Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 
 
Химический факультет 
 
 
 
 
 
В.А. Мамонтов, Е.С. Николина 
 
НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ  
 
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРИМЕНЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство Московского университета 
2014 
 

УДК 681.518:66.022
ББК 30.14.я17

Мамонтов В. А., Николина Е. С. 
Надежность и безопасность при производстве и применении по лимер ных композиционных материалов: Учебное пособие / В. А. Мамонтов, Е. С. Николина. — М.: Издательство Московского университета, 
2014. — 128 с.

ISBN 978-5-19-010939-9

Учебное пособие посвящено вопросам исследований, разработки и эксплуатации инновационных материалов. Рассмотрены полимерные компози ционные материалы различного назначения с точки зрения критериев эксплуатационной надежности и экологической безопасности. Использование методов 
анализа, оценки и управления техногенным и экологическим риском в жизненном цикле материала, технологии позволяет обеспечить техническое развитие с наименьшим риском.
Предназначено для студентов, аспирантов, бакалавров, магистров обучающихся по программам профессиональной подготовки по специальности «Технология органических композиционных материалов», по профилю подготовки 
«Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Учебное пособие может быть полезно преподавателям высших учебных заведений, специалистам промышленных предприятий и природоохранных органов.

М22

Учебное издание

МВладимир Александрович, НЕлена Семеновна

Надежность и безопасность при производстве и применении 
полимерных композиционных материалов

Публикуется в авторской редакции. Оригинал-макет Е. С. Николиной.

Подписано в печать 09.04.2014. Формат 60×88/16. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. 
Усл.печ.л. 7,8. Уч. изд. л. 6,5. Тираж 100 экз. Изд.№ 10211. Заказ № 

Издательство Московского университета. 125009, Москва, ул. Б. Никитская, 5.
Тел.: (495)629-50-91. Факс: (495) 697-66-71. Тел.: (495) 939-33-23 (отдел реализации). 
E-mail:  secretary-msu-press@yandex.ru. 
Сайт Издательства МГУ: www.msu.ru/depts/MSUPubl2005

Отечатано в типографии МГУ, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.15

© Мамонтов В. А., Николина Е. С., 2014
© Издательство Московского университета, 2014
ISBN 978-5-19-010939-9

УДК 681.518:66.022
ББК 30.14.я17
М22 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение……………………………………………………………................6 

РАЗДЕЛ I. Введение в теорию и практику анализа и оценки 
техногенного и экологического риска 

Глава 1. Основы анализа и оценки техногенного и 
экологического риска....................................................................................8 
1.1. Понятия теории безопасности и риска……………….………………...8 
1.2. Основы оценки техногенной опасности…………….…….……….....11 
1.3. Подходы к обеспечению безопасности техногенного объекта….......13 
Контрольные вопросы………………………………………………………15 

Глава 2. Техногенные аварии — реализация 
потенциальной опасности техногенных объектов…………….............16 
2.1. Формирование отказов………………………………………...……....17 
2.2. Влияние внешних факторов среды на конструкционные 
материалы………………………..………………………………….……....19 
2.3. Техногенные аварии, связанные с пожарами………………………...21 
2.3.1. Огнестойкость конструкций и сооружений……………………......22 
Контрольные вопросы...................................................................................24 

Глава 3. Применение теории надежности для оценки 
безопасности технических систем……………………………….............25 
3.1. Основные понятия теории надежности…………………………….....25 
3.2 Связь теории надежности и теории безопасности……………….…...28 
3.3. Технический риск…………………………………………….………...29 
3.4. Теоретические законы распределения отказов……………….............30 
3.5. Логико-графические методы анализа надежности и риска……….....32 
3.6. Использование «Барьерных диаграмм» при 
моделировании безопасности технических систем……………………....34 
Контрольные вопросы ……………………………………………………..35 

Глава 4. Основы оценки эксплуатационной надежности 
технической системы……………………………………………………...36 
4.1. Трение и износ деталей в технических системах………………….....37 
4.2. Физико-механические свойства материалов, 
обеспечивающие эксплуатационную надежность …………………….....38 
4.3. Некоторые аспекты механики разрушения материалов……………..43 
Контрольные вопросы………………………………………………….......45 

Глава 5. Основные опасности при получении 
и применении полимерных композиционных материалов…………..46 
5.1. Пожарная опасность полимерных композиционных материалов…..46 

5.2. Токсическая и экологическая опасность при получении 
и применении полимерных композиционных материалов……….………49 
Контрольные вопросы………………………………………………………53 

Глава 6. Введение в оценку экологической безопасности при 
производстве и применении полимерных композиционных 
материалов………………………………………………………………….54 
6.1. Понятие о «жизненном цикле» химического продукта……………...55 
6.2. Подходы к оценке риска здоровью от воздействия опасных 
химических веществ………………………………………………………...58 
Контрольные вопросы…………………………………………………........63 

Глава 7. Оценка эколого-экономического ущерба..…………………..64 
7.1. Экономическая оценка ущерба от загрязнения окружающей 
среды…..……………………………………………………………………..64 
7.2. Учет экологической составляющей в экономической 
эффективности проекта……………………………………………………..65 
Контрольные вопросы…………………………………………………........67 

РАЗДЕЛ II. Применение полимерных композиционных материалов 
для повышения надежности и безопасности технических систем 

Глава 1. Характеристики эксплуатационной надежности  
полимерных композиционных материалов..................……………......68 
1.1. Особенности разрушения полимерных композиционных 
материалов…………………………………………………………………..72 
1.2. Физико-механические характеристики полимерных 
композиционных материалов, обеспечивающие эксплуатационную 
надежность технических систем…………………………………………...75 
Контрольные вопросы……………………………………………………...80 

Глава 2. Полимерные композиционные материалы для обеспечения 
эксплуатационной надежности технических систем.............................81 
2.1. Антифрикционные и фрикционные материалы………………...........81 
2.2. Полимерные композиционные материалы для защиты 
от коррозии……………………………………………………………….….84 
2.2.1. Защита от коррозии оборудования нефтегазодобывающей 
и нефтеперерабатывающей отрасли………….............................................86 
2.2.2. Защита от коррозии химического оборудования…………………..87 
Контрольные вопросы……………………………………………………...91 

Глава 3. Огнезащитные и уплотнительные композиционные 
материалы……………………………………………………………….….92 
3.1. Огнезащита конструкций и сооружений…………….………………..92 
3.2. Композиционные огнезащитные материалы………………..………..93 
 

3.3. Уплотнительные графитовые материалы……………………………..97 
Контрольные вопросы……………………………………………………....99 

РАЗДЕЛ III. Управление эксплуатационной надежностью и 
экологической безопасностью 

Глава 1. Задачи управления безопасностью и риском при 
получении и применении ПКМ………………………………………...100 
1.1. Защитные меры обеспечения безопасности………………………...101 
Контрольные вопросы………………………………………….................103 

Глава 2. Механизмы государственного регулирования уровня 
экологической и техногенной безопасности…………………………..104 
2.1. Нормативное регулирование техногенной и экологической 
безопасности……………………………………………………………….105 
2.2. Стандартизация и сертификация техногенной и экологической 
безопасности………………………………………………….……………107 
Контрольные вопросы……………………………………………………..109 

Глава 3. Экономические механизмы управления 
техногенным и экологическим риском………………………....…......110 
3.1. Налоговое регулирование…………………………………………….110 
3.2. Роль страхования в управлении техногенным и экологическим 
риском……………………………………………………………………...111 
3.3.Оптимизация затрат на снижение риска......……………………........113 
Контрольные вопросы…………………………………………………….114 

Глава 4. Управление эксплуатационной надежностью полимерных 
композиционных материалов — создание материалов с заданными 
свойствами……...........................................................................................115 
4.1. Управление эксплуатационной надежностью путем 
конструирования композиционных материалов………………………….115 
4.2. Подходы к регулированию свойств полимерных 
композиционных материалов……………………………………………..116 
4.3. Регулирование горючести и огнестойкости полимерных 
материалов……………………………………………………………….....118 
4.4. Подходы к прогнозированию и проектированию свойств 
полимерных конструкционных материалов……………………………..119 
Контрольные вопросы……………………………………………………..123 
Список литературы………..………………………………………….........124 
Словарь терминов……………………………………………………….…126 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Успешное развитие многих сфер экономической и социальной 
жизни во многом зависит от создания принципиально новых, 
высокоэффективных экологически безопасных полимерных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения, обеспечивающих работоспособность, ресурс и надежность в 
условиях эксплуатации взамен или в дополнение к традиционным 
конструкционным материалам – металлам и сплавам. Полимерные 
композиционные материалы в настоящее время широко используются 
во всех областях техники, транспортных средствах, сельском хозяйстве, изделиях бытового, спортивного, медицинского и других назначений. Важной задачей при производстве новых материалов является 
получение перспективных эксплуатационных характеристик материала — эксплуатационных свойств материала, которые позволят 
надежно и эффективно его использовать, в том числе в экстремальных 
условиях. Безотказность узлов и деталей технической системы — 
необходимая основа эксплуатационной надежности и безопасности 
технической системы в целом.  
 
В то же время на протяжении всего жизненного цикла 
инвестиционного проекта производство и эксплуатация продукта 
должны удовлетворять критериям безопасности для технологического 
оборудования, персонала предприятия, качества природной окружающей среды, третьих лиц, в том числе населения, непосредственно не 
вовлеченного 
в 
процесс 
производства. 
Оценка 
надежности, 
безопасности и эффективности производства нового полимерного 
композиционного материала должно проводиться на всех этапах 
жизненного цикла проекта: разработки и конструирования материала; 
получения материала и изделий (конструкций) из него; применения 
полученных изделий (конструкций); утилизации или ликвидации 
изделия (материала) (рис. 1). Основой анализа и оценки безопасности 
и рисков, сопряженных с реализацией проекта, является методология 
анализа, оценки и управления техногенным и экологическим риском. 
 
Настоящее учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов эксплуатационной надежности и экологической безопасности при 
производстве и использовании полимерных композиционных материалов (ПКМ). Предметом анализа безопасности является рассмотрение 
конструкционных особенностей материалов, их физико-химических, 
физико-механических, токсических свойств, обеспечивающих эксплуатационную надежность и экологическую безопасность технических 
изделий. 

Рис.1. Соотношение вопросов безопасности, надежности и эффективности 
при производстве и применении полимерных композиционных 
материалов. 

 
 
 
Управление эксплуатационной надежностью и экологической 
безопасностью конструкций из полимерных композиционных материалов в большой мере основано на разработке способов конструирования 
ПКМ, регулирования, прогнозирования и проектирования свойств 
материалов, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства 
и безопасность на протяжении всего жизненного цикла полимерного 
композиционного материала в различных режимах их эксплуатации и в 
соответствии с действующим в нашей стране законодательством. 
Эффективность принимаемых технических, технологических и управленческих решений по снижению уровня риска будет определяться 
экономической обоснованностью выбираемой системы мер с учетом 
ограниченных материальных и экономических ресурсов. 

 

 

 
 
 
 

РАЗДЕЛ I 

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ И ПРАКТИКУ АНАЛИЗА 
И ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ И РИСКА 

ГЛАВА 1 

ОСНОВЫ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО И 
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА 

 
Целью промышленной безопасности является исключение аварий и техногенных катастроф, а также предотвращение загрязнения 
биосферы и ухудшения качества окружающей среды за счет создания 
безопасных для человека и окружающей среды промышленных технологий и производств, внедрения новых современных материалов. «Безопасность», «надежность», «опасность», «риск», ― основные понятия, используемые в сфере обеспечения промышленной безопасности. 

1.1. Понятия теории безопасности и риска 

Закон Российской федерации «О безопасности» от 25 марта 
1992г. № 2446-1 ФЗ, 1992г. трактует понятие безопасности как «состояние защищенности жизненно-важных интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз». Определения 
понятия безопасность, приводимые в нормативных документах в 
области техногенной безопасности, позволяют трактовать безопасность как состояние защищенности человека и окружающей среды, 
так и как свойство техногенного объекта, причем должны создаваться такие объекты и технологии, чтобы состояние защищенности 
как человека и окружающей среды, так и техногенного объекта 
сохранялось при любых режимах эксплуатации. 
 
Эксплуатация технических систем потенциально опасна, так 
как связана с различными процессами, а последние ― с использованием (выработкой, транспортировкой, хранением и преобразованием) химической, электрической и других видов энергии, накопленной в оборудовании и материалах, непосредственно в человеке и окружающей среде. Опасность техногенного характера рассматривается 
как состояние, внутренне присущее технической системе, промышленному или транспортному объекту, реализуемое в виде поражающих воздействий на человека и окружающую среду. Федеральным 
законом «О промышленной безопасности опасных производственных 
объектов», №116 ФЗ от 21.07.97 г., введено понятие опасного 

производственного объекта (ОПО), как предмета представляющего 
угрозу, прежде всего, жизни и здоровью людей, аварии на которых 
могут 
вызвать 
тяжелые 
последствия 
техногенного 
характера. 
Реализация опасности приводит к прямым или косвенным потерям, 
поражениям, ущербам, убыткам и другим негативным последствиям. 
Ущерб объектам экономики возникает также в результате потери 
устойчивости его функционирования, что приводит к потерям в 
выработке продукции и потерям в бизнесе. Под устойчивостью 
технологической (технической) системы понимается возможность 
сохранения ее работоспособности при чрезвычайной ситуации. 
Событие или ситуация, явление, процесс или объект, которые 
могут потенциально привести к негативным последствиям (ущербам, 
убыткам), называют «источником опасности». Под «фактором опасности» («опасным фактором») понимают определенную составляющую какого-либо опасного процесса или явления, вызванную источником опасности. Фактор опасности (опасный фактор) характеризуется 
физическими, химическими, физико-химическими, биологическими, 
экономическими, социальными и другими параметрами, которые при 
определенных уровнях и условиях их проявления могут привести к негативным воздействиям для здоровья человека и окружающей среды 
(например, токсичные примеси в воздухе и т.п.). 
 
Неблагоприятные последствия для персонала и населения могут иметь место как из-за неблагоприятных эффектов в результате 
действия вредных факторов, сопровождающих нормальную эксплуатацию объекта или формирующихся в результате загрязнения окружа-
ющей природной среды. Вредные факторы (воздействия) приводят к 
ухудшению самочувствия или заболеванию человека при длительном 
их действии. Как правило, вредные факторы характеризуются низкими уровнями, а действуют продолжительное время. К ним относят, 
например, воздействия токсичных веществ, содержащихся в атмосфере, воде, продуктах питания, повышение и понижение температуры 
воздуха и т.д. В случае аварий, как правило, формируются поражающие факторы. Поражающие факторы приводят к травмам, ранениям 
или гибели людей при их однократном действии. Действие поражающих факторов характеризуется случайным моментом возникновения, 
кратковременностью и значительным уровнем воздействия. 
 
Возможность поражения людей и разрушения зданий и соружений зависит от характеристик ситуации и объекта воздействия, от 
которых в большой мере зависит величина риска. Важнейшими из них 
являются подверженность объекта риску (воздействие со стороны источника опасности), и уязвимость (стойкость) объекта. Подверженность риску представляет собой характеристику ситуации, из–за которой может возникнуть ущерб, или другие формы реализации опасности. Уязвимость — это определенный уровень подверженности 

объекта (технический объект, человек, экологический объект и др.) 
той или иной угрозе. Уязвимость характеризует чувствительность 
объекта к определенным опасным факторам. В широком смысле под 
уязвимостью понимают свойство материального объекта утрачивать 
способность к выполнению функций в результате внешних воздействий 
)
(U
.  
 
Один из методов оценки уязвимости основан на понятии 

критической нагрузки 
кр
U
. Критическая нагрузка, начиная с которой 

наступает разрушение, равна 
кр
кр
u
u
≡
′
. Критическая нагрузка 

характеризует стойкость (например, сейсмостойкость) объекта к 
внешним воздействиям. Стойкость – это свойство объекта сохранять 
свои параметры в пределах установленных допусков и выполнять свои 
функции во время и после действия внешних нагрузок. 
 
Важное свойство объектов воздействия, от которого в большой степени зависит их уязвимость — это «защищенность». Защищенность ― это способность объекта противостоять поражающим 
воздействиям, ослабляя их интенсивность. Защищенность обычно характеризуется коэффициентом ослабления внешних воздействий. Количественно степень защищенности оценивают на основании коэффициентов защиты (
E
k
), определяемых на основании изменения 
величины потока энергии (то есть отношения потока энергии при 
отсутствии защитного устройства к потоку энергии при наличии 
защитного устройства, либо на входе в защитное устройство и выходе 
из него). Уменьшая вероятность осуществления угроз, уровень уязвимости (или увеличивая уровень стойкости), повышая защищенность 
можно значительно снизить величину возможного ущерба. 
 
Интегральным (исчерпывающим) критерием для оценки опасности и основным показателем опасности является риск. Являясь мерой актуализированной опасности, риск отражает, с одной стороны, 
степень опасности ситуации, а, с другой стороны, позволяет судить о 
безопасности защищаемого объекта. Риски, связанные с опасностями, 
исходящими от технических объектов, называют «техногенными рисками». В области обеспечения техногенной (промышленной) безопасности понятие «риск» определяется как мера количественного измерения опасности, представляющая собой многокомпонентную величину, определенную на основе статистических данных, теоретико-вероятностных методов, логико-вероятностных и имитационных моделей. Оценка риска включает количественные показатели ущерба 
)
(W  
от воздействия того или иного опасного фактора, вероятности (частоты) 
)
(P  возникновения ущерба от рассматриваемого опасного 
фактора, а также неопределенности в величинах ущерба и вероятности. В случае аварий вектор техногенного риска 
W
P
R
  
 
 
 
⋅
=
заключает