МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра "Машины и аппараты химических производств"
Тема: "РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ"
автор А.Л.Павлюк, научный руководитель-проф. А.С. Парфенюк.
Донецк 2002
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы: разработка единой методики аналитической обработки информации об авариях, разработка критериев техногенной безопасности технологического комплекса для стадии проектирования.
В химических производствах используется и перерабатывается большое количество горючих и взрывоопасных материалов, поэтому неизбежно возрастает потенциальная опасность взрыва большой разрушительной силы, приводящих к травмам обслуживающего персонала, наносящих значительный мат6ериальный ущерб народному хозяйству.
Углубленное изучение характерных опасностей типовых химико-технологических процессов, которые составляют каждое конкретное производство, является наиболее рациональным направлением к разработке эффективной техногенной безопасности.
Всесторонняя характеристика взрывоопасности химико-технологических процессов и требования к повышению их взрывозащиты должны основываться на статистических данных об авариях и неполадках, происходящих и выявленных в процессе длительной эксплуатации таких и подобных процессов.
Для этого необходима единая методика аналитической обработки информации об авариях, на основании которой должны разрабатываться соответствующие меры по повышению надежности и безопасности соответствующих технических средств, а также планы локализации и ликвидации аварийных ситуаций и аварий и снижение тяжести их последствий.
АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННЫХ УГРОЗ И ТЕНДЕНЦИИ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ
За последние годы на производственных площадях химических предприятий необоснованно сосредоточены огромные массы взрывоопасных и токсичных продуктов, значительно возросло число потенциально опасных объектов, аварии на которых начали иметь все более угрожающий характер, уничтожающе воздействуя на людей и окружающую среду.
В Украине в период с 1997 до конца 2000 года при разных чрезвычайных ситуациях пострадало около 14,2 тыс. человек, из них погибло примерно 2,6 тыс. человек /1/. За это время (рис. 1) зарегистрировано примерно 6,4 тыс. чрезвычайных ситуаций, в том числе около 2000 техногенного и 1000 природного характера.
Рисунок 1. - Динамика изменений чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера в период 1997-2000 г.
Наличие в Украине развитой промышленности, высокая ее концентрация в отдельных районах, большие промышленные комплексы, большинство из которых потенциально опасные, развитая сеть транспортных коммуникаций, в том числе нефте-, газо- и продуктопроводов, большое количество энергетических объектов, использование в производстве значительного количества потенциально опасных веществ - все это увеличивает вероятность возникновения техногенных ЧС, которые содержат в себе угрозу для человека, экономики и окружающей среды.
Ежегодно регистрируется до 500 чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Благодаря принятым мерам снижения чрезвычайных ситуаций техногенного характера в последние годы ситуация кое-как стабилизировалась, но остается очень угрожающей. Наибольшее количество чрезвычайных ситуаций техногенного характера возникает в Донецкой, Луганской, Днепропетровской, Запорожской, Львовской, Одесской областях, а наибольшее число погибших вследствие чрезвычайных ситуаций техногенного характера зарегистрировано в Донецкой, Луганской, Днепропетровской, Одесской областях. Каждый год вследствие техногенных чрезвычайных ситуаций государство получает значительные убытки. Так, за период 1997 - 2000 г. их сумма составила около 205 млн. грн.
Основные причины возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера в Украине являются:/5/
неудовлетворительное выполнение и нарушение требований технологии производства при значительном моральном и физическом износе большинства основных производственных фондов предприятий Украины;
неудовлетворительное материально-техническое обеспечение производства, низкий уровень культуры производства;
неудовлетворительное состояние хранения, утилизации и переработки отходов;
игнорирование экологических факторов, требований государственных и отраслевых стандартов, техники безопасности, других норм;
недостаточное внимание руководителей соответствующих органов государственного управления, предприятий, а также их ответственность за проведение комплекса предупреждающих мероприятий, направленных на предотвращение возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера и уменьшения их негативных последствий.
Для понимания проблемы и разработки практических мер предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера и ограничения их поражающей способности необходима систематизация крупномасштабных аварий по источникам энергии и условиям аварийного высвобождения. Подробный анализ возникновения и развития событий позволяет выделить систему общих и частных факторов опасностей, которые следует учитывать при проектировании новых производств, усовершенствовании действующих и разработке нормативно-технической документации.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ
Проектирование - важнейший этап "жизненного цикла" оборудования, на котором закладываются его основные параметры, обеспечивающие надежную и стабильную работу. Достижение этих параметров связано с определенными затратами, влияющими на срок окупаемости и другие экономические показатели, отражающиеся на эффективности функционирования оборудования. Поэтому необходимо создавать такие конструкции оборудования, при которых обеспечивается максимальная эффективность его функционирования в течении всего "жизненного цикла" с учетом оптимального соотношения затрат на проектирование и изготовление, с одной стороны, техническое обслуживание, ремонт (ТОиР) и эксплуатацию - с другой. Определяющим условием достижения высокой эффективности функционирования является необходимый уровень базовой и эксплуатационной надежности оборудования. Обеспечение надежности в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации связано с тремя основными видами затрат на всех этапах его "жизненного цикла": затраты на проектирование и изготовление; модернизацию; техническое обслуживание и ремонт /2/. Теоретически можно достигнуть неограниченно большой надежности оборудования. Однако в этом случае общие затраты на ее достижение могут оказаться настолько большими, что в итоге снизят эффективность функционирования до неприемлемого уровня.
На рисунке 2 показано изменение составляющих общих затрат в зависимости от заданной величены надежности. Кривая 1, характеризующая затраты на проектирование и изготовление оборудования, показывает, что с увеличением надежности эти затраты возрастают, причем наиболее резкий рост наблюдается, начиная с величины надежности, равной 0,75 - 0,80. Затраты на ТОиР (кривая 2) с увеличением надежности сокращаются и стремятся к нулю при достижении надежности, равной 1,0. Затраты на модернизацию оборудования (кривая 3) уменьшаются с увеличением надежности. Общие затраты (кривая 4) на достижение заданной надежности равны сумме указанных составляющих затрат. Кривая 5, характеризует общие затраты без учета затрат на модернизацию. Кривые 4 и 5 имеют характерный минимум, который соответствует оптимальной надежности, обеспечивающей эффективное функционирование оборудования. Однако в случае, когда базовая надежность недостаточна и для достижения требуемой эксплуатационной надежности необходима модернизация оборудования, общие затраты и оптимальный уровень эксплуатационной надежности, требуемые для поддержания эффективного функционирования, оказываются выше. В этом случае оптимальный уровень эксплуатационной надежности составляет 90% против 70%, когда потребность в модернизации отсутствует. Так как базовая надежность конструкции выбирается с учетом суммарной экономичности, то из приведенного сравнения можно сделать вывод, что целесообразно увеличить расходы на проектирование и изготовление оборудования с целью сокращения затрат на последующую модернизацию. В этом случае, во-первых, общие затраты уменьшаются на 20 - 40%, во-вторых, требуемый уровень надежности, при котором обеспечивается необходимый уровень эффективности функционирования оборудования, может быть на 15 - 20% меньше уровня при низкой стоимости проектирования и изготовления и необходимости модернизации.
Рисунок 2. - Изменение составляющих общих затрат в зависимости от заданной величены надежности.
Для иллюстрации влияния стоимости проектирования и изготовления на общие затраты на рисунке 3 проведены три вертикали (I, II, III), соответствующие различным конструкциям машины, предназначенной для выполнения одинаковых функций. Конструкция I характеризуется низкой стоимостью проектирования и изготовления, однако вследствие больших затрат на техническое обслуживание и ремонты, вызванные низкой базовой надежностью, общие затраты оказываются выше, чем у конструкций II и III с более высокой базовой надежностью. Оптимальной является конструкция II, обеспечивающая минимальные общие затраты. Конструкция III не экономична, не смотря на высокий уровень базовой надежности. Минимум общих затрат главным образом определяет так называемый эффективный уровень капиталовложений. Бурное развитие промышленности в последние годы и связанное с ним увеличение затрат на производство требует анализа эффективности капиталовложений при создании новых конструкций и оборудования. Сущность этого анализа заключается в принятии такого конструктивного решения, при котором обеспечивается получение максимальной эффективности от общей суммы затрат на проектирование, изготовление, ТОиР за весь срок службы оборудования. Анализ эффективности капиталовложений позволяет принять такие решения, при которых ограниченные ресурсы используются наилучшим образом. Необходимость такого анализа обусловлена усложнением оборудования, повышением стоимости его изготовления и требований к его качеству; ускорением темпов замены действующего оборудования новым, более производительным, то есть сокращением срока наступления морального износа; высокой стоимостью исследований и разработок; возрастанием стоимости энергии и сырья и некоторыми другими факторами. Кроме анализа общих затрат на изготовление и эксплуатацию отдельных видов оборудования, анализ эффективности капиталовложений учитывает также общие затраты на эксплуатацию агрегатом, в который оно входит. Это позволяет обеспечить такую надежность отдельных видов проектируемого оборудования, при которой достигается требуемый уровень надежности агрегата.
Анализ эффективности капиталовложений учитывает технический уровень технологии и стоимость изготовления, технического обслуживания и ремонта (надежность), эксплуатации (рациональность конструкции и стоимость выпускаемой продукции) и другие факторы, поэтому в проведении анализа должны участвовать и конструкторы, и эксплуатационники. Очевидно, назрела необходимость создания при крупных промышленных предприятиях специальных групп экономического обеспечения проектирования, состоящих из высококвалифицированных инженеров, прошедших специальный курс экономической подготовки. Это, в конечном счете, поможет обеспечить создание высоконадежных конструкций оборудования и максимальную эффективность капиталовложений.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ
Качество проектирования, определяемое главным образом соответствием оборудования требованиям выполняемого технологического процесса и необходимым уровнем базовой надежности, во многом зависит от правильного понимания структуры агрегатов, знания особенностей и условий их эксплуатации, а также устройств и элементов, из которых они состоят.
Агрегат представляет собой систему (комплекс) взаимосвязанных технологическим процессом устройств, обеспечивающих выпуск продукции. Эта взаимосвязь может выражаться в электрических или механических связях, в транспортных потоках жидких материалов или сырья. /2/.
Процесс проектирования можно разделить на три основных этапа:
На первом этапе разработку общей схемы агрегата необходимо начинать с выбора технологического процесса и определения последовательности технологических операций. На основании выбранной последовательности операций следует разрабатывать схематический план расположения установок и оборудования (эскизный проект), выбирать их тип и определять основные параметры - размеры, мощность, производительность и т.д. Затем следует преступить непосредственно к разработке конструкций оборудования, технологических аппаратов, установок и передаточных устройств. После завершения проектирования отдельных устройств необходимо создать окончательные рабочие чертежи плана расположения установок и оборудования.
При разработке общей схемы агрегата, как правило, возможно несколько вариантов ее осуществления, обеспечивающих эквивалентные технологические решения. Поэтому для обеспечения максимальной надежности агрегата необходимо на этом этапе выбрать такой вариант, при котором условия работы оборудования будут наилучшими. Следует отметить, что этот этап не требует больших затрат; при принятии правильного технологического решения создается возможность обеспечить надежность без больших затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт.Вопрос о выборе технологической схемы агрегата следует рассматривать обязательно с учетом особенностей эксплуатации, т.е. проанализировать условия эксплуатации оборудования при заданном технологическом процессе, и влияние предшествующих процессов на его работу.
Таким образом, одним из эффективных направлений решения проблемы надежности на первом этапе проектирования является совершенствование организации технологических процессов - как предшествующих, так и осуществляемого данным агрегатом. Наряду с этим следует учитывать, что если изменение технологического процесса связано с большими затратами, не компенсируемыми улучшением функционирования оборудования и сокращением затрат на ТОиР, оно нецелесообразно.
На втором этапе проектирования необходимо прежде всего выбрать такие конструкции оборудования, аппаратов и установок, чтобы основные требования, предъявляемые к ним, достигались наиболее экономичным, надежным и простым способом. Большое внимание должно быть уделено выбору оптимальных конструкций отдельных деталей и узлов и тщательной разработке детальных чертежей, так как именно на этой завершающей стадии проектирования и происходит обычно наибольшее число ошибок.
При проектировании механического оборудования необходимо учитывать характер разрушений, которые в основном можно разделить на два вида:
аварийное, связанное с опасностью для персонала, простоями и последующими потерями производства, вызываемое большими перегрузками вследствие нарушения технологической дисциплины, избыточными вибрациями или несоответствием конструкции назначению. Этому разрушению подвергаются, как правило, незначительно изношенные детали, момент разрушения которых почти невозможно предсказать заранее. В таком случае обычно не удается быстро ликвидировать неисправность и необходим дорогостоящий восстановительный ремонт;
постепенное, возникающее вследствие износа, коррозии, ползучести, пластической деформации, усталости и т.д.
Такое разрушение может быть обнаружено до аварийной поломки. Для его ликвидации принимают соответствующие меры по ремонту или замене узла в процессе работы агрегата или во время запланированной остановки на ремонт. В связи с этим на втором этапе, кроме обеспечения соответствия оборудования технологическому назначению, необходимо предусматривать создание таких конструкций, при которых исключается возможность аварийного разрушения. Для этого в конструкцию оборудования включают различные устройства для защиты от перегрузок, а также отключающих и сигнализирующих устройств и т.д. Предупреждение постепенного разрушения достигается в основном различными методами упрочнения, улучшением условий смазки и т.д. Если применение таких методов невозможно или оказывается дорогостоящим, то следует предусматривать максимальную ремонтопригодность быстро изнашиваемых узлов и деталей для их быстрой замены. В некоторых случаях необходимо резервировать дополнительное количество узлов и деталей, вероятность выхода из строя которых велика. Однако это связано с увеличением капитальных затрат и целесообразно лишь, когда другие методы предупреждения разрушений не дают положительных результатов.
Эффективным способом предупреждения наступления критического состояния узлов и деталей является непрерывный контроль их состояния в процессе эксплуатации, осуществляемый с помощью различных приборов и устройств для измерения вибрации и температуры, загрязнения и изменения физико-химических свойств смазок и др. Одним из необходимых принципов проектирования на втором этапе является применение в проекте известных или новых приспособлений и устройств для инспектирования и обслуживания оборудования. На этом этапе также необходимо выполнить анализ возможных и особенно трудоемких и опасных ремонтных работ и предусматривают максимальную унификацию основных узлов и деталей и другие мероприятия, способствующие достижению высокой базовой надежности.
Разрушение технологических аппаратов и установок, в отличие от разрушений механического оборудования, носит иной характер и наступает вследствие коррозии, эрозии, износа футеровки, нарушение герметичности, перегрева или избыточного давления. Поэтому надежность этих устройств при проектировании следует повышать рациональным выбором материалов, резервированием установок, применением блокировок и различных сигнализирующих приспособлений. Предохранительные устройства на системах, транспортирующих жидкости и газы, позволяет точнее контролировать параметры установок. Так как разрушения вспомогательного оборудования металлоконструкций обычно происходит вследствие взаимодействия с механическим оборудованием, например, при больших вибрациях, то и проектирование их обычно необходимо осуществлять одновременно.
На третьем этапе, разрабатывая передаточные устройства, прежде всего необходимо устанавливать принципиальную схему и выбирать соответствующее гидравлическое, транспортное и другое оборудование и аппаратуру. Это следует выполнять одновременно с проектированием механического оборудования, связанного с устройствами, поддерживая тесную связь между соответствующими конструкторскими подразделениями. Как и на втором этапе, следует анализировать условия работы передаточных устройств и предусматривать меры по обеспечению их надежности. При этом, как и при проектировании механического оборудования, необходимо учитывать особенности разрушения передаточных устройств, которое можно разделить на два основных типа:
механическое, вызываемое избыточным давлением, утечками и загрязнением энергоносителя, приводящими к быстрому выходу из строя элементов устройств; такие отказы часто вызывают аварийную остановку связанного механического оборудования или даже всего агрегата;
постепенное, происходящее вследствие износа и обычно сопровождаемое утечками энергоноситель через образовавшиеся неплотности и снижением скорости и мощности гидро- или пневмоприводов; это разрушение довольно часто остается незамеченным при режимах, не достигающих критических.
Основным средством борьбы с разрушением первого типа является применение быстродействующих приборов обнаружения мест разрушения. Для этого предусматривают контрольные точки для замера давлений, расходов, температуры и соответствующую контрольную и регулирующую аппаратуру. Определением контрольных точек и аппаратуры значительно упрощается, если в соответствии с технологическим назначением предварительно правильно выбрано оборудование передаточных устройств. Разрушение второго типа (прогрессирующее) можно легко обнаружить контролем параметров основных элементов передаточных устройств, например, скорости перемещения и усилия на плунжере гидропривода. Для этого в проекте предусматривают соответствующую аппаратуру.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ
Достижение высокой техногенной безопасности оборудования обеспечивается контролем базовой надежности и применением различных методов конструирования, а также учетом факторов инженерной психологии, обеспечивающих в конечном итоге максимальную надежность системы человек-машина /2/.
Контроль надежности включает три основные стадии:
Первая стадия - предварительный сравнительный анализ надежности различных вариантов конструкции, в результате которого выбирают окончательный вариант.
Вторая стадия - анализ надежности окончательного варианта конструкции оборудования.
Третья стадия - испытание опытного образца оборудования и сравнение данных испытаний с результатами контроля надежности на второй стадии для установления соответствия расчетной и базовой надежности, определенной на основании испытаний.
Одним из методов повышения надежности при отсутствии ограничений в массе, объеме и стоимости конструкции является создание больших запасов прочности. Для оборудования запасы прочности могут достигать десятикратных. К методам достижения высокой надежности относятся упрощение и стандартизация элементов оборудования. Уменьшение числа деталей или различных типов используемых деталей всегда способствует повышению надежности. Стандартные детали и узлы, отработанные в процессе эксплуатации на других видах оборудования, обычно характеризуются высокой вероятностью безотказной работы. Конструкция оборудования должна быть такой, чтобы неправильная сборка или неверное его использование были невозможными или, по крайней мере, затруднительными, что, в свою очередь, делает невозможными аварии по этой причине. Если предусмотрена замена узла, то следует предусмотреть также необходимые для этого средства и использование персонала по возможности более низкой квалификации /2/. Для повышения надежности важно, чтобы в проекте учитывалось проведение различных испытаний конструкции на заводе изготовителе и в производственных условиях. Конструктор должен так выбирать принцип действия, схему оборудования и его узлов, чтобы они могли быть подвергнуты полным неразрушающим функциональным испытаниям. Нужно также предусмотреть возможность контроля основных размеров конструкции, точности обработки поверхностей и других параметров, ухудшающихся в процессе эксплуатации, а для узлов одноразового пользования (подшипники качения, уплотнения и т.д.), проверка которых затруднена, заведомо более высокую надежность /6/. Если конструкция требует применения специальных технологических процессов или методов изготовления, это четко отражается в чертежах и технических условиях, содержащих, кроме того, сведения относительно организации системы контроля процессов и качества изготовления. Опыт показывает, что во многих случаях пренебрежительное отношение к свойствам оборудования, достижение которых в процессе изготовления сопряжено с большими сложностями, является источником его отказа в процессе эксплуатации /3/. Важным методом, используемым для достижения высокой надежности, является резервирование. Один из методов резервирования заключается в применении дублирующих устройств, установленных в потоке параллельно. Поскольку при таком методе необходимо увеличить количество оборудования и пространство для его установки, конструкторы стремятся по возможности уменьшить его массу и габариты. Это иногда приводит к тому, что надежность резервируемой системы оказывается ниже, чем не резервируемой. В этих условиях целесообразно отказаться от резервирования и стремиться усилить устройства, защищающие оборудование от воздействия отрицательных факторов. И наконец, так как резервирование всегда связано с увеличением стоимости оборудования, а также расходов на его техническое обслуживание, учитывая, что эти показатели являются весьма высокими, применение этого метода обязательно должно сопровождаться экономическим анализом резервированной и нерезервированной конструкций за весь период "жизненного цикла" оборудования.
РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
К решению задач техногенной безопасности предложены следующие комплексные критерии, имеющие вероятностный характер:
Критерий потенциала опасности (P).
Критерий состояния (Q).
Критерий потенциала опасности является функциональной величиной, в который входит ряд параметров (энергетический потенциал, токсичность, химический потенциал и др.). Основными показателями опасного объекта является энергия и параметры, производные от нее, такие как мощность, поток энергии, энергоемкость и т.д.
Критерий состояния также является функциональной величиной, в которую входят ряд параметров (вероятность отказа объекта, наработка на отказ, влияние расположения объекта в пространстве и др.), которые в основном определяются путем применения теории вероятности.
Один из важных вопросов в решении проблемы техногенной безопасности - это правильно оценить потенциал опасности и вероятность реализации этой опасности.
Таким образом, уровень техногенной опасности (U) объекта можно представить в виде выражения:
,
где P - критерий потенциала опасности; Q - критерий состояния объекта (вероятность реализации потенциала опасности).
Очевидно, что общий уровень техногенной опасности технологического комплекса будет представлен выражением:
,
где Ui - уровень техногенной опасности по какому-либо i-тому нормируемому показателю; n - количество нормируемых показателей для данной категории объектов.
Поскольку критерии P и Q являются комплексными, то их анализ для единичного объекта или технологического комплекса на основе большого объема реальных данных позволит научно обосновать систему эффективных мероприятий, направленных на обеспечение необходимого уровня техногенной безопасности на стадии проектирования по двум основным направлениям: снижение потенциала опасности и уменьшение вероятности его реализации.
ВЫВОДЫ
Обеспечение техногенной безопасности на стадии исследования и проектирования представляется в виде ряда задач:
разработка технологического процесса с требуемым уровнем техногенной безопасности;
конструирование технологического оборудования, удовлетворяющего требованиям техногенной безопасности;
оптимизация структуры технологического комплекса с учетом возможных отказов, выбросов, аварий;
разработка эффективных средств защиты человека и окружающей среды от техногенного воздействия.
При этом учитывается необходимость применения единых научных методов оценки и анализа техногенной безопасности объектов на стадии проектирования.
К решению задач техногенной безопасности предложены комплексные критерии:
Критерий потенциала опасности (P).
Критерий состояния (Q).
При использовании этих критериев определяется уровень техногенной опасности объекта (U).
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК