Россия располагает огромным хозяйственным комплексом, по объему инфраструктуры и спектру опасных технологий, сравнимым с тем, которым располагают ведущие страны мира.
Вместе с тем ограниченные экономические возможности для поддержания и повышения безопасности опасных производственных объектов привели к нарастанию потенциальной техногенной угрозы. Физическое старение и износ технологического оборудования в большинстве отраслей промышленности России и сфере жизнеобеспечения достигли 70%. Однако по экономическим причинам задерживается вывод из эксплуатации опасных производственных объектов с устаревшим и изношенным оборудованием, что повышает вероятность возникновения техногенных чрезвычайных ситуаций. Фалеев
Установленный в технической документации для каждого технологического оборудования нормативный срок службы определяет его способность в течение заданного срока сохранять эксплуатационные характеристики. При достижении нормативного срока службы технологическое оборудование не всегда выводится из эксплуатации, т.к. обладает запасом прочности, который дает возможность эксплуатировать объект некоторое время после окончания нормативного срока, т.е. до достижения критического срока (предельное состояние) [2].
В связи с высокой степенью износа оборудования, в целях обеспечения безопасности функционирования опасных объектов и оценки запаса прочности, актуальной является разработка методики оценки критического срока эксплуатации технологического оборудования на основе методов системного анализа.
В рамках проекта предложено использовать качественные методы системного анализа, которые, как правило, применяются при отсутствии регрессионных связей между природно-климатическими и техногенными факторами. Основной причиной износа оборудования, приводящей к отказу, является воздействие природно-климатических (ветровая нагрузка, удар молнии, геологические процессы и т.д.) и техногенных факторов (заводской брак, нарушение правил эксплуатации и т.д.) в процессе его технической эксплуатации [1]. Природно-климатические и техногенные факторы в процессе эксплуатации оборудования оказывают влияние друг на друга, в связи с этим необходимо оценить взаимосвязь факторов.
Одной из распространенных расчетных моделей, отражающий взаимное влияние различных факторов, является ориентированный граф. Орграф представляет собой модель взаимодействия различных компонентов, составляющих сложную систему (в рассматриваемом случае компонентами сложной системы являются природно-климатические и техногенные факторы). Выходным параметром орграфа является суммарное воздействие факторов, выражающееся в разрушающем воздействии природно-климатических и техногенных факторов на технологическое оборудование опасного производственного объекта [3, 4].
Для количественной оценки воздействия факторов на технологическое оборудование предлагается использовать весовые коэффициенты, которые определяются экспертным методом [4].
Путем моделирования изменения значений факторов, входящих в орграф, на основе импульсного процесса устанавливается зависимость разрушающего воздействия факторов от срока эксплуатации технологического оборудования. В общем случае, полученная зависимость имеет форму экспоненциальной кривой, по которой определение критического срока эксплуатации технологического оборудования затруднено.
По рассчитанному значению идентификатора количества классов и заданному объему выборки на основании данных, приведенных в методике [6] определяется количество интервалов группирования, т.е. число интервалов периода эксплуатации технологического оборудования. Для определения критического срока эксплуатации технологического оборудования строится зависимость значений Vn.к.ш. от срока эксплуатации технологического оборудования. На основе полученной зависимости определяется критический срок эксплуатации технологического оборудования путем разбиения значений полученной зависимости на число классов периода эксплуатации технологического оборудования.
Кластерный анализ является сопутствующим количественным методом системного анализа. Для определения критического срока эксплуатации технологического оборудования проводится объединение периодов эксплуатации технологического оборудования в кластеры (совокупность однородных элементов) так, чтобы элементы внутри одного кластера обладали высокой степенью сходства между собой [7]. Результатом кластерного анализа является дендрограмма, на основе которой определяется критический срок эксплуатации путем выделения кластеров.
Объединение в кластеры проводится на основе минимального расстояния в евклидовом пространстве. Между каждыми двумя значениями разрушающего воздействия факторов, соответствующие двум разным периодам эксплуатации, рассчитывается расстояние в евклидовом пространстве
Результатом расчетов является матрица, по которой определяется минимальное расстояние для каждого разрушающего воздействия, соответствующего определенному периоду эксплуатации. Выделение кластеров проводится последовательным сравнением полученных значений минимальных расстояний с критериями: 0,25; 0,5; 1,0; 1,25 и т.д. (приведенные критерии откладываются по оси ординат) [7]. Например, если полученное значение ds меньше 0,25, то оно объединяется в кластер на уровне 0,25, иначе сравнивается с последующим критерием. Кластер, объединяющий наибольшее количество периодов эксплуатации технологического оборудования, принимается за критический срок эксплуатации.
На основе проведенного анализа разработана и предложена структурная схема алгоритма определения критического срока эксплуатации технологического оборудования опасного производственного объекта.
Предложенный подход использован при оценке критического срока эксплуатации резервуаров с нефтепродуктами. Для хранения нефти и нефтепродуктов в отечественной практике применяются резервуары металлические, железобетонные, из синтетических материалов, льдогрунтовые. Наиболее распространены, как у нас в стране, так и за рубежом, стальные резервуары:
вертикальные цилиндрические резервуары (РВС) со стационарной конической или сферической крышей вместимостью до 20000 м³ (при хранении легковоспламеняющихся жидкостей) и до 50000 м² (при хранении горючих жидкостей);
резервуары вертикальные цилиндрические со стационарной крышей и плавающим понтоном вместимостью до 50000 м³;
резервуары вертикальные цилиндрические с плавающей крышей вместимостью до 120000 м³.
На основе обзора литературных данных [9] и с учетом анализа основных причин аварий на РВС построен ориентированный граф, описывающий связи между природно-климатическими и техногенными факторами.
В качестве активизирующих факторов для орграфа выбраны удар молнии (1), ветровая нагрузка (2), нарушение правил эксплуатации (3), температура воздуха (4), атмосферные осадки (5) и заводской брак (6), то есть те факторы, которые не являются зависимыми от остальных. Путем моделирования значений факторов орграфа, получена зависимость разрушающего воздействия природно-климатических и техногенных факторов от срока эксплуатации резервуара с нефтепродуктами
В соответствии с разработанным алгоритмом получено значение разрушающего воздействия природно-климатических и техногенных факторов методом классификационных шкал и графически интерпретировано на рисунке 1. По формуле 3 рассчитан идентификатор количества классов (с=2).
Рис. 1. Зависимость разрушающего воздействия природно-климатических и техногенных факторов от срока эксплуатации резервуаров с нефтепродуктами
Согласно полученной дендрограмме, выявлен наибольший кластер, объединяющий 5 периодов эксплуатации по 10 лет. В соответствии с полученными данными критическим сроком эксплуатации резервуаров с нефтепродуктами (рисунок 1) является 50 лет.
Сопоставление результатов полученных методом построения классификационных шкал и методом кластерного анализа показало, что критическим возрастом резервуаров с нефтепродуктами является 50 лет (минимальное значение между 50 и 52).
В настоящее время в России эксплуатируется около 3000 резервуаров, достигших критического срока эксплуатации, что обуславливает высокую аварийность. По статистическим данным за последние пять лет число аварий на резервуарах с нефтепродуктами возросло на 20%.
Нормативный срок эксплуатации резервуаров с нефтепродуктами составляет 40 лет, т.е. необходимо принять дополнительные меры по обеспечению безопасности и повышению устойчивости резервуаров, возраст которых превышает 40 лет. Запас прочности резервуаров, после истечения нормативного срока эксплуатации, составляет 10 лет.
Таким образом, для оценки критического срока эксплуатации технологического оборудования опасных производственных объектов предложен алгоритм, основанный на количественных и качественных методах системного анализа. Определение запаса прочности технологического оборудования проведено с использованием методов построения орграфа; классификационных шкал и кластерного анализа. В качестве примера по предложенному алгоритму проведена оценка критического срока эксплуатации резервуара с нефтепродуктами.
Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы.
Литература:
Справочный документ для семинара Европейской Экономической Комиссии ООН в Будапеште. 2007. 229 с.
Marston A., Winfrey R., Hemperstead J. Engeneering Valuation and Deprecation. Iova State University Press, 1953. 508 p.
Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир,1978. 430 с.
Сурмин Ю. П. Теория систем и системный анализ: уч. пособие. К.: МАУП, 2003. 368 с.
Цвиленева Н.Ю. Системный анализ и моделирование процессов в техносфере: методические указания для лабораторных занятий для студентов направления подготовки бакалавра 553500 «Защита окружающей среды» и направления подготовки дипломированного специалиста 656500 «Безопасность жизнедеятельности» Уфа: УГАТУ, 2004. 30 с.
Гвоздев В.Е., Колоденкова А.Е. Построение классификационных шкал с учетом статистических особенностей данных: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Контроль и управление состоянием территориальных систем». Уфа: УГАТУ, 2005. 17 с.
Мандель И.Д. Кластерный анализ. М.: Финансы и статистика. 1988. 176 с.
Лычев А.С. Надежность строительных конструкций: уч. пос. М.: Изд-во Ассоциации строительных ВУЗов, 2008. 184 с.
Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2002…2011 гг.
