сопереноса, гидро- и аэродинамики, физики плазмы, горения и взрыва, электрофизики и др.
Одним из основных элементов в обеспечении безопасности сложных технических систем является введение в инженерную практику положения о необходимости описания и разработки критериев, сценариев и динамики возникновения и развития всех без исключения аварийных и катастрофических ситуаций. В основу построения возможных сценариев аварий и катастроф заложены представления о фазах аварии современного промышленного комплекса: инициирование аварии, развитие аварии и выход аварии за пределы промышленного объекта.
Фаза инициирования аварии может представлять собой достаточно длительный процесс, включающий в себя различные этапы накопления механических повреждений оборудования, отклонений от заданных режимов эксплуатации, а также нарушения контроля за качеством и состоянием оборудования и персонала сложной технической системы. Эта фаза заканчивается возникновением аварийной ситуации, которая может быть связана с начавшимися разрушениями и необратимыми отклонениями от условий нормальной эксплуатации. Исходными данными для построения сценария аварии этой фазы являются описания возможных технических отклонений от регламента в режиме функционирования оборудования и описания возможных ошибок персонала. Техническими отклонениями являются отказы оборудования, не предусмотренные регламентом режимы технологических процессов.
Фазы развития аварийной ситуации и выхода ее за пределы системы начинаются, когда человек и автоматические системы защиты теряют контроль над физическими, химическими, ядерными процессами, протекающими в системе. При этом начинаются высвобождение энергии химически или биологически активных веществ либо неконтролируемые реакции, при которых образуются вещества или поражающие факторы, представляющие угрозу для населения и окружающей среды. Сценарии аварий в этих случаях представляют собой описание динамики возникновения и развития составляющих аварию процессов, взаимодействий и поражающих факторов: тепловых, механических, электрических, ядерных и т. д. Само описание аварийных и катастрофических ситуаций заключается в математическом моделировании динамики аварий, вклю-
56
чающем в себя использование обобщенных моделей отдельных процессов и взаимодействий и предусматривающем создание дополнительных моделей для воспроизведения того или иного сценария аварийной ситуации.
Совмещение различных типов математических моделей и построение дополнительных моделей аварийных ситуаций идет по характерным событиям, связанным, например, с разрушениями защитных оболочек роторов, корпусов, потерей устойчивости опорных колонн и элементов трубопроводных систем и т. д. Для фазы инициирования аварии первое разрушительное явление аварии – это верхнее нежелательное событие, вершина дерева отказов. Для фаз развития аварии и выхода ее за пределы сложной технической системы – это механизм, запускающий (инициирующий) развитие аварии и в конечном счете нанесение определенного ущерба населению прилегающего региона и окружающей среде.
Разработка сценариев аварийных ситуаций позволяет получить исходную информацию по возможным воздействиям и поражающим факторам и будет представлять собой исходную базу для оценки опасности конкретной системы.
В основу разработки сценариев аварийных ситуаций положено несколько ключевых принципов, а именно:
–любой сценарий есть, по существу, группа (совокупность) сценариев. Например, «разрушение трубопровода» – это совокупность сценариев, включающая в себя такие элементы, как продольное разрушение трубы, поперечное разрушение и т. д.;
–для построения сценариев аварийных ситуаций пригоден любой метод, который не позволяет пропустить существенный (опасный) сценарий развития событий;
–некоторые сценарии – это сценарии единичного события, ряд сценариев требует совпадения нескольких различных событий (например, нескольких отказов), другие – цепь событий (типа «каскад» или «домино»); каждый из таких видов событий требует особенного подхода.
В зависимости от степени сложности конкретной технической системы и полноты имеющихся данных при построении сценариев возможных аварийных ситуаций рекомендуется использовать один из следующих подходов:
57
–структурный подход, при котором составляется перечень возможных отказов оборудования и персонала;
–функциональный подход, подразумевающий, что каждый элемент системы выполняет ряд функций, которые могут быть классифицированы как иерархия целей функционирования; нарушение этих функций может рассматриваться как смена иерархии целей.
В случае системы повышенной сложности рекомендуется использовать оба подхода.
Процесс построения сценариев аварийных ситуаций является многоуровневым. Процедура построения должна проходить через весь процесс создания технической системы, начинаясь в первой «концептуальной» фазе, когда разрабатываются проектные критерии, технологические требования и проводятся предпроектные «эскизные» проработки в целях выбора наилучшего из конкурирующих решений. Построение обобщенных сценариев аварийных ситуаций в этой фазе дает возможность быстро обозреть очевидные виды отказов и определить потенциальные единичные отказы, приводящие к аварии, а также влияние отдельных отказов оборудования и персонала, которое может быть минимизировано конструкторскими средствами. Когда процесс проектирования системы переходит в стадию рабочего проектирования, разработка сценариев аварийных ситуаций должна быть углублена до существенно более низких уровней. В случае, когда внесены изменения для ликвидации условий реализации тех или иных аварийных ситуаций, построение аварийных ситуаций должно быть повторено, чтобы убедиться, что все предсказуемые сценарии развития событий учтены
вновом варианте.
В процессе проведения работ по выявлению сценариев аварийных ситуаций возникает вопрос о том, насколько такой перечень является полным, т. е. в какой мере в нем отражены все возможные аварийные ситуации. Для определения полноты перечня аварийных ситуаций необходимо:
–провести определение тяжести последствий и частоты возникновения рассматриваемых в анализе аварийных ситуаций;
–задать допустимый уровень неопределенности, взяв за ос-
нову какую-либо ситуацию с известными значениями тяжести и частоты реализации;
58
– считать, что события, расположенные ниже и левее кривой «частота»–«тяжесть последствий», имеют уровень неопределенности менее допустимого, поэтому можно не включать в анализ эти сценарии.
Основной вопрос, который необходимо решать в процессе создания и развития экспериментального и математического (модельного) построения сценариев зарождения и развития аварийных ситуация, – анализ повреждений от эксплуатационных и аварийных нагрузок. Суммарные эксплуатационные или аварийные нагрузки создают соответствующие напряжения и деформации {ζ, е}, которые в конечном счете и определяют накопление эксплуатационных повреждений по времени η и числу циклов нагружения:
а = [{Fm, Fem, Ft }, {η, N} t]. |
(1.4) |
Для простых условий эксплуатационного нагружения в заданных средах возможны и более простые функциональные соотношения при определении повреждений:
– для случаев кратковременного однократного нагружения механическими усилиями при комнатной температуре на основе (1.4)
a = [{Fm}]; |
(1.5) |
– для случаев классической изотермической усталости
а = [{Fm}, {N}t]; |
(1.6) |
– для длительного статического высокотемпературного нагружения
а = [{Fm, Ft}, {η}t]; |
(1.7) |
– для длительного циклического неизотермического нагру-
жения
а = [{Fm, Ft}, {η, N}t]. |
(1.8) |
На основе (1.2), (1.3) и (1.4) накопленные повреждения являются функционалом локальных напряжений, деформаций, времени, числа циклов, температур и сред:
а = [{ζ, e}, {η, N}t]. |
(1.9) |
59
Для моментов достижения экстремальных значений компонентов напряжений или деформаций вычисляют эквивалентные напряжения или деформации. Если все компоненты номинальных напряжений не превышают предела упругости (или текучести), то при вычислениях компонентов деформаций по компонентам напряжений используют обобщенный закон Гука:
{ei, ej, ek} = {(ζi, ζj, ζk), (E, µ)}. |
(1.10) |
Далее вычисляют соответствующие приведенные (эквивалентные) напряжения, а затем деформации. Наиболее часто при этом применяют гипотезу наибольших касательных напряжений ηmax или энергетическую гипотезу (интенсивность напряжений ζi):
{ ηmax} = {(ζmax – ζk)}, {ζi} = {ζmax, ζj, ζk}. |
(1.11) |
Для упрощения расчетов обычно принято строить графические зависимости, описывающие состояние системы, например зависимость эксплуатационных нагрузок F от температуры t, и на основании этих зависимостей рассчитывать номинальные напряжения ζ и деформации е, а затем по (1.10) и (1.11) с учетом коэффициентов концентрации напряжений определять размах локальных приведенных напряжений и строить схемы циклов изменения приведенных напряжений (ζпр)mах или деформаций (епр)mах. Для упрощения последующих расчетов в области упругих и упругопластических местных деформаций можно использовать условные местные упругие напряжения.
По схеме циклов (приведенные напряжения–время или на- грузка–время) для блока эксплуатационного нагружения можно осуществить анализ прочности и ресурса на основе выделения характерных точек и значений напряжения. В таком анализе используют ряд методов: максимумов, экстремумов, размахов, полных циклов. Для узкополосных спектров эксплуатационного нагружения эти методы дают сопоставимые результаты при оценках повреждаемости.
Схема циклов нагружения может быть построена и на основе численного решения линейных и нелинейных краевых задач – методами конечных элементов, конечных разностей, интегральных уравнений. В этом случае по результатам численного анализа для
60