Виды воздействий на объекты техносферы в чс

Характеристика внешних воздействий на объекты. Человек и окружающая его среда (природная, производственная, городская, бытовая и др.) в процессе жизнедеятельности постоянно взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие реализуется в виде потоков энергии, вещества и информации; оно осуществляется в пространстве и во времени. Взаимодействие для рассматриваемого объекта благоприятно лишь в условиях, когда потоки энергии, вещества и информации находятся в определенных допустимых (для рассматриваемого объекта) пределах. В противном случае они являются негативными.

Взаимодействие между различными объектами осуществляется в форме воздействий. В общем случае воздействие – это любые потоки вещества, энергии и информации, непосредственно образующиеся в окружающей среде или возникающие в результате антропогенной деятельности. Применительно к техническим объектам воздействие – это действие, направленное на какой-либо объект и определяющее его переход от одного состояния к другому, изменяющее его качество в том или ином направлении. Воздействия могут быть двух видов: целенаправленные (управляющие) и возмущающие. В теории надежности, стойкости, безопасности рассматриваются возмущающие воздействия; целенаправленные воздействия рассматриваются в теории управления. Совокупность внешних возмущающих воздействий на технические объекты, характеризуемая их видами, частотами и силой, представляет собой условия эксплуатации этих объектов. Классификация возмущающих воздействий на технические объекты приведена на рис. 4.

Возмущающие воздействия на технические объекты при их эксплуатации по силе и, соответственно, степени влияния на работоспособность их составных частей можно разделить на 2 группы: регламентированные и нерегламентированные. Потенциальная опасность технических объектов проявляется главным образом в условиях нерегламентированных воздействий.

Регламентированные, т.е. допускаемые эксплуатационной документацией, воздействия, тем не менее являются причиной отказов объекта вследствие процессов старения и износа составных частей объекта. Классы внешних воздействующих факторов (механические, климатические и другие природные факторы, биологические, радиационные, факторы электромагнитных полей, факторы специальных сред, термические) в зависимости от характера воздействия на составные части объектов определены в ГОСТ 21964-76. Характерные для определенных условий эксплуатации уровни внешних воздействующих факторов определяют скорость деградации параметров работоспособности составных частей объекта, выход которых в некоторые моменты времени за допустимые пределы означает постепенный или параметрический отказ. Моменты отказов имеют разброс, обусловленный действием различных неучитываемых факторов. Процессы старения и износа ограничивают наработку до отказа (безотказность) или до предельного состояния (ресурс), т.е. надежность объекта. Надежность составных частей объекта, важных для безопасности, является одним из факторов, влияющих на безопасность объекта в целом.

Нерегламентированные воздействия – это воздействия на объекты внешних факторов с уровнями, превышающими допустимые для нормальных условий эксплуатации (например, электромагнитные наводки, возникающие при грозовых разрядах или в процессе контрольных проверок из-за ошибочных действий операторов; температура окружающей среды ниже 5 и выше 20 °С). Нерегламентированные воздействия кроме отказов могут также вызвать преждевременные срабатывания объектов одноразового применения. В первом случае они ускоряют процесс деградации параметров объекта и приближают момент наступления его отказа (снижают наработку до отказа). При значительных уровнях воздействий отказы (поражение, разрушение) могут происходить непосредственно в процессе воздействия. К свойствам объекта, определяющим его работоспособность в условиях кратковременных нерегламентированных воздействий с высокими уровнями, относятся: стойкость к внешним воздействиям, ударопрочность и др.

Нерегламентированные воздействия могут быть кратковременно (поражающее действие определяют амплитудные значения параметров воздействия) и долговременно (поражающее действие определяется «дозовыми» эффектами, т.е. накоплением повреждений) действующими. Воздействия могут быть внезапно возникающими либо детерминированно, систематически (например, периодически или постоянно) действующими.

Источниками нерегламентированных воздействий являются:

 

Рис. 4. Классификация внешних возмущающих воздействий на объекты..

– окружающая среда (природные процессы и явления – низкие и высокие температуры, влажность и т.д., т.е. климатические, биологические факторы и др.);

– техносфера – удары и вибрации в процессе эксплуатации (например, при перевозке объектов), аварийные ситуации с самим объектом (авария с транспортным средством, перевозящим объекты) или другими объектами, приводящими в соответствии с «эффектом домино» к аварийным воздействиям на объекты;

– общество: 1) несанкционированные действия со стороны персонала или злоумышленника (нарушителя), нерегламентированные нормативно-технической и конструкторской документацией или осуществляемые без разрешения на их проведение; 2) поражающие воздействия со стороны террористических групп в мирное время и противника в военное время или в ходе военных конфликтов.

Несанкционированные действия делятся на две группы: ошибочные и преднамеренные. Ошибочные действия – это непреднамеренное нарушение персоналом алгоритма действий, требуемого нормативно-технической и конструкторской документацией.

Различного рода нерегламентированные воздействия являются исходными событиями для аварий объектов техносферы.

По источнику возникновения и цели нерегламентированные воздействия делятся на аварийные и поражающие, а также несанкционированные действия. Аварийное воздействие на объект – это нерегламентированное воздействие, которое создается в результате попадания объекта в аварийную ситуацию и может привести к его аварии. Аварийное воздействие непосредственно на критичные узлы объекта называют аварийной нагрузкой.

Поражающие воздействия создаются целенаправленно для разрушения объектов при вооруженном нападении. Основными видами поражающих воздействий являются воздействия на потенциально опасные объекты обычных средств поражения (пуль и осколков).

По физической природе различают следующие виды нерегламентированных воздействий на технические объекты, которые могут привести к разрушению, опасным срабатываниям его составных частей, т.е. к аварии (табл.1).

Таблица 1 – Виды воздействий и их причины

№	Нерегламентированные воздействия	Причины воздействий
1.	Механические	Падения, транспортные аварии, затопления
2.	Термические	Пожары
3.	Электромагнитные	Удары молнии, промышленные электромагнитные помехи
4.	Воздействия агрессивных сред	Аварии с другими объектами, затопления, пожары
5.	Воздействия ионизирующих излучений	Аварии с другим объектом: ядерной энергетической установкой радиационная авария
6.	Баллистические (воздействия обычных средств поражения)	Обстрел, аварии с взрывоопасными объектами
7.	Комплексные	Сложные аварийные ситуации (комбинированные по п.п. 1-6)

 

Нерегламентированные воздействия на технические объекты делятся на внутренние и внешние. Внутренние – это воздействия на объекты, возникающие при исходных событиях аварии (в аварийных ситуациях), включая ударные волны, реактивные струи, летящие предметы, изменение параметров среды (давления, температуры и т.п.), пожары и др.

Внешние – это воздействие на объекты факторов природных явлений (гроз, землетрясений и т. д.) и деятельности человека (аварии на воздушном, водном и наземном транспорте, диверсии и т. п.).

Механические аварийные воздействия на транспортируемые объекты (например, упаковки с опасными грузами) реализуются в следующих аварийных ситуациях:

– падения упаковок с различных высот на бетонный пол, выступающие элементы конструкций при погрузке-выгрузке с помощью кранов из транспортных средств; удары при перевозках в транспортных средствах, удары о преграду при переноске краном и т. д.;

– аварии транспортных средств, перевозящих объекты, включая столкновение автомобилей между собой и с преградой при различных скоростях, столкновения ВС, опрокидывание транспортных средств;

– статическое давление воды при аварийном затоплении упаковки с потенциально опасным объектом при транспортировании водными видами транспорта, погружении подводной лодки на глубины более расчетных (например, аварии атомной подводной лодки «Комсомолец» и ряда других российских и американских подводных лодок с ядерными боевыми частями) и др.

Механические воздействия на стационарные объекты реализуются в случаях падения воздушного судна, при опасных природных явлениях, взрывах близлежащих объектов и в других ситуациях.

Термические воздействия реализуются при пожарах объектов или перевозящих их транспортных средств.

Электромагнитные воздействия – это непосредственное воздействие на критичные узлы потенциально опасного объекта электромагнитных полей или генерированных ими импульсных электромагнитных наводок.

Воздействия агрессивных сред – это воздействие морской воды, компонентов топлив, средств дезактивации, дегазации, дезинфекции, пожаротушения. Реализуются при авариях, пожарах и затоплениях.

Баллистические воздействия вызываются прострелами пуль и осколков. Реализуются при воздействии обычных средств поражения (попадании в потенциально опасный объект пуль или снарядов авиационных пушек, воздействии по транспортным средствам воздушной ударной волны и осколков при взрывах). Воздействия обычных средств поражения могут иметь место в следующих ситуациях: нападениях диверсионных и экстремистских групп на потенциально опасные объекты или транспортное средство с потенциально опасными объектами; ударах авиации и артиллерии в ходе внутренних и внешних военных конфликтов. Это подтверждает опыт войны в Югославии, когда авиационным ударам НАТО подверглись нефтехранилища, нефтеперерабатывающие заводы, химические и другие опасные производства.

Воздействия ионизирующих излучений – это воздействие полей нейтронов, протонов, гамма-квантов и других видов ионизирующих излучений.

Комплексные воздействия реализуются в сложных аварийных ситуациях, например, падение (взрыв) и пожар самолета или вертолета с объектом.

Механические нагрузки. Основными группами механических воздействий на объекты в соответствии с ГОСТ 21964-76 являются колебания (синусоидальная и случайная вибрации, акустический шум), удар (механический, сейсмический и аэродинамический удары, ударная волна взрыва), ускорение (линейное, угловое, центростремительное), механическое давление (статическое, переменное).

Основными видами механических воздействий при авариях являются линейные перегрузки и удары. Они приводят к механическим разрушениям элементов конструкций (потере работоспособности объекта при использовании по назначению, выбросу или проливу вредных веществ), инициированию взрывчатых превращений, формированию ложных сигналов в аппаратуре и помехам в каналах передачи информации, так как параметры электрорадиоизделий могут претерпевать обратимые и необратимые изменения.

Для всех объектов, движущихся с переменной скоростью (например, при столкновении или резком торможении транспортных средств), характерны линейные ускорения. Влияние линейных ускорений на детали конструкций обусловлено инерционными силами, которые могут во много раз превышать силы тяготения. Так, если на элемент с массой т в состоянии покоя действует сила тяжести G = mg, то при наличии ускорения тот же элемент дополнительно подвергается воздействию силы инерции F_u = ma(t). Тогда результирующая сила составит:

F_{p =} G + F_u, (3)

а результирующее ускорение a_p = g + a(t).

При расчетах линейные ускорения обычно считаются равными максимальному их значению за время действия либо изменяющимися по линейному закону. Отношение действующего ускорения к ускорению свободного падения n = a / g называют перегрузкой.

Ударные воздействия возникают при падениях объектов, действии ударной волны и в других случаях. В процессе удара нагрузки к элементам конструкции прикладываются в течение короткого промежутка времени. Вследствие этого возникающие ускорения элементов объектов могут достигать больших значений и вызывать различные повреждения. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса.

Формой ударного импульса называется зависимость ударного ускорения от времени. Для упрощения при расчете ударных воздействий форму ударного импульса заменяют более простой, например, прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной. При замене особое внимание обращают на крутизну фронта и среза, так как от них зависит «жесткость» удара.

Механические внешние воздействующие факторы возникают также при затоплении объектов, например, гидростатическое давление и гидравлический удар. При затоплении объекта гидростатическое давление на корпус может превзойти предел его прочности и он будет раздавлен. Гидростатическое давление линейно возрастает с увеличением глубины погружения. Учитывая, что вес воды объемом 1 дм³ при нормальном ускорении свободного падения равен 1 кгс, глубине 100 м будет соответствовать гидростатическое давление 10 кгс/см². Опасным воздействием на объект при затоплении является гидравлический удар. Он реализуется, когда под действием гидростатического давления разрывается корпус объекта. В процессе воздействия воды на критичные узлы возможен их срыв с мест крепления и удар о корпус.

Механизм разрушения при ударах обычно рассматривают для двух случаев:

– падения на выступающие поверхности (штыри, рельсы и т. п.), связанного с проникающими повреждениями;

– воздействия ударных перегрузок.

При падении, начиная с момента соприкосновения с преградой, на элементы конструкции объекта действуют два вида переменных во времени нагрузок: давление, приложенное к поверхности соприкосновения с преградой; инерционные силы, приложенные к каждой элементарной массе. Указанные нагрузки приводят к деформации или разрушению конструкции, особенно в зоне соприкосновения и в узлах крепления.

Величина нагрузки зависит от массы, высоты падения, свойств преграды, положения объекта. При ударе происходит резкое изменение скорости, но лишь малое изменение координат, что приводит к перегрузкам. Для их снижения упаковки потенциально опасных объектов могут оборудоваться демпфирующими основаниями.

Давление приводит к упругим, а при достижении определенных величин к пластическим деформациям и в результате к разрушению элементов конструкции упаковки и корпуса объекта в месте соприкосновения с преградой.

При столкновении или падении объекта его составные части испытывают большие инерционные нагрузки. Действие инерционных сил проявляется на креплениях составных частей, приводя к срыву их с мест крепления. Величина инерционных нагрузок зависит от относительной скорости соударения (высоты падения) и жесткости удара (характера преграды и площади соприкосновения с ней). Так, при опрокидывании транспортных средств перевозимый объект сначала испытывает инерционные нагрузки, которые могут привести к разрушению элементов крепления, а в случае разрушения последних происходит прямой удар. Состояние объекта зависит от прочности конструкции и величины инерционных нагрузок.

Параметрами, определяющими состояние объекта при воздействии импульсных ударных нагрузок, являются амплитуда перегрузки и ее длительность. При уменьшении длительности для повреждения объекта требуется увеличение максимальной перегрузки. При падениях объектов с высот 2...5 м значения перегрузок на его узлах по всем трем осям (вертикальной, продольной и поперечной) лежат в пределах десятков...сотен единиц, а длительность импульсов перегрузки составляет единицы...десятки мс. Значения перегрузок на составных частях системы «перевозимый объект – упаковка – автомашина» в некоторых аварийных ситуациях достигают 50 ед.

Возможными исходами воздействия механических нагрузок на объекты в аварийных ситуациях являются следующие:

1) повреждения узлов и систем объекта, которые могут привести к нарушению его работоспособности при использовании по назначению, выходу (проливу, выбросу) за пределы объекта вредных веществ. Уже при падении объектов с высоты 3 м на твердую поверхность их корпуса сминаются, разрушаются узлы крепления составных частей;

2) срабатывание устройств системы защиты и исполнительных устройств объектов одноразового применения, что повышает вероятность их преждевременного срабатывания;

3) взрыв взрывоопасного объекта.

Термические воздействия. Основными видами термических воздействий являются: тепловой удар (например, световое излучение взрыва) и нагрев (аэродинамический нагрев, нагрев трением и тепловым потоком, пламя).

В аварийных ситуациях с объектами термические воздействия реализуются в основном при пожарах. Пожар – это неконтролируемый процесс горения. Параметрами, определяющими тепловое действие пожара, являются: температура Т, интенсивность I и продолжительность нагрева τ. Другими параметрами пожаров являются: площадь пожара, м²; периметр пожара, м; линейная ско­рость распространения пожара, м/с: скорость выгорания горючих веществ и материалов, кг/с; интенсивность газообмена, кг/(м²·с); плотность задымления, кг/м³; параметры фронта распространения горения (геометрические размеры, скорость, температура) и др.

Воздействие обычных средств поражения. К обычным средствам поражения относятся пули стрелкового оружия, осколки снарядов и авиабомб. Основным параметром, определяющим их поражающее действие, является допреградная скорость поражающего элемента, зависящая от вида оружия и дальности обстрела. Основные характеристики пуль и снарядов стрелкового оружия приведены в табл. 2

Таблица 2 – Характеристики пуль и снарядов

Оружие	Калибр, мм	Диаметр •10^3, м	mg·10^3, кгс	Длина головной части·10^3, м	Начальная скорость, м/с
Пулемет РПК 74	5,45	5,60	3,4	18,20
Пулемет МК 21 (ФРГ)	5,56	5,65	3,576	10,91
Автоматическая вин­товка М16А2 (США)	5,56	5,65	3,95	11,71
Автомат АКМ	7,62	7,85	7,9	14,20
Пулемет ПКТ	7,62	7,85	9,6	20,00
Пулемет «Утес»	12,7	12,95	48,3	32,00
Пулемет КПВТ	14,5	14,85	64,0	32,00
Авиационная пушка ГШ-23		23,80	174,0	27,11
Пушка 2А42 (БМП-2)		31,37	400,0	35,59

 

Возможные исходы. Крупнокалиберные пули, как правило, проникают внутрь объекта и поражают его составные части. При попадании в ВВ последнее, в случае превышения скоростью пули некоторого критического значения, взрывается. В радиоэлектронной аппаратуре при прострелах могут иметь место нарушения целостности жгутов и образование обходных электрических цепей, замыкание контактов ступеней предохранения, исполнительных датчиков.

Следовательно, нельзя исключать и возможность преждевременного срабатывания объектов одноразового использования.

При пробитии упаковок с опасными веществами возможны их пролив или выброс.

Электромагнитные воздействия. К электромагнитным воздействиям относятся:

– возникающие вследствие различных причин электрические и электромаг­нитные наводки (помехи);

– атмосферные воздействия (грозовые разряды). Для радиоэлектронной аппаратуры объектов наибольшую опасность представляют близкие грозовые разряды, происходящие на удалении от них не более 3...5 км;

– электромагнитное излучение взрыва и др.

Электромагнитные воздействия по происхождению делят на электромагнитные поля техногенного и природного происхождения. Импульсные электромагнитные поля техногенного происхождения возникают в результате деятельности человека. К ним относятся электромагнитные поля высоковольтных линий электропередачи, контактных сетей железных дорог, радиопередающих средств и радиолокационных станций. Электромагнитные воздействия связаны также с ошибочными действиями персонала при техническом обслуживании и проведении других видов работ с объектами.

Импульсные электромагнитные поля природного происхождения существуют независимо от человеческой деятельности – это грозовые разряды (молнии). Воздействие молнии характеризуется силой тока в разряде и длительностью разряда.

Внешние воздействия на объекты рассматриваются при решении двух задач:

– оценки их негативного влияния на эффективность при функционировании по назначению (оценка надежности, прочности, стойкости к внешним воздействиям);

– оценки безопасности объекта при эксплуатации для персонала и населения на основе анализа влияния вредных и поражающих факторов опасных явлений.