Повышение безопасности эксплуатации грузовых систем танкеров на основе анализа риска
На правах рукописи
Туркин Александр Владимирович ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОВЫХ СИСТЕМ ТАНКЕРОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РИСКА Специальность: 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новороссийск – 2011
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Берёза Ирина Германовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки РФ Мясников Юрий Николаевич кандидат технических наук, доцент Марков Сергей Васильевич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Государственная морская ака демия имени адмирала С.О. Макарова»
Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2011 г. в 12.00 часов на за седании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО «Морская госу дарственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, ул. Ленина, 93.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».
Автореферат разослан «17» ноября 2011 года.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, присылать учё ному секретарю диссертационного совета по адресу: 353918, г. Новороссийск, ул. Ленина, 93. ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмира ла Ф.Ф. Ушакова»
Ученый секретарь диссертационного совета Д 233.007. доктор технических наук, доцент Е.В. Хекерт
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Решение задачи обеспечения безопасности при экс плуатации грузовых систем танкеров будет способствовать повышения безо пасности эксплуатации элементов судовых энергетических установок (СЭУ) в целом, а также защите окружающей среды. В 1993 году Международная мор ская организация (ИМО) приняла «Международный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения» (МКУБ), требующий внедрения судовладельцами систем управления безопасностью, ба зирующихся на анализе и защите от всех выявленных рисков, а также на улуч шении навыков персонала, относящихся к управлению безопасностью.
Основным методом, используемым при апостериорной оценке риска ава рий, является анализ статистических данных. Для танкеров наиболее представи тельной статистической базой служит регулярная информация Международной федерации владельцев танкеров по предупреждению загрязнения (ITOPF). Ста тистический учет количества нефтяных разливов с танкеров при ранжировании их по объему и источникам (причинам) ведется, начиная с 1974 г.
Анализ аварийности танкеров за 37-летний период эксплуатации показы вает, что в общей структуре нефтяных разливов количество аварий, произо шедших при выполнении операций (погрузка/выгрузка, бункеровка и др.) пре вышает число аварий, обусловленных навигационными и иными причинами (столкновения, посадки на мель, пожары и др.). На долю «операционных» при чин приходится 57% от всех зарегистрированных случаев аварий (1974 – гг.). При этом операции погрузки/выгрузки являются основной причиной ава рийности не только среди танкерных операций (составляя 65,1%), но и среди всех других регистрируемых причин аварий (37,1% от общего количества).
Усилия ИМО, предпринятые в части ужесточения норм и требований безопасности танкеров и перевозок нефти, привели к уменьшению за два по следних десятилетия как количества разливов с танкеров объемом более 7 т (в раза), так и их объема (примерно в 5 раз). При этом количество разливов при погрузке/выгрузке также уменьшилось, но примерно в 1,5 раза.
Учитывая позицию ИМО и то, что причиной более одной трети разливов нефти являются разливы, связанные с эксплуатацией грузовых систем танкеров, можно сделать вывод о том, что тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются грузовые системы танкеров.
Предметом исследования являются методы анализа и количественной оценки риска эксплуатации грузовых систем танкеров.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка моделей и методик, направленных на повышение экологической безопасности эксплуатации грузовых систем танкеров, на основе концепции приемлемого риска с учетом возможных отказов техники и влияния человеческого фактора.
Достижение поставленной цели достигается решением следующих задач:
1. Анализ состояния проблемы количественной оценки риска эксплуата ции грузовых систем танкеров как сложной человеко-машинной системы;
2. Обоснование принципов вероятностного анализа безопасности эксплуа тации грузовой системы танкера на основе концепции приемлемого риска;
3. Статистический анализ аварийности мирового торгового флота (оценка частоты и ущерба от аварий с судами) и пополнение баз данных по отказам су дового оборудования, необходимых для проведения количественного анализа риска и безопасности на основе логико-вероятностного подхода;
4. Разработка логико-вероятностных моделей количественной оценки риска эксплуатации грузовых систем танкеров, учитывающих возможные отка зы механического оборудования и надежность человека. Проведение количест венной оценки риска эксплуатации грузовой системы танкера;
5. Проведение имитационного моделирования и разработка математиче ской модели, описывающей влияние факторов исследуемой человеко-машинной системы на частоту возникновения аварий при эксплуатации грузовой системы;
6. Разработка методики для решения задач минимизации риска на основе выбора оптимальных решений.
На защиту выносятся:
1. Логико-графическая модель и методика оценки частоты возникновения аварийных событий и величины риска эксплуатации грузовой системы танкера, включающая этапы: идентификация опасностей, оценка риска, выбор методов снижения риска, оценка стоимости и полезности, выработка рекомендаций;
2. Математическая модель и методика оценки вероятности возникновения происшествий и риска эксплуатации грузовой системы танкера на основе учета человеческого фактора, состояния используемого оборудования и технологии;
3. Методика решения задач минимизации риска эксплуатации грузовой системы танкера на основе выбора оптимальных решений с учетом влияния ис пользуемой технологии и характеристик оператора (донкермана), а также нали чия достаточного или ограниченного количества финансовых ресурсов.
Новизна первого научного результата заключается в разработке логико графической модели и методики оценки частоты возникновения аварийных со бытий и величины риска эксплуатации грузовой системы танкера, базирующих ся на количественной оценке влияния возможных отказов элементов грузовой системы и СЭУ морского танкера, а также человеческого фактора;
Новизна второго научного результата заключается в разработке мате матической модели и методики оценки вероятности возникновения происшест вий и риска эксплуатации грузовой системы танкера, которая позволяет произ водить анализ безопасности эксплуатации грузовой системы при любом соче тании характеристик надежности используемого оборудования и человека, ха рактера используемых технологических операций;
Новизна третьего научного результата заключается в разработке мето дики решения задачи повышения безопасности эксплуатации грузовой системы танкера как при фиксированных средствах, имеющихся для выбора мер, макси мально снижающих вероятность аварии, так и снижения вероятности аварии до допустимого уровня с использованием минимальных финансовых ресурсов.
Достоверность результатов исследования подтверждается корректным использованием апробированного математического аппарата (теории вероятно стей и математической статистики, планирования эксперимента);
сопоставлени ем результатов теоретических обобщений и расчетов с использованием разрабо танной логико-графической модели количественной оценки частоты возникно вения аварий, с результатами имитационного моделирования на ЭВМ.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе ре зультатов выполненных исследований разработаны модели и методики получе ния вероятностных оценок безопасности и анализа риска эксплуатации грузо вых систем танкеров с учетом возможных отказов элементов грузовой системы и СЭУ, а также человеческого фактора. Предложены рекомендации по сниже нию риска и повышению безопасности эксплуатации грузовых систем танкеров.
Получены зависимости, позволяющие оценивать влияние характеристик используемых судовых технических средств и оператора (донкермана) на веро ятность возникновения происшествий при эксплуатации грузовых систем тан керов. Разработана методика и показана возможность решения задач минимиза ции риска эксплуатации грузовых систем танкеров на основе выбора оптималь ных решений с учетом влияния характеристик оборудования и человека, а также наличия имеющихся финансовых ресурсов.
Реализация результатов работы. Результаты научных исследований бы ли использованы при повышении безопасности эксплуатации грузовых систем танкеров ОАО «Новошип», ООО «Новороссийская топливная компания», при оценке риска эксплуатации танкеров в ООО «Центр безопасности транспортных систем», в учебном процессе при обучении курсантов специальности «Эксплуа тация судовых энергетических установок».
Апробация. Результаты исследований докладывались на конференциях:
региональные научно-технические конференции «Проблемы эксплуатации вод ного транспорта и подготовки кадров на Юге России», Новороссийск, 2008, 2009 и 2010 г.г.;
академические и городские научно-практические конференции молодых ученых, Новороссийск, 2009, 2010 и 2011 г.г.;
Международные науч но-практические конференции «Техносферная безопасность, надежность, каче ство, энерго и ресурсосбережение», Ростов-на-Дону, 2008, 2009 и 2010 г.г.;
Ме ждународные конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии», Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 2009 и 2011 г.г.
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 3-х работах, напечатанных в изданиях, соответствующих "Перечню периодических научно технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых реко мендуется публиковать основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук", а также в 15-ти других научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 170 страниц машино писного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литера туры из 118 наименований;
содержит 24 рисунка, 23 таблицы, 1 приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности задачи повышения безо пасности эксплуатации грузовых систем танкеров с учетом человеческого фак тора и возможных отказов техники;
сформулированы цели исследования;
дана краткая характеристика содержания работы и основных полученных выводов.
На основе анализа публикаций отмечается, что управление безопасностью строится на основе концепции приемлемого риска с использованием вероятно стной методологии, предложенной Дж. Расмуссеном в середине прошлого века для анализа безопасности атомных электростанций в США. Применительно к опасным производственным объектам различные аспекты этой методики нашли свое отражение в трудах Х. Кумамото, Э. Хенли, В. Маршала, Н.А. Махутова, В.А. Острейковского. Значительным вкладом в развитие науки о риске является использование метода моделирования процессов, связанных с возникновением аварий на опасных производственных объектах, предложенного учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана: П.Г. Беловым, А.И. Гражданкиным и др. Управлением безо пасностью на кораблях ВМФ на основе логико-вероятностного метода занима ются ученые научной школы профессора И.А. Рябинина. Вопросы надежности и безопасности судовой техники получили развитие в трудах ученых руководи мой профессором Б.П. Башуровым научной школы МГА им. адм. Ф.Ф. Ушако ва;
ГМА им. адм. С.О. Макарова: профессоров И.И. Костылева, Н.М. Подволоц кого, В.А. Петухова, Н.И. Денисенко;
СПб ГМТУ профессора В.В. Медведева.
Первая глава посвящена анализу работ по оценке риска и постановке за дач настоящего исследования. Отмечается, что наука о риске сформировалась в последней четверти 20 века и она, безусловно, будет одной из ведущих наук в текущем столетии. Особенность науки о риске – ее междисциплинарный харак тер с теснейшим взаимодействием естественных и гуманитарных наук.
Особое значение приобрели проблемы анализа и оценивания риска, обу словленного возможностью экологических катастроф, сопровождающих аварии морских танкеров. Так, катастрофа супертанкера "Эксон Валдез", произошед шая 24 марта 1989 года у берегов Аляски, привела к попаданию в море около тыс. тонн нефти, что привело к экологическому ущербу на сумму более 3 млрд.
долларов. Следствием катастрофы танкера "Престиж" 13 ноября 2002 года у се веро-западного побережья Испании стал разлив 63 тыс. тонн нефти.
ИМО направляет усилия правительств Государств Флага и руководителей судоходных компаний на создание эффективных Систем управления безопас ной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения (СУБ). Однако, ни в МКУБ, ни в других резолюциях ИМО не указывается, как следует понимать термин "безопасность" (safety). Многообразие толкований и смешение понятий "безопасность", "надежность", "риск" затрудняет разработку практических ре комендаций, направленных на повышение безопасной эксплуатации судов.
На основании анализа различных вариантов толкования термина "безо пасность" для целей данного исследования автором предлагается использовать следующее определение: "Безопасность – это отсутствие недопустимого рис ка, связанного с возможностью нанесения социального, экологического и материального ущербов". Данное определение достаточно близко соответст вует приведенному в руководстве Международной организации стандартизации ИСО/МЭК “Общие термины и определения в области стандартизации и смеж ных видов деятельности”. Из определения следует, что у безопасности нет меры и соответственно шкалы измерения;
значение имеет лишь непревышение допус тимого уровня риска, ограничивающего сверху область безопасности.
Обобщая различные определения термина "риск" для целей дальнейших исследований принято, что риск – это сочетание частоты (или вероятности) возникновения и последствий определенного опасного события. Математи чески данное определение может быть записано в виде следующего выражения:
RA = A Y (1) где RA – величина риска, 1/год (или руб./год);
A – частота реализации аварии рассматриваемого типа, 1/год;
Y – ущерб от аварии, без размерности или руб.
Размерность 1/год используется для оценки индивидуального риска, а размерность руб./год – если оценивается экологический или экономический риск.
Расчет риска начинается с определения частоты возникновения нежела тельного события – аварии. Если события однородны и имеют массовый харак тер, то для оценки частоты их появления используют теорию вероятностей. Од нако в силу редкости событий-аварий и ограниченности средней продолжитель ности времени эксплуатации танкеров, составляющей 15 – 20 лет, говорить об устойчивости величины A не приходится. Поэтому для ее оценки предлагается использовать метод построения дерева отказов. Дерево отказов является графи ческим представлением причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания опасных ситуаций в системе в обратном порядке с целью опре деления возможных причин их возникновения. Опасная ситуация в системе яв ляется конечным событием дерева отказов и помещается в его вершине.
Для оценки ущерба от аварии Y в (1) используется выражение:
Y = i =1 P(Ci A) yi, k (2) где P (Ci A) – условная вероятность реализации аварии (события А) по i-му сце нарию ( Ci );
yi – ущерб от развития аварии по i-му сценарию.
Методики расчета ущерба в большинстве своем (в том числе и методики ИМО) базируются на методах анализа деревьев событий – Events Tree (ET).
Сделан вывод о том, что построение деревьев событий пока является единст венной методикой, не имеющей сколько-нибудь серьезной альтернативы, по зволяющей изучить процесс развития последствий аварии.
Для проведения анализа риска предлагается использовать метод формаль ной оценки безопасности (ФОБ-FSA), предусматривающий пять основных эта пов: 1) идентификация опасностей, 2) оценка риска;
3) выбор методов контроля риска;
4) оценка стоимости и выгоды;
5) рекомендации для принятия решений.
Цель первого этапа – идентификация и установление приоритетности опасностей – достигается использованием техники идентификации опасностей, способных привести к серьезным авариям, а также классификацией опасностей, используя сочетание имеющихся данных и существующих наработок. Для оценки приемлемости риска могут быть рекомендованы нормативы уровня рис ков в матричной форме (табл. 1). Определив при помощи таблицы уровень рис ка можно сделать вывод о серьезности рассматриваемой опасности.
Таблица 1 – Определение границ зон рисков в координатах «частота аварии – материальный ущерб» Частота Размер материального ущерба, руб.
аварии, менее 100 от 100 тыс. от 50 млн. до свыше тыс. до 50 млн. 500 млн. млн.
1/год более 1 Зона недопустимого - 1 – риска Зона -1 - 10 – Зона повышенного -2 - 10 – условно риска -3 - 10 – Зона приемлемого -4 - 10 – приемлемого риска -5 - 10 – менее 10 риска - Целью второго этапа является установление распределений риска таким образом, чтобы можно было сосредоточить внимание на областях наиболее вы сокого уровня рисков, а также определение и оценка факторов, оказывающих влияние на уровень риска. Эта цель может быть достигнута построением, так называемого дерева распределения рисков, изображенного на рисунке 1.
Для построения дерева устанавливаются взаимосвязи между режимами эксплуатации оборудования и появлением и последствиями аварий, что дает возможность произвести мероприятия по снижению риска. Дерево строится на основе сведений по имевшим место авариям. Затем для зон высокого риска строятся диаграммы с целью установления сети влияний, связывающих слу чившиеся события. Влияния оцениваются количественно с помощью эксперт ных оценок. Построение дерева начинается с категорий аварий, которые могут быть разделены на подкатегории, допустимые логикой и имеющимися данны ми, с целью составления приоритетного списка рисков. Деревья отказов и по следствий полезны для демонстрации каким образом инициируются и комбини руются исходные отказы, вызывающие аварии (дерево отказов), а также для по каза путей их развития до различной величины ущерба (деревья последствий).
Из данного профессором И.И. Костылевым определения системного под хода применительно к анализу безопасности грузового комплекса танкера сле дует, что при исследовании их безопасности необходимо выделить три группы показателе: векторное множество показателей качества технической системы К, векторное множество характеристик окружающей среды Y и векторное множе ство характеристик эксплуатационной ситуации Z. Тогда критерий безопасно сти может быть представлен функционалом безопасности Б, имеющем вид:
Б = Б [W ( K, Y ), C ( K, Z )], (3) где W ( K, Y ) – уровень безопасности, оцененный по критериям приемлемого риска;
C ( K, Y ) – затраты на обеспечение приемлемого уровня безопасности.
F/N зависимость (F – частота;
N – число погибших) F N Деревья событий для различных сценариев развития аварии Контакт Отказы Затоп- Посад Взрыв Пожар или элемен- ка на ление Категории столк- тов мель аварий новение СЭУ Подкатегории аварий:
F1 F2 F3 F F1 – отказ главного двигателя F2 – отказ грузовой системы F3 – отказ дизель-генератора F4 – отказ котла или Причина Причина А В и или Деревья отказов для непосредственных причин Собы- Собы- При- При- и инициирующих событий тие тие чина чина Е1 Е2 С D Рисунок 1 – Дерево распределения риска В качестве так называемого дисциплинирующего условия выражения (3) может выступать функционал эффективности в виде:
Э = Э( K, Y, Z ) Э доп, (4) где Э доп – минимально допустимое значение функционала эффективности.
Исключительная сложность учета влияния показателей множеств K, Y, Z на безопасность требует перевода векторных множеств Y, Z в разряд ограничи тельных условий вида Y = Y и Z = Z0, в которых множества Y и Z0 фиксиру 0 ются по данным опыта эксплуатации и прогноза.
Поскольку в качестве критерия безопасности используются приведенные затраты, учитывающие затраты на всех стадиях существования системы, то це левой функцией системы должно быть выражение, описывающее минимизацию приращения затрат на совершенствование безопасности системы для фиксиро ванных характеристик внешних условий Y и Z0, то есть:
C(K ) min Б = min, (5) W (K ) при дисциплинирующем условии (6). Итак, задача исследования проблемы по вышения эксплуатационной безопасности системы сводится к анализу влияния на Б приращений Ki показателей качества отдельных элементов системы, входящих в векторное множество K.
В заключение первой главы по результатам обобщения выполненного об зора методов анализа риска делаются общие выводы и ставятся задачи для про ведения дальнейших исследований.
Вторая глава посвящена разработке и практической реализации модели и метода количественной оценки риска эксплуатации грузовых систем танкеров, учитывающих возможные отказы элементов СЭУ (вспомогательные котлы, тур боприводы насосов и грузовые насосы, дизель-генераторы) и грузовых систем, а также надежность оператора (донкермана).
Рассмотрены два режима эксплуатации грузовой системы танкера типа «Москва» DWT 106 000 тонн: выгрузка и погрузка нефти.
Операция выгрузки является одной из наиболее напряженных технологи ческих операций для танкера, требует больших энергозатрат и приводит к по вышенной нагрузке СЭУ, сопоставимой с энергозатратами при движении судна.
В случае возникновения отказов указанных выше технических средств проис ходит снижение производительности грузовой системы, приводящее к увеличе нию времени выгрузки и вынужденному простою танкера, что обходится судов ладельцу в десятки тысяч долларов США в сутки.
На рисунке 2 приводится разработанная с использованием логико графического метода модель (дерево отказов), необходимая для решения задачи нахождения частоты возникновения отказов грузовой системы при выгрузке танкера. Значения вероятностей отказов технических средств приняты из прак тики эксплуатации указанного и аналогичного оборудования. При расчетах час тот возникновения отказов время выполнения одной операции выгрузки прини малось равным 15 часам, а количество выгрузок – 20 в год. Частота возникнове ния головного события – отказа грузовой системы с увеличением времени вы грузки для танкера типа «Москва», составила = 0,195 1/год.
Рисунок 2 – Дерево отказов грузовой системы при выгрузке танкера Для оценки величины риска помимо частоты отказов необходимо оценить вызванный им ущерб, который зависит от времени вынужденного простоя тан кера при выгрузке. Для случая отказа одного грузового насоса или одного вспо могательного котла снижение производительности грузовой системы танкера принималось равным 20 – 25% исходя из обобщения характеристик приемных сетей портовых терминалов. Учитывая равновероятность отказа технических средств в любой произвольный момент выгрузки среднее время вынужденного простоя танкера для принятых условий составит: Tпростоя = (15·0,25)/2 = 2 часа.
Для оценки ущерба в денежном выражении по результатам НИР Мин транса России «Система информационного взаимодействия в морском порту» 2008 г., принято, что простой танкера DWT 100 000 тонн обходится судовла дельцу в 40 000 долларов США в сутки. Тогда величина ущерба составит:
Y = 40 000 Tпростоя / 24 = 40000·2/24 = 3 333 $ = 100 000 руб.
Из выражения (1) следует, что величина риска при выгрузке танкера:
R = 0,195 · 100 000 = 19 500 руб./год.
Используя аналогичный подход найден риск аварии – перелива танкера вследствие отказа грузовой системы при погрузке, равный 59 600 руб./год.
Сопоставление найденных величин показывает, что риск при погрузке танкера в 3 раза превышает риск при его выгрузке. По этой причине, а также учитывая то, что вынужденный простой судна приводит только к дополнитель ным материальным затратам, для целей дальнейшего исследования основное внимание уделено отказам грузовой системы в процессе погрузки танкера с оценками аспектов экологического риска, его составляющих и факторов. То есть, для детального анализа риска и безопасности была выбрана возможная в эксплуатации и одна из наиболее опасных для танкеров аварийная ситуация:
«Перелив танкера при его погрузке». Для оценки частоты появления указанного события составлена схема управления грузовой системой, используя которую, а также данные таблицы 2, построено показанное на рисунке 3 дерево отказов.
Из дерева отказов следует, что вероятность перелива грузового танка при погрузке 5,6·10-5. Тогда частота возникновения аварийной ситуации для танкера типа «Москва» (12 танков, 20 погрузок/год) составит:
= 5,6·10-5 ·12·20 = 1,34·10-2 1/год. (6) С учетом анализа дерева событий, показанного на рисунке 4, частота воз никновения аварии, т.е. поступления нефти в акваторию при переливе танкера:
А = р1 = 1,34·10-2 · 0,2 = 2,7·10-3 1/год. (7) Размер материального (экологического) ущерба вследствие разлива нефти на акватории составит до 50 млн. руб. Используя таблицу 1 найдем, что полу ченная величина частоты возникновения данной аварии находится в зоне по вышенного риска (для России принято 1·10-1 - 1·10-3) и является неприемлемой.
Из дерева отказов видно, что основной причиной высокой вероятности отказа грузовой системой танкера является человеческий фактор. Следователь но, в данном случае наиболее эффективными действиями по снижению риска будут меры, направленные на снижение вероятности отказов донкермана.
Рисунок 3 – Дерево отказов для грузовой системы в процессе погрузки танкера Таблица 2 – Исходные события дерева отказов Вероятность события рi Событие или состояние модели 1. Отказ уровнемера 0, 2. Отказ схемы питания уровнемера 0, 3. Отказ световой лампы 0, 4. Отказ звуковой сирены 0, 5. Обрыв кабеля управления соленоидом 0, 6. Отказ соленоидного клапана 0, 7. Разгерметизация трубопровода гидропривода клапана 0, 8. Отказ гидростанции гидропривода клапана 0, 9. Оператор не заметил сигнала от уровнемера 0, 10. Оператор не заметил светового сигнала системы контроля 0, верхнего и предельного уровней 11. Оператор не среагировал на звуковой сигнал системы кон 0, троля верхнего и предельного уровней 12. Оператор не заметил индикации о незакрытии клапана 0, 13. Обрыв кабеля уровнемера 0, 14. Обрыв кабеля датчика верхнего и предельного уровней 0, 15. Отказ датчика верхнего и предельного уровней 0, 16. Отказ схемы управления клапаном гидропривода 0, 17. Отказ гидропривода регулирующего клапана 0, 18. Отказ регулирующего клапана 0, Поступление нефтегруза в акваторию Р1 = 0, Перелив на танкере = 1,34·10-2 1/год Без поступления нефтегруза в акваторию Р2 = 0, Рисунок 4 – Дерево событий при переливе танкера Третья глава содержит исследование вероятности возникновения аварий в процессе эксплуатации донкерманом грузовой системы танкера. Учитывая не приемлемости по этическим и экономическим соображениям эксперименталь ного изучения аспектов, касающихся жизни, здоровья людей и загрязнения ок ружающей среды, при исследовании безопасности использовался метод матема тического моделирования явлений и процессов, связанных с возникновением происшествий. Для имитационного моделирования применялась показанная на рисунке 5 логико-лингвистическая модель возникновения аварии. Модель по зволяет учитывать до 30 свойств (человека – 12 свойств, оборудования – 8, тех нологии – 6 и окружающей среды – 4 свойства). Для ввода в модель свойствам присваивается лингвистическая оценка от очень-очень низко до очень-очень высоко, которая затем переводится в числовую на интервале от 0 до 1.
катастрофа • критическая ситуация + • опасная высокий каскадный ситуация потенциал эффект + + защита ошибка отказала человека ошибка или бездей- опасное внешнее опасный ствие человека воздействие отказ • • степень устранения нару- приемлемость обученность нестан шения равновесия в системе риска дартным ситуациям • восприятие, качество знание способность качество дешифровка оперативного порядка дей- прогнозировать мотивационной информации мышления ствия последствия установки • ожидаемая ин действительная возможное искажение отказ средств формация информация информации индикации • • навыки вы- знание техно полнения логии работ Взаимодейст Внеш- Возмож- неблагоприят работы вие в процес няя ный отказ ное внешнее се работы среда техники воздействие • свойства свойства чело- свойства маши- свойства техно среды века ны логии Рисунок 5 – Модель развития происшествий в человеко-машинной системе Так как по данным ИМО причиной более 80% аварий являются ошибки человека, то при моделировании основное внимание уделялось свойствам чело века. Результаты предварительно проведенных на данной модели эксперимен тов показали, что зависимость вероятности возникновения происшествия от факторов опасности носит явно нелинейный характер. Следовательно, уравне ние регрессии должно иметь вид полинома второго порядка:
k k y = b0 + bi xi + bij xi x j + bii xi2, (8) i =1 i j i = где y – исследуемая величина (вероятность возникновения происшествия);
xi, xj – значения факторов в кодированном масштабе;
b0, bi, bij, bii – оценки коэффици ентов уравнения регрессии.
При выполнении моделирования варьировались значения четырех, пред ставленных в таблице 3, факторов опасности, оказывающих наибольшее влия ние на безопасность эксплуатации грузовой системы танкера в процессе его по грузки. Значимость всех 30-ти факторов, влияющих на вероятность возникнове ния происшествия при выполнении операций погрузки нефтяного танкера, со ставляет 1,0. Значимость рассмотренных 4-х факторов в сумме равна 0,215.
Для определения оценок коэффициентов уравнения регрессии (8) исполь зуется ортогональный план второго порядка. При этом каждый из четырех, вы бранных для исследования, независимых факторов (х1 – Н03;
х2 – Н09;
х3 – М05;
х4 – Т02) варьировался на пяти уровнях: +1,414;
+ 1;
0;
– 1;
– 1,414.
Таблица 3– Характеристика и значимость факторов безопасности грузовой сис темы танкера Компонент Код Наименование фактора опасности Качество приема и декодирования информации H Персонал Качество принятия решения H Оборудование Безотказность основных узлов и элементов M Технология Удобство технического обслуживания и ремонта T Число опытов в матрице планирования эксперимента при наличии четы рех факторов составило 25. Дисперсия воспроизводимости определялась по че тырем дополнительным опытам. На основании обработки результатов прове денного эксперимента были рассчитаны значения коэффициентов при факторах в уравнении регрессии. После оценки по критерию Стьюдента значимости всех коэффициентов и отбрасывания незначимых коэффициентов уравнение регрес сии будет иметь следующий вид:
~ = 8,99 10 5 5,40 10 5 x 3,86 10 5 x 2,01 10 5 x 3,08 10 5 x + y 1 2 3 + 1,88 10 5 x1 x2 + 1,04 10 5 x1 x3 + 1,43 10 5 x1x4 + 5,80 10 6 x2 x3 + (9) + 1,32 10 5 x2 x4 + 5,60 10 6 x3 x4 + 1,93 10 5 x1 + 6,70 10 6 x 2 Адекватность полученного уравнения подтверждена проверкой по крите рию Фишера. Следовательно, полученная математическая модель может быть использована для оценки влияния исследуемых факторов опасности на вероят ность возникновения происшествия (перелив танкера).
При использовании зависимости (9) значения факторов необходимо под ставлять в числовом виде. Соотношение между лингвистическими и числовыми значениями факторов опасности представлено в таблице 4.
Таблица 4 – Соотношение между значениями факторов опасности Лингвистиче- Ниже Сред- Выше Хоро- Очень Высо Низкое ское значение среднего нее среднего шее хорошее кое Числовое зна – 1,5 – 1,0 – 0,5 0 0,5 1 1, чение Выражение (9) было использовано для оценки частоты возникновения происшествий при выполнении технологической операции погрузки танкера.
Для грузовых систем исследуемого типа частота возникновения происшествий (перелив танка) при их эксплуатации равна: А = 0,0211 1/год.
В качестве примера использования выражения (9) для повышения безо пасности эксплуатации грузовой системы примем, что значения всех факторов опасности при погрузке танкера первоначально были оценены экспертами как «выше среднего», то есть числовые значения всех факторов были равны 0,0. То гда из выражения (9) получим, что вероятность происшествия за время выпол нения одной операции погрузки танкера составит 8,99·10-5.
Затем после повышения квалификации оператора значение фактора Н (х1) было оценено экспертами как «высокое», что соответствует числовому зна чению фактора 1,5. После подстановки значения х1 = 1,5 (остальные факторы равны 0,0) в зависимость (9) получим, что вероятность происшествия стала рав ной 5,22·10-5, то есть существенно снизилась.
Таким образом, используя полученное выражение (9), можно на стадии проектирования и эксплуатации грузовой системы танкера производить количе ственную оценку вероятности возникновения происшествия и выполнять срав нительный анализ и оптимизацию мер безопасности процесса погрузки танкера.
Четвертая глава посвящена решению задачи оптимизации факторов безопасности и риска эксплуатации грузовых систем танкеров.
Постановка задачи по обоснованию требований безопасности формулиру ется следующим образом. Найти значение вероятности P() безопасной экс плуатации грузовой системы танкера в течение заданного времени, при котором обеспечивается минимум суммы затрат M[S] и ущерба M[Y], а ожидаемые за держки M[Z] за это время не превысят допустимого значения Тдоп.
Примем, что затраты на предупреждение аварийности зависят от парамет ра С, пропорционального расходам на снижение риска на один процент. Задав шись средними значениями ущерба Y и потерь времени Z от одного происше ствия, получим математическую постановку задачи по обоснованию требований к уровню безопасности (10), графически показанную на рисунке 6.
СP ( ) /[1 P ( )] + Y [1 P ( )] min;
1 P ( ) Tдоп ( P ) / Z ;
(10) 0 P ( ) 1. Взяв первую производную по P ( ), получим выражение оптимизируе мой вероятности:
P ( ) = 1 C / Y, C Y. (11) Для наблюдаемых на практике значений Р() область допустимых значе ний параметров С и Y определяется неравенством:
(0,01...0,3) M [ S ] M [Y ]. (12) Значение вероятности P ( ), соответствующее минимуму суммарных из держек, а также прямые 4 и 5 – структурные ограничения, определяющие до пустимые потери времени на ликвидацию последствий происшествий, указы вают на область возможных значений этой вероятности.
Используя статистические данные по эксплуатации грузовых систем мож но оценить параметры С, Тдоп(Р), Y и Z, необходимые для обоснования требо ваний к уровню риска. Проверка работоспособности изложенного подхода к оп тимизации безопасности осуществлена на примере технологического процесса, выполняемого донкерманом при эксплуатации грузовых систем танкеров.
С применением метода имитационного моделирования решена задача по вышения безопасности эксплуатации грузовой системы танкера при фиксиро ванных средствах Sзад, имеющихся для выбора набора мер, внедрение которого максимально снижает величину вероятности аварии. При решении задачи было принято, что на совершенствование безопасности при эксплуатации грузовой системы выделено 10000 долларов США. Указанную сумму решено использо вать на улучшение четырех рассмотренных в главе 3 наиболее значимых фак торов деятельности человека, безопасности оборудования и технологии.
Рисунок 6 – Интерпретация задачи обоснования оптимальной по суммарным издержкам вероятности эксплуатации грузовой системы без происшествий Получено, что для принятых условий оптимальные значения факторов:
x1 = 1,5 ;
x2 = 1,0 ;
x3 = 0,0 ;
x4 = 0,0. Тогда частота возникновения аварийного разлива нефти при погрузке танкера равна: А = 1,35 10 3 1/год. Полученная ве личина находится на границе зоны условно приемлемого риска (1·10-3) и, следо вательно, необходимо принять дополнительные меры по снижению риска.
Состав этих мер оценен решением второй оптимизационной задачи – при минимальных затратах, выбрать набор мер, внедрение которого снижает веро ятность аварии до допустимого (заданного) уровня. Заданный уровень частоты аварийного разлива нефти принят равным доп = 8,0 10 4 1/год, что соответст вует зоне условно приемлемого риска. Получено, что для принятых условий оп тимальные значения факторов должны быть: x1 = 1,5 ;
x2 = 1,5 ;
x3 = 0,0 ;
x4 = 1,0.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненный комплекс исследований содержит разработку практических путей повышения безопасности эксплуатации грузовых систем танкеров. При этом безопасность рассматривается с позиций концепции приемлемого риска, анализ которого строится на основе проведения вероятностных оценок частоты возникновения нежелательных событий и величины возможного ущерба в зави симости от сценариев развития аварии с учетом человеческого фактора.
В работе получены следующие результаты:
1. Выполнен анализ существующих методов количественной оценки рис ка аварий и обоснованы преимущества вероятностного подхода для целей управления безопасностью при эксплуатации грузовых систем танкеров на ос нове концепции приемлемого риска.
2. На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций предложе но следующее толкование терминам безопасность и риск: безопасность – это отсутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нанесения физи ческого и материального ущерба;
риск – это математическое ожидание ущерба, возможного вследствие возникновения аварий при эксплуатации судовых тех нических средств. Количественно величина риска находится как произведение частоты нежелательного события на ущерб, вызванный этим событием.
3. Разработаны методические основы для вероятностного анализа безо пасности при эксплуатации грузовых систем танкеров.
4. Выполнен сбор статистического материала по отказам судового обору дования, необходимого для оценки частоты отказов элементов СЭУ и грузовой системы танкера, с целью проведения количественного анализа риска.
5. С использованием метода формальной оценки безопасности, а также статистических данных для целей детального анализа риска и безопасности вы брана следующая возможная при эксплуатации грузовых систем танкеров ава рийная ситуация: перелив нефти при выполнении погрузки танкера.
6. Из анализа построенного дерева отказов установлено, что надежность грузовой системы танкера дает неприемлемую величину риска и требует мер для повышения безопасности. Предложен комплекс мероприятий по снижению риска и повышению безопасности эксплуатации грузовой системы.
7. Решена задача оценки риска эксплуатации грузовой системы танкера.
8. Предложен метод количественной оценки и оптимизации вероятности возникновения происшествий в процессе погрузки танкера. В качестве основы для имитационного моделирования выбрана логико-лингвистическая модель возникновения происшествия в человеко-машинной системе, с использованием которой получены уравнения регрессии, описывающие зависимость вероятно сти возникновения происшествий от основных психофизиологических характе ристик человека, используемых оборудования и технологии.
9. Показано решение задачи повышения безопасности эксплуатации гру зовой системы танкера при фиксированных средствах, имеющихся для выбора набора мер, максимально снижающих вероятность аварии. Установлено, что с целью уменьшения вероятности возникновения происшествий наиболее целесо образно улучшать следующие характеристики оператора (донкермана): качество приема и декодирования информации;
качество принятия решений.
10. Показано решение задачи снижения минимальными затратами вероят ности аварии до допустимого уровня. Установлено, что наиболее целесообразно использовать имеющиеся финансовые ресурсы на повышение квалификации оператора грузовой системы (донкермана) путем улучшения его характеристик дающих наибольший вклад в вероятность возникновения аварии: качество приема и декодирования информации, качество принятия решений, а также на техническое обслуживание и ремонт оборудования грузовой системы.
Публикации по теме диссертации в ведущих рецензируемых научных жур налах и изданиях, определенных Перечнем ВАК Минобрнауки России 1. Туркин А.В. Оценка экологического ущерба при аварийном переливе нефти на танкере // Речной транспорт (XXI век). – 2010. – № 2. – С. 81 – 82 (№ 1499 по перечню ВАК 2010 г.).
2. Туркин А.В., Чура Н.Н. Моделирование аварийной ситуации при пере грузке танкера // Морской флот. – 2011. – № 1. – С. 23 – 26 (№ 1212 по перечню ВАК 2010 г.).
3. Туркин А.В., Береза И.Г., Туркин В.А. Использование метода имитаци онного моделирования при анализе аварийной ситуации «Перелив танкера» // Эксплуатация морского транспорта. – 2011. – № 4. – С. 63 – 66 (№ 2090 по переч ню ВАК 2011 г.).
Другие публикации 4. Туркин А.В., Туркин В.А. Оценка экологической безопасности экс плуатации морского транспорта // Высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии - 2007. Труды 15-й междунар. конф. Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 10-14 сентября 2007 г. – Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2007. – С. 187 – 190.
5. Туркина Г.И., Чура Н.Н., Туркин А.В., Березенко Н.С. Экологическая безопасность в условиях нефтедобычи на Северном Каспии // Высокие техноло гии в биологии, медицине и геоэкологии - 2007. Труды 15-й Международной Конференции. – Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2007. – С. 203 – 207.
6. Туркина Г. И., Туркин А. В., Чура Н. Н. Современный нефтеперевалоч ный терминал: аспекты экологической безопасности и риска. – Охрана окру жающей среды на объектах нефтегазового комплекса. Геленджик, 2007, с. 74- 7. Туркин А.В. Экологические аспекты безопасности и риска на морском транспорте // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на Юге России: материалы седьмой региональной науч.-техн. конф. 29-30 сен тября 2008 г. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2008. – С. 73 – 75.
8. Туркин А. В., Чура Н. Н. Аспекты экологической безопасности и риска в теории и практике (морской транспорт) // – Техносферная безопасность, на дежность, качество, энергосбережение: материалы 10-й международной научно практической конференции. – Ростов-н/Д: РГСУ, 2008, 2 том, с. 98-102.
9. Туркин А.В. Статистический анализ и прогнозирование разливов нефти при выполнении грузовых операций на танкерах // Материалы IX городской на уч.-практ. конф. студентов. – Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2009. – С. 134 – 136.
10. Туркин А.В., Береза И.Г. Математическое моделирование распростра нения нефти в результате аварийных разливов // Лазерно-информационные тех нологии в медицине, биологии и геоэкологии – 2009. Труды XVII Международ ной Конференции. Абрау-Дюрсо, Новороссийск, Краснодарский край, 8 – сентября 2009 г. – Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2009. – С. 177 – 181.
11. Туркин А.В. Прогнозирование последствий нефтяных разливов при выполнении грузовых операций на танкерах // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы восьмой региональ ной научно-технической конференции, Новороссийск, 26 – 27 ноября 2009 года.
– Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009. – С. 31 – 33.
12. Туркин А.В. Формализованная оценка безопасности элементов судо вых энергетических установок // Сборник научных трудов. Вып. 14. – Новорос сийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009. – С. 47 – 49.
13. Туркин А. В., Чура Н. Н. Экологическая безопасность и прогнозирова ние риска нефтяных разливов при эксплуатации танкеров. – Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго и ресурсосбережение: Т38. Мате риалы научно-практической конференции. Выпуск ХI. Ростов-н/Д: Ростовский государственный строительный университет, 2009, с. 191- 14. Туркин А.В. Оценка ущерба, причиняемого водным объектам разли вами с судов // Сб. тезисов докладов академической научно-практической конф.
курсантов. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. – С. 98 – 99.
15. Туркин А.В. Мониторинг экологического риска при эксплуатации тан керов // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэко логии – 2010. Труды XVIII междунар. конф. Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 7- сентября 2010 г. – Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2010. – С. 126 – 127.
16. Туркин А.В. Причины возникновения аварий при выполнении грузо вых операций на танкерах // Сборник научных трудов. Выпуск 15. – Новорос сийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. – С. 56 – 57.
17. Туркин А.В. Оценка риска проведения операций налива танкера мето дом дерева отказов // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. девятой региональной науч.-техн. конф. 17-18 де кабря 2010 г. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011. – С. 44 – 45.
18. Туркин А. В., Чура Н. Н. Прогнозирование риска нефтяных разливов при погрузке танкеров // Техносферная безопасность, надежность, качество, ре сурсосбережение: материалы междунар. науч.-практ. конф. Вып. ХII. Ростов н/Д: Ростовский государственный строительный ун-т, 2010. – С. 371 – 374.
Формат 60х84 1/16. Тираж 100. Заказ 2169.
Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина,