Построение всего множества сценариев возникновения и развития аварии

1. отказы оборудования FTA

2. отклонения от технологического регламента HAZOP

3. ошибки производственного персонала HRA, ASEP

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

Оценка частот реализации каждого из сценариев возникновения и развития аварии

Построение полей поражающих факторов, возникающих при различных сценариях развития аварии.

Таблица1
Характерные поражающие факторы и их характеристики

Лекция 12. Методики оценки риска Метод обследования типов отказов и анализ их последствий (FMEA)

Метод FMEA используется, когда требуется анализ небольшого участка крупного процесса или единицы оборудования, например, реактора.

Тип отказов и анализ их последствий (FMEA) – это обследование всех типов отказов и повреждений для каждой составной части системы и анализ последствий для функционирования изучаемой системы.

В задачу метода обследования типа отказов и анализа их последствий (FMEA) входит обнаружение факторов, влияющих на надежность процесса, путем рассмотрения каждого потенциального источника нежелательного выброса энергии, материала и идентификация типов отказов/повреждений, при которых может произойти авария, и их влияние на систему.

В рамках рассматриваемого метода задается типовой вопрос «что произойдет, если откажет агрегат «А»? При более детальном анализе ставится вопрос «что произойдет, если откажет агрегат «А» при определенных обстоятельствах?» Эти вопросы повторяются для всех агрегатов.

Метод обследования типа отказов и анализа их последствий (FMEA) подходит к системам, которые являются определенно неустойчивыми, и безопасная работа которых зависит от правильной работы ряда систем безопасности (ядерный реактор, самолет), его можно использовать также для непрерывных процессов с пусками и остановками. Данный метод менее применим к идентификации рисков химических процессов, где опасность возникает от самих опасных материалов, с которыми работают.

Отказы агрегатов анализируются на отказ механического или электрического характера. Причем, каждый отказ рассматривается как независимый случай, без какого-либо отношения к другим отказам, за исключением тех, которые оказывают непосредственное прямое воздействие.

Метод обследования типа отказов и анализа их последствий может быть применен в качестве альтернативного методу «дерева отказов». Также он может применяться вместо метода HAZOP. Хотя метод FMEA требует больших усилий и им нельзя оценить недостатки принятой технологии или вклад ошибок оператора, данный метод позволяет осуществить оценку воздействия аварии на технологический процесс.

Обследование типов отказов и анализ их последствий (FMEA)

Технический подход

Метод выявления режимов отказов и анализа их последствий (FMEA) оценивает условия, в которых оборудование может выйти из строя (или неправильно эксплуатироваться), а также последствия этих отказов для технологического процесса [1-7]. Описание режимов отказов представляет аналитикам базовую информацию для определения, где могут быть сделаны изменения для улучшения проектного решения системы.

Каждый отказ рассматривается как независимый случай, без какого-либо отношения к другим отказам, за исключением тех, которые оказывают непосредственное прямое воздействие. Однако для особых обстоятельств могут быть рассмотрены общие причины отказов более чем для одной системы. В очень небольшом числе установок для процессов могут иметь место более трех одновременных критичных отказов, не приводящих к выпуску. Имеется незначительное число задокументированных случаев катастрофических инцидентов, произошедших на установке для процесса, которые были вызваны одновременным отказом двух или трех абсолютно независимых систем. Во многих ситуациях формулировка всех комбинаций из одного и двух событий, способствующих инциденту, определяет все, что может быть обосновано опытом анализа предыдущих инцидентов. Эти комбинации могут быть идентифицированы за приемлемое время, если руководствоваться следующим [14,15]:

Разделите установку на группы дискретных подсистем, каждая из которых должна быть достаточно небольшой для того, чтобы аналитик мог быстро определить, имеет ли данная комбинация отказов потенциал для возникновения инцидента или процесс разрешится внутри подсистемы. Типичная подсистема могла бы состоять из ректификационной колонны, ее конденсатора, испарителя и регуляторов.

Перечислите и просмотрите все комбинации случаев отказов внутри каждой подсистемы. Рассматривайте только принципиальные функциональные режимы отказов для каждого устройства. Например, управляющий клапан может давать отказ при открывании или закрывании. Контролер может дать отказ при выполнении своей функции управления или сработать преждевременно. Далее, для дальнейшего анализа составьте список всех комбинаций отказов, результатом которых может быть следующее:

выпуск из оборудования внутри подсистемы (трещина в резервуаре или в канале, вентиляция, переполнение и т.п.);

нарушение хода процесса (высокое/низкое давление, температура, скорость потока, потеря энергии и т.п.) внутри подсистемы, которое может быть передано на одну или несколько других подсистем протекания процесса или на линии управления, которые связывают подсистемы между собой. При формулировании комбинаций из двух или трех событий отказов, которые должны быть перечислены для рассмотрения, аналитик не должен спаривать те события, которые не могут способствовать возникновению одной и той же физической проблемы. Например, одновременные отказы системы отключения из-за высокого и низкого давления или датчиков тревоги на одном и том же сосуде не могут вместе способствовать образованию высокого давления в этом сосуде. Это соображение сокращает число комбинаций событий отказов, требующих рассмотрения числа возможных комбинаций.

Когда будут обнаруживаться комбинации отказов, которые передаются на другие подсистемы, эти комбинации должны быть учтены и при анализе других подсистем.

Результаты анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) обычно представляются в табличной форме в разбивке по составляющим оборудования. Обычно, аналитики рисков используют результаты анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий для качественного анализа, хотя результаты могут быть распространены на ранжирование, в зависимости от серьезности неполадки [8,9].

Процедура анализа

Проведение анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) включает три этапа: 1) определение проблемы; 2) представление обзора; 3) документирование результатов [10-13].

Определение изучаемой проблемы

На этом этапе определяются конкретные объекты, которые должны быть включены в анализ по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) и условия, при которых они анализируются. В общем случае определение изучаемой проблемы включает в себя:

определение соответствующей степени точности анализа;

определение приграничных условий для анализа.

Степень точности анализа определяет диапазон компонентов для включения в анализ по методу обследования типов отказов и анализа их последствий. Если анализ рисков проводится на уровне предприятия, то анализ должен быть сфокусирован на типах отказа отдельных систем и их соответствующего воздействия с учетом рисков на уровне предприятия. Например, анализ может сконцентрироваться на системе подачи исходных материалов на предприятие, подготовке порционных замесов, системе окисления, системе сепарации и других вспомогательных систем. Когда обращаются за анализом на системном уровне, то проводимый анализ должен быть сосредоточен на выявлении типов отказа и их воздействия на отдельные компоненты оборудования, входящего в технологический процесс, в то же время, подразумевается воздействие и на всю систему в целом.

При определении проблемы необходимо познакомиться с предысторией предприятия, собрать имеющуюся информацию. В эту информацию входят: маршрутные технологические карты, диаграммы приборного управления технологическими операциями, порядок эксплуатации, журналы регистрации, журналы по проведению обслуживания, истории об авариях, предыдущие исследования оценки рисков на предприятии.

Следующим шагом является определение приграничных условий для анализа выбранных систем или всего предприятия. Сюда входят взаимодействия с другими процессами и коммунальными сооружениями/системами поддержки. Одним из способов для определения приграничных условий является их маркировка на системном чертеже, на котором обозначено все оборудование в масштабе проведения анализа по выбранному методу. Такие приграничные условия должны также отражать эксплуатационные условия взаимодействующих процессов.

Следующий шаг – установление граничных условий для аналитической системы, включая

а) типы отказов, эксплуатационные обстоятельства, а также причины или существующие защитные средства, которые не будут рассмотрены;

б) размещение оборудования. Примером изначального условия может быть условие нормального состояния вентиля в открытом или закрытом положении.

Представление обзора

Обзор результатов анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) должен быть выполнен в обусловленной системной форме, чтобы избежать каких-либо пропусков и повысить полноту анализа. Одним из способов повышения тщательности и эффективности обзора является разработка постоянного формата для фиксирования результатов анализа. Это помогает систематизировать имеющуюся информацию и определить уровень детализации исследования. Образец таблицы стандартного формата для обработки данных анализа по рассматриваемому методу приведен в таблице А1.

Заполнение таблицы можно начинать с граничной системы, обозначенной на справочном чертеже и затем продолжать производить оценку компонентов по порядку их взаимодействия в технологическом процессе. Каждая единица оборудования может быть отмечена на справочном чертеже или в перечне оборудования, когда их оценка воздействия произведена. Все возможные отказы должны быть оценены для каждого компонента или системы, внесенной в анализ по методу FMEA, перед тем как перейти к оценке следующего компонента.

Типовая форма для анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA)

В типовой таблице должны быть отражены следующие позиции:

Маркировка оборудования. Маркировка оборудования должна соответствовать маркировке, что и на системном чертеже, в эксплуатационной линии, или для размещения. Маркировка должна помогать различать однотипное оборудование (например, двухмоторные вентили), функционально задействованное в рамках одной и той же системы. Номера оборудования или идентификационные номера из системы чертежей, а также на маршрутной технологической карте обычно уже имеются и их применяют для подготовки информации. Можно применять и свою систему обозначения, если она будет понятна участникам анализа и совместима с маркировкой на чертежах или в перечне оборудования.

Описание оборудования. В описание оборудования должно быть включено: тип оборудования, эксплуатационная конфигурация, и другие характеристики для обслуживания (такие как, высокая температура, высокое давление, защита от коррозии), которые могут повлиять на тип отказа и их последствия. Например, вентиль может быть описан как «вентиль с моторным приводом, нормальное положение «открыто», в три-четыре дюйма линии серной кислоты». Эти описания не должны быть индивидуальными для каждого компонента оборудования.

Типы отказов. Аналитик должен перечислить все типы отказов для каждого компонента, который согласуется с описанием оборудования. Рассматривая нормальное эксплутационное состояние оборудования, аналитик должен рассмотреть многофункциональность, которая может изменить обычный эксплутационный статус оборудования. Например, в перечень типов отказа нормально закрытого вентиля могут быть включены:

- заклинивание вентиля в закрытом положении (если не удается открыть, когда это требуется);

- вентиль ошибочно приходит в открытое положение;

- внешнее подтекание вентиля;

- внутренняя протечка вентиля;

- трещины на корпусе вентиля.

Последствия. Для каждого обозначенного отказа аналитик должен описать как немедленные последствия отказа на месте, так и последующее воздействие отказа на другое оборудование, в том числе на всю систему или технологический процесс. Например, немедленное последствие от протечки прокладки у насоса проявляется в утечке жидкости в зоне установки насоса. Если же жидкость воспламеняемая, то она может загореться, так как насос является источником искрообразования. Пламя в свою очередь может повредить рядом установленное оборудование, а также угрожать безопасности обслуживающему персоналу в этой зоне. Ключ к выполнению взаимосвязанного анализа по данному методу лежит в обеспечении единообразного базового подхода к оценке отказов.

Меры защиты. Для каждого обозначенного отказа аналитик должен описать любые меры защиты или мероприятия, которые связаны с системой и могут снизить вероятность определенных отказов или смягчить последствия отказа. Например, установка блокировки реактора в случае повышенного давления может снизить вероятность событий, обусловленных повышенным давлением, ведущим к повреждению реактора, в то же время, правильно подобранный по размеру выпускной вентиль может смягчить последствия от любого избыточного давления в реакторе.

Действия. Для каждого обозначенного отказа аналитик должен перечислить любые предложенные корректирующие действия для снижения возможных последствий, связанных с отказом. Например, установка аварийной сигнализации об избыточном давлении может быть предложена для реактора. Корректирующие действия для конкретного компонента оборудования могут быть сконцентрированы на причинах или последствиях конкретных отказов или могут быть использованы эти меры ко всем отказам вместе.

Документирование результатов

Документирование обзора анализа по методу обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) представляет собой систематизированный и взаимосвязанный процесс оформления в табличной форме результатов анализа последствий от отказов оборудования в технологическом процессе или отдельной системе (пример см. таблицу А.2).

В отчете перечисляются все члены рабочей группы и информация, использованная при подготовке отчета, а также в отчете приводятся сделанные группой рекомендации и обоснование по каждой рекомендации. Могут быть рекомендации по дополнительным исследованиям для решения возникших соображений (например, применение метода «дерева событий» для оценки величины рисков), тогда эти исследования идут как приложения к отчету.

Учебный пример и упражнение по FMEA

В этом примере рассмотрим реактор, где происходит непрерывный процесс получения целевого продукта с выделением тепла. Рассмотрим оборудование для этой системы, которое может выйти из строя (или неправильно эксплуатироваться), а также последствия отказов для технологического процесса.

В анализ будут включены только такие компоненты как сам реактор, температурные каналы, логический блок, клапаны и приводы клапанов. Последствия в этой задаче заключаются в нарушении условий, приводящие к выходу из-под контроля экзотермической реакции в реакторе. На рисунке C.1 приводится упрощенная схема системы для учебной задачи.

Мы рассмотрим такие типы отказов как выход из строя вентилей V1 и V2 в положении «открыто», «закрыто», подтекание вентилей и отказ тепловых выключателей в системе температурных каналов.

Все тепловые выключатели – температурные ключи КТАП (1-3) установлены на размыкание при одной и той же температуре (превышение). Каждый температурный канал имеет свой датчик температуры (T), свой преобразователь (ПТ) и температурный ключ (КТАП).

Защита от нарушения условий, приводящих к выходу из-под контроля экзотермической реакции в реакторе обеспечивается двумя клапанами сброса, которые должны открываться и резко охлаждать реакционную смесь в наполненном водой поглотителе. Клапаны приводятся в действие пневматикой и управляются логическим блоком выбора. Логический блок выбора (ЛБВ) подает на клапаны команду открыться, когда, по крайней мере, два из трех каналов измерения температуры указывает на превышение заданного параметра.

Наблюдения из результатов изучения собранных данных дают следующую предварительную информацию:

- около 70% всех отказов клапанов, используемых в этом виде работы, включало блокировку потока, вызванную закупоркой входа или внутренних частей клапана материалом;

- большинство отказов, включающих тепловые выключатели, были связаны с операциями по обслуживанию (например, неправильная установка задания).

Каждый квартал все температурные клапаны проверяются и калибруются в один и тот же день. Температурный индикатор в комнате управления позволяет выявлять отказы датчика или преобразователя. Логический блок выбора не рассчитан на открытие клапанов при отключении энергии.

Система пневматики, обеспечивающая привод обоих пневматических клапанов, работает надежно и рассматриваться не будет. Внешние явления, такие как землетрясения, пожары, наводнения не рассматриваются в данном примере.

Представление обзора проводится через заполнение типовой формы (см. Таблицу А.1). Затем проводится документирование результатов.

Рисунок Схема системы учебной задачи для обследования непрерывного процесса в проточном реакторе (НПР)

Задание

С помощью метода обследования типов отказов и анализа их последствий (FMEA) проведем оценку опасности химического процесса получения аммофоса с целью выдачи рекомендаций по уменьшению опасностей для работающих на установке.

На рисунке C.2 представлен химический процесс DAP [16] с маркировкой оборудования в соответствии с диаграммой последовательности операций (P&ID). Процесс представляет собой реакцию нейтрализации раствора аммиака фосфорной кислотой, которые поступают из двух отдельных емкостей, конечный продукт собирается в приемный бак хранения:

H3PO4 + 3NH3 = NHH2PO4 + (NH4) 2HPO4.

В данном примере мы можем рассмотреть по отдельности системы подачи фосфорной кислоты и аммиака и работу самого реактора, где происходит реакция, или систему в целом. Рассмотрение отдельных компонентов системы проводится с учетом выявления типов отказов и их влияния на другие компоненты оборудования данного технологического процесса. В то же время, подразумевается воздействие на процесс в целом.

Раздел 4 Управление риском при формировании стратегии развития предприятия.