CC BY
157
_____________________________ © С.Н. Гончаренко, Е.В. Дементьева,
2010
С.Н. Гончаренко, Е.В. Дементьева
МОДЕЛИРОВАНИЕ РИСКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Произведено моделирование риска возникновения аварийных ситуаций на карьерных экскаваторах. Получены вероятностные оценки риска возникновения аварийных ситуации. Произведена сравнительная оценка величины ущерба от аварийной ситуации и затрат на плановый ремонт и техническое обслуживание оборудования.
Ключевые слова: карьерные экскаваторы, оценка риска аварийных ситуаций, простои оборудования, срок службы оборудования.
Основным фактором, снижающим эффективность функционирования и экономическое благополучие российских горнодобывающих предприятий является старение парка горного оборудования. На сегодняшний день темпы старения оборудования опережают его воспроизводство и модернизацию. Среди всего множества видов карьерного оборудования более 60% выработало свой ресурс [2]. Эксплуатация техники в таком состоянии постоянно приводит к росту затрат на ее содержание, что в конечном итоге приводит к неукоснительному увеличению себестоимости добычи и переработки продукции горного производства. На сегодняшний день величина прироста расходов на эксплуатацию и ремонт оборудования на горнодобывающих предприятиях во много раз опережает рост стоимости производимой продукции [6].
Анализ условий функционирования карьерных экскаваторов показывает, что их средний срок службы составляет 8 лет ±2 года, при нормативном сроке 10 лет. В таком случае наблюдается возрастающая тенденция повышенной аварийности, уменьшения межремонтных циклов и увеличения затрат на техническое обслуживание оборудования [2, 6, 7].
Кроме того, к добывающему производству на сегодняшний день предъявляются довольно высокие требования по эффективности функционирования парка добывающих машин, в частности -экскаваторов. Они должны обеспечивать высокую производитель-
ность, обладать надлежащим уровнем безопасности и надежности. При этом эффективность эксплуатации оборудования на карьерах в своей основе предполагает минимизацию затрат на содержание и ремонт машин и оборудования при максимизации производительности труда и соблюдении правил безопасности в условиях временных и финансовых ограничений. В этой связи необходимо решить комплекс проблем связанных с возникновением аварийных ситуаций на производстве и необходимостью обеспечения промышленной безопасности при функционировании достаточно большого количества карьерных экскаваторов практически выработавших свой ресурс [2].
В этом случае, техническое состояние карьерных экскаваторов является определяющим фактором надежности, влияющим на возникновение отказов оборудования, аварий и несчастных случаев
[4].
В этой связи необходимо определить понятие риска возникновения аварийной ситуации, который представляет собой меру опасности, характеризующую возможность (вероятность) возникновения аварийной ситуации на карьерном экскаваторе и величину ущерба от ее последствий за определенный промежуток времени.
Исходя из этого в работе предлагается, алгоритм анализа риска возникновения аварийных ситуаций карьерных экскаваторов, состоящий из следующих основных этапов:
Этап 1. Организация и планирование работ по проведению анализа риска возникновения аварийных ситуаций:
- организация и нормирование времени работы экскаватора;
- статистический анализ временных показателей работы экскаватора;
- определение времени и причин простоев в работе экскаватора (организационные, технические, аварийные и т.д.)
Этап 2. Идентификация возможных опасностей функционирования оборудования экскаватора:
- определение потенциальных источников возникновения аварийной ситуации;
- анализ условий возникновения и развития аварийных ситуаций;
- определение факторов риска аварийных ситуаций.
Этап 3. Оценка риска возникновения аварийных ситуаций на карьерных экскаваторах:
- определение частоты возникновения аварийных ситуаций;
- оценка последствий и величины ущерба от возникновения аварийных ситуаций;
- обобщение (сводка и группировка) показателей риска возникновения аварийных ситуаций;
- моделирование рисковых показателей и определение доверительных интервалов параметров риска.
Этап 4. Разработка рекомендаций по уменьшению риска аварийных ситуаций:
- разработка комплекса мер по уменьшению вероятности возникновения аварийных ситуаций на карьерных экскаваторах;
- разработка комплекса мер по уменьшению тяжести последствий (ущерба) аварийных ситуаций;
- определение эффективности разработанных мероприятий [1].
Таким образом для определения эффективности реализации
комплекса мер по уменьшению риска возникновения аварийной ситуации в условиях заданных параметров технологического процесса и ограниченности временных и финансовых ресурсов следует: 1) определить совокупность мер, которые потенциально могут быть реализованы при заданных объемах финансирования; 2) произвести упорядочивание сформированного комплекса мер по показателю “эффективность-затраты”; 3) обосновать и оценить эффективность предлагаемых мер [4].
Исходя из традиционно используемого определения [1], количественная оценка риска, представляет собой произведение вероятности (Р) возникновения аварийной ситуации (г) и ожидаемого ущерба (У) за определенный промежуток времени (I), т.е.
^ =^р * у , где п - количество аварийных ситуаций, про-
1 = 1
изошедших за период t.
В таком случае математическую модель оценки риска возникновения аварийных ситуаций можно представить следующим образом. Пусть аварийная ситуация (а) произошла по причине (г) в момент времени t(a,i), тогда вероятность возникновения аварийной ситуации (а), отнесенной соответственно к ^=1 году эксплуатации и межремонтному сроку капитального ремонта t2=T будет равна соответственно ра(а,1), р2(а,1). Стоимость оборудования, которое необходимо для ликвидации аварийной ситуации, соответственно в период времени ^ и ^ равна Оа(а,1), 02(а,1) . При этом коэффици-
ент, учитывающий сокращения времени простоев экскаватора при непрерывной годовой эксплуатации экскаватора КРц(а,1), а в межремонтные сроки соответственно Кр2(а,1). Показатель риска возникновения аварийной ситуации (Я), характеризующий потери от аварийной ситуаций (а), будет включать в себя материальные затраты, понесенные за ^ лет эксплуатации и межремонтные промежутки соответственно Ма(а,1),Ма(ал) и объем недополученной выработки ^) руб./т .
В этом случае модель оценки риска возникновения аварийных ситуаций будет содержать следующие основные составляющие:
1) годовой ущерб от возникновения аварийной ситуации:
Я = р1(а,г)*п*О1(а, 1)+(1-К (а,1)*Т№,1)*Ша, 1)+В(а, 0*5));
2) затраты на капитальный ремонт и ущерб в межремонтные сроки:
Я2 = Р2 (а, 1) * 02 (а, О + (1 - КР (а, 0 * Т> (а, 1) * (N2 (а, 1)+В(а, 1) * Я)^ где с - количество лет, проработанных экскаватором между капитальными ремонтами, (для ЭКГ-5А с ~ 5 лет); р(а,1) - вероятность возникновения аварийной ситуации а по причине 1, отн.ед.; О(а,1) -стоимость оборудования, необходимого для ликвидации аварийной ситуации а по причине 1, руб.; Ща,1) - материальные затраты, от возникновения аварийной ситуации а по причине 1, руб. /час; 5 -себестоимость выработки, руб/т; Т (а,1) - время простоя, обусловленное аварийной ситуации а по причине 1, час; В (а,1) - часовая выработка экскаватора, т/час; КР(а,1) - коэффициент резерва, учитывающий сокращение времени простоев, от.ед.
Предварительный анализ причин возникновения аварийных ситуаций позволил выявить основные места их локализации. На карьерных экскаваторах это - главные привода, система управления и механическое оборудование.
Следовательно модель оценки риска возникновения аварийных ситуаций будет выглядеть следующим образом:
/=Ь т=Мп=Ы
Я=ЁЁЁ Р^а 0 *п * Ои^ 0+(1 - К Р(а0 * Титш 0 *+
/=1 т=1 п=1
*(Хипп (а 0 + В(а 0 * 5))
/=Ь т=Мп=Ы
Ё Ё Р21тп (а, О * О2т>,1) + (1 - Кр(а, 0 * ,
/=1 т=1 п=1
*Т2/тп ^ О * (N21тп ^ О + В(^ О * 5)) ^ mІn
где l - количество аварийных ситуаций на главных приводах l = 1, L ; m - количество аварийных ситуаций в системе управление m = 1,M ; n- количество аварийных ситуаций при выходе из строя
механического оборудовании n = 1, N .
При заданных ограничениях:
- по вероятности возникновения аварийной ситуации 0< Pi,2(a,i) <1;
- по стоимости оборудования, необходимого для устранения аварийной ситуации Oimin< O12(a,i)< Oimax;
- по материальным затратам от возникновения аварийной ситуации
N1min< N1,2(a,i) < N2max;
- по коэффициенту резерва 0< Kp(a,i)<1;
- по времени, в ходе которого экскаватор простаивает, из-за возникновения аварийной ситуаций T1min< T12(a,i) < T2 max;
- по часовой выработке экскаватора B1min< B (a,i) < B2max.
При этом увеличение времени между капитальными ремонтами экскаватора возможно выразить следующим образом:
C = k * 0,5(0 + Т * N ) - Y ,
VV—' к.р к.р -L У к.р
k =_____________C_____________,
0,5(^ + T * N ) — Y
'ЧУ к. р . J- к. р . -а т к . р /
где k- число капитальных ремонтов, ед.; С - стоимость экскаватора, руб.; Окр. - стоимость оборудования, установленного при капитальном ремонте, руб.; Ткр. - время, необходимое на осуществление капитального ремонта, час; N^. - материальные затраты на капитальный ремонт, руб./час; Y - оценка величины ущерба, возникающего из-за возникновения аварийной ситуации между капитальными ремонтами, руб.
В качестве объекта исследования в работе были выбраны карьерные экскаваторы ЭКГ вместимостью ковша 4-5 м3 производства АО “Уралмаш”, как наиболее распространенные на территории России и СНГ.
Для расчета параметров риска возникновения аварийных ситуаций проведен анализ работы 70 экскаваторов.
Проведенный предварительный анализ отказов в работе оборудования на ЭКГ-5А на карьере “Дашковский” ЗАО “Ке-
рамзит” показал, что наиболее часто происходят отказы по следующим основным причинам: главные привода (29%); система управления (12%); механическое оборудование (11%) [5].
При этом за базовую периодичность аварийных ситуаций было принято время между капитальными ремонтами, которое при трех сменной работе (24 часа в сутки) для экскаватора ЭКГ-5А составляет 5 лет (с ~ 5) все стоимостные параметры оборудования были приняты по состоянию на 2008 год. Стоимость электромеханического оборудования соответствуют данным ЗАО МК “Уралмаш” и ОАО УК “Кузбассразрезуголь”.
В ходе проведенных исследований было сформировано исходное множество мероприятий, позволяющих существенно уменьшить величину риска возникновения аварийных ситуаций и ущерб от их возникновения. Предварительный анализ существующих ограничений позволил выявить подмножество приемлемых мероприятий. Сформированная совокупность была разделена на подгруппы по основным направлениям (причинам) возникновения аварийных ситуаций и произведено моделирование риска, ущерба и экономической эффективности. При этом был определен оптимальный набор необходимых мероприятий и возможность их реализации в структуре предприятия.
В результате моделирования были получены зависимости риска возникновения аварийных ситуаций, величины ущерба и материальных затрат, а также суммарной экономической эффективности от времени работы экскаватора (рис. 1, 2).
Таким образом, количественная оценка риска R от возникновения аварийных ситуаций позволяет принимать решения о целесообразности проведения мероприятий по снижению риска возникновения аварийных ситуаций и определить все виды затрат, необходимых для их реализации.
Время эксплуатации экскаватора (лет)
■■—Уровень риска, без учета предлагаемых мероприятий
-•—Уровень риска, с учетом предлагаемых мероприятий
Рис. 1. Зависимость величины риска R (отн.ед.) от времени работы экскаватора
1,2
|| -0.4
I Величина ущерба без учета предлагаемых мероприятий
] Величина ущерба с учетом предлагаемых мероприятий
-Суммарная экономическая эффективность
-0,6
-0,8
Время эксплуатации экскаватора (лет)
Рис. 2. Зависимость величины ущерба У (млн. руб.) от возникновения аварийных ситуаций и суммарной экономической эффективности реализуемых мероприятий от времени работы экскаватора
Применительно к экскаватору ЭКГ-5А существенное сокращение времени простоев от аварии может быть реализовано за счет внедрения в структуре комплекса, реализуемых мероприятий:
1) микропроцессорных контроллеров управления на базе оптимальных по времени структур управления приводами подъема, напора, поворота и хода;
2) устройств выбора зазоров, применительно к механизму поворота;
3) устройств ограничения динамических нагрузок и автокопания применительно к капающим механизмам.
Такие структуры и устройства разработаны отечественными учеными и защищены авторскими свидетельствами. Их внедрение на экскаваторы по результатам длительной эксплуатации обеспечит реальный экономический эффект за счет сокращения времени простоев экскаваторов на 10-12% и снижения расходов на электромеханическое оборудование.
Таким образом, с учетом ряда технических и организационных ограничений получены следующие результаты:
1) зависимости уровня риска возникновения аварийных ситуаций от времени работы экскаватора при существующих условиях функционирования ^=0,0821 е0,19Ш, R2=0,98) и при условии реализации предлагаемых мероприятий ^2=0,064 е0,20841, R2=0,96) (рис.
1.);
2) зависимости суммарной экономической эффективности от реализации комплекса мероприятий от времени работы экскаватора (Э=0,1306 е0,2012‘, R2=0,93) (рис.2.);
3) предложен комплекс мероприятий по снижению уровня риска возникновения аварийных ситуаций, позволяющий снизить ущерб от аварийных ситуаций на (4,17 %), что применительно к экскаватору ЭКГ-5А это составляет 833 тыс. руб. При этом произойдет увеличение периодичности капитальных ремонтов на 12,9% (6,45 года вместо 5 лет);
4) ожидаемый экономический эффект от реализации мероприятий по снижению риска возникновения аварийных ситуаций составляет 2,67 млн. руб., за 10 лет эксплуатации экскаватора.
1. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ ГОСГОРТЕХНАДЗОРА РОССИИ. Утверждено Госгортехнадзором России Постановлением от 10.07.2001 №30. 16 с.
2. Безотказность, ремонтопригодность и риск. Практические методы для инженеров, включая вопросы оптимизации. Дэвид Дж. Смит. Группа ИДТ, 2007. 432 с.
3. Романов В.С. Бутуханов А.В. Риски предприятия как составная часть рисков. Моделирование и анализ безопасности, риска и качества в сложных системах: Труды международной научной школы МА БРК- 2006, СПб. - НПО "Омега", 2001. 223 с.
4. Методические указания по проведению анализа риска опасных промышленных объектов. РД 08-120-96.25с
5. Журнал аварийных ситуаций экскаваторов карьера “Дашковский” ЗАО “Керамзит”.
б.Официальный сайт ОАО “Кузбассразрезуголь”- http://www.kru.ru /ги/.
7. Гончаренко С.Н., Жуковский С.А. Анализ влияния производительности технологического оборудования на эффективность функционирования горнорудного предприятия. // Г орный информационно-аналитический бюллетень, «Информатизация и управление-1», ОВ 10. -2008, стр. 206-211.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Гончаренко С.Н. - доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированные системы управления,
Дементьева Е.В. - студентка группы АС-В-04 кафедры Автоматизированные системы управления,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mlnlng Unlverslty, Russla, ud@msmu.ru
