастроф в нашей стране и за рубежом.
На кафедре информатики и вычислительной техники Сургутского государственного университета в течение последних 15 лет ведется комплексная научно-исследовательская работа (которая поддержана грантами РФФИ № 07-01-07081, 08-01-00933, 11-01-00008, 14-01-00230) по развитию методов и моделей количественной оценки техногенной безопасности и риска критически важных промышленных систем и видов оборудования. Результаты этой большой работы опубликованы в многочисленных статьях в журналах, рекомендуемых списком ВАК, монографиях и учебных пособиях, на международных и отечественных симпозиумах и конференциях. Ниже упоминаются лишь некоторые публикации. Уже по заголовкам виден тот масштабный результат, который получен исполнителями перечисленных выше грантов РФФИ [3]:
(Генюш А. О. Безопасность трубопроводного транспорта и динамика деформационных процессов // Надежность и качество : тр. междунар. симпозиума /
под ред. Н. К. Юркова. Пенза : Изд-во Пенз. гос. унта, 2005. С. 178, 179; Острейковский В. А. Анализ устойчивости и управляемости динамических систем методами теории катастроф. М. : Высш. шк., 2005. 326 с.; Острейковский В. А. Математические модели теории техногенного риска: монография / Сургут. гос. ун-т ХМАО - Югры. Сургут : ИЦ СурГУ, 2012. 235 с.; Острейковский В. А., Саакян С. П. Модели определения вероятностей исходных событий аварий методами теории катастроф // Труды МА БР. 2010. С. 123-126; Острейковский В. А., Саакян С. П., Силин Я. В. Прогнозирование техногенного риска динамических систем методами теории катастроф // Фундаментальные исследования. 2012. № 3. Ч. II. С. 399-402; Острей-ковский В. А., Силин Я. В. Применение методов теории катастроф к оценке надежности нефтепромысловых трубопроводов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2011. № 12. С. 29-33; Острейковский В. А., Швыряев Ю. В. Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2008. 353 с.; Острейковский В. А., Шевченко Е. Н., Микшина В. С. Количественная оценка риска в теории техногенной безопасности сложных динамических систем // Итоги науки. Т. 1. Избранные труды международного симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки. М. : РАН, 2013. Гл. 2. С. 12-31; Острейковский В. А., Шевченко Е. Н. Моделирование техногенного риска как многомерного распределения вероятностей исходных событий и ущерба // Труды международной научной школы МАБР-2010. СПб. : Изд-во ГУАП, 2010. С. 441-446; Острейковский В. А., Шевченко Е. Н. Учет связи между вероятностью исходных событий и ущербом при моделировании техногенного риска // Фундаментальные и прикладные проблемы науки: мат-лы VIII междунар. симпозиума. М. : РАН, 2013. Т. 6. С. 95-101; Силин Я. В., Острейковский В. А. К методу статистического анализа надежности нефтепромысловых трубопроводов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2008. № 5. С. 43-49).
Заключение
a. Теория техногенной безопасности и риска является важным разделом теории безопасности сложных динамических высокоопасных критических систем.
b. Целью теории техногенного риска как научной дисциплины является изучение закономерностей возникновения рисковых ситуаций и управления ими при эксплуатации объектов техносферы для получения их максимальной эффективности.
а Рассмотренные в данной статье вопросы анализа и оценки техногенного риска дают воз-
можность утверждать, что разрабатываемые подходы, математические методы и модели обладают высоким уровнем решения новых фундаментальных и прикладных научных задач в области математического моделирования теории катастроф и вероятностной теории рисков.
d. Проведенный анализ современного состояния теории техногенной безопасности и риска свидетельствует о перспективности дальнейших научных разработок для повышения эффективности оборудования нефтегазовой отрасли.
Литература
1. Мазур И. И., Иванцов О. М. Безопасность трубопроводных систем. М. : Елима, 2004. 1104 с.
2. Острейковский В. А. Теория систем : учебник для вузов. М. : Высш. шк., 1997. 240 с.
3. Острейковский В. А. Теория техногенного риска: математические методы и модели : монография / Сургут. гос. ун-т ХМАО - Югры. Сургут : ИЦ СурГУ, 2013. 320 с.
4. Острейковский В. А., Швыряев Ю. В. Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2008. 352 с.
5. Сборник методических документов, применяемых при анализе и оценке техногенных рисков. Союз организаций, осуществляющих экспертную деятельность в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, промышленной, пожарной и экологической безопасности / под общ. ред. Н. А. Махутова. М., 2011. 416 с.
