RISK ANALYSIS OF CONVEYOR SYSTEMS FOR HANDLING OF DANGEROUS GOODS
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 32
to 40
Status:
Published
Received:
10.10.2012
Accepted:
15.10.2012
Published:
15.10.2012
Subject area:
UDK 658.382.3:[656.615.073.436.6:661.2]
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 39.484.04-5н6:[39.484.88:35.212]
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 39.484.04-5н6:[39.484.88:35.212]
Language:
Russian
Keywords:
safety, dangerous goods, handling process, risk analysis, fault tree, identification
Abstract (English):
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.
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.
Keywords:
safety, dangerous goods, handling process, risk analysis, fault tree, identification
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/м3. 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. а б в г 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 (SО2, 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 (Н2S) – 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 Н2S – 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]. а б в г 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. а б 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 e1 Запыление 2 г/м3 1,00E-05 e14 Отказ раздаточной трубы 1,00E-05 e7 Дефект ленты 5,00E-05 e15 Отказ натяжного винта 5,60E-06 e9 Отказ электрической части комплекса 6,30E-06 e16 Перенатяжение ленты человеком 1,00E-05 e10 Отказ тормоза 6,00E-06 e22 Отказ направляющих труб 1,00E-06 e11 Отказ роликовой подвески 1,00E-05 e23 Отказ быстроходной муфты 3,00E-06 e13 Отказ приводного барабана 5,00E-05 e27 Износ ленты 4,00E-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 Вероятность отказа за срок, лет t = 2 t = 4 t = 6 t = 8 t = 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 Рис. 6. График зависимости вероятности возникновения события «Разрушение конвейерной ленты» перегрузочного комплекса КПЛН-26АМ Q(E) от срока эксплуатации t 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 Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год e1 Неблагоприятные аэроклиматические условия 5,00E-05 e12 Обратный ход конвейерной ленты 1,00E-06 e2 Вибрации 2,00E-05 e14 Отказ молниезащиты 2,00E-06 e4 Открытое пламя (фактор «человек-машина») 4,50E-06 e15 Взрыв лампы системы освещения 4,20E-05 e5 Столкновение автотранспортных средств 1,00E-05 e18 Отказ циклонов ЦН-15 1,70E-05 e7 Отказ береговых электроколонок судна 1,50E-06 e21 Искра в соединении электропроводов 5,00E-05 Продолжение табл. 3 Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год Обозначение Описание события Интенсивность отказа, 1/год e8 Возгорание на судне 1,00E-06 e22 Отказ искрозащиты 2,00E-04 e9 Возгорание отходов 2,00E-06 e23 Отказ электродвигателя 3,50E-05 e10 Отказ раздаточной трубы 4,00E-05 e24 Отказ элементов защиты от короткого замыкания 2,00E-05 e11 Разрушение ленты 4,50E-05 e25 Короткое замыкание 2,00E-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 t = 2 t = 4 t = 6 t = 8 t = 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 З2 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 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.
1. GOST 19433-88. Gruzy opasnye. Klassifikaciya i markirovka.
2. RD 15-73-94. Pravila bezopasnosti pri perevozke opasnyh gruzov zheleznodorozhnym transportom.
3. Pravila perevozki opasnyh gruzov avtomobil'nym transportom / Utv. prikazom Mintransa RF ot 08.08.1995 g. № 73.
4. RD 31.15.01-89. Pravila morskoy perevozki opasnyh gruzov (MOPOG).
5. GOST 127.1-93. Sera tehnicheskaya - gazovaya, zhidkaya i komovaya.
6. GOST 24599-87. Harakteristika gruzov, zacherpyvaemyh greyferami.
7. Panasenko N. N., Tverigin A. A. Proizvodstvennyy kontrol' portovyh peregruzochnyh processov opasnyh gruzov // Innovacionnye tehnologii v mashinostroenii: problemy, zadachi, resheniya: sb. nauch. tr. / Orskiy gumanit.-tehnolog. in-t. - Orsk, 2012. - S. 192-197.
8. GOST 12.0.003-74. Opasnye i vrednye proizvodstvennye faktory. Klassifikaciya.
9. GOST 12.2.022-80. Sistema standartov bezopasnosti truda. Konveyery. Obschie trebovaniya bezopasnosti.
10. GOST 20-85. Lenty konveyernye rezinotkanevye. Tehnicheskie usloviya.
11. POT RO 00030171-99. Pravila po ohrane truda pri vypolnenii peregruzochnyh rabot v rechnyh portah.
12. Risk-analiz PRTS rabot sypuchey sery / N. N. Panasenko, R. K. Asadulin, A. A. Tverigin i dr. // III Ural. kongress pod'emno-transport. oborudovaniya: sb. dokl. i soobsch. / ZAO «Ural'skiy ekspertnyy centr». - Ekaterinburg, 2010. - S. 172-196.
13. GOST R 27.302-2009. Nadezhnost' v tehnike. Analiz dereva neispravnostey.
14. Tverigin A. A. Risk-analiz portal'nogo krana KPP16/32 metodom dereva otkazov // Pod'emno-transportnye, stroitel'nye, dorozhnye, putevye mashiny i robototehnicheskie kompleksy: tr. XVI Moskov. mezhdunar. mezhvuz. nauch.-tehn. konf. stud., aspirantov i molodyh uchenyh. - M.: MIIT, 2012. - S. 86-88.
15. Tverigin A. A. Metod dereva otkazov v upravlenii promyshlennoy bezopasnost'yu predpriyatiy ekspluatiruyuschih opasnye proizvodstvennye ob'ekty // Kongress molodyh uchenyh: sb. tez. dokl. - SPb.: NIU ITMO, 2012. - Vyp. 3. - S. 28-29.
