Анализ риска конвейерных систем для перегрузки опасных грузов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 658.382.3: [656.615.073.436.6:661.2]

ББК 39.484.04-5Н6:[39.484.88:35.212]

А. А. Тверигин

АНАЛИЗ РИСКА КОНВЕЙЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕРЕГРУЗКИ ОПАСНЫ1Х ГРУЗОВ

A. A. Tverigin

RISK ANALYSIS OF CONVEYOR SYSTEMS FOR HANDLING OF DANGEROUS GOODS

Один из основных грузов, перегружаемых в Астраханской области, - гранулированная и комовая сера. Очевидно, что на портовом перегрузочном комплексе должны соблюдаться правила безопасности, нарушение которых может привести к значительной экологической катастрофе. Идентифицированы опасные факторы при перегрузке серы конвейерами, проведена количественная оценка риска возникновения аварийной ситуации методом дерева отказов.

Для этого была построена логико-графологическая модель опасных событий и в соответствии с теоремами булевой алгебры рассчитана вероятность возникновения аварии. По результатам исследований выявлены основные элементы, обусловливающие вероятность возникновения аварийной ситуации.

Ключевые слова: безопасность, опасные грузы, перегрузочный процесс, анализ риска, дерево отказов, идентификация.

One of the main cargos transported in the Astrakhan region is granular and lump sulfur. Obviously, port handling complex must comply with safety rules, the violation of which could result in significant environmental disaster. The paper identifies hazards while loading sulfur using pipelines; a quantitative risk assessment of an emergency by the fault tree is made. For this purpose a logic-graphological model of hazardous events is designed and in accordance with the theorems of Boolean algebra the probability of an accident is calculated. On the basis of the results of the research the basic elements which call forth the probability of an accident, are found.

Key words: safety, dangerous goods, handling process, risk analysis, fault tree, identification.

Одним из основных грузов, перегружаемых в Астраханской области, является гранулированная и комовая сера, относящаяся к категории «Легковоспламеняющиеся твердые вещества» (класс опасного груза 4.1 ГОСТ 19433-88 [1]), которая накопилась в объеме до 6 млн т в условиях ООО «Газпром добыча Астрахань» и подлежит международной перевозке из портовых предприятий по Волго-Донскому водному пути через Черное море к европейским рынкам сбыта. Очевидно, что портовый перегрузочный и водный перевозочный процессы серы должны соответствовать Правилам безопасности при перевозке опасных грузов железнодорожным транспортом [2], Правилам перевозки опасных грузов автомобильным транспортом (ДОПОГ) [3], Правилам морской перевозки опасных грузов (МОПОГ) [4], нарушение которых может привести к значительной экологической катастрофе. В частности, в августе 2012 г. судно «Капитан Скачков» с 5 тыс. т серы, загруженной в порту ООО «Бузан-порт», село на мель на р. Волге между селами Речное и Замьяны в 70 м от берега, что вызвало справедливое беспокойство МЧС по двум причинам: во-первых, инцидент произошел вблизи магистрального трубопровода; во-вторых, оказался возможным выброс серы в р. Волгу. Инцидент исчерпан благодаря снятию груза серы с судна.

Сера комовая поставляется производителем по ГОСТ 127.1-93 «Сера техническая -газовая, жидкая и комовая» [5], класс груза - Н-СК; группа С2лс по ГОСТ 24599-87 «Характеристика грузов, зачерпываемых грейферами» [11]; идентификационный номер по перечню

ООН - 1350; насыпная плотность g = 1,16_________1,40 т/м . Сера гранулированная поставляется

по ТУ-51-31323949-67-02, класс груза - Н-СК; насыпная плотность g = 1,04_ 1,35 т/м3; группа С2лс по ГОСТ 24599-87; идентификационный номер по перечню ООН - 1350.

Перегрузка серы конвейерными системами - это сложный и ответственный комплекс мероприятий (рис. 1) с наличием множества неопределенностей. Руководству портового предприятия необходимо обеспечить безопасность перегрузки серы, т. к. в работе задействованы транспортирующие машины и людские ресурсы, а возможные чрезвычайные ситуации, связанные

с запылением и горением серы, наносят существенный вред здоровью людей и окружающей среде. Эти факторы требуют предъявления особых мер промышленной безопасности к технологии портового перегрузочного процесса серы.

Рис. 1. Конвейер КПЛН-26АМ: а - общий вид сооружения конвейера; б - автомобильное приемное устройство (АПУ); в - циклон для очистки зоны АПУ от запыления серой; г - конвейерная лента системы КПЛН-26АМ

Для разработки организационно-технических мер, способствующих обеспечению промышленной безопасности, необходимо провести количественную оценку риска возникновения аварийной ситуации [7]. Особое место при проведении оценки риска занимает идентификация опасных факторов. В связи с этим, в целях обеспечения безопасности перегрузочного процесса, следует идентифицировать все опасные факторы, возникающие при перегрузке серы, по ГОСТ 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» [8].

К химическим опасным производственным факторам относятся токсические и раздражающие факторы продуктов горения серы либо взрыва воздушной пыли, обусловленные выделением сернистого ангидрида ^О2, двуокись серы), который является бесцветным газом с удушливым запахом, его ПДК в рабочей зоне производственных помещений - 10 мг/м3, пороговая токсодоза - 1,8 мг-мин/л, смертельная токсодоза - 27 мг-мин/л. Класс опасности - 4. Плотность по отношению к воздуху - 2,213, растворим в воде. Коэффициент растворимости при температуре 20 °С - 43,26. Другим поражающим фактором является сероводород (Н28) - бесцветный газ с неприятным запахом тухлых яиц, который ощущается при очень малых концентрациях. ПДК сероводорода в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м3. Класс опасности - 2. При больших концентрациях, свыше 200 мг/м3, сероводород не ощущается, т. к. вызывает паралич дыхательного нерва, что увеличивает опасность отравления. Сероводород тяжелее воздуха. Удельный вес по отношению к воздуху 1,19, поэтому при безветренной погоде сероводород скапливается в низких местах. Сероводород растворим в воде и выделяется из раствора при нагревании. Температура самовоспламенения Н28 - 260 °С.

Перегрузочный комплекс на основе конвейера КПЛН-26АМ с позиции системного подхода представляет сложную техническую систему (рис. 2), характеризующуюся наличием множества опасных факторов. Процесс бункеровки серы, осуществляемый выгрузкой из кузова АТС в приемочное устройство конвейера, опасен из-за пыления серы и возможности опрокидывания АТС в бункер [9].

Рис. 2. Узлы конвейера КПЛН-26АМ: а - узел крепления роликовой подвески к конвейерной ленте; б - приводная станция конвейера; в - металлоконструкция узлов крепления направляющих труб; г - механизм подъема раздаточной трубы

Безопасность конвейера КПЛН-26АМ зависит от обеспечения исправности его различных узлов. Основной вклад в наличие неопределенностей вносит резинотканевая лента, транспортирующая опасный груз, которая может разрушиться или воспламениться из-за нарушения условий эксплуатации [10]. Ответственным элементом являются так же роликовые подвески, обеспечивающие движение ленты желобом. Трещины, возникающие в металлоконструкции конвейерного става вследствие действия динамических нагрузок (рис. 3, а), также влияют на безопасность перегрузочного процесса опасных грузов.

а б

Рис. 3. Нарушение эксплуатации конвейера КПЛН-26АМ: а - вибрация направляющих труб с амплитудой Атр = 4 мм и вертикальной стойки конвейерного става с амплитудой Аст = 5 мм; б - извлеченные из гранулированной серы фракции посторонних предметов:

прутьев металла, резины, кусков бетона

Посторонние предметы (рис. 3, б) в сере часто забивают раздаточную трубу, что приводит к завалу приемочного устройства и возникновению нерасчетных нагрузок. Наличие этих факторов может привести к потере устойчивости опорных конструкций конвейера КПЛН-26АМ и их обрушению, что вызовет экологическую катастрофу с заражением прилегающих территорий и гибель персонала предприятия.

Механизм подъема раздаточной трубы представляет собой сложную конструкцию, что вносит неопределенность в формирование грузового плана судна. Возможная потеря работоспособности механизма подъема может привести к неравномерной нагрузке на борта судна вследствие завала одного борта серой (рис. 4, а), что может послужить причиной опрокидывания судна.

Рис. 4. Формирование грузового плана судна: а - заполнение трюма судна серой при развороте раздаточной трубы; б - штивовка серы грейфером в трюме судна

Опасность представляет штивовка серы (рис. 4, б), поступившей из раздаточной трубы, грейфером в трюме судна. Причиной опасности является наличие вероятности зацепления грейфера за подпалубное пространство судна [11], что приведет к опрокидыванию крана и возникновению чрезвычайной ситуации, которая повлечет за собой травмирование и гибель персонала. Во время штивовки происходит также пыление серы, что является взрывоопасным фактором.

В процессе анализа технической системы КПЛН-26АМ при идентификации опасных факторов перегрузки серы было выявлено, что возможные опасности различны по природе возникновения, процессу протекания и возможным последствиям [12]. При таких условиях для разработки рекомендаций по управлению риском возникновения аварийной ситуации и сравнения их пользы необходимо при оценке риска использовать количественные методы, среди которых господствующее положение занимает метод дерева отказов.

Дерево отказов (ДО) [13] - это графологическая иерархическая схема, используемая для анализа возможных причин возникновения отказов и аварийной ситуации и расчета их частоты на основе знания интенсивностей отказов исходных событий, позволяющая определять комплекс экстремальных позиций (ответвлений), ведущих к нежелательному аварийному событию, и исследовать результат применения альтернативных мер безопасности и способов резервирования. Иерархическая скелетная структура ДО состоит из нескольких уровней, каждый из которых является отказом элемента объекта определенной сложности или событием значимости определенного уровня.

Для вероятностного анализа безопасности технической системы КПЛН-26АМ, перегружающей гранулированную серу, были рассмотрены и построены ДО для двух наиболее опасных аварийных событий: «Разрушение конвейерной ленты» и «Возгорание серы».

Для расчета вероятности возникновения аварийной ситуации методом дерева отказов для события «Разрушение конвейерной ленты» необходимо выявить исходные события, способствующие развитию аварии, и назначить им интенсивности отказов (табл. 1) [14].

Таблица 1

Интенсивность отказов основных исходных событий события «Разрушение ленты» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ

Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год

е1 Запыление 2 г/м3 1,00Е-05 е14 Отказ раздаточной трубы 1,00Е-05

е7 Дефект ленты 5,00Е-05 е15 Отказ натяжного винта 5,60Е-06

е9 Отказ электрической части комплекса 6,30Е-06 е16 Перенатяжение ленты человеком 1,00Е-05

е10 Отказ тормоза 6,00Е-06 е22 Отказ направляющих труб 1,00Е-06

е11 Отказ роликовой подвески 1,00Е-05 е23 Отказ быстроходной муфты 3,00Е-06

е13 Отказ приводного барабана 5,00Е-05 е27 Износ ленты 4,00Е-06

На следующем этапе необходимо построить логико-графологическую модель для события «Разрушение конвейерной ленты», используя операторы логики «И», «ИЛИ» и т. д. (рис. 5).

В соответствии с теоремами булевой алгебры [15] для события «Разрушение конвейерной ленты» рассчитывается вероятность возникновения аварии (табл. 2, рис. 6).

Таблица 2

Результаты расчета методом дерева отказов события «Разрушение конвейерной ленты» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ

Обозначение Описание события Ве| юятность отказа за срок, лет

г = 2 г = 4 г = 6 г = 8 г = 10

А1 Возгорание (пожар) ленты 0,00140 0,00537 0,01163 0,01990 0,02994

А2 Натяжение ленты, превышающее предельную нагрузку 0,46706 0,72263 0,85642 0,92566 0,96144

А3 Разрушение при наличии концентратора 0,02259 0,06697 0,11546 0,16211 0,20541

В1 Остановка во время ускоренного обратного хода ленты 0,02461 0,07093 0,11982 0,16589 0,20830

В2 Отказ металлоконструкции става 0,06275 0,12155 0,17667 0,22833 0,27675

В3 Отказ натяжной станции 0,10881 0,20578 0,29220 0,36922 0,43786

В4 Отказ отклоняющих барабанов 0,03961 0,07765 0,11419 0,14927 0,18297

Г Наличие концентратора напряжений на ленте 0,48191 0,73158 0,86093 0,92795 0,96267

Д Отказ привода 0,52519 0,77492 0,89346 0,94964 0,97622

Ж1 Отсутствие сопротивления вращению вала электродвигателя 0,00085 0,00328 0,00718 0,01240 0,01882

Ж2 Отказ механической части 0,52479 0,77418 0,89269 0,94900 0,97577

Е Разрушение ленты 0,48971 0,75229 0,88150 0,94346 0,97300

Рис. 5. Дерево отказов события «Разрушение конвейерной ленты» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ

¡и

лет

Рис. 6. График зависимости вероятности возникновения события «Разрушение конвейерной ленты» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ Q(E) от срока эксплуатации /

В табл. 3 указаны основные исходные события, способствующие развитию аварии, и интенсивность их отказов для аварийного события «Возгорание серы». Логико-графологическая модель представлена на рис. 7.

Таблица 3

Интенсивность отказов основных исходных событий события «Возгорание серы» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ

Обозначе- ние Описание события Интенсивность отказа, 1/год Обозначе- ние Описание события Интенсивность отказа, 1/год

е 1 Неблаго пр иятны е аэроклиматические условия 5,00Е-05 е12 Обратный ход конвейерной ленты 1,00Е-06

е2 Вибрации 2,00Е-05 е14 Отказ молниезащиты 2,00Е-06

е4 Открытое пламя (фактор «человек-машина») 4,50Е-06 е15 Взрыв лампы системы освещения 4,20Е-05

е5 Столкновение автотранспортных средств 1,00Е-05 е18 Отказ циклонов ЦН-15 1,70Е-05

е7 Отказ береговых электроколонок судна 1,50Е-06 е21 Искра в соединении электропроводов 5,00Е-05

Продолжение табл. 3

Обозначе- ние Описание события Интенсивность отказа, 1/год Обозначе- ние Описание события Интенсивность отказа, 1/год

е8 Возгорание на судне 1,00Е-06 е22 Отказ искрозащиты 2,00Е-04

е9 Возгорание отходов 2,00Е-06 е23 Отказ электродвигателя 3,50Е-05

е10 Отказ раздаточной трубы 4,00Е-05 е24 Отказ элементов защиты от короткого замыкания 2,00Е-05

е11 Разрушение ленты 4,50Е-05 е25 Короткое замыкание 2,00Е-04

Рис. 7. Дерево отказов события «Возгорание серы» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ Результаты расчета вероятности возникновения аварии приведены в табл. 4 и на рис. 8.

Таблица 4

Результаты расчета методом дерева отказов события «Возгорание серы» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ

Обозначение Описание события Вероятность отказа за срок, лет

г = 2 г = 4 г = 6 г = 8 г = 10

А1 Взрыв серной пыли 0,62043 0,91225 0,98049 0,99557 0,99897

А2 Пожар по общей причине 0,06792 0,13207 0,19226 0,24850 0,30092

Б1 Запыление 0,73940 0,93540 0,98422 0,99615 0,99906

Б2 Возникновение открытого пламени 0,83910 0,97525 0,99621 0,99942 0,99991

В1 Открытое пламя по вине владельца автотранспортного средства 0,04691 0,09162 0,13424 0,17485 0,21356

В2 Открытое пламя по вине судовладельца 0,01193 0,02371 0,03536 0,04687 0,05824

Г Отказ технической системы конвейера 0,63534 0,87350 0,95675 0,98525 0,99497

Д1 Молния 0,07836 0,15058 0,21714 0,27848 0,33502

Д2 Отказ электросхемы 0,80363 0,96314 0,99311 0,99871 0,99976

Ж Отказ системы вентиляции 0,12995 0,24301 0,34137 0,42696 0,50142

З1 Отказ электропроводки 0,25781 0,47347 0,62821 0,73658 0,81268

32 Искра в электродвигателе 0,67632 0,89523 0,96609 0,98902 0,99645

И1 Возгорание неогнестойких конструкций 0,00068 0,00234 0,00456 0,00706 0,00971

К Возгорание электропроводки 0,05649 0,14908 0,23619 0,31201 0,37808

Е Возгорание серы 0,64621 0,92384 0,98424 0,99667 0,99928

t, лет

Рис. 8. График зависимости вероятности возникновения события «Возгорание серы» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ Q(E) от срока эксплуатации t

В заключение укажем, что вероятностный анализ безопасности перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ показал значение вероятности разрушения ленты, близкое 1, которое достигается уже к 10-му году эксплуатации перегрузочного комплекса. Возгорание серы с вероятностью 1 произойдет на 7-й год эксплуатации. Чтобы уменьшить вероятность рассматриваемых аварийных событий, требуется принятие мер контроля и надзора за техническим состоянием комплекса КПЛН-26АМ и техникой безопасности при осуществлении перегрузочного процесса, а обслуживающему персоналу необходимо обеспечить исправное состояние основных элементов перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 19433-88. Грузы опасные. Классификация и маркировка.

2. РД15-73-94. Правила безопасности при перевозке опасных грузов железнодорожным транспортом.

3. Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом / Утв. приказом Минтранса РФ от 08.08.1995 г. № 73.

4. РД 31.15.01-89. Правила морской перевозки опасных грузов (МОПОГ).

5. ГОСТ 127.1-93. Сера техническая - газовая, жидкая и комовая.

6. ГОСТ 24599-87. Характеристика грузов, зачерпываемых грейферами.

7. Панасенко Н. Н., Тверигин А. А. Производственный контроль портовых перегрузочных процессов опасных грузов // Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи, решения: сб. науч. тр. / Орский гуманит.-технолог. ин-т. - Орск, 2012. - С. 192-197.

8. ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

9. ГОСТ 12.2.022-80. Система стандартов безопасности труда. Конвейеры. Общие требования безопасности.

10. ГОСТ 20-85. Ленты конвейерные резинотканевые. Технические условия.

11. ПОТРО 00030171-99. Правила по охране труда при выполнении перегрузочных работ в речных портах.

12. Риск-анализ ПРТС работ сыпучей серы / Н. Н. Панасенко, Р. К. Асадулин, А. А. Тверигин и др. // III Урал. конгресс подъемно-транспорт. оборудования: сб. докл. и сообщ. / ЗАО «Уральский экспертный центр». - Екатеринбург, 2010. - С. 172-196.

13. ГОСТР 27.302-2009. Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей.

14. Тверигин А. А. Риск-анализ портального крана КПП16/32 методом дерева отказов // Подъемнотранспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: тр. XVI Мос-ков. междунар. межвуз. науч.-техн. конф. студ., аспирантов и молодых ученых. - М.: МИИТ, 2012. - С. 86-88.

15. Тверигин А. А. Метод дерева отказов в управлении промышленной безопасностью предприятий эксплуатирующих опасные производственные объекты // Конгресс молодых ученых: сб. тез. докл. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - Вып. 3. - С. 28-29.

REFERENCES

1. GOST 19433-88. Gruzy opasnye. Klassifikatsiia i markirovka [State Standard 19433-88. Dangerous loads. Classification and marking].

2. RD 15-73-94. Pravila bezopasnosti pri perevozke opasnykh gruzov zheleznodorozhnym transportom [Guidelines 15-73-94. Safety regulations in transportation of the dangerous loads by railway transport].

3. Pravila perevozki opasnykh gruzov avtomobil'nym transportom [Regulations on transportation of dangerous loads by automobile transport]. Utv. prikazom Mintransa RF ot 08.08.1995 g. N 73.

4. RD 31.15.01-89. Pravila morskoiperevozki opasnykh gruzov (MOPOG) [Guidelines 31.15.01-89. Regulations on marine transportation of dangerous loads].

5. GOST 127.1-93. Sera tekhnicheskaia — gazovaia, zhidkaia i komovaia [State Standard 127.1-93. Industrial sulphur - gas, liquid and solid].

6. GOST 24599-87. Kharakteristika gruzov, zacherpyvaemykh greiferami [State Standard 24599-87. Characteristics of loads scooping by claws].

7. Panasenko N. N., Tverigin A. A. Proizvodstvennyi kontrol' portovykh peregruzochnykh protsessov opasnykh gruzov. Innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii: problemy, zadachi, resheniia: sb. nauch. tr. [Industrial control of port transshipment processes of dangerous loads. Innovative technologies of mechanical engineering: problems, tasks, solutions: Collection of scientific papers]. Orskii gumanit.-tekhnolog. in-t. Orsk, 2012, pp. 192-197.

8. GOST 12.0.003-74. Opasnye i vrednye proizvodstvennye faktory. Klassifikatsiia [State Standard 12.0.003-74. Dangerous and harmful industrial factors. Classification].

9. GOST 12.2.022-80. Sistema standartov bezopasnosti truda. Konveiery. Obshchie trebovaniia bezopasnosti [State Standard 12.2.022-80. System of labor safety standards].

10. GOST 20-85. Lenty konveiernye rezinotkanevye. Tekhnicheskie usloviia [State Standard 20-85. Conveyor rubber-and-canvas belts].

11. POT RO 00030171-99. Pravila po okhrane truda pri vypolnenii peregruzochnykh rabot v rechnykh por-takh [Regulations on labor protection 00030171-99. Regulations on labor protection at transshipment operations in river ports].

12. Risk-analiz PRTS rabot sypuchei sery / N. N. Panasenko, R. K. Asadulin, A. A. Tverigin [i dr.] // III Ural. kongress pod"emno-transport. oborudovaniia: sb. dokl. i soobshch [Risk-analysis of the transporting operations with loose sulphur/ N. N. Panasenko, R. K. Asadulin, A. A. Tverigin and al./ III Ural Congress on Lifting and Transporting Equipment: collection of papers]. ZAO "Ural'skii ekspertnyi tsentr". Ekaterinburg, 2010, pp. 172-196.

13. GOST R 27.302-2009. Nadezhnost’ v tekhnike. Analiz dereva neispravnostei [State Standard 27.3022009. Safety of machinery. Analysis of fault tree].

14. Tverigin A. A. Risk-analiz portal'nogo krana KPP16/32 metodom dereva otkazov // Pod"emno-transportnye, stroitel'nye, dorozhnye, putevye mashiny i robototekhnicheskie kompleksy: trudy XVI Moskovskoi mezhdunarodnoi. mezhvuzovskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh [Risk-analysis of port crane KPP 16/32 using the method of fault tree / Lifting-and-shifting, building, road, track machines and roboto-technical complexes: Proc. XVI Moscow International Scientific Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists]. Moscow, MIIT, 2012, pp. 86-88.

15. Tverigin A. A. Metod dereva otkazov v upravlenii promyshlennoi bezopasnost'iu predpriiatii ekspluati-ruiushchikh opasnye proizvodstvennye ob"ekty. Kongress molodykh uchenykh: sb. tez. dokl. [Method of fault tree in management of industrial safety of the enterprises operating with dangerous industrial objects / Congress of Young Scientists: collection of abstracts]. Saint Petersburg, NIU ITMO, 2012. Issue 3, pp. 28-29.

Статья поступила в редакцию 26.10.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Тверигин Александр Александрович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; [email protected].

Tverigin Alexander Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; [email protected].