3 страница. Сегодня химические технологии в той или иной степени используются во всех отраслях промышленности

Сегодня химические технологии в той или иной степени используются во всех отраслях промышленности. При этом, в большинстве случаев даже при нормальном функционировании этих объектов имеет место выброс в атмосферу или сброс в водную среду тех или иных загрязняющих веществ. В табл. 1.3.1 представлены данные по динамике этих выбросов и сбросов в России [47].

Таблица 1.3.1 Динамика выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (тыс. т) и сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты Отрасль промышленности 1995г. 1996г. 1997г. Промышленность 18140,4 8574 16661 7443 15852 7335 Электроэнергетика 5017,7 1090,5 4748,5 1072,7 4487,6 1325,5 Цветная металлургия 3693,2 529,0 3598,0 482,7 3621,6 425,3 Черная металлургия 2735,3 757,7 2535,5 704,9 2379,5 691,7 Нефтедобывающая промышленность 1409,1 31,1 1309,65 24,73 1325,0 21,01 Нефтеперерабатывающая промышленность 908,6 [317,4 849,1 227,8 819,3 192,9 Машиностроение и металлообработка 725,6 782,1 602,45 640,4 543,3 623,9 Угольная промышленность 626,5 740,2 595,7 637,5 535,3 620,0 Промышленность строительных материалов 674,2 129,5 528.0 123.1 467,8 113,6 Газовая промышленность 707,7 4,5 541,8 5,92 451,1 2,8 Химическая и нефтехимия промышленность 525,0 1525,4 454,1 1363,0 415,4 1322,0 Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность 522,2 1799,3 434,3 1443,1 383,5 1323,4

Пищевая промышленность	300,3 171,7	250,2 123,6	224,4 115,9
Легкая промышленность	74,2 170,8	64,3 149,7	56,0 138,6
Сельское хозяйство	3172,7	2574,1	3264,2
Жилищно-коммунальное хозяйство	12503,7	12071,8	12053,0

* выбросы в атмосферу

сбросы в водные объекты

Основу веществ, загрязняющих атмосферу, составляют окись углерода (28%), сернистый ангидрид (16,3%), окислы азота (6,8%), аммиак (3,7%), сероуглерод (2,6%), сероводород (0,6%), толуол (1,2%), ацетон (0,95%), дихлорэтан (0,6%) и другие.

Со сточными водами сбрасываются нефтепродукты, нитраты, нитриты, хлориды, сульфаты, фосфор, цианиды, родониты, кадмий, кобальт, марганец, медь, никель, ртуть, свинец, хром, цинк, сероводород, сероуглерод, бензол, формальдегид, фенолы, пестициды и т.д.

В результате этих выбросов и сбросов во многих районах, где работают объекты, использующие химические технологии, сегодня имеет место превышение среднегодовых предельно-допустимых концентраций в атмосферном воздухе и поверхностных водных объектах, загрязнение подземных вод. Высокая степень загрязнения атмосферного воздуха и воды приводит к накоплению загрязняющих веществ в почвах.

Безусловно, наиболее масштабные и опасные техногенные загрязнения происходят при авариях и катастрофах на объектах, использующих химические технологии, особенно на химически опасных объектах, где производятся, перерабатываются, используются, транспортируются или хранятся аварийно химически опасные вещества. Аварийные выбросы и сбросы (разливы), при авариях которых нередко приводят к катастрофическим последствиям.

Сегодня на территории России функционируют более 3600 такого рода объектов, имеющих значительные запасы АХОВ. Суммарная

площадь, на которой может возникнуть очаг химического заражения, составляет 300 тыс. км² с населением около 54 млн. человек [40]. Классификация таких объектов по степени опасности приведена в табл.

1.3.2.

Таблица 1.3.2 Классификация предприятий по степени химической опасности [22] Степени         химической опасности / II III IV объектов                 Зона         возможного   В зону В зону В зону заражения Критерии отнесения объектов к степеням химической опасности возможного возможного возможного АХОВ при химического заражения химического заражения химического заражения аварии не выходит за АХОВ при аварии попадает более 75 АХОВ при аварии попадает от 40 до 75 тыс. АХОВ при аварии попадает менее 40 пределы территории объекта или его   тыс. человек человек тыс. человек санитарно- защитной зоны

Наличие большого количества факторов, от которых зависит безопасность функционирования химически опасных объектов, определяет сложность решения проблемы предупреждения химических аварий и катастроф.

Химические аварии, обусловленные выбросом (выливом) АХОВ, обычно подразделяются на три типа:

• аварии с образованием только первичного облака АХОВ;

• аварии с проливом АХОВ и образованием его первичного и вторичного облака;

• аварии с заражением окружающей среды (грунта, водоисточников, технологического оборудования и т.п.) высококипящими жидкостями и твердыми веществами без образования первичного и вторичного облака.

Большинство АХОВ при аварийных ситуациях сравнительно легко переходят из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из жидкого в парообразное (газообразное), из твердого в аэрозольное и наносят массовые поражения людям, животным и растениям.

Несмотря на предпринимаемые меры по обеспечению промышленной безопасности (многие потенциально опасные производства спроектированы, исходя из условия, что вероятность крупной аварии на них не превышает 10"*), полностью исключить вероятность возникновения аварии практически невозможно.

Аварии на химически опасных объектах делятся на производственные и транспортные, при которых нарушается герметичность емкостей и трубопроводов, содержащих АХОВ.

По масштабам последствий химические аварии имеют свою специфическую классификацию [40]:

• локальные - последствия которых ограничиваются одним цехом (агрегатом, сооружением) химически опасного объекта;

• местные - последствия которых ограничиваются производственной площадкой химически опасного объекта или его санитарно-защитной зоной;

• общие - последствия которых распространяются за пределы санитарно-защитной зоны химически опасного объекта.

В химических авариях обычно выделяют 4 фазы: инициирование аварии; развитие аварии; выход последствий аварии за пределы объекта; локализация и ликвидация последствий аварии [48,49].

Содержание и характеристика этих фаз приведены в табл. 1.3.3.

Таблица 1.3.3 Содержание фаз развития химических аварий №ип Фаза Динамика развития Аварии на хранилищах и при ведении технологических процессов Транспортные аварии 1. Инициирование аварии вследствие накопления отклонений от нормального процесса или неконтролируемой случайности, в результате чего система приходит в неустойчивое состояние Накопление дефектов в оборудовании; ошибки при проектировании, строительстве и монтаже оборудования; ошибки в эксплуатации оборудования; нарушение технологического процесса Ухудшение состояния железнодорожного пути; некачественное ведение ремонтных работ, возникновение неполадок в подвижном составе; нарушение правил перевозок; столкновение с другими транспортными объектами; коррозия трубопроводов и т.д. 2. Развитие аварии, в течение которой происходит нарушение герметичности системы (емкости, реактора, цистерны и т.д.) и попадание АХОВ в атмосферу Возникновение пожаров, взрывов, разливы, выбросы АХОВ в окружающую среду Сход с рельсов цистерн, пожары, взрывы, разливы, выбросы АХОВ в окружающую среду 3. Выход последствий аварии за пределы объекта Распространение газовой волны и ее выход за пределы объекта, поражающее воздействие АХОВ на население и производственный персонал

Возможные масштабы последствий химических аварий и катастроф можно рассмотреть на ряде характерных аварий, имевших место на объектах, использующих химические технологии.

Рассмотрим примеры аварий, которые изменили осознание роли химической опасности техногенного объекта в сознании общества [21,47].

а). Авария на заводе в Севезо

10 июля 1976 года на заводе в г. Севезо (Италия), принадлежащем фирме ICMESA и выпускающем различные химические вещества, в основном ароматические соединения, произошла авария с нарушением герметичности реактора, в котором шел процесс получения 2,4,5-три- хлорфенола, и выбросом его содержимого.

Получение 2,4,5-трихлорфенола осуществлялось путем взаимодействия при нагреве 1,2,4,5-тетрахлорбензола с гидроксидом натрия в присутствии этиленгликоля и ксилола. В качестве побочного продукта в ходе этого взаимодействия образовывалось небольшое количество 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина. С целью очистки конечного продукта от диоксина в конце технологического процесса в другом аппарате предусматривался его нагрев. Нагрев осуществлялся в специальной печи до температуры 1000°С, при которой происходило разрушение диоксина.

Причиной аварии послужило нарушение технологического регламента, в результате чего в реакторе началась неконтролируемая реакция, повысились температура и давление, произошло срабатывание предохранительного разрывного диска и утечка содержимого реактора в том числе диоксина в атмосферу. В результате образовалось облако, по форме напоминающее перевернутый конус, которое с достаточной большой скоростью перемещалось по направлению ветра. Высота облака составляла 20-50 м. По мере охлаждения конденсированные частицы осаждались на землю, напоминая хлопья мокрого снега.

Проведение мероприятий химической защиты в т.ч. по локализации и ликвидации источника заражения

Локализация и 4. ликвидация последствий аварии

По произведенным оценкам в результате аварии из аварийного реактора было выброшено 1,75 кг диоксина. На местности оказалось порядка 250 г. Путем анализа растительности и почвы были выявлены
три основные зоны заражения: зона А - наиболее зараженная, где средний уровень заражения составил 240-10"⁶ г/м², а площадь - 1,08 км²; зона Б - со средним уровнем заражения 3-10"⁶ г/м² и площадью 2,7 км²; зона В, где средний уровень заражения менее 510"⁶ г/м², а площадь заражения - 14,3 км². Общая площадь заражения земель, использовавшихся под сельскохозяйственные угодья в районе Севезо, составила 17,1 км г/м². Эта территория оставалась впоследствии непригодной в течение нескольких лет. Никто не погиб, но было много пострадавших.

Ущерб от аварии в Севезо, причиненный людям, можно разделить на три вида: ожоги от контакта с очень едкими веществами, заболевание хлоракне и другие виды последствий.

От ожогов пострадало около 500 человек. Более чем у 200 человек было выявлено заболевание хлоракне, которое представляет собой заболевание кожи разной степени тяжести: от легкой формы, практически бессимптомной, до сильного обезображивания кожи. Среди других заболеваний большую часть составляли нервные заболевания.

б). Авария на заводе в Бхопале

Авария на заводе в Бхопале (Индия), производящем пестициды и принадлежащем компании Union Carbide India, с утечкой метилизоцианата произошла 3 декабря 1984 года. На заводе действовало пять различных производств: установки по получению метилизоцианата (МИЦ), фосгена, севина (из МИЦ), d-нафтола и окончательного получения пестицида.

В ночь с 2 на 3 декабря в одном из резервуаров, содержащем 41 т уже полученного метилизоцианата, в результате попадания воды, началось реагирование метилизоцианата с этой водой с образованием монометиламина и диоксида углерода, что привело к срабатыванию предохранительного клапана и утечки через него 30-35 т содержимого резервуара. Туманоподобное облако газа накрыло густонаселенную территорию к югу от завода.

Следует отметить, что системы защиты, установленные на аварийном резервуаре, не сработали. Система охлаждения резервуара в целях уменьшения текущих затрат завода была отключена. Система контроля и оповещения о повышении температуры в резервуаре была на момент аварии демонтированной. Не справился со своими задачами скруббер, ибо был рассчитан на абсорбцию небольших количеств метилизоцианата. Более того, нет данных о том, что он находился в рабочем состоянии в момент аварии. В нерабочем состоянии было и факельное устройство, которое должно было окислить (сжечь) метилизоцианат до безопасных газообразных веществ.

Все это привело к огромным людским потерям: по неуточненным данным погибло более 2 тыс. человек, пострадало свыше 200 тыс. человек. Это самая крупная катастрофа за все вре*мя развития химической промышленности.

1.4. Этапы оценки последствий техногенных аварий

Как мы уже отмечали, анализ риска должен отвечать на следующие основные вопросы:

• что может произойти (идентификация опасностей);

• как часто это может случиться (анализ частоты);

• какие могут бьггь последствия (анализ последствий).

В настоящем подразделе мы более подробно рассмотрим последние два вопроса, а идентификации опасностей будет посвящен подраздел 2.6.

1.4.1. Частотный анализ аварийных событий (ЧА) - его назначение - оценить возможную интенсивность реализаций каждой из прогнозируемых наиболее опасных аварий. В отличие от вероятностей, интенсивности случайных событий измеряются в единицах, обратных времени.

Заметим сразу же, что в Российской Федерации в течение длительного периода времени не предавались огласке аварийные ситуации на промышленных объектах. В связи с этим в настоящее время имеются определенные трудности в ретроспективном анализе причин аварий, обработке статистических данных и получении необходимых сведений для определения интенсивностей (вероятностей) различных случайных событий, предшествующих авариям, а также самих аварий. Частотный анализ включает в себя в следующие этапы [40]:

1) нахождение интенсивностей (вероятностей) аварий,

2) выявление событий, наиболее сильно влияющих на интенсивности (вероятности) аварий,

3) разработка рекомендаций по снижению интенсивностей (вероятностей) наиболее опасных событий.

Частотный анализ опирается на использование теоретических положений теории вероятности и математической статистики, теории надежности, алгебры логики.

В зависимости от типа информации возможно в случае если события относительно часты (одно событие за несколько лет), достаточно может быть использование статистических данных или события относительно редки (одно событие в несколько десятков лет), необходимо использовать различные теоретические методы. Методика [44] предлагает следующие подходы:

• использование логических методов анализа (дерево отказов - ДО или дерево событий - ДС)

• экспертная оценка учета мнения специалистов в данной области

При рассмотрении всего спектра возможных событий используется сочетание статистических и приведенных выше подходов.

Надо отметить, что из перечисленных подходов к определению интенсивностей (вероятностей) аварий на ХТО наибольшее распространение получил подход, опирающийся на анализ совмещенных ДОиДС.

1.4.2. Применение подходов ДО и ДС для количественной оценки

опасности объектов

Получение количественных оценок потенциальной опасности промышленных объектов или различных явлений включает в себя решение следующих задач [49]:

• построение всего множества сценариев возникновения и развития аварии;

• оценку частот реализации каждого из сценариев возникновения и развития аварии;

• построение полей поражающих факторов, возникающих при различных сценариях развития аварии;

• оценку последствий воздействия поражающих факторов аварии на человека (или другие материальные объекты).

Множество причин возникновения аварийной ситуации можно поделить на четыре класса:

1) отказы оборудования;

2) отклонения от технологического регламента;

3) ошибки производственного персонала;

4) внешние причины (стихийные бедствия, катастрофы, диверсии и т.д.).

Для каждого из приведенных классов существуют методы, позволяющие или построить сценарий развития аварии или определить частоту ее возникновения.,

Для анализа фазы инициирования аварий, вызываемых отказами оборудования наиболее часто используется метод дерева отказов (ДО) [12,13]. Одним из главных достоинств метода является систематичное, логически обоснованное построение множества отказов элементов системы, которые могут приводить к аварии. Метод ДО требует от исследователя полного понимания функционирования системы и характера возможных отказов ее элементов.

Метод разбивает аварию на составляющие компоненты, определяемые отказами оборудования. Данный метод является методом "обратного осмысливания".

Результатом анализа дерева отказов является перечень комбинаций отказов оборудования. Каждая такая комбинация является минимальным набором отказов оборудования, одновременная реализация которых приводит к аварии.

Дерево отказов - это графическое представление логических связей между отказами оборудования и аварийными ситуациями.

Отказы, входящие в структуру дерева неполадок, могут быть поделены на три группы:

1) первичные отказы;

2) вторичные отказы;

3) отказы управления.

К первичным отказам относятся отказы оборудования, которые произошли при условиях, в которых обычно функционирует данное оборудование. Вторичные отказы происходят вследствие изменений условий работы оборудования, в частности из-за отклонений от технологического регламента. Отказы управления имеют место, когда нормально функционирующее оборудование не получает по каким-либо причинам управляющих сигналов, что приводит в конечном счете к его неправильной работе.

Все три вида отказов могут присутствовать в структуре дерева неполадок.

Подробное описание анализа дерева отказов дано в работе [51]. Построенное дерево отказов дает много полезной информации, заключающейся в отображении взаимодействий неполадок оборудования, которые могут привести к возникновению аварии. Однако, за исключением самых простых деревьев отказов, даже самый квалифицированный исследователь не может определить непосредственно из дерева все комбинации отказов элементов, приводящие к аварии. Для этих целей разработаны специальные компьютерные коды [49,52].

Каждый технологический процесс характеризуется некоторым набором переменных процесса, отклонения которых от своих рекомендованных значений могут приводить к непредвиденным химическим реакциям, превышению рабочего давления и/или температуры и, как следствие, к повреждению (разрушению) технологического оборудования. Для оценки устойчивости процесса используют различные методы, указанные в подразделе 2.6.

При построении сценариев развития аварии учитываются как указанные выше отклонения, так и ошибки персонала, а также внешние события.

Внешние события могут инициировать аварии на различных объектах. Хотя частота наступления таких событий достаточно мала, они могут приводить к крупномасштабным последствиям. Внешние события могут быть поделены на две категории:

• природные явления: землетрясения, наводнения, ураганы и т.д.

• явления, возникающие в результате деятельности людей: авиакатастрофы, падение ракет, деятельность соседних промышленных объектов диверсии и т.д.

Включение в дерево отказов внешних причин требует от исследователя не только понимания особенностей функционирования анализируемой системы, но и ее взаимосвязей с другими системами и природными явлениями. Прогнозирование многих природных явлений, и особенно оценка их количественных характеристик, связана со значительными трудностями.

Оценка частоты реализации различных сценариев аварии определяется с использованием метода деревьев событий (ДС) [19,51].

Во многих случаях информация о частоте аварий может быть получена непосредственно из записей о работе исследуемой системы или из записей о работе других подобных систем. Число зарегистрированных отказов должно быть поделено на общую длительность времени работы для определения частоты отказов. Численным результатом данного метода является математическое ожидание частоты, а не вероятность. Использование статистических данных не требует понимания механизмов инициирования аварии, как это требуется в случае применения дерева отказов.

Несмотря на то, что данный метод не позволяет строить сценарии фазы инициирования аварий, тем не менее, он может быть полезен при приближенной оценке частот реализации инициирующих событий на различных объектах.

Наиболее часто для анализа возможных сценариев развития аварии используют метод дерева событий. Данный метод позволяет проследить возможные аварийные ситуации, возникающие вследствие реализации отказа оборудования или прерывания процесса, которые выступают в качестве исходных событий. В отличие от метода дерева отказов анализ дерева событий представляет собой "осмысливаемый вперед" процесс, то есть процесс, при котором пользователь начинает с исходного события и рассматривает цепочки последующих событий, приводящих к аварии.

Метод дерева событий хорошо приспособлен для анализа исходных событий, которые могут приводить к различным эффектам. Каждая ветвь дерева событий представляет собой отдельный эффект (последовательность событий), который является точно определенным множеством функциональных взаимосвязей.

Основная процедура анализа дерева событий включает в себя четыре стадии:

1. Определение перечня исходных событий.

2. Определение "безопасных действий" для каждого исходного события.

3. Построение дерева событий.

4. Описание общей последовательности событий. Важной частью метода является первая стадия - выбор исходных событий. Как правило, для этих целей используют методы, описанные выше.

Исследователь должен определить все безопасные действия, которые могут изменить результат реализации исходного события, причем в той хронологической последовательности, в которой их предусмотрено принимать. Успех или неуспех безопасных действий включается в дерево событий.

На первом шаге построения дерево событий перечисляются исходное событие и безопасные действия. Далее исследователь должен определить: как успех или неуспех безопасного действия влияет на ход развития процесса.

Последним этапом процедуры построения дерева событий является описание последовательности событий, приводящих к аварии и которые должны представлять множество всех последствий, сопровождающих исходное событие.

Изложенные методические подходы к оценкам частот реализации различных сценариев возникновения и развития аварии предполагают наличие полной информации о частотах первичных отказов, взаимных влияниях отказов элементов и др. Однако в силу объективных причин это имеет место не всегда.

Особенно это относится к случаям, когда прогнозируются последствия аварий и катастроф на уникальных объектах, где используются нестандартные технологии, высокотоксичные и взрывчатые вещества, на объектах, относительно которых отсутствует статистическая информация об авариях. Недостаток статистической информации заменяется знаниями и интуицией эксперта. Интуицией, основанной на знаниях о физических и химических процессах, протекающих при возникновении предпосылок и развитии аварийных ситуаций на объекте.

Вероятности событий, рассчитанные на основе информации, накопленной за определенный интервал времени в прошлом, могут быть экстраполированы на будущее с использованием закона распределения во времени случайных величин. Вид закона распределения определяется многими факторами. Действительно, события, входящие в аварийный сценарий, могут иметь различную природу: события, связанные с работой технических устройств, события, связанные с природными катаклизмами, события, связанные с «человеческим фактором». Событиям различной природа будут отвечать различные законы распределения частот. Соответственно и распределения вероятностей событий будут описываться различными функциями распределений.

Случайная величина функция распределения которой отвечает вероятности появления г-го аварийного сценария, имеет составное распределение [54]:

6 = С +?i + т

где Ci - случайная величина, распределенная по показательному закону и отвечающая за вероятность аварии вследствие технических неполадок, у,- - случайная величина, отвечающая за аварию вследствие природных катаклизмов, rji - случайная величина, отвечающая за аварию, связанную с «человеческим фактором». Распределения двух последних случайных величин устанавливаются эмпирическим путем.

Если F - частота появления некоторого события в течение года, связанного с авариями вследствие технических неполадок, то для вероятности события £ используется формула:

P_a(t)=l-e~^Ft

Здесь Р_а (t) — вероятность того, что за время t событие а произойдет хотя бы один раз. Обычно под F понимается частота отказов, которая совпадает с условной интенсивностью отказов для случая постоянной частоты.

В качестве первого приближения, распределения для случайных величин уь аппроксимируются равномерным распределением. Тогда соответствующие вероятности

Pa(t)^F t

Отметим, что распределения случайных величин Си Уь ^в общем случае, так же имеют составной характер. Если известны распределения случайных величин, входящих в величины С Уи Ць то возможен более детальный анализ аварийных сценариев. При этом возможно выделение последствий аварий, связанных с конкретными причинами технического характера, с конкретными природными явлениями, с причинами, относящимися к «человеческому фактору».

В результате реализации опасности на промышленном объекте образуются поражающие факторы (ПФ) для населения, персонала, окружающей среды и самого объекта. Анализ последствий реальных аварий в промышленности [21] позволяет определить наиболее характерные поражающие факторы (ПФ). К ним относятся:

1 воздушная ударная волна взрывов облаков топливовоздушных смесей (ТВС) и конденсированных взрывчатых веществ;

2 тепловое излучение огневых шаров и горящих разлитий;

3 токсические нагрузки;

4 фрагменты, образующиеся при разрушении зданий, сооружений, технологического оборудования;

5 осколки остекления.

Построение полей ПФ - сложная и трудоемкая научно-техническая задача. Ее решению посвящено значительное число научных работ, существует также рад утвержденных различными ведомствами методик.

1.4.3. Анализ и оценка возможных последствий аварий (АП) - его назначение - произвести прогноз и оценку последствий возможных аварий на ХТО при условии, что вероятность их реализации равна 100% [40].

Количественный анализ аварийных событий базируется на использовании математических моделей и методов математического моделирования. На этом этапе используются математические модели разных классов. Основными среди них являются те, которые описывают поведение вредных примесей в окружающем пространстве.

Конечной целью данного этапа анализа аварийного риска является количественный прогноз, сравнительная оценка возможного ущерба от аварий на ХТО. Это важно и необходимо не только для разработки и реализации соответствующих рекомендаций по снижению возможного ущерба от аварии, но и для составления соответствующих планов реагирования на чрезвычайные ситуации.