Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аварии промышленных зданий и их причины 5
1.1. Основные термины и определения 5
1.2. Обзор аварий и повреждений каркасов промышленных зданий 7
1.3. Классификация причин аварий промышленных зданий и их анализ... 19
1.4. Виды рисков, возможные способы определения степени рисков 24
1.4.1. Понятие риска 24
1.4.2. Виды рисков 25
1.4.3. Показатели риска 26
1.4.4. Возможные способы определения степени рисков 27
1.5. Цель и постановка задач исследований 30
Глава 2. Предварительное прогнозирование риска аварий на основе сбора первичной информации и результатов экспертизы промышленной безопасности 32
2.1. Анализ правового и нормативного регулирования в промышленной безопасности 32
2.2. Экспертиза промышленной безопасности и обследование одноэтажных промышленных зданий 35
2.3. Предварительное прогнозирование риска аварии одноэтажного промышленного здания 39
2.4. Количественная оценка риска аварии 43
2.5. Выводы по главе 48
Глава 3. Нормирование риска аварии эксплуатируемого промышленного здания 49
3.1. Нормирование риска: зарубежный и отечественный опыт 49
3.2. Основы нормирования техногенного риска 56
3.3. Показатели нормирования, используемые при анализе риска аварий промышленных зданий. Нормирование дополнительных показателей 66
3.4. Выводы по главе 73
Глава 4. Оценка риска аварий на эксплуатируемых зданиях 75
4.1. Логико-вероятностная модель оценки риска аварийного обрушения одноэтажного промышленного здания 75
4.2. Методика оценки риска аварии металлических каркасов одноэтажных промышленных зданий, эксплуатируемых на предприятиях черной металлургии 81
4.2.1. Особенности применения промышленных зданий с металлическим каркасом при расчете риска аварийного обрушения в металлургической отрасли 81
4.2.2. Применение математических моделей при расчете фактического и предельно допустимого уровня риска аварийного обрушения 85
4.3. Пример применения методики оценки риска аварий металлических каркасов одноэтажных промышленных зданий, эксплуатируемых на предприятиях черной металлургии 95
4.4. Выводы по главе 102
Общие выводы по работе 104
Список использованных источников
- Обзор аварий и повреждений каркасов промышленных зданий
- Экспертиза промышленной безопасности и обследование одноэтажных промышленных зданий
- Показатели нормирования, используемые при анализе риска аварий промышленных зданий. Нормирование дополнительных показателей
- Методика оценки риска аварии металлических каркасов одноэтажных промышленных зданий, эксплуатируемых на предприятиях черной металлургии
Введение к работе
В настоящее время в металлургической промышленности наблюдается значительный рост производства продукции не за счет строительства новых производственных площадей, а за счет установки современного, более мощного и совершенного оборудования, технических устройств и агрегатов в ранее построенных зданиях, которые эксплуатируются уже 30-50 и даже более лет. При этом на новом этапе эксплуатации промышленного здания необходимо оценить необходимость усиления и фактическое состояние несущих конструкций с учетом накопленных повреждений, изменившихся нагрузок и условий эксплуатации, а также оценить риск возникновения вероятной аварии.
Существующие в настоящий момент подходы к оценке риска аварий не отражают предистории и реальных условий эксплуатации несущих металлических конструкций каркасов одноэтажных промышленных зданий, особенно для предприятий черной металлургии, где тяжелый режим нагружения конструкций не снижает общее количество аварий.
Наблюдаемый на предприятиях черной металлургии в Российской Федерации рост числа аварий с обрушениями несущих металлических конструкций и травматизмом доказывает, что обеспечение безопасности эксплуатируемых одноэтажных промышленных зданий является одной из актуальнейших проблем на современном этапе.
В связи с этим возникла необходимость корректировки ранее принятых подходов к прогнозированию и оценке риска вероятных аварий несущих металлических конструкций одноэтажных промышленных зданий металлургических комплексов с учетом изменившихся условий эксплуатации и фактической дефектности конструкций, а также в разработке методики прогнозирования и нормирования безопасности несущих конструкций эксплуатируемых одноэтажных промышленных зданий предприятий черной металлургии.
Обзор аварий и повреждений каркасов промышленных зданий
В настоящее время информация о происшедших авариях и тем более причинах аварийных обрушений металлических каркасов промышленных зданий, как правило, не приводится в опубликованных источниках. Это в первую очередь связано со стремлением руководителей и владельцев предприятий скрыть сам факт происшедшей аварии. Тем не менее, отдельные случаи в литературе опубликованы [13, 16, 19, 27, 59, 126, 127]. Вот некоторые из них:
В 1973 году произошло обрушение покрытия печного отделения цемент-ного завода. Обрушились конструкции на площади около 1000 м [127].
Несущими конструкциями являлись металлические стропильные и подстропильные фермы и колонны. Продольная устойчивость температурных блоков обеспечивалась горизонтальными и портальными связями. Заводские соединения металлических конструкций сварные, монтажные - на болтах.
Покрытие было выполнено из мелкоразмерных сборных железобетонных плит размером 0,5x2 м, уложенных на прогоны из швеллеров № 20. В период эксплуатации плиты частично были заменены стальными панелями, изготовленными из 6-миллимитрового листа с ребрами из швеллеров № 12.
Цех находился в эксплуатации с 1957 года.
Во всех цехах завода при ремонтных работах строповку различных грузов производили за любые точки конструкций. На прогонах, фермах, связях сохранились многочисленные обрывки тросов, стропов и- проволоки, использованных в разное время для подъема и перемещения оборудования.
Как показало расследование причин, авария произошла вследствие перегрузки покрытий цементной пылью, превратившейся со временем в цементный раствор.
Рассматриваемая авария является примером неудовлетворительной эксплуатации конструкций. 31 декабря 1978 года произошло обрушение трехпролетного здания крупносортного цеха на участке центрального холодильника крупносортного цеха в г. Нижнем Тагиле [126].
Крупносортный цех введен в эксплуатацию в январе 1959 года и предназначен для производства сортового, круглого, квадратного проката и узкоколейных рельсов.
Основными причинами обрушения по результатам заключения комиссии явились следующие: применение кипящей стали с неудовлетворительной хладостойко-стыо при температуре ниже минус 20 С; выхолаживание цеха на участке холодильников из-за нарушений режима эксплуатации здания; дефекты сварных швов: подрезы, поры, кратеры, являющиеся концентраторами напряжений, а также сближение, на косынках подстропильных ферм сварных швов, соединяющих элементы решетки и пояса. 16 февраля 1996 года произошло аварийное разрушение кровельного покрытия склада отделения упаковки цемента ОАО «Магнитогорский цементно-огнеупорный завод» общей площадью 480 м (рис. 1.1) [48, 75].
В пролет упали две стропильные фермы, а третья (расположенная по оси «2») уперлась нижним поясом при падении на поперечную стену.
В результате проведенного расследования обстоятельств аварии было установлено, что причинами обрушения явились: отступления от проекта, допущенные при изготовлении фермы (заводские стыки нижнего пояса выполнены с помощью уголковых накладок, не предусмотренных по проекту; повышенная концентрация металла в заводских стыках; повышенная концентрация сварных швов; подрез уголка нижнего пояса у заводского стыка; наличие остаточных сварочных напряжений в месте стыка); воздействие пониженной температуры (на момент обрушения температура воздуха внутри здания составляла минус 30 - минус 35 С); повышенный уровень напряжений в элементах фермы от слежавшейся цементной пыли и снега.
Экспертиза промышленной безопасности и обследование одноэтажных промышленных зданий
Экспертиза промышленной безопасности - оценка соответствия объекта экспертизы предъявляемым к нему (действующим) требованиям промышленной безопасности, результатом которой является заключение экспертизы промышленной безопасности [80, 86, 89, 100, 102].
Промышленная безопасность опасных производственных объектов (промышленная безопасность) - состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий [119].
В сложившихся экономических условиях, учитывая превышение нормативных сроков эксплуатации зданий, повышенную степень износа несущих конструкций и, как правило, высокий уровень накопленных повреждений, повышаются требования к экспертизе промышленной безопасности, качеству обследования и технической диагностики несущих конструкций.
Набор методов и средств технической диагностики достаточно широк [40, 76] и включает визуальный и инструментальный контроль, дефектоскопию, виброметрию, исследование химического состава и оценку механических характеристик конструкционных материалов, анализ характера и истории нагру-жения конструкций. Итоговыми документами технической диагностики служат акты и протоколы, содержащие сведения об особенностях материалов конструкций, нагрузок и воздействий, дефектов и повреждений. Для принятия обоснованного решения проводится расчетно-экспериментальная оценка остаточной прочности и прогнозирование остаточного ресурса на базе критериев механики разрушения, теорий надежности и безопасности.
Техническое (инженерное) обследование зданий (строительных конструкций) имеет целью определение текущего технического состояния конструкций здания или сооружения в процессе обследования с выявлением дефектов и выяснением эксплуатационных качеств конструкций, а также прогнозирование поведения конструкций в будущем.
Результаты экспертизы промышленной безопасности, выполненной с соблюдением регламентируемых сроков, (см. п.2.1) служат основой для предварительного прогнозирования риска аварий эксплуатируемого производственного здания.
Одной из основных задач риск-менеджмента является определение количественных характеристик опасности (количественная оценка риска). Зная эти характеристики, можно на базе общих методов разработать эффективные частные методы обеспечения безопасности и оценивать существующие технические системы и объекты с точки зрения их безопасности.
При анализе технических систем широко используется понятие надежности [1, 18,22,63].
Надежность - свойство объекта выполнять и сохранять во времени заданные ему функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Являясь комплексным свойством, надежность объекта (в зависимости от его назначения и условий эксплуатации) оценивается через показатели частных свойств - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности - в отдельности или определенном их сочетании.
При анализе безопасности технической системы необходимо провести анализ возможных последствий отказов технической системы. Таким образом, расширение анализа надежности, включение в него рассмотрения последствий, ожидаемую частоту их появления, а также ущерб, вызываемый потерями оборудования и человеческими жертвами, и является оценкой риска.
Таким образом, можно дать следующее определение: количественная оценка риска - это отношение фактического числа тех или иных неблагоприятных последствий к их возможному количеству за определенный период [1, 22]. Выявление и количественная оценка риска могут выполняться по следующей схеме (рис.2.1). Методика выявления потенциального риска
Для эксплуатируемых на предприятиях черной металлургии одноэтажных промышленной зданий с металлическим каркасом выявление потенциального риска аварии рекомендуется проводить в три стадии.
Первая стадия: предварительный анализ опасности.
Риск аварии чаще всего связан с бесконтрольным освобождением энергии факторами мгновенного действия. Обычно одни отделения предприятия (зоны или участки) представляют большую опасность, чем другие. Поэтому в начале анализа следует «разбить» предприятие и выявить наиболее опасные участки производства, которые являются вероятными источниками аварии всего здания. На данной стадии рекомендуется: - выявить виды опасности (например, возможны ли взрывы, пожары, падения, удары и т.д.); - определить источники опасности, которые могут вызвать аварию здания (емкости и хранилища, энергетические установки, тяжелое металлургическое оборудование, конвертеры, разливочные краны и др.). Средствами понимания опасности в промышленных зданиях являются инженерный анализ и детальное рассмотрение процесса работы самого оборудования; - ввести ограничения на анализ риска (например, нужно решить, будет ли он включать детальное изучение риска аварии здания в результате незначительных ошибок людей, поражения второстепенного оборудования и т.д.).
Показатели нормирования, используемые при анализе риска аварий промышленных зданий. Нормирование дополнительных показателей
Показатели нормирования аварии должны быть составной частью показателей качества системы обеспечения промышленной безопасности опасных производственных объектов.
Такие показатели позволяют не только оценить действительное положение дел, но и рационально использовать имеющиеся ресурсы для решения проблемных ситуаций. Приоритет при этом должен отдаваться количественным показателям, качественные показатели в большинстве своем малопригодны, так как обладают значительной неопределенностью.
Выбранные показатели должны быть не только связанными напрямую с аварийностью и травматизмом, но и характеризовать эффективность производства.
Основными показателями качества системы обеспечения промышленной безопасности являются числовые характеристики случайных или нечетких величин: ущерба (вреда) от аварий и затрат на предупреждение аварийности и травматизма [38, 85]: - вероятность Prob(t) или возможность Poss(t) возникновения аварии за определенный период времени t на опасном производственном объекте; - математическое ожидание ущерба (вреда) Y от аварийности и травматизма Mt[Y] в промышленности; - интегральная функция F, (у) распределения ущерба (вреда) Y от аварии [81] 7,{y) = Pt{Y y); (3.7) - математическое ожидание затрат Z на предотвращение аварийности и травматизма M,[ZJ в промышленности; - эффективность предотвращения аварийности и травматизма /„„„ = М, Z Y (3.8) - эффективность обеспечения промышленной безопасности M«J? + A9 (3.9) saf ВВП где ВВП - валовой внутренний продукт.
Базовым показателем безопасности следует считать вероятность Ръ{ ) проведения конкретных процессов без происшествий в течение времени г. Другими с ним связанными показателями могут быть вероятность Q(T)=1-P (T) возникновения хотя бы одного происшествия за это же время, а также математические ожидания: а) MT[ZJ - времени приостановки данного процесса из-за возможных про исшествий; б) MX[Y] — величины связанного с ним ожидаемого ущерба; в) MjfSJ — затрат на обеспечение безопасности.
В некоторых источниках [9, 14, 20, 21, 69 - 72] в качестве показателя нормирования риска аварии промышленного здания используется функция, обратная надежности конструкций Кпду 1-рпду3()ания (3.10) Нормативный уровень надежности рассчитывается по формуле П0,и=(«хоУг , (злі) где N — общее число конструктивных элементов в каркасе промышленного здания; а- коэффициент, определяемый по табл. 3.5, отражающий категории ответственности объекта; Р - коэффициент, определяемый по табл. 3.7, отражающий подверженность территории внешним факторам.
Для расчета предельно допустимого уровня риска аварии необходимо знать максимальный предельно допустимый уровень надежности [15] у_=(«х0,9 +1,6)-,/\ (3.12) Фактический ПДУ надежности предложено вычислять по формуле w РПДУфакт = 2 ХР„дутт , (3.13) где w - группы конструктивных однотипных элементов. Для одноэтажных промышленных зданий с металлическим каркасом эксплуатируемых в черной металлургии, предлагается взять т=в (колонны, стропильные фермы, подстропильные фермы, подкрановые конструкции, связи по колоннам, связи по покрытию); со — частота аварий в группе конструктивных однотипных элементов w; kw - число конструктивных элементов в w группе конструктивных однотипных элементов, =—. (3-Й) где nw — количество элементов в группе конструктивных однотипных элементов.
В этом случае предельно допустимый уровень риска, согласно формуле (3.10) может быть вычислен как кпду =1-рпдуфака. (3.15) Для расчета значений факторов риска (см. табл. 3.7) каждому параметру проставляется (рассчитывается) значение Z, определяемое по формуле (3.16), которое сравнивается по табл. 3.8, и присваивается индекс g от 1 до 3. Р назна-чается, исходя из правила (g - g) — min, и равен 0, 1 или 2 (пример расчета подробно описан в п. 4.3) л/-7 факт, " Аmax, — Аmin,min, Афакт1ЛHOpMt (3.16) где АфактЬ Анормі, Атщ, Amaxj - соответственно фактическое, нормальное, минимальное и максимальное значения фактора, влияющего на ускоренный износ здания из-за подверженности территории внешним факторам; i=l...п - количество факторов.
Методика оценки риска аварии металлических каркасов одноэтажных промышленных зданий, эксплуатируемых на предприятиях черной металлургии
Расчет риска аварии зданий проводится на основании первичных данных, собранных экспертами. Сбор данных осуществляется на всех стадиях жизненного цикла промышленного здания: от проектирования до эксплуатации. Сбор данных необходимо производить не реже одного раза в год. Чем больше массив данных, тем точнее можно посчитать риск аварии.
1. В первую очередь необходимо произвести ранжирование элементов здания на группы, определяющие класс. Также необходимо выделить первый класс важности (см. п.4.1), и дальнейшую работу производить с этим классом конструктивных элементов.
2. Во вторую очередь выстраивается схема влияния конструктивных элементов на общее состояние здания (дерево событий). В п. 4.1 описано три схемы событий: с абсолютно зависимыми элементами, с полностью независимыми элементами и смешанная схема, где присутствуют и зависимые, и независимые конструктивные элементы. По мнению автора, независимая схема «в природе» встречается крайне редко. Поэтому расчет следует производить по первой или третьей схеме. Риск аварии здания будет равным первичному риску аварии конструктивного элемента (группы конструктивных, элементов) первого класса важности с наибольшими критическими дефектами.
Основные элементы металлического каркаса одноэтажного промышленного здания: - колонны (постоянного по высоте сечения, переменного по высоте сечения (ступенчатые), раздельные - в виде двух стоек, нежестко связанных между собой); - несущие элементы покрытия (стропильные и подстропильные фермы, фермы фонарей, прогоны); - подкрановые конструкции (подкрановые балки (фермы), тормозные балки или фермы, вертикальные и горизонтальные связи, крановые рельсы и упоры); - связи (связи между колоннами, связи по покрытию).
При проведении экспертизы промышленной безопасности (обследовании) металлического каркаса одноэтажного промышленного здания следует уделять особое внимание следующим моментам [40, 42, 76, 80, 90, 115]:
Несущие элементы покрытий (являются одними из самых повреждаемых конструктивных элементов каркаса): - прямолинейность стержней (наибольшую опасность представляют искривленные сжатые стержни); - опорные и монтажные узлы стропильных и подстропильных ферм; - наличие соединительных прокладок в стержнях (прежде всего в сжатых); - наличие трещин в фасонках при зазорах между торцами уголков решетки и перьями поясных уголков менее 40 мм (особенно при обвертке торцов уголков решетки и в случае применения кипящей стали для фасонок ферм); - опирание прогонов в узлах ферм (размеры площадки опирання, наличие приварки плит покрытия, смещение опирання прогонов с оси узла); - узлы, примыкающие к фонарю, горизонтальные полки поясных уголков для выявления степени коррозионного износа.
При осмотре прогонов необходимо проверить искривление в плоскости наибольшей жесткости и в плоскости скатной составляющей. Искривление свыше допустимой нормы обусловлено: в плоскости наибольшей тяжести - пе регрузкои прогонов постоянной нагрузкой и снегом, в плоскости скатной составляющей — отсутствием или плохим креплением тяжей. Подкрановые конструкции: - наличие трещин в верхних поясных швах или околошовной зоне стенки балки (прежде всего под стыками рельсов и у опор балок); - наличие трещин в швах крепления тормозных листов (или тормозных ферм) к подкрановым балкам и колоннам; - состояние монтажных стыков поясов балок; - отклонение подкрановой балки от оси колонны - эксцентриситет; - искривление опорных ребер и ребер жесткости подкрановых балок.
Крановые пути: - положение крановых рельсов по отношению к оси стенок подкрановых балок и определение мест, где фактический эксцентриситет превышает допустимый (величина допустимого эксцентриситета 20 мм); - состояние крепежных элементов рельсов; - наличие трещин, изломов, крановых рельс, износа головки рельса. Колонны: - натяжение анкерных болтов; - сохранность необетонированной части базы; - выявление коррозионных поражений верхних частей колонн, расположенных вблизи внутренних водостоков; - сохранность решетки колонн; - состояние узлов вертикальных связей между колоннами; - выявление местных разрушений нижних частей колонн в зонах вероятных ударов, а также в местах, подвергающихся воздействию высоких температур;
