Научные проблемы безопасности современной промышленности
ГО объекта > Библиотечка ГО и ЧС 5 > Безопасность в промышленности
В последние годы все большее беспокойство специалистов и общественности вызывает положение дел с обеспечением безопасности в промышленности. Интерес к этим вопросам не случаен, не является быстропроходящей модой и лишь отчасти связан с тенденциями других сфер нашей жизни по обеспечению безопасности. В основе внимания к ним лежат вполне объективные, производственные причины.
Во-первых, для современной промышленности характерна концентрация опасностей. Рассмотрим химические энергоносители, способные гореть и взрываться. Типичная отрасль – нефтепереработка. Например 20% нефтеперерабатывающих заводов США в 1985 г. «пропустили» через себя свыше 60% всей перерабатываемой в стране нефти. При этом следует учитывать, что производительность заводов этой группы превышает 10 млн. т. в год, что означает наличие единовременно на площадке (площадью от 0,5 до 2 кв.км) промышленного предприятия от 300 до 500 тыс. т. углеводородного топлива, энергосодержание которого эквивалентно приблизительно 3-5 мегатоннам тротила. О росте потенциальных опасностей можно судить по удельным (на единицу площади или душу населения) величинам смертельных для человека доз продуктов химической или ядерной промышленности. Так в различных производствах Западной Европы эта величина по мышьяку составляет 0,5 млрд. доз, по барию – 5 млрд., по фосгену, аммиаку или синильной кислоте – 100 млрд., хлору – 10000 млрд., а по радиоактивным продуктам – 10 млрд. доз.
Во-вторых, потенциальные опасности реализуются. По нашим оценкам, ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях случается 1500 аварий, 4% которых уносят 150 – 200 человеческих жизней. Велик и материальный ущерб – в среднем свыше 100 млн. долларов в год. Аварийность промышленных предприятий имеет тенденцию к росту.
Так, в США с 1950 по 1980 г. число аварий увеличилось в 3 раза, число человеческих – почти в 6 раз, материальный ущерб – в 11 раз. Аналогичное положение и в других отраслях промышленности.
По сути дела современная техносфера стала сравнима по характеру своих катастроф с земными катаклизмами – торнадо, цунами, землетрясениями. В отличие от сил стихии масштаб аварий в промышленности обусловлен не природой, а человеком; он определяется подходом к обеспечению безопасности и тенденциями развития производства;
интенсификацией, связанной с ростом технологических параметров (температуры, давления, энергонасыщенности, содержания опасных веществ), проявляющейся в постоянном возрастании мощности единичных объектов (блоков, аппаратов, установок и т.д.);
комплексной переработкой сырья, ведущей к концентрации на единой площадке различных производств и опасностей разной природы, увеличению размеров промышленных комплексов;
обновлением технологией, обостряющим противоречия между темпом научно-технического прогресса (по нашим оценкам, доля сохраняемого оборудования уменьшилась в СССР за период с 1940 по 1980 г. в 5 раз) и темпом приведения в соответствие со встающими задачами по управлению новой техникой навыков и профессиональных качеств персонала возросла в СССР за те же годы в 10 раз).
Указанные тенденции объективно выступают как снижающие безопасность. Понять несовершенство сложившегося подхода к обеспечению безопасности и выявить существо встающих проблем позволяет анализ особенностей аварий современных предприятий.
 
Аварии современных промышленных предприятий
К сожалению в советской литературе, в том числе и специальной научной, практически не встречаются описания аварий промышленных предприятий. Учитывая ограниченный объем настоящего сообщения, включим в него краткое описание только одной конкретной аварии, но типичной для современных предприятий.
Ранним утром 19 ноября 1984 г. на северной окраине столицы Мексики в населенном пункте Сан Хуан Иксуатепек на промышленном предприятии «Сан Хуанико», где собирался и хранился нефтяной газ (пропан, бутан и их смеси) для распределения его между оптовыми потребителями, произошла одна из крупнейших аварий в истории современной промышленности. Центр предприятия (рис.1) резервуарный парк размером 100 на 100 м. состоящий из 6 сферических и 48 цилиндрических емкостей для хранения 16000 куб.м. (8000 т) сжиженного нефтяного газа (СНГ).
 
Рис. 1 Промышленное предприятие «Сан Хуанико» до аварии
Промышленное предприятие «Сан Хуанико» до аварии 19 ноября 1984
На начало аварии энергонасыщенность резервуарного парка составляла 600 кг топлива/кв.м. Вокруг хранилища располагались другие объекты, от территории промышленной зоны до жилых кварталов населенного пункта было порядка 150 м. На рис. 1 сферические резервуары изображены окружностями синего и красного цвета, цилиндрические резервуары – прямоугольниками красного и зеленого цвета, промышленные установки и кварталы городской застройки показаны черным цветом.
Место и время начала истечения паров СНГ, несмотря на интенсивные исследования, точно установить не удалось. Наиболее правдоподобными представляются три гипотезы: трещина (возможно разрыв) одного из межустановочных трубопроводов; предохранительный клапан (переполнившегося резервуара с СНГ); неадекватное функционирование факельного устройства. Источником воспламенения облака паров СНГ послужило, вероятно, открытое пламя факельного устройства на крыше секции наполнения баллонов СНГ  склада баллонов.
Воспламенившись, частично ограниченное облако паров СНГ сдетанировало в 5.44 (здесь и далее указано местное время – часы и минуты). Под действием теплового излучения и ударной волны взрыва начала развиваться авария: были повреждены резервуары и трубопроводы, возникло факельное горение паров СНГ. Самым мощными деструктивными процессами в ней стали взрывы резервуаров с перегретой жидкостью и огненные шары. Первый крупный взрыв резервуара произошел в 5.46, последний 7.01; всего их было девять. Точное число мелких взрывов установить не удалось, последний из них зарегистрирован в 11.00. возникающие при взрывах огненные шары имели размеры от 600 до 200 м в диаметре и существовали от 90 до 30 с.
Под действием летящих частей оборудования, ударных волн и теплового излучения в процесс аварии вовлекались все новые производственные объекты. Информация о ней была принята точно в момент аозникновения. Поэтому уже в 6.20 пожарные и войсковые соединения развернулись на расстоянии 1 – 1,5 км от эпицентра взрыва и пытались предотвратить распространение пожара В 11.00 они приступили к подавлению аварии, в 15.30 уже полностью контролировали пожар, а в 20.01 закончили работу. В локализации и подавлении аварии участвовало свыше 20000 человек (из войсковых, полицейский и пожарных подразделений, государственных служащих). Состояние промышленного предприятия «Сан Хуанико» и его окрестностей после аварии представлено на рис. 2, где красными прямоугольниками обозначается местонахождение разлетевшихся цилиндрических резервуаров, красными кругами – частей сферических резервуаров. Бывшие районы городской застройки показаны штриховкой красного цвета.
 
Рис. 2 Промышленное предприятие «Сан Хуанико» после аварии
Промышленное предприятие «Сан Хуанико» после аварии 19 ноября 1984
В результате аварии полностью уничтожены само предприятие, соседние с ним промышленные объекты и прилегающие дома в кварталах городской застройки. Погибло около 500 и 7000 серьезно пострадали. Более 200000 человек власти эвакуировали из района аварии. При ликвидации ее последствий и восстановлении разрушений пришлось решать ряд серьезных проблем.
Нам представляется, что специфика всякой аварии современного промышленного предприятия проявляется в обязательном прохождении ею четырех характерных фаз:
Первая – инициирование аварии. В этот период предприятие переходит в нестабильное состояние и вводится фактор неустойчивости. Таким фактором для рассматриваемого примера следует считать возникновение источников паров СНГ. Нестабильность, высокая чувствительность предприятия «Сан Хуанико» были заложены, вероятно при проектировании – отсутствие средств диагностики паров СНГ, наличие предусмотренного технологией открытого пламени на промплощадке, избыточно высокая концентрация энергоносителей и т.д. – и не связаны, по видимому, с накоплением каких-либо дефектов в оборудовании или отклонением от предусмотренных регламентом процедур ведения технологического процесса оперативным персоналом;
Вторая – развитие аварии, когда происходит разрушительное высвобождение собственного энергозапаса и прочих опасностей предприятия. Данная фаза имеет четкие временные рамки (в Сан Хуан Иксуатепек – от 5,44 до 20.01). За этот период произошли все явления аварии, все мероприятия по ее локализации и подавлению;
Третья – выход аварии за предприятие, в ходе которого разрушительное влияние ее сказывается на промышленности, населении и природной среде. В рассматриваемую аварию оказались вовлеченными и были уничтожены находившиеся по соседству предприятия фирм «Унигаз», «Газ Урибе», «Газоматико» и др. кроме того, разрушено свыше 400 жилых домов в кварталах городской застройки и около 300 домов пострадало. Без крова осталось свыше 1000 семей. Прервалась подача воды и электроэнергии в населенный пункт Сан Хуан Иксуатепек. Огонь уничтожил всю растительность в радиусе 1 км. Следует  отметить, что эта крупная авария произошла в периферийном и относительно обособленном пункте, а ее локализация и подавление производились всеми силами крупнейшего города и ряда провинций;
Четвертая – ликвидация последствий (устраняется действие порожденных аварией опасных факторов).
Несмотря на естественность и правдоподобность, предлагаемая таксономия аварий современных промышленных предприятий является пока гипотезой и требует обоснования. Его можно получить, например, используя численное моделирование. Суть этого метода заключается в исследовании численной модели аварии промышленного предприятия путем проведения экспериментов (серии вариантных расчетов) на ЭВМ. Возможность перенесения полученных результатов на реальное предприятие основывается на подчинении модели и реального объекта одинаковым закономерностям.
Выполненные у нас вычислительные исследования динамики аварий с пожарами и взрывами в резервуарном парке (типовой элемент современного предприятия, использующего химические энергоносители) указывают на высокую чувствительность современных технологий хранения химических энергоносителей к типовым (массовым) факторам неустойчивости. Они говорят также о том, что масштабы последствий и характер протекания аварии мало зависят от начального события. Они в основном определяются структурой промышленного предприятия и используемой технологией. В ходе экспериментов наглядно прослеживаются все характерные фазы аварии и оказывается возможным изучение как общих, так и специфических закономерностей каждой из ее фаз.
Прохождение аварией четрыех фаз наглядно демонстрирует сравнение (см. таблицу) двух известных аварий, произошедших 26 апреля 1986 г. на Чернобыльской АЭС и 3 декабря 1984 г. на заводе Юнион Карбайд в Бхопале. Сопоставление само по себе достатояно красноречиво. Отметим только поразительное совпадение характера ошибок персонала для столь несхожих по месту размещения и типу производства предприятий.
Рассмотрим некоторые особенности каждой из характерных фаз аварий современных промышленных предприятий.
 
Фаза инициирования аварий
Как статистика, так и результаты численного моделирования указывают на то, что крупные аварии возникают при образовании вполне определенных (не произвольных) условий. В случае, если мера (например, энергетическая) фактора неустойчивости значительно меньше масштабов аварии в целом, то такую ситуацию естественно интерпретировать как наличие у предприятия «болевой точки». Структура таких «болевых точек», для которых незначительное отклонение от нормального режима эксплуатации способно вызвать крупную аварию и сопутствующие ей колоссальные разрушительные эффекты, наименее определена для новых предприятий и новых технологий – там, где полностью отсутствует опыт эксплуатации и нет фактических данных о безопасности.
На этой фазе наиболее существенно влияние человеческого фактора. Обстоятельный анализ статистических данных показывает, что свыше 60% аварий происходит из-за ошибок персонала.
 
Фаза развития аварии
Особенность аварий – цепной характер их протекания, когда разрушительное действие инициирует события многократно (иногда в сотни раз) усиливается вследствие вовлечения в процесс энергонасыщенных компонентов технологии. Образно говоря, это цепной процесс разрушительного высвобождения собственного технологического энергозапаса. По нашим оценкам, за последние 15 лет 90% крупных аварий в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР протекали именно по цепному механизму. Все упомянутые в статье аварии также представляют собой последовательное развитие во времени (от единиц до десятков часов) различных явлений аварий – пожаров, взрывов, выбросов токсичных или радиоактивных веществ, когда одно из них вызвало появление другого.
Для современных технологий характерна неконтролируемость опасностей как штатными системами обеспечения безопасности самого предприятия, так и специальными силами по борьбе с авариями и чрезвычайными ситуациями. Эта особенность опасностей объясняет во многом «автономный» характер, тип протекания аварии, когда темп нарастания событий (темп выделения энергии, опасностей) превышает возможности (штатные или специально привлекаемые) нейтрализации разрушительных процессов.
При авариях на современных предприятиях возникают новые типы опасностей, появляющихся только вследствие комбинаций явлений аварии и не присущих собственно технологическим процессам.
К видам таких новых опасностей следует отнести, например, усиление слабых воздушных ударных волн над крупными горящими разлитиями топлив или выбросы токсических веществ, сформировавшихся из (часто) неопасных компонентов технологического процесса в ходе аварии под воздействием ее явлений.
 
Фаза выхода аварии за промышленное предприятие
В современных условиях концентрации промышленности, близкого соседства различных производств разрушительное действие аварии при выходе за территорию предприятия вовлекает дополнительные опасности других предприятий в ход процесса и увеличивает масштаб катастрофы. Если же при этом затрагивается население, то авария становится событием социальным и политическим (а не только производственным и экономическим). Критерии и требования по обеспечению безопасности таких явлений имеют непроизводственную природу.
 
Фазы аварий современных промышленных предприятий
Чернобыльская АЭС, г.Припять, СССР
Система – реакторная установка РБМК-1000
Предприятие по производству пестицидов, г.Бхопал, Индия
Система – хранилище метилизоцианата
Дефект оборудования или отклонение от нормальной процедуры ведения процесса
Последствия события
Дефект оборудования или отклонение от нормальной процедуры ведения процесса
Фаза инициирования аварии
Блокировка защит по уровню воды, давлению пара в барабане-сепараторе
Полное отключение защиты системы по тепловым параметрам
Отключение холодильной установки емкости 610 с метилизоцианатом
Блокировка защиты реактора по сигналу остановки двух турбогенераторов
Потеря возможности автоматической остановки системы
Блокировка системы реагирования на повышение температуры в емкости 610
Снижение оперативного запаса реактивности существенно ниже предельно допустимой величины
Аварийная защита системы оказалась неэффективной
Отключение скруббера на ремонт
Отключение системы защиты (СОАР) от максимально проектной аварии
Потеря возможности снижения масштабов аварии
Неработоспособность факельного устройства
Провал мощности реактора ниже предусмотренного программой испытания
Система оказалась в трудноуправляемом состоянии
Эксплуатация колонны очистки метилизоцианата при температуре, превышающей регламентную
Введение положительной реактивности
Появление фактора неустойчивости – «запуск» крупной аварии системы
Попадание воды и (или) каустика в емкость 610
Фаза развития аварии
Рост суммарной положительной реактивности, плавление топлива, тепловой взрыв, химические экзотермические реакции
Характер протекания аварии – цепной процесс разрушительного высвобождения энергозапаса предприятия и других опасностей технологий
Экзотермические химические реакции и (или) каталитического разложения метилизоцианата
Горение графитовой кладки, распространение облаков радиоактивных веществ
Необратимость, неконтролируемость процесса аварии – темп выделения опасностей при аварии не соответствует возможностям  сил и средств обеспечения безопасности
Неудачные попытки охладить емкость 610 водой и другими средствами. Распространение облаков паров метилизоцианата
Фаза выхода аварии за промышленное предприятие
Выброс в ходе аварии радиоактивных продуктов деления в количестве 50 МКи. Эвакуация из 30-километровой зоны вокруг ЧАЭС 135000 человек
Создание авариями современных промышленных предприятий чрезвычайных ситуаций для населения и окружающей среды в регионе размещения
Выброс в ходе аварии 25 т паров метилизоцианата. Гибель около 2000 человек, 200000 пострадавших
Фаза ликвидации последствий аварий
Разработка системы контроля и диагностики состояния аварийного блока ЧАЭС, его долговременной консервации. Дезактивация площадки АЭС в 30-километровой зоне
Аварии современных промышленных предприятий рождают значительное число проблем – научных, инженерных, организационных, многие из которых на момент аварии не имеют решения
Исследования токсических свойств метилизоцианата и его соединений, образовавшихся в ходе аварии, для определения характера необходимой пострадавшим медицинской помощи
Фаза ликвидации последствий аварии
Особенность аварий (прежде всего на ядерных и химических производствах) – заражение значительных территорий аварийными выбросами и вывод этих территорий из хозяйственной деятельности на длительный период. В последнее время это особенно осложняется тем обстоятельством, что в ряде случаев проблемы локализации источников опасности (токсической и радиационной) и дезактивации не имеют адекватного решения.
 
Некоторые новые проблемы, связанные с обеспечением безопасности современных промышленных предприятий
Проведенный анализ показывает, что сложившийся уровень аварийности на современном производстве не может быть объяснен лишь безответственностью (не дисциплинированностью, отсутствием порядка, неорганизованностью), а глубоко связан с тенденциями развития промышленности и сложившимся подходом к обеспечению безопасности – рутинными, шаблонными действиями (увеличение систем контроля, дублирование защитных устройств, создание средств локализации аварийных выбросов и т.д.), основанными лишь на здравом смысле и опыте. Для сокращения числа несчастных случаев на производстве и аварий в промышленности, достижения качественно нового уровня безопасности требуются новые подходы.
Понимание специфики аварий, знание их особенностей и закономерностей позволяют выявить существо возникающих проблем.
В настоящее время неизвестны, по сути, физические и химические механизмы большинства опасных процессов аварии: дефлаграции (взрывного сгорания) и детонации облаков топливно-воздушных смесей; огненных шаров, образованных химическими энергоносителями; фрагментации оборудования при внутренних взрывах; паровых взрывов; выбросов опасных (в том числе токсичных и радиоактивных) веществ. Их поражающие факторы сильно зависят от структуры мест возникновения и развития предприятия. Эффективное снижение действия разрушительных явлений аварии возможно исключительно на основе понимания фундаментальных закономерностей их протекания, которое может появиться лишь в результате сочетания теоретических и экспериментальных исследований. Однако уровень знаний по этому направлению не отвечает требованиям задачи обеспечения безопасности промышленности.
Для современного состояния проблемы безопасности характерна ограниченность знания о предприятиях и их элементах качественными представлениями как в области дефектов и отклонений, накапливаемых под действием технологических нагрузок и способных вызвать аварийную ситуацию, так и в области их поведения под действием воздушных ударных масс, теплового излучения и других поражающих факторов, появляющихся в условиях аварий. Для обеспечения безопасности необходимо выявление количественных закономерностей, что предполагает проведение экспериментальных и теоретических исследований, а также организацию сбора, обработки и использования фактических данных. Такая постановка относительно нова, потребные задачи обеспечения безопасности промышленности практически отсутствуют.
Как уже отмечалось, среди причин возникновения аварий доминирует человеческий фактор. Однако практике распределения ресурсов на обеспечение безопасности производства присуща обратная пропорция. Главное направление здесь техника: системы контроля, дублирующие защитные устройства, средства аварийной локализации и т.д. Такое положение дел объективно отражает наше слабое знание закономерностей области человеко-машинных взаимодействий в сфере промышленной безопасности, отсутствие обоснованных и конструктивных предложений, неумение правильно оценивать эффективность вложений в подготовку персонала и создание адекватных условий его работы.
Первоочередная задача здесь, по-видимому, - адаптация задела и культуры отраслей, традиционно уделявших основное внимание человеческому фактору и накопивших позитивный опыт решения разнообразных проблем в области взаимодействия человека и потенциально опасных технологических систем. Такая адаптация возможна лишь на основе научных исследований, так как механическое, слепое перенесение выработанных приемов и методов учета и управления человеческим фактором, совершаемое без понимания фундаментальных законов его действия в промышленной безопасности, способно лишь усугубить имеющиеся негативные тенденции.
Качественно новый уровень безопасности промышленности предполагает и новое качество технических средств. Необходимы научные исследования для разработки и создания систем, основанных на использовании новых физических и химических принципов:
сенсоров для диагностики технологических режимов и насыщения систем управления адекватной информацией о состоянии безопасности отдельных частей и произвлдства в целом;
технологией, способных к самоподавлению опасностей и существенному уменьшению последствий отклонений от регламента ведения процесса;
аппаратов, принципиально исключающих их технологического процесса высокие давления и температуры, а также материалов, способных к быстрому окислению и коррозии.
Многочисленные факторы, когда в результате аварий на производстве предприятие оказывается не в убытке, а с прибылью, когда для оперативного персонала реальностью является задача повышения экономических показателей смены, часто противоречащая требованию обеспечения безопасности, не просто свидетельствуют о недостаточном научном или нормативном обеспечении экономики безопасности. Они говорят о наличии реальных хозяйственных механизмов, не позволяющих задействовать в полную меру экономические рычаги и стимулы для обеспечения безопасности. Поэтому актуальны разработка теорий экономики безопасности и раскрытие объективных закономерностей, действующих в сфере безопасности и риска, в настоящее время полностью, по сути дела, нам неизвестных.
Все перечисленные исследования и разработки должны вестись только на базе полных и достоверных знаний об авариях промышленных предприятий. Однако сложившаяся в стране к настоящему времени система сбора, обработки и хранения данных об авариях промышленных предприятий лишь в очень малой степени отвечает уровню современных требований.
Работа по сбору данных по конкурентной аварии не основывается на единых, научно обоснованных принципах. Каждое ведомство считает правильным отбирать (и хранить) только ту информацию, которая представляется ему необходимой. В результате собирается неполная (доступная) информация об аварии, существенные моменты ее подчас опускаются.
Отсутствует единичная, научно обоснованная методология реконструкции, исследования происшедшей аварии, так же как и специалисты, и специализированные организации в этой области. Поэтому качество собираемой информации об аварии становится невысокой.
Не используется современная технология хранения собираемой информации об авариях – компьютерные банки данных. В результате серьезно осложняются или становятся практически невозможными получение информации по авариям и ее изучение, включение в международные сети и использование данных об авариях на промышленных предприятиях в других странах.
Такое положение существенно затрудняет использование информации об авариях для повышения безопасности в промышленности из-за неполноты и невысокого качества исходных данных, а также сложностей их получения и анализа и обуславливает необходимость коренной перестройки и хранения информации об авариях предприятий на новых, научно обоснованных принципах.
В проблеме безопасности недостаточно осознана необходимость изучения аварии как целого. Такое понимание аварии как особого явления техносферы позволяет объединить все перечисленные выше проблематики и системно, на основе научной методологии решать ряд важнейших практических вопросов промышленной безопасности, таких как:
выявление опасных и вредных производственных факторов, зон их воздействий для новых предприятий или точнее говоря, новых технологий;
получение оценок эффективности новых и особенно нетрадиционных технических решений по обеспечению безопасности;
оптимизация мер обеспечения безопасности, в том числе средств подавления развития или локализации аварии. Наиболее перспективными представляется использование здесь методов численного моделирования.
В заключение отметим, что неадекватный современным требованиям уровень научных исследований по промышленной безопасности тормозит конструкторскую и проектную работу, сдерживает организационную перестройку системы обеспечения безопасности в промышленности.
 
В.А.Легасов, академик, Б.Б.Чайванов, д-р хим.наук, А.Н.Черноплеков, канд. физ.-мат. Наук (Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова)
Публикация материалов возможна при ссылке на http://gochs.info
© Сергей Кульпинов 2003
Яндекс.Метрика