Учебные примеры и упражнения по FTA
Учебный пример 1
Целью данного упражнения является закрепление навыков по проведению процедуры исследования опасности методом дерева отказов (FTA). Применение метода FTA будет продемонстрировано на примере исследования опасности при хранении воспламеняющейся жидкости. Рассмотрение одного из нежелательных событий может привести к главному событию – выбросу воспламеняющейся жидкости из бака хранения. На примере течи бака (Ozog, 1985) проведем исследования ручным методом в виде поэтапной процедуры исследования методом отказов.
ШАГ 1. Описание системы
Система хранения воспламеняющейся жидкости в виде диаграммы распределения ресурсов и оборудования (P&ID Process and Instrumentation Diagrams) дана на рисунке G.1 – бак для хранения воспламеняющейся жидкости (Ozog, 1985) [4].
Бак спроектирован так, чтобы удерживать воспламеняющуюся жидкость под слабым давлением азота. Система управления (PICA-1) контролирует давление. Кроме этого, бак защищен с помощью клапана, который перекрывается в аварийных ситуациях. Жидкость питает бак через автоцистерну. Насос (Р-1) перекачивает воспламеняющуюся жидкость для дальнейшей переработки.
Рисунок 13.1 Бак для хранения воспламеняющейся жидкости P&ID (Ozog, 1985)
Обозначения:
FV – управляющий клапан потока;
P-1 – насос;
PV – управляющий клапан давления;
V – клапан;
RV – предохранительный клапан;
P – давление;
T – температура;
L – уровень;
F – поток;
I – индикатор;
C – контроллер;
A – сигнализатор;
H – высокий;
L – низкий.
ШАГ 2. Идентификация риска
Метод может быть использован для идентификации главной опасности, такой, как выброс воспламеняющихся веществ из бака. Для нашего случая воспользуемся данными, полученными методом HAZOP (Ozog, 1985) [4].
ШАГ 3. Построение дерева отказов
Каждое событие помечено соответственно В для базовых или неразвитых событий, М – для промежуточных событий и Т – главное событие. Процедура начинается с верхнего события (основной выброс воспламеняющегося вещества) и определяет возможные события, которые могли привести к этому инциденту.
Главное событие может индуцироваться несколькими исходными, например:
М1: Утечка во время разгрузки автоцистерны.
М2: Разрушение бака из-за внешних событий.
В1: Повреждение сливного отверстия бака.
М3: Повреждение бака из-за взрыва.
М4: Повреждение бака из-за избыточного давления.
Причем мы видим, что каждое из этих событий может привести к главному событию.
События М1, М2, М3 и М4 требуют дальнейшего развития. Для события В1 существует адекватная историческая информация, что позволяет считать его базовым событием. Анализ продвигается вниз на один уровень, пока все механизмы отказов не будут исследованы до соответствующей глубины. Базовые события и неразвитые события обозначены кругами и ромбами соответственно. Дальнейшее развитие неразвитых событий не считается необходимым или возможным. В таблице приведены характерные инициирующие события.
Таблица
Инициирующие события
|
Обозначение |
Характеристика события |
Вероятность (частота) события |
|
В2 |
Частота разгрузки цистерны |
300/год |
|
В3 |
Воздействие от средства передвижения |
1×10-5 /год |
|
В4 |
Авиа катастрофа |
1×10-6 /год |
|
В5 |
Землетрясение |
1×10-5 /год |
|
В6 |
Торнадо |
1×10-5 /год |
|
М5 |
Пролив из бака |
1×10-4 |
|
М9 |
Переполнение бака и истечение через RV-1 |
1×10-4 |
|
М10 |
Разрыв бака вследствие реакции |
1×10-7 |
|
В15 |
Достаточный объем в баке для разгружаемой цистерны |
1×10-2 |
|
В16 |
Отказ или игнорирование LIA-1 |
1×10-2 |
|
В17 |
Недопустимое вещество в цистерне |
1×10-3 |
|
В18 |
Из цистерны перед разгрузкой не взята проба |
1×10-2 |
|
В19 |
Реагент реагирует с разгружаемыми веществами |
1×10-1 |
|
В20 |
Рост давления превосходит пропускную скорость |
1×10-1 |
|
В7 |
Разгружаемый бак требует очистки азотом |
10/год |
|
М6 |
Индуцируется вакуум |
2×10-2 |
|
В8 |
Кипение недостаточно, чтобы предотвратить вакуум |
1×10-2 |
|
В9 |
РV-2 ошибочно закрыт |
1×10-2 |
|
В10 |
Отказ PICA-1 при закрытии РV-2 |
1×10-2 |
|
В11 |
Сбой в подаче азота |
1×10-4 |
|
М7 |
Давление в баке превышено |
1×10-2 |
|
М8 |
Отказ предохранительной системы при повышенном давлении |
2×10-3 |
|
В12 |
Отказ PICA-1 при закрытии РV-1 |
1×10-2/год |
|
М11 |
Превышено давление в баке |
4×10-5/год |
|
В13 |
Повышенная пропускная способность RV-1 |
1×10-3 |
|
В14 |
V-8 закрыт |
1×10-3 |
|
М12 |
Высокое давление в баке |
4×10-3/год |
|
В21 |
Отказ или игнорирование PICA-1 |
1×10-2 |
|
В22 |
РV-1 ошибочно закрыт |
1×10-3 /год |
|
В23 |
V-7 закрыт |
1×10-3/год |
|
В24 |
Температура во входном отверстии выше нормальной |
1×10-3/год |
|
В25 |
Высокое давление в оголовке факела |
1×10-3/год |
Теперь построим схематичное дерево отказов, оно строится согласно правилам, о которых мы говорили раньше. Логические условия выбираются исходя из «здравого смысла» работы системы. Таким образом мы строим полное дерево отказов.
Конечное схематичное дерево отказов выполненное для наглядности через буквенные обозначения в соответствии с таблицей G.1 в основном идентично представленному (Ozog, 1985) [4]. Однако, некоторые наборы промежуточных событий были добавлены для большей ясности анализа (рисунок G.1).
ШАГ 4. Качественное исследование структуры
Качественная оценка производится наилучшим образом с помощью анализа минимальных сечений. Однако, уже при первом просмотре выявляются 5 основных путей, ведущих к вершине. Например, В1, В3–В6.
На этом шаге исследователь должен просмотреть минимальные сечения, чтобы гарантировать, что все они представляют реальные, возможные происшествия. Минимальное сечение, которое не ведет к вершине – показатель ошибки построения дерева или ошибки в определении минимального сечения.
ШАГ 5. Количественная оценка
Для этого предлагается метод анализа «вход – выход». Дерево отказов должно быть в внимательно просмотрено на предмет обнаружения повторяющихся событий, которые могут привести к численной ошибке. Повторяющиеся события отсутствуют. Исследователь должен ввести численные значения частоты (в год) или вероятность (безразмерную) для каждого базового события.
Расчет начинается с подножия дерева отказов и продолжается в направлении вершины. Ниже представлен расчет для самой левой ветви дерева отказов, поднимающейся к событию М1. Событие М9 «Переполнение танка и истечение через RV–1» наступает при одновременном наступлении В15 и В16, значит перемножим вероятности.
Р(М9) = Р(В15) × Р(В16) = 1·10-2 × 1·10-2 = 1·10-4 год-1
К М10 ведут через «И» 4 события, заданные их вероятностями:
Р(М10) = Р(В17) × Р(В18) × Р(В19) × Р(В20) = 1·10-3 × 1·10-2 × 1·10-1 × 1·10-1 = 1·10-7 год-1
М10 и М9 ведут к М5 через логический блок «ИЛИ»:
Р(М5) = Р(М9) + Р(М10) = 1·10-4 + 1·10-7 ≈ 1·10-4 год-1
События М1 – промежуточное, наступающее при одновременном появлении В2, заданного частотой и М5, заданного вероятностью:
F(М1) = F(В2) × Р(М5) = 300·год-1 × 1·10-4 = 3·10-2 год-1
Аналогично рассчитываются все другие частоты и вероятности, и рассчитывается частота главного события Т. Для самопроверки приведем рассчитанные частоты пяти основных промежуточных событий, ведущих к вершинному:
М1 3·10-2 год-1
М2 3·10-5 год-1
В1 1·10-4 год-1
М3 2·10-3 год-1
М4 2·10-5 год-1
Дерево отказов может быть использовано для анализа чувствительности отдельных событий к отклонениям параметров системы.
Проведите анализ дерева отказов с целью выдачи рекомендаций, в каких направлениях должны быть приняты меры для снижения риска главного события. Важно понимать, что решения по изменениям процесса и замене оборудования требуют нового исследования, и только после этого могут стать предположениями.
Рисунок 13.2 Схематичное дерево отказов
