«ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ТРЕХМЕРНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Э.Ф.Шарифуллина, А.В.Солодовников (к.т.н.) ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа ...»

УДК 658.345 © Шарифуллина Э.Ф., Солодовников А.В., 2007

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ТРЕХМЕРНОГО

ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Э.Ф.Шарифуллина, А.В.Солодовников (к.т.н.)

ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа

E-mail: [email protected] Рассматриваются основные задачи промышленной безопасности при проектировании блока аппаратов атмосферно-воздушного охлаждения (АВО) и решения их с помощью применения трехмерного твердотельного моделирования - программного пакета SolidWorks.

Обеспечение безопасности персонала, населения и окружающей природной среды, является основным требованием при проектировании опасных производственных объектов, к которым согласно - Федерального Закона “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” относятся предприятия нефтегазового комплекса. Учитывая, что процесс проектирования имеет довольно сложный итерационный характер и ему свойственно неоднократно возвращаться к началу проекта, в настоящее время уже трудно представить работу без применения систем автоматизированного проектирования (САПР).

САПР в настоящее время получили столь широкое распространение, что стаи незаменимым инструментом при проведении проектных работ в большинстве отраслей промышленности. С появлением современных систем твердотельного и поверхностного параметрического моделирования изменился подход проектирования опасных производственных объектов.

Проектирование идёт не от чертежа к трёхмерному облику объекта, а в обратном направлении: от пространственной (трехмерной) модели к автоматически сгенерированным чертежам. Такой подход к проектированию удобен ещё и тем, что созданная трёхмерная геометрия объекта может быть передана в любую расчётную программу, для анализа технологических, прочностных или других свойств, а так же для моделирования процесса изготовления оборудования. Самое очевидное отличие твердотельного моделирования от двумерного черчения – это создание точной трехмерной компьютерной модели проектируемого изделия. Графические возможности современных настольных компьютеров позволяют отображать эти модели с высокой реалистичностью.

Основные преимущества трехмерного моделирования:

- возможность быстрого формирования чертежей. Виды в различных проекциях создаются автоматически. В качестве исходного материала для них служит объемная модель;

- для простых компонентов получить виды чертежа по трехмерной модели часто оказывается быстрее, чем строить их в традиционной чертежной среде;

- что касается изометрических видов, традиционное их построение – дело еще более непростое. А из трехмерной модели получить такие виды можно всего за несколько секунд;

- для многих проектировщиков опасных производственных объектов самым главным преимуществом является сокращение сроков выполнения проектов, поскольку это их важнейший козырь в конкурентной борьбе.

Эти возможности современных CAD пакетов при проектировании опасных производственных объектов, что, в свою очередь, приводят к повышению надежности и снижению аварийности на промышленных предприятиях, за счет обеспечения качества проектирования.

Выявление опасностей на самой ранней стадии разработки проекта позволяет значительно облегчить дальнейшие исследования опасности и эксплуатационной пригодности на последующих стадиях проекта и избежать крупных аварий, включая возможности взаимодействия между установками нефтеперерабатывающих (нефтехимических) предприятий, которые могут иметь катастрофические последствия.

Использование САПР при проектировании объектов нефтеперерабатывающих предприятий позволяет уже на этапе рабочего проектирования оценить те или иные объемно-планировочные решения и обеспечить высокий уровень безопасности. В работе описан опыт использования программного пакета SolidWorks при проектировании блока аппаратов атмосферно-воздушного охлаждения (АВО).

В ходе проектирования был разработан ряд конструктивно-компоновочных вариантов установки АВО (рисунок 1), оптимизированы основные проектные параметры системы.

Рисунок 1 – Трехмерная модель трехсекционной установки АВО В процессе объемно-планировочных решений при проектировании установки АВО на нефтеперерабатывающем предприятии были решены следующие задачи:

потребность быстрого анализа конструкций оборудования нефтепереработки;

проверка собираемости машин и аппаратов, составляющих комплекс установки газокаталитического производства с исправлением выявленных недостатков (для этого были созданы модели машин и аппаратов и элементы трубопроводной арматуры по готовым чертежам на бумажном носителе, проведен анализ положений конструкции, определены погрешности);

взаимная увязка оборудования с анализом работы комплекса в целом;

подготовка монтажных и сборочных чертежей комплекса согласно нормативнотехнической документации;

необходимость быстрого внесения изменений в существующую установку и проектирование новой с лучшими характеристиками;

увязка иностранного оборудования с продукцией российских заводов с минимальными потерями времени и минимальной трудоемкостью, связанной с необходимостью анализа применяемого оборудования со сложной геометрической формой поверхностей;

подготовка графической части текстовой документации на комплекс с показом средств и вспомогательных механизмов, необходимых для монтажа и эксплуатации изделия;

проектирование трубопроводов и рукавов отдельных узлов;

анализ аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации оборудования и аппаратов;

подготовка моделей для силового расчета и моделирования трехмерных течений жидкости и газа в установке АВО.

При проектировании объектов предприятий нефтепереработки в короткие сроки небольшим коллективом всегда возникает множество трудноразрешимых задач:

- необходимость одновременного использования больших объемов информации требует наличия высокопроизводительных компьютеров или рабочих станций;

- сложность проектируемых объектов взывает необходимость наличия сотрудников, хорошо владеющих не только методами проектирования, но и основами управления проектом, управлением сетевыми ресурсами.

Все это является необходимым для выполнения нескольких основных правил, существенно облегчающих работу с «большими сборками». Они достаточно просты и логичны:

- при работе с «большими сборками» и чертежами «больших сборок» использовать механизм легковесности;

- следует создавать различные исполнения детали для сборки и чертежа, упрощая внешний облик конфигурации, примененной в сборке. Это, конечно, слегка усложняет моделирование и оперирование деталью в сборке, но позволяет избавиться от несущественных параметров детали на чертеже (одно из требований ГОСТ), а также ускоряет регенерацию сборки;

- по возможности следует располагать деталь в той плоскости, в какой она преимущественно будет находиться при отображении на чертеже и в модели;

- стремиться заранее ориентировать моделируемую деталь в пространстве выгоднейшим образом, чтобы затем не тратить времени и ресурсов на поиск необходимого положения. Особенно это актуально при оформлении чертежа сложной детали или узла, т.к. сокращается количество вспомогательных видов и положений и, соответственно, ускоряется процесс создания и регенерации чертежа, что немаловажно при наличии большого количества видов, разрезов и сечений на одном листе;

- по возможности следует стремиться к простой конфигурации «базового» элемента - минимизировать количество исполнений одной детали и узла;

- создавать наименьшее количество дополнительных плоскостей и осей;

- иногда при создании сборки большой конструкции выгодно нарисовать пространственный эскиз расположения объектов и привязывать модели (а иногда и размеры) деталей именно к нему;

- начинать сборку узла с той детали, которая определяет расположение узла в пространстве (если узел располагается на основании – то с нижнего листа, заранее сориентированного по принятым осям координат);

- стараться по минимуму использовать проектирование в контексте сборки. Либо после окончания проектирования в контексте развязать спроектированную деталь относительно общей сборки;

- стараться ограничить применение свободных связей (свободных конфигураций). При наличии нескольких свободных конфигураций в одной сборке время регенерации узла в целом может резко увеличиваться;

- широко использовать массивы с применением различных конфигураций изделия, входящего в массив;

- стремиться минимизировать количество накладываемых связей. Причем важно не количество наложенных связей, а количество отнимаемых ими степеней свободы;

- упрощать структуру узла, создавая подсборки, иногда искусственные, даже если они не будут соответствовать составу, принятому в документации. Это упрощает не только сборку, но и облегчает и ускоряет процесс нахождения ошибок;

- широко пользоваться муляжами сложных законченных узлов, функционально не связанных с остальными элементами. В исключительных случаях следует идти дальше и специально создавать муляж законченного узла для последующего использования его в «большой сборке» вместо настоящего, рабочего узла.

Таким образом, очень важно уметь легко ориентироваться в структуре и расположении отдельных элементов конструкции. Для этого чаще всего просто необходимо на начальном этапе проектирования определить и разделить функционально конструкцию и назначение узлов и механизмов, постараться использовать как можно меньше своеобразных деталей, используя заимствования и конфигурации. На такую подготовку уходит дополнительное время, но при дальнейшей работе, несомненно, подобная тактика приносит успех. Но, самое важное, это аккуратная «чистая» работа по моделированию и сборке на любом этапе проектирования.

Использование новейших компьютерных технологий в 3D-моделировании позволяет кардинально сократить сроки выхода на рынок с новой продукцией, что гарантирует победу в конкурентной борьбе.

Опыт использования твердотельного параметрического моделирования, при выполнении объемно-планировочных решений на опасных производственных объектах показывает реальные преимущества новейших технологий автоматизированного проектирования.

Благодаря использованию твердотельного параметрического моделирования, удалось существенно сократить время проектирования и практически до нуля уменьшить количество ошибок, которые ранее выявлялись только на стадии монтажа, легкости внесения изменений в проект. Огромным плюсом также является наличие не только чертежей, но и видов в изометрии, что улучшает представления о проекте в целом, упрощает работу при монтаже и строительных работах.

В конечном счете, за счет использования комплексного подхода к анализу проекта и возможности вносить изменения до начала строительства, повышается уровень безопасности дальнейшей эксплуатации технического объекта Список литературы 1 Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». – М.: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000 г.

2 Бесчастнов М.В., Соколов В.М. Кац М.И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. - М.: Химия, 1996. – 367 с.

3 Шибаев Г.И., Гончарюк В.А., Полозков В.Т., Скорняков М.В. Основы техники безопасности и противопожарной техники. - М.: Изд-во Недра, 1967. – 228 с.

4 ПБ 09-540-03 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожарных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

5 3D-дизайн и гибридное параметрическое моделирование/ А.Б.Аведьян // САПР и графика.

- 2003. - № 10 C.41-43.

6 Опыт использования САПР SolidWorks в работе с «большими сборками» при проектировании горно-шахтного оборудования/ О.Ю.Горбачева // САПР и графика. 2004. - № C.23-26.

7 Солодовников А.В. Использование твердотельного параметрического моделирования на службе отечественных проектировщиков объектов нефтеперерабатывающих предприятий // Нефтегазовое дело. – 2006. – http://www.ogbus.ru/ authors/Solodovnikov/Solodovnikov_1.pdf - 9 с.

8 Солодовников А.В., Тляшева Р.Р. Проектирование элементов оборудования опасных производственных объектов (предприятий нефтегазового комплекса) с использованием Solidworks // Нефтегазовое дело. – 2006. – http://www.ogbus.ru/authors/Solodovnikov/Solodovnikov_3.pdf - 64 с.

УДК 658.345 © Шамсиева Э.А., Фатхлбаянова А.Р., Солодовников А.В.,

РАЗМЕЩЕНИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ НА НАРУЖНОЙ

ПЛОЩАДКЕ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ,

С УЧЕТОМ ЕЁ ЗАСТРОЙКИ

Э.А. Шамсиева, А.Р. Фатхлбаянова, А.В.Солодовников (к.т.н.) ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа В настоящее время нефтеперерабатывающие предприятия являются одним из главных источников напряженной экологической обстановки. Это связано с выбросами чрезвычайно вредных веществ и экстремальными ситуациями, к которым относятся аварии, взрывы и пожары. В России ныне имеется 9279 объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, что на 18,5% больше, чем в 2004 году.

Предложен и апробирован алгоритм поиска мест размещения газоанализаторов на территории наружной площадки нефтеперерабатывающего предприятия. Анализ газового состава среды на территории нефтеперерабатывающего предприятия необходим с целью решения технологических, так и экологических задач.

Вопросам контроля аварийной загазованности промышленных территорий стали уделять внимание сравнительно недавно. Согласно установленным нормам, промышленная территория открытых технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий должна оснащаться автоматическими системами защиты.

Системы защиты выбирают в зависимости от характера производства и параметров процессов, изменение которых может привести к аварии, с учетом аварийных и противоаварийных ситуаций, создаваемых при отказах систем автоматического регулирования.

Любая система защиты состоит из трех основных функциональных частей: датчиков (газоанлизаторов), измеряющих величины опасных параметров; исполнительных устройств, ликвидирующих аварийную ситуацию или приводящих параметр технологического процесса к нормальному уровню; логических устройств, принимающих сигналы и координирующих действия исполнительных устройств, сигнализацию и показания датчиков.

Под газоанализатором понимается прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Порядок установки автоматических стационарных газоанализаторов-сигнализаторов регламентирован техническими условиями ТУ-газ- “Требования к установке сигнализаторов и газоанализаторов”. Данным документом руководствуются при определении типа, количества сигнализаторов и газоанализаторов и определении мест отбора проб газов и паров с учетом местных условий, технологических особенностей производства и т.д. На практике в связи с дороговизной газоанализаторов они устанавливаются в небольшом количестве, а места их установки выбираются в большинстве случаях в местах заглубления и не имеют обоснованности.

Оптимальное размещение газоанализаторов на территории нефтеперерабатывающего предприятия предлагается решить с использованием системы трехмерного параметрического моделирования SolidWorks и метода конечных объемов реализованного в CFD FlowVision.

Предлагаемый алгоритм оптимального размещения газоанализаторов на территории промышленного объекта позволит прогнозировать места размещения датчиков, а также выполнять анализ существующих проектов их размещения, с целью обнаружения гипотетических и проектных аварий. Алгоритм включает в себя следующую последовательность:

Шаг 1. Задаются условия прогнозирования (как разместить газоанализаторы, чтобы за время t обнаружить k уровень от нижнего концентрационного предела воспламенения) или условия анализа (определить, за какое время n газоанализаторов обнаружат i аварий).

Рекомендуемые уровни обнаружения концентрационного предела воспламенения составляют 20 и 50 % от НКПВ (при задании уровня обнаружения следует учитывать характеристики используемых газоанализаторов).

Шаг 2. Задаются параметры газоанализаторов (радиус действия).

Шаг 3. Для задачи прогнозирования выполняется полное покрытие территории промышленного объекта газоанализаторами, а для задачи анализа устанавливаются газоанализаторы в соответствии с проектом.

Шаг 4. Моделируются гипотетические и проектные аварии с выбросом взрывоопасных веществ, для разных направлений и преобладающих скоростей атмосферных потоков, с использованием CFD пакета.

Шаг 5. Выполняется анализ графиков изменения уровня концентрации для каждого газоанализатора (обработка данных).

Шаг 6. Отбираются газоанализаторы, удовлетворяющие условиям прогнозирования.

Апробируем предлагаемый алгоритм на примере определения эффективности проекта размещения датчиков газоанализаторов на территории наружной площадки АГФУ (рисунок 1).

Моделирования проектных аварий позволило определить эффективность установленных газоанализаторов.

Рисунок 1 - План размещения датчиков газоанализаторов с указанием границ их действия (цифрой в зоне границы покрытия системы газоанализатора указан его порядковый номер) Моделирование движения атмосферных потоков и развития проектных аварий, связанных с выбросом взрывопожароопасного вещества выполняем с использованием пакета вычислительной газодинамики FlowVision. В ходе проведения численных экспериментов по изучению развития проектных аварий, принимаем объем облака топливовоздушной смеси равный 157 м3, а его состав 20 % пропанобутановой смеси и 80 % воздуха.

Для фиксирования показания датчиков в рабочей области наружной площадки используем слои визуализации “график по окружности” по переменной концентрация. Центр расположения графиков соответствует координатам размещения датчиков газоанализаторов, в соответствии с проектом размещения газоанализаторов приведен на рисунке 2. Радиус обнаружения 20 % уровня от НКПВ взрывопожароопасного вещества газоанализатора принимается равным 10 м.

Рисунок 2 - Расчетная область с шестью слоями визуализации “график по окружности” фиксирующими значения уровня концентрации облака ТВС Сведения о возможности газоанализатора обнаружить проектную аварию собираются на основе графиков контроля концентрации в расчетной области. Примером такого контроля служат построение графиков концентрации, на рисунке 3 приведен график контроля при западном направлении ветра.

Рисунок 3 - Данные контроля уровня концентрации проектной аварии №3 датчиками газоанализаторами, при западном направлении ветра Полученные сведения контроля газоанализаторами свидетельствуют, что фактическая схема расположения для обнаружения проектных аварий является не самой «оптимальной», т.к.

при отказе газоанализатора № 6 не будет обнаружено аварийная загазованность в 6 сценариях из 12, а датчики №1 и № 2 не фиксируют не один из сценариев рассмотренных проектных аварий.

Применим предлагаемый алгоритм размещения газоанализаторов для определения мест размещения проектных аварий (мгновенных выбросов). Введем допущение для решения поставленной задачи: покрытие территории газоанализаторами выполним не полное, с целью апробации предлагаемого алгоритма.

Схема покрытия газоанализаторами территории наружной площадки приведена на рисунке 5 (всего 28 газоанализаторов). Оценка эффективности размещения датчиков газоанализаторов предназначенных для контроля уровня загазованности производим в 4-х румбовой схеме для наиболее повторя4емой скорости ветра для окрестностей г.Уфы (v0=2,5 м/с).

Рисунок 4 - Первоначальная схема покрытия газоанализаторами территории наружной установки Критерием размещения газоанализаторов на территории наружной установки является:

определение минимального количества газоанализаторов для обнаружения трех проектных аварий (20 % уровня от нижнего концентрационного предела воспламеняемости пропанобутановой смеси) в независимости от направления атмосферных потоков, при этом каждый газоанализатор должен определить две из трех аварий в течение 15 секунд после возникновения.

Для определения эффективности первоначального размещения систем газоанализаторов получим данные по частоте обнаружения аварийной загазованности всеми газоанализаторами в течение 60 секунд, с момента мгновенного выброса (рисунок 5).

Рисунок 5 - Частота обнаружения аварийной загазованности газоанализаторами Предложенный подход к размещению газоанализаторов является прекрасным дополнением к нормативным документам, он позволит прогнозировать места размещения или выполнять анализ существующих проектов размещения газоанализаторов по обнаружению гипотетических и проектных аварий, с учетом формирования аварийной загазованности, метеорологических условий и застройки опасного производственного объекта.

Результаты расчетов подтвердили предположение, что для своевременного обнаружения проектных аварий нет необходимости в полном покрытии газоанализаторами территории промышленного объекта.

Список литературы 1. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ./ под ред. Б. Б.

Чайванова, А. Н. Черноплекова. - М.: Мир, 1989. – 672 с.

2. Экология переработки углеводородных систем: учебник/ под ред. д-ра хим.наук, проф.

М.Ю. Доломатова, д-ра техн.наук, проф. Э.Г.Теляшева. – М.: Химия, 2002. – 608 с.

3. ГОСТ 12.3.047-98 Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования.

Методы контроля. – Введ. 01.01.2001. – М., 2001. – 92 с.

4. Кац М.И. Охрана труда на предприятиях химической промышленности. М.: Высшая школа, 1969. - 240 с.

5. РД БТ 39-0147171-003-88 Требования к установке датчиков стационарных газосигнализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности.

6. Ту-газ-86 Требования к установке сигнализаторов и газоанализаторов. Утверждена приказом Миннефтепрома СССР №419 от 30.04.86.

УДК 658.345 © Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Идрисов В.Р., Колобов Н.С.,

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИИ

И ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗОН ОПАСНОСТЕЙ

ОБОРУДОВАНИЯ УСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ

НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Р.Р.Тляшева, И.Р.Кузеев, В.Р.Идрисов, Н.С. Колобов ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа Управление по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Республике Приводится способ обеспечения взрывопожаробезопасности опасных производственных объектов на основе предложенного алгоритма вейвлет-анализа зон потенциальной опасности оборудования технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли.

Анализ последствий различных чрезвычайных ситуаций на территории России показывает возрастающую опасность техногенного характера, роста аварий на потенциально опасных объектах [1].

Для моделирования и прогнозирования последствий нештатных ситуаций на опасных производственных объектах целесообразно применять современные географические информационные технологии (ГИС-технологии). Использование ГИС-технологий сокращает время для сбора, поиска, анализа и интерпретации географической и тематической информации, необходимой для оценки и уменьшения негативных последствий аварий [2], что позволяет исследователю оценить большое количество вариантов решения.

К таким системам относится ГИС «ИнГЕО» [http://www.gisa.ru., http://www.integro.ru].

Система основана на архитектуре «клиент/сервер». Поэтому она может работать как на отдельно взятой рабочей станции, так и в локальной вычислительной сети с произвольным количеством пользователей – редакторов карты. При этом обеспечивается корректная совместная работа нескольких операторов с одной картой, слоем или даже с одним ее фрагментом. Кроме этого, система позволяет отображать данные в среде Internet (рисунок 1,2).

Общая концепция ГИС «ИнГЕО» заключается в следующем:

- программа имеет систему визуализации электронных карт;

- в ГИС используются многоаспектные семантические таблицы по объектам, которые можно изменять (добавлять, вносить изменения, удалять) в интерактивном режиме. По таблицам можно осуществлять выборку для просмотра только тех записей базы данных, которые удовлетворяют произвольному логическому условию, формируемому в интерактивном режиме;

- система позволяет осуществлять двусторонние запросы: из картографической в семантическую базы данных и обратно. То есть, по выбранным объектам можно узнать совокупную семантическую и пространственную информацию, а также осуществить поиск по семантической базе данных всех объектов, которые удовлетворяют формируемому в интерактивном режиме произвольному логическому условию.

Однако, простое использование ГИС «ИнГЕО» со всем многообразием его функций не дает решение таких специфичных задач, как обеспечение взрывопожаробезопасности опасных производственных установок. Для этого предложено его расширить дополнительными подсистемами, которые позволяли бы анализировать текущую ситуацию и принимать на основе предоставленной информации соответствующие решения.

Подсистема ГИС «ИнГЕО» визуализации зон опасностей опасных производственных объектов Нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы нефтегазовой отрасли представляют собой совокупность большого числа взаимосвязанных технологических производств и аппаратов, опасных производственных объектов (ОПО), предназначенных для переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Современные заводы оснащены сложным оборудованием, предназначенным для различных процессов: нагрева, охлаждения, конденсации, массопередачи, перекачки, фильтрации.

Взрывоопасность многих технологических процессов в значительной степени зависит от аппаратурного оформления, надежности и безопасности применяемого оборудования.

Концентрация на небольших площадях большого количества крупнотоннажных аппаратов и сложных машин, а также больших объемов взрывопожароопасных и токсичных веществ ведет к резкому возрастанию вероятности возникновения аварии с серьезным материальным ущербом и человеческими жертвами.

Существуют методики, позволяющие определять зоны потенциальной опасности этих объектов. Количественно эти зоны определяются радиусом поражающего действия при взрыве ТВС Для реализации подсистемы ГИС «ИнГЕО» динамической визуализации зон потенциальных опасностей опасных производственных объектов был выбран способ отображения зон в виде ареалов.

Указанные ниже данные можно хранить и использовать для анализа в геоинформационной системе:

· пространственное расположение объектов на территории организации;

· семантическая информация по объектам (количество вещества; значения радиусов зон опасностей – зоны полных, сильных, средних, слабых разрушений и зоны расстекления, и другая информация).

Однако, для обработки этой информации необходима специализированная система, умеющая работать с этими данными.

Задачи, которые должна решать система, следующие:

· идентификация объектов цифровой карты (таких как колонны, печи, резервуары, емкости или другое оборудование НПЗ), как опасных производственных объектов;

· анализ семантической информации, характеризующей каждый объект карты; это может быть количество перерабатывающегося, хранящегося или использующегося опасного вещества в каждом виде оборудования;

· выделение анализируемой площади цифровой карты определенными границами, которые задает пользователь: например, радиусы сильных, полных разрушений, определенных по методике [3];

· создание цифрового поля, характеризующего опасность.

Авторами, cоставлена методика и алгоритм работы подсистемы ГИС «ИнГЕО»

визуализации зон опасностей опасных производственных объектов [4].

Подсистема «умеет» считывать из ГИС данные об опасных производственных объектах и динамически отображать на поверхности электронной карты зоны опасности оборудования ОПО (настраивается пользователем).

Пример использования подсистемы приведен на рисунке 3. Здесь отображены аппараты ОПО с зонами полных разрушений. Анализ приведенной графической информации позволяет локализовать пространственно зоны потенциальных опасностей ОПО.

Анализ графической и семантической информации при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО»

визуализации зон опасностей позволяет локализовать пространственно зоны потенциальной опасности оборудования (аппаратов) установок. Однако с увеличением количества аппаратов на территории установки общий анализ опасных зон становится трудновыполнимым: на экране отображается слишком много перекрывающихся зон, что не позволяет адекватно воспринимать предоставляемую системой информацию.

Для решения поставленной проблемы предлагается провести кратномасштабный вейвлетанализ графического изображения зон опасностей.

Рисунок 3 - Зоны полных разрушений при образовании паро-газового облака

АЛГОРИТМ КРАТНОМАСШТАБНОГО АНАЛИЗА

Идея кратномасштабного анализа может быть сформулирована следующим образом:

взглянуть на сигнал сначала вплотную – под микроскопом, затем через лупу, потом отойти на пару шагов, потом посмотреть издалека.

Этот подход дает нам следующие преимущества.

Во-первых, мы можем, путем последовательного огрубления (или уточнения) сигнала, выявлять его локальные особенности (характерные детали изображения) и подразделять их по интенсивности.

Во-вторых, таким образом обнаруживается динамика изменения сигнала в зависимости от масштаба. Если резкие скачки (например, аварийное отклонение показаний датчика) во многих случаях видны «невооруженным глазом», то взаимодействия событий на мелких масштабах, перерастающие в крупномасштабные явления, увидеть очень сложно. И наоборот, сосредоточившись только на мелких деталях, можно не заметить явлений, происходящих на глобальном уровне.

В нашем случае в качестве набора сигналов выступает графическое представление зон потенциальной равной опасности совокупности опасных объектов (рисунок 4).

Мы рассматриваем это изображение как матрицу, размеры которой определены его высотой и шириной. Элементы матрицы принимают целые значения в диапазоне [0; 255] – это значение цвета в некоторой палитре цветов.

Несмотря на то, что изображение имеет двумерную структуру, мы применяем одномерное вейвлет-преобразование, что дает значительный выигрыш в скорости вычислений по сравнению с двумерными вейвлетами.

Рисунок 4 - Пример перекрывающихся зон опасностей оборудования ОПО

АЛГОРИТМ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

В качестве вейвлет-фильтров были выбраны дискретные вейвлеты Добеши.

Исходную матрицу мы представляем в виде набора строк, иными словами, набора векторов; каждый элемент этого набора имеет длину, совпадающую с шириной изображения, а элементы векторов принимают целочисленные значения в диапазоне от 0 до 255.

На рисунке показан пример трех сигналов, соответствующих различным областям тестового изображения (рисунок 5). Таким образом, мы анализируем функции I(x) интенсивности пикселей, аргумент x – это горизонтальная координата точки на изображении.

Функции интенсивности подвергаются вейвлет-преобразованию при фиксированном значении масштабного коэффициента a. В результате мы вновь получаем одномерный вектор число элементов N которого равно ширине изображения. Индекс элемента вектора совпадает с величиной смещения b вейвлета.

Описанная последовательность действий приводит к набору векторов, содержащих вейвлет-образы строк матрицы исходного изображения.

Далее мы объединяем полученный набор векторов и получаем вейвлет-преобразованное изображение исходного.

соответствующим горизонтальным линиям изображения Однако, кратномасштабный анализ предполагает в итоге получение вейвлетпреобразованных данных для N масштабов: для каждого из масштабов формируется набор данных из аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов. Возникает необходимость определения критерия применимости аппроксимирующих коэффициентов для оценки исходных данных.

КРИТЕРИЙ ВЫБОРА МАСШТАБА ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА ЗОН ОПАСНОСТЕЙ

Итак, в результате вейвлет-преобразования зон полных разрушений оборудования ОПО получается несколько наборов преобразованных данных. С уменьшением масштаба полученные данные все меньше соответствуют исходным, так как убираются детализирующие данные.

Детализирующими данными в нашем случае выступают области опасностей, которые являются бесконечно малыми по отношению к проекциям аппаратов на земную поверхность. Это означает, что в результате вейвлет-преобразования исходного изображения появляется множество областей опасностей, которыми можно пренебречь, так как они создают дополнительный шум, что не способствует быстрому визуальному анализу полученных данных.

Определим, какие области будем считать незначащими.

Пусть S min = min {Si } – минимальная площадь, занимаемая Si-ым аппаратом на территории установки (проекции аппарата на поверхность земли), N – количество аппаратов установки;

j = 1, K – площадь j-ой тестируемой зоны, К– количество тестируемых зон.

Область опасности будем считать незначащей, если выполняется соотношение то есть, площадь тестируемой зоны Dj не превышает площади, занимаемым самым малогабаритным аппаратом, представляющим потенциальную опасность.

Определим, далее, критерий выбора масштаба вейвлет-преобразования.

В ходе экспериментального вейвлет-исследования зон полных разрушений оборудования установки ЭЛОУ-АВТ-2 для 32 масштабов была выявлена зависимость (рисунок 6).

Вплоть до 14-15 масштабов наблюдается равномерно убывающая последовательность количества незначащих областей (рисунок 7,8).

Рисунок 6 - Общий вид зависимости количества незначащих На 16 масштабе (рисунок 9) возникает скачок, при котором количество незначащих областей увеличивается. Это означает увеличение шума. То есть, масштаб 15 является более приемлемым для анализа по сравнению с 16-м. Однако, к 18 масштабу число незначащих областей падает до нуля, но, при этом данные будут являться весьма приближенными к исходным (так как отбрасывается сравнительно большое количество детализирующих данных), что будет накладывать погрешность при определении критических областей.

Рисунок 7 - Вид зависимости количества незначащих областей (К) Рисунок 8 - Вид зависимости количества незначащих областей (К) Рисунок 9 - Вид зависимости количества незначащих областей (К) Поэтому, наиболее оптимальным для анализа предлагается выбрать масштаб 15. Пример преобразованных данных приведен в Приложении Г.

Для подбора критериев оценки результатов вейвлет-преобразования зон опасностей была произведена оценка зон полных разрушений опасных объектов. Максимально насыщенные цвета соответствуют наибольшему количеству наложенных друг на друга зон полных разрушений аппаратов установки. Следовательно, самая насыщенная область является наиболее опасной с точки зрения вероятности возникновения аварийной ситуации и, тем более, необходимо предпринять меры по обеспечению безопасности жизни и здоровья обслуживающего персонала /5/. Такие области будем называть критическими областями потенциальной опасности.

Таким образом, в качестве критерия рассматривается максимальное число наложений зон полных разрушений, которое дает на графическом образе вейвлет-преобразованного изображения область, имеющую наиболее насыщенный цвет.

Итак, предложен метод проведения кратномасштабного вейвлет-анализа зон опасностей.

Однако он требует создания специализированной системы, которая бы умела считывать семантическую и пространственную информацию из ГИС и отображать результаты анализа на поверхности рисования электронной карты ГИС.

Алгоритм метода в виде блок-схемы приведен на рисунке (рисунок 10).

Рисунок 10 - Блок-схема метода вейвлет-анализа зон полных разрушений ОПО Таким образом, была реализована система вейвлет-анализа зон опасностей опасных производственных объектов, которая решает следующие задачи:

· идентификация объектов цифровой карты как оборудования опасных производственных объектов;

· анализ семантической информации, характеризующей каждый объект карты;

· динамическое составление тематической карты зон опасностей различного уровня на основе анализа семантической информации;

· выявление критических зон потенциальной опасности на основе составленной тематической карты зон опасностей с использованием вейвлет-преобразований полученных изображений;

· отображение критических зон потенциальной опасности в качестве растровой подложки ГИС.

Авторами была спроектирована и создана подсистема ГИС «ИнГЕО», позволяющая:

· задавать настройки слоев ГИС (карта, слой, стиль отображения, таблица семантических данных, поля таблицы), в которых содержатся объекты: оборудование опасных производственных объектов и жилые помещения;

· для аппаратов опасных производственных объектов задавать следующие семантические данные:

· для объектов-жилых помещений задавать семантические данные:

· задавать настройки отображения зон опасностей:

o возможность отображения зон в пределах видимой области или на всей · задавать настройки параметров вейвлет-анализа:

· динамически отображать зоны опасности аппаратов установки на поверхности рисования электронной карты;

· осуществлять вейвлет-анализ зон опасностей аппаратов установки;

· привязывать результаты вейвлет-анализа в ГИС в качестве растровой подложки.

Результат вейвлет-анализа зон опасностей приведен на рисунке 11.

Рисунок 11 - Пример результатов работы подсистемы вейвлет-анализа зон опасностей Применение кратномасштабного вейвлет-анализа зон опасностей установок предприятий нефтегазовой отрасли.

Был проведен анализ последствий аварийных ситуаций при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО» вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей оборудования комбинированных установок атмосферно-вакуумной перегонки нефти с предварительным ее обессоливанием ЭЛОУАВТ. Так как полное разрушение оборудования является наиболее критичным с точки зрения масштаба разрушений, то анализировались только зоны полных разрушений крупногабаритного оборудования предприятий нефтегазового коплекса.

Расположение оборудования установки ЭЛОУ-АВТ было перенесено в ГИС «ИнГЕО»

(рисунок 12). Здесь значком обозначены объекты установки, наиболее подверженные взрыву с последующим возникновением пожара. Подсистема ГИС «ИнГЕО» динамической визуализации зон опасностей опасных производственных объектов отобразила зоны полных разрушений оборудования установки (рисунок 13).

Далее, при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО» вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей опасных производственных объектов были выделены (рисунок 14) и проанализированы (рисунок 15) зоны полных разрушений аппаратов установки. Результаты вейвлет-анализа были наложены на карту в виде растровой подложки.

Вейвлет-анализ зон потенциальных опасностей оборудования установки ЭЛОУ-АВТ показал, что практически вся территория установки покрывается зонами полных разрушений объектов, содержащих опасные вещества, что представляет большую угрозу для функционирования установки в целом, так как разрушение одного аппарата приведет к неизбежному разрушению других, находящихся в его зоне полных разрушений; дальше – «цепная реакция». Кроме того, по результатам анализа можно однозначно определить наиболее опасное место на территории установки – критическую область потенциальной опасности:

местоположение печей П-1 и П-2 (рисунок 13).

Рисунок 12 - Окно ГИС «ИнГЕО» с электронной картой территории установки ЭЛОУ-АВТ Рисунок 13 - Зоны полных разрушений аппаратов ЭЛОУ-АВТ.

Рисунок 14 - Вычлененные зоны полных разрушений на ЭЛОУ-АВТ Рисунок 15 - Критические области потенциальной опасности ЭЛОУ-АВТ Для моделирования аварии установки АВТ, произошедшей 14 января 1987 г на вакуумном блоке установки первичной переработки нефти АВТ-2 «Уфимского НПЗ им. XXII съезда КПСС» /6/ был применен метод вейвлет-анализа зон опасностей установок предприятий нефтегазовой отрасли..Началом аварии явилось разрушение штуцера на трансферной линии подачи мазута в вакуумную колонну К-5 (рисунок 16), вследствие этого возникло возгорание на поверхности аппарата, которое распространилось на площадку около насосов, и в пространство под опорной обечайкой. Площадь пожара составила около 60 м2. При попытке тушения огня внутри опорной обечайки произошла разгерметизация фланцевых соединений, сопровождающаяся хлопками, выходом мазута из колонны и увеличением интенсивности горения.

Рисунок 16 - Окно ГИС «ИнГЕО» с электронной картой территории типовой установки АВТ Через 1 час и 15 минут после начала горения произошло падение колонны в сторону этажерок конденсаторов воздушного охлаждения (рисунок 16).

Рисунок 18 - Вычлененные зоны полных разрушений на АВТ Авторами в ГИС «ИнГЕО» было произведено моделирование пространственного расположения аппаратов установки АВТ-2. С учётом критериев картномасштабного анализа осуществлён вейвлет-анализ зон полных разрушений аппаратов установки на 15-м масштабе (рисунок 17, рисунок 18, рисунок 19).

Рисунок 19 - Критические области потенциальной опасности АВТ Анализ показал, что колонна К-5 в момент падения находилась в критической области потенциальной опасности установки. В случае взрыва колонны авария могла бы развиваться по более катастрофичному сценарию, чем произошло в действительности – просто возгорание и интенсивное горение мазута. На самом деле, в критические области опасности попадает множество аппаратов установки: ёмкости Е-9, Е-21, Е-23; колонны К-2 и К-3; блоки теплообменников и конденсаторов. Взрыв хотя бы одного из этих аппаратов привёл бы к неминуемому разрушению остальных, дальше - цепная реакция («эффект домино»).

Предлагается использовать геоинформационные системы с набором подсистем, позволяющих проводить вейвлет-анализ пространственных и семантических данных.

В статье приведено описание созданного метода анализа последствий аварийных ситуаций на опасных производственных объектах посредством вейвлет-анализа зон опасностей. Приводится общее описание системы анализа, способа сопряжения методов вейвлет-анализа и зон опасностей.

Введено понятие «критическая область потенциальной опасности».

Определены критерии выбора масштаба для вейвлет-анализа зон полных разрушений и оценки результатов вейвлет-анализа зон полных разрушений опасных производственных объектов.

Приведен пример практического использования подсистемы вейвлет-анализа для анализа зон полных разрушений на примере установки ЭЛОУ-АВТ.

Определены критерии выбора масштаба для вейвлет-анализа зон полных разрушений и оценки результатов вейвлет-анализа зон полных разрушений опасных производственных объектов.

Оценены зоны опасности установки АВТ, на которой произошла авария. Анализ выявил, что упавшая колонна находилась в критической области потенциальной опасности.

Список литературы 1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Анализ риска и проблем безопасности. В 4-х частях.// Ч.2. Безопасность гражданского и оборонного комплексов и управление рисками: Научн. руковод. К.В.Фролов. – М.: МГФ «Знание», 2006. –752 с 2.Ларионов В.И., Нигметов Г.М., Николаев А.В., Фролова Н.И. и др. Опыт использования информационных и космических технологий для оперативной оценки последствий сильных землетрясений //Оценка и управление природными рисками. РИСК-2000. Матер.Общеросс.конф. М.: Анкил, 2000. - С.214-219., Ларионов В.И., Нигметов Г.М., Фролова Н.И. и др. Оценка уязвимости и сейсмического риска с использованием ГИС-технологий от возникновения неустойчивости грунтовых оснований зданий при землетрясениях //Сейсмостойкое строительство.

- 1999. №2. - С.37-41.

3. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-540-03) / Колл. авт.- М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. -125с.

4. А.с. об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612414. Модуль расширения ГИС «ИнГЕО»: система визуализации зон опасностей ОПО /М.И.Кузеев, Р.Р.

Тляшева, В.Р. Идрисов, П.Н. Ванчухин //Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем: Бюл. Рос. агентства по патентам и товарным знакам. – М.: ФИПС, 2005.

– №4(53) 5. Федеральный закон «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» от 21.12. 94 №68-ФЗ., Федеральный закон «О промышленной безопасности производственных объектов» от 21.07.97 №116-ФЗ. Собрание законодательства Российской Федерации, 1997, № 30. с. 3588.

6. Ягафаров Р.Р. Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях. Диссертация на соискание уч. степ. канд. техн. наук. – Уфа, 2005.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ

Управление по экологическому и технологическому надзору по Республике Башкортостан, г.Уфа В настоящее время в Республике Башкортостан насчитывается около 2400 автозаправочных станций (АЗС), значительная часть из которых законсервирована. Более 600 АЗС общего пользования находятся в эксплуатации.

АЗС, как правило, включает комплекс зданий, сооружений и оборудования, ограниченный участком площадки и предназначенный для заправки транспортных средств моторным топливом, продажи масел, консистентных смазок, запасных частей, принадлежностей к транспортным средствам и оказания услуг владельцам индивидуальных средств. А их эксплуатация характеризуется потенциальной опасностью, характеризующиеся возможными взрывами и пожарами на этих объектах, что создаёт опасность и напряженность не только непосредственно на АЗС, но и в жилых районах вблизи которых они расположены.

По конструктивному исполнению, функциональному назначению и другим особенностям АЗС разделяется на стационарные, контейнерные (КАЗС), передвижные (ПАЗС), общего пользования, ведомственные, с подземным расположением резервуара, с наземным расположением резервуара, с расположением резервуара на транспортном средстве, по числу топливозаправочных колонок и т.д.

Стационарные АЗС представляют собой капитальные сооружения, включающие здания, топливозаправочные колонки, резервуары, технологические трубопроводы, очистные сооружения и различные системы обеспечения технологического процесса. Технологический процесс функционирования стационарной АЗС включает комплекс операций по приему, хранению и выдачи нефтепродуктов.

Для хранения нефтепродуктов на АЗС используются подземные и наземные стальные горизонтальные или вертикальные резервуары. Горизонтальные цилиндрические резервуары, устанавливаемые заглублено, получили наибольшее распространение. Они выдерживают более высокие внутренние избыточные давления и разрежения по сравнению с вертикальными резервуарами.

Современные автозаправочные станции представляют собой сложные инженерные сооружения, оборудованные комплексом технических средств обеспечения безопасности функционирования АЗС, автоматизированных систем обеспечения технологических процессов приема, хранения и выдачи топлива, первичными средствами пожаротушения, системой пожарной сигнализации, охранной и тревожно-вызывной сигнализации и т.д.

При операциях слива, налива и транспортирования нефтепродуктов для защиты от статического электричества предусматриваются специальные меры:

- заземление всего технологического оборудования и автоцистерны, в том числе и рукавов;

- применение специальных нейтрализаторов статического электричества в жидкости для снижения входной плотности заряда при поступлении в автоцистерну;

- применение конструктивных решений, снижающих параметры электрических полей в отсеках автоцистерны и др.

Одним из важных показателей безопасности производств является надежность работы оборудования. Существуют различные критерии оценки надежности оборудования долговечность, ремонтопригодность и т.д. С точки зрения безопасности процесса интерес представляет оценка надежности оборудования по времени безотказного выполнения заданных функций, нарушение которых могут быть причиной возникновения аварийной ситуации.

Сегодня на фоне бурного роста парка автомобилей возрастают масштабы строительства АЗС. Все большее количество АЗС, как по дизайну, так и по применяемым техническим средствам и технологиям стремятся соответствовать мировым стандартам. Однако не все технические решения при строительстве новых и реконструкции действующих объектов нефтепродуктообеспечения, применяемых для АЗС, соответствуют требованиям по обеспечению их безопасной эксплуатации. Особо остро это наблюдается в последние время и связано со структурными изменениями на топливном рынке в Республике Башкортостан, значительная часть АЗС находится в частной собственности, которые неохотно вкладывает финансовые средства по приведению действующих АЗС требованиям нормативной документации.

В настоящее время нормативная база по вопросам обеспечения безопасной эксплуатации АЗС насчитывает около 200 наименований нормативных документов, регламентирующих требования по эксплуатации АЗС. При этом, учитывая, что АЗС относятся к взрывоопасным производственным объектам, на их эксплуатацию в полной мере распространяются требования промышленной безопасности к объектам нефтепродуктообеспечения.

Основные нормативные правовые документы, устанавливающие требования к обеспечению безопасности можно разделить на законодательные акты, иные нормативные правовые акты и нормативные технические документы.

К категории законодательных актов относятся Федеральные законы «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 № 116-ФЗ, «О лицензировании отдельных видов деятельности» от 08.08.2001 № 128-ФЗ, «Об охране окружающей природной среды» от 10.01.02 № 7-ФЗ, « Об отходах производства и потребления» от 24.06.98 № 89-ФЗ и другие законы определяющие правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации АЗС.

Группа нормативных правовых актов определяют Постановления Правительства Российской Федерации «О лицензировании эксплуатации взрывоопасных производственных объектов» от 17.01.2007 № 18, «О перечне технических устройств, применяемых на опасных производственных объектах и подлежащих сертификации» от 11.08.1998 № 928, «О регистрации объектов в государственном реестре опасных производственных объектов» с изменениями от 24.11.1998 № 1371, ПУЭ Правила устройства электроустановок, РД 153-39.2-080-01 «Правила технической эксплуатации автозаправочных станций» и т.д.

И последняя группа нормативные технические документов устанавливающих требования к механизмам, техническим и иным процессам, веществам и т.д. (СНиП 3.05.06- Электротехнические устройства, СО 153-34-21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций) и т.д.

Имеющаяся нормативная правовая база содержит практически все необходимые требования к обеспечению безопасной эксплуатации АЗС, надзор за соблюдением которых входит в компетенцию органов Ростехнадзора.

Но следует отметить недостаточность подзаконных актов, необходимых для реализации требований по экологической безопасности. Кроме того, вступившие в силу с 01 января 2007 года изменения в Градостроительный кодекс, Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», Федеральный закон «Об экологической экспертизе»

совершенно запутали ситуацию с экспертизой проектов на строительство, реконструкцию опасных производственных объектов, к числу которых относятся АЗС. По количеству опасных веществ на объекте АЗС не относятся к особо опасным объектам, поэтому проекты на строительство и реконструкцию АЗС не подлежат государственной экспертизе. Не подлежат они и экспертизе промышленной безопасности согласно изменениям, внесенным в ФЗ-116 (закон предусматривает экспертизу промышленной безопасности проектов на расширение, техническое перевооружение, консервацию и ликвидацию объектов). Экологическая экспертиза проектов вообще отменена.

Такая законодательная «ниша» создает ситуацию, когда отсутствие контроля на стадии проектирования нового объекта или реконструкции действующего может привести к значительным проблемам при эксплуатации объекта. До внесения изменений в действующее законодательство решение проблемы, как нам кажется, в следующем. Согласно Положению о Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору, на органы Ростехнадзора возложен надзор за проектированием опасных производственных объектов, созданы межрегиональные отделы по надзору за проектированием, силами которых можно контролировать качество проектной документации на строительство и реконструкцию объектов.

Необходимо разработать Правила безопасности для автозаправочных станций с целью обобщения, а в некоторых случаях конкретизировать требования в области промышленной безопасности применительно к указанным станциям.

УДК 658.345 © Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Сердюк А.А., Колобов А.Н.,

АНАЛИЗ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НПС

В.А. Шабанов (к.т.н.), В.Ю. Алексеев, А.А. Сердюк, А.Н. Колобов ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа ООО «Производственно-технический центр», г.Уфа Одной из основных особенностей современного промышленного производства состоит в том, что сложное технологическое оборудование не может нормально функционировать, если система электроснабжения, релейная защита и автоматика не соответствие требованиям надежности и устойчивой работы. Для промышленных предприятий транспорта нефти и нефти продуктов перерывы питания на несколько секунд ведет к внезапному нарушению непрерывного технологического процесса, что в свою очередь приводит не только к материальным затратам но и к нарушению промышленной и экологической безопасности производства. Поэтому анализ требований к обеспечению устойчивой работы потребителя при перерывах электроснабжения является актуальной задачей.

При анализе требований к обеспечению устойчивой работы потребителя при перерывах электроснабжения от одного из внешних источников основное внимание следует уделять технологической схеме и технологическим режимам работы НПС.

В процессе анализа на соответствие требованиям надежности и устойчивой работы потребителя при отказах в системе внешнего и внутреннего электроснабжения анализу и обследованию подлежат:

- схемы и алгоритмы технологической автоматики НПС;

- схемы внешнего и внутреннего электроснабжения НПС;

- схемы вторичных соединений вводных ячеек технологического ЗРУ- 6(10) кВ;

- схемы вторичных соединений ячеек секционных выключателей (СВ) технологического ЗРУ-6(10) кВ;

- схемы вторичных соединений ячеек измерительных трансформаторов напряжения (ТН, НТМИ и т.д.) ЗРУ-6(10) кВ;

- схемы вторичных соединений ячеек высоковольтных электродвигателей привода магистральных насосных агрегатов (МНА) и подпорных насосных агрегатов (ПНА);

Рассмотрим содержание перечисленных видов анализа.

В процессе анализа схем и алгоритмов технологической составляется алгоритм работы с указанием всех выдержек времени, исследуется последовательность и взаимодействие работы элементов схемы и действие необходимых блокировок.

Анализ схем электроснабжения Как правило, электроприемники нефтяной и газовой промышленности по степени надежности электроснабжения относятся к первой или второй категории. При анализе схемы электроснабжения выполняются следующие виды работ:

- проверяется наличие двух независимых источников питания и анализируется их соответствие требованиям ПУЭ [1], оценивается их способность нести 100% - ую нагрузку в послеаварийном режиме при потере питания потребителя от одного из источников;

- анализируется схема внешнего электроснабжения, анализируются уставки РЗиА выдержки времени релейной защиты, в электрической сети энергосистемы,;

- анализируется схема внутреннего электроснабжения НПС.

Анализ схем релейной защиты и автоматики (РЗА) Анализ схем РЗА выполняется по схемам вторичных соединений ячеек технологического ЗРУ-6(10) кВ НПС. При анализе схем вторичных соединений выключателей вводов, секционных выключателей, высоковольтных синхронных (СД) и асинхронных (АД) электродвигателей МНА и ПНА, проверяется факт наличия тех защит и схем автоматики, которые участвуют в обеспечении устойчивой работы потребителя при отключении одного источника электроснабжения, и наличие которых регламентируется ПУЭ и отраслевыми нормативными документами [2,3].

Анализ схем электроснабжения и РЗА должен сопровождаться проверочными расчетами.

При этом в процессе обследования схем электроснабжения и РЗА выполняется следующие проверки и расчеты.

1 Проверка и расчет допустимости и возможности (успешности) самозапуска электродвигателей насосных агрегатов после включения секционного выключателя при срабатывания схемы АВР.

2 Проверка и расчет уставок по напряжению и времени 1-й и 2 – й ступеней ЗМН.

3 Проверка и расчет уставок по току и времени МТЗ вводов и секционных выключателей.

При необходимости выполняется расчет уставок пускового органа МТЗ по напряжению.

4 Проверка уставок технологических защит НПС на соответствие требованиям отраслевых регламентов и нормативных документов [3].

5 Проверка схем и фактически выставленных уставок РЗА НПС и их анализ на соответствие требованиям отраслевых регламентов и нормативных документов.

6 Проверяется обеспечение:

- работоспособности схем АВР секционного выключателя технологического ЗРУ-6(10) кВ;

- питания цепей технологической автоматики на НПС от источников гарантированного питания, подключенного от устройства АВР мгновенного действия;

- запуска резервного насосного агрегата, с выдержкой времени при работе электрических защит электропривода основного насосного агрегата;

- АПВ вспомогательных механизмов, которые были в работе и обеспечивали работу насосных агрегатов;

- технологического АВР вспомогательных механизмов (без выдержки времени при снижении контролируемых параметров ниже уставки срабатывания);

- алгоритма включения АПВ вспомогательных систем с обеспечением контроля напряжения на секциях шин ЩСУ, от которого осуществляется питание вспомогательных систем;

- алгоритма (в случае необходимости) поочередного пуска насосных агрегатов.

На основании проведенного анализа делается вывод о соответствии или не соответствии схем и уставок релейной защиты и технологической автоматики требованиям надежности электроснабжения и требованиям обеспечения устойчивой работы НПС при потере питания от одного из внешних источников. Результаты анализа уставок целесообразно представлять в виде таблиц. В случае не соответствия схем или уставок релейной защиты и технологической автоматики требованиям надежности электроснабжения и требованиям обеспечения устойчивой работы НПС при потере питания от одного из внешних источников разрабатываются предложения либо по изменению уставок, либо технические решения по изменению схем релейной защиты и автоматики.

Рассмотренные общие положения комплексного анализа схем электроснабжения и релейной защиты и автоматики (РЗА) на соответствие требованиям надежности электроснабжения и устойчивой работы потребителя при отказах в системе электроснабжения разработаны на основе опыта работы при обследовании устойчивости ряда НПС ОАО АК «Транснефть» в 2005- годах.

Список литературы 1 Правила устройства электроустановок. Шестое издание. - М.: Главгосэнергонадзор, 1998. - 667 с.

2 Руководящий документ РД-17.01-60.30.00-КТН-009-1-04. Регламент обеспечения устойчивой работы НПС ОАО АК «Транснефть» при отключении одного источника электроснабжения.

3 Руководящий документ РД 153-39.4-087-01. Автоматизация и телемеханизация магистральных нефтепроводов. Основные положения.

ВИБРОДИАГНОСТИКА НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

НА ПРИМЕРЕ СТАНКА-КАЧАЛКИ

ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа Описан метод диагностирования станка-качалки на основе определения параметров вибрации, приводится практический пример проведения исследования, ставится диагноз по параметрам вибрации и предлагаются рекомендации по дальнейшему увеличению надежности, которые позволяют снизить затраты на различные виды ремонта станка-качалки.

Надежная работа станков-качалок (СК) зависит от технологического режима эксплуатации скважины, качественного выполнения монтажных работ, точного уравновешивания, своевременного проведения технического обслуживания и плановых ремонтов. Это особенно важно в настоящее время, когда внедряются системы автоматизации за работой скважин, а их обслуживание операторами выполняется один-два раза в сутки. В таких условиях небрежность оператора может привести к крупной аварии. Поэтому предупреждение аварийных ситуаций или внеплановых остановок СК – важное условие обеспечения эффективной и надежной работы всей скважинной насосной установки.

Выполнение такого условия невозможно без постоянного контроля за техническим состоянием наземного оборудования СК, прогнозирования ресурса его узлов.

Техническое диагностирование, исследующее формы проявления отказов в технических устройствах, разрабатывающее методы их обнаружения, а также принципы конструирования систем диагностики, позволяют во многом решить поставленные задачи. Наиболее перспективным, разработанным и изученным на сегодняшний день методом диагностики поверхностного нефтяного оборудования является вибродиагностика, которая позволяет не только обнаружить неисправности, но и проанализировать глубину их развития, выявить причины, прогнозировать ресурс или время работы до ремонта.

Выбор тех или иных параметров вибрации в качестве диагностических связан с требуемой глубиной диагностического обследования, методом измерения, частотой вращения рабочих узлов механизма, диапазоном излучаемых ими частот. При этом выбранные параметры должны обладать наибольшей информативностью, то есть нести максимум информации о техническом состоянии объекта. Параметром вибрации, который несет обобщенную информацию о том и другом одновременно, является виброскорость.

Вибрационными характеристиками СК являются общий уровень вибрационной скорости, уровень виброскорости на различных частотах.

Как показала промысловая практика, для диагностирования технического состояния нефтепромыслового оборудования в большинстве случаев достаточно оценить лишь один параметр вибрации – виброскорость в различных интервалах частот.

В качестве одного из объектов вибродиагностики используется лабораторный стенд «станок-качалка». Агрегат смонтирован в лаборатории кафедры нефтегазопромыслового оборудования УГНТУ. Частота вращения вала электродвигателя (ЭД) составляет около об/мин.

Точки замеров на стенде, маршрут и направления измерений уровня вибрации приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Точки замеров, маршрут, направления измерений вибрации СК Для замера виброскорости на различных частотах используется переносная вибродиагностическая система ДСА-2001 – 2-канальный анализатор сигналов (ДСА-2001, рисунок 2).

1 – портативный компьютер Notebook; 2 – модуль анализа; 3 – панель подключения прибора внешних устройств; 4 – антивибрационный кабель для вибродатчиков с разъемами;

5 – вибродатчик с магнитом; 6 – датчик оборотов ДО-01; 7- стойка для датчика оборотов ДО-01;

Прибор ДСА-2001 имеет модульное исполнение и состоит из микроЭВМ (Notebook) и модуля анализа. Модуль анализа имеет прочный корпус размером 62х290х260 мм, жестко соединенный с корпусом компьютера, и массу не более 2,5 кг. Модуль анализа связан с компьютером через стандартный порт. Модуль анализа снабжен встроенными входными блоками усилителей заряда для подключения пьезодатчиков. Предусмотрены входы для подключения датчика оборотов, внешнего запуска и внешней частоты выборки. Датчик оборотов ДО- предназначен для измерения частоты вращения исследуемого оборудования.

ДСА-2001 предназначен для автоматизированной диагностики оборудования в процессе его эксплуатации, решает также задачи контроля вибрации, балансировки. Диагностическое программное обеспечение системы ДСА-2001 имеет открытый протокол обмена и быстро адаптируется под конкретные задачи. В оснащение прибора также входит программное обеспечение АРМИД (далее – ПО АРМИД). Измеряемыми параметрами являются виброскорость, виброускорение, виброперемещение, напряжение в частотном диапазоне 125-16000Гц.

На рисунке 3 приведены результаты измерений вибрации СК прибором ДСА-2001.

Рисунок 3 – Гистограмма общего уровня виброскорости СК Анализируя полученные значения общего уровня виброскорости, можно заметить его повышенный уровень в точках 1, 3 и 4. А именно, это вибрация на раме, ЭД и опоре подшипника балансира СК в горизонтальном направлении измерения (в направлениях ОХ), соответственно, составляет 25мм/с; 15,4 мм/с и 18,2 мм/с, в вертикальном направлении (OZ) 30,0мм/с; 31,2мм/с и 28,6мм/с, в аксиальном направлении (OY) – 52,1мм/с; 55,2мм/с и 54,0мм/с, т.е. именно в этих точках значения виброскорости в горизонтальном и вертикальном направлениях превышают допустимый уровень виброскорости для машин такого класса по грузоподъемности.

На рисунках 3-5 представлены развернутые спектрограммы, полученные именно для точек, имеющих повышенный уровень вибрации.

Рисунок 3 – Спектр колебаний рамы СК при замере виброскорости в аксиальном Так, коробление фундаментной плиты характеризуется ростом первой, второй гармоник, а также субгармоник при частотах 19 Гц, 30 Гц, 55Гц, 57Гц спектра на рисунке 3. Это говорит о плохой жесткости крепления рамы к фундаменту, что является причиной повышенной вибрации Рисунок 4 – Спектр колебаний ЭД при замере виброскорости в аксиальном направлении Увеличенный уровень амплитуд первой и второй гармоник спектра на рисунке свидетельствуют об ослаблении натяга на вкладышах подшипников. При ослаблении натяга траектория движения ротора близка к эллиптической, что приводит к дисбалансу. Необходимо обеспечить жесткость этого крепления затяжкой болтового соединения.

Рисунок 5 – Спектр колебаний опоры подшипника балансира 1 СК при замере виброскорости в аксиальном направлении на интервале 10-125Гц Значение виброскорости около 0,5мм/с в частотном диапазоне 10-20 Гц (рисунок 5) является диагностическим признаком увеличенного зазора между валом и подшипником, а также нарушения формы вала в подшипниковой опоре.

В точках 1 и 4 (рама и ЭД) для устранения причин повышенной вибрации необходимо произвести проверку крепежных резьбовых соединений и в случае необходимости подтянуть для устранения повышенной вибрации.

Для проведения вибродиагностирования в промысловых условиях в качестве объекта был выбран станок-качалка типа 7СК-8м-3,5-4000 (СК-8м) отечественного производства на скважине №860 Сергеевского месторождения филиала ОАО АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа».

Начало работы данного СК-8м приходится на 1975г., поэтому можно говорить о необходимости проведения измерения вибрации для определения неисправных узлов и механизмов.

Точки замеров, маршрут, направления измерений вибрации аналогичны замерам на стенде СК (см. рисунок 1). Виброизмерения также производятся с помощью ДСА-2001.

На рисунке 4 приведена гистограмма общего уровня вибрации СК-8м, из которого видно, что уровень виброскорости ЭД почти в 3,5 раза превосходит допустимый при замере вибрации в аксиальном направлении (70 мм/с), в 2,5 раза в горизонтальном (56 мм/с).

Также значение виброскорости более чем в 2,5 раза превышает допустимое при замере вибрации в аксиальном направлении на раме СК-8м (52,4 мм/с).

Рисунок 6 – Гистограмма общего уровня виброскорости 7СК-8м Ниже приведен частотный анализ в точках, где общий уровень виброскорости существенно превышает допустимый.

Рисунок 7 – Спектр колебаний рамы 7СК-8м при замере виброскорости в аксиальном направлении Как и в случае с рамой стенда СК (рисунок 3), здесь снова приходится говорить о недостаточной жесткости крепления к фундаменту. Учитывая большой возраст 7СК-8м (более лет), постоянно возникает необходимость подтягивать болтовые соединения, а также укреплять их контргайками. Данный вид работ регулярно проводится бригадами профилактики, предупреждения и ремонта (ППР). Необходимо отметить, что скачок вибрации на начальных частотах (10-20Гц) свидетельствует о действии вибрации, передаваемой от ЭД (вибрация двигателя рассмотрена ниже). Повышенный уровень виброскорости ЭД также наблюдается в начальном диапазоне замера.

Рисунок 8 – Спектры колебаний ЭД при замере вибрации в горизонтальном (сверху) и аксиальном Учитывая, что последний ремонт (смазка всех подшипников, подтяжка соединений) проводился за 5 месяцев до проведения замеров вибрации, можно говорить о том, что работы ППР велись в отношении ЭД относительно недавно. Т.е. проблему ослабления натяга на вкладышах подшипников можно опустить.

На рисунке 8 наиболее ярковыраженные скачки вибрации наблюдаются в аксиальном направлении на частоте 450 Гц (нижний спектр) – 3 гармоника, в горизонтальном (верхний спектр) – в частотном диапазоне 50-160Гц. Учитывая, что данный замер был проведен в горизонтальном направлении, отмечаем ослабленное крепление ЭД непосредственно к корпусу, однако это не мешает передаче колебаний на раму станка.

При рассмотрении нижнего спектра на рисунке 8, отмечаются периодические скачки вибрации (1-3 гармоники), характерные для работы ЭД. Однако, их повышенное значение – 1, Гц – дает понять, что в данном случае работы по ППР здесь недостаточны. Для ЭД 7СК-8м скважины №860 Сергеевского месторождения требуется срочный капитальный ремонт или замена.

При сравнении результатов замеров вибрации СК и 7СК-8м можно отметить сходство по маршруту проведения диагностирования – в обоих случаях повышенная вибрация зафиксирована на рамах и ЭД, причем всегда в аксиальном направлении. Как уже отмечалось выше, при проведении вибродиагностирования стенда в лабораторных условиях и СК в промысловых условиях основным источником вибрации является ЭД, передающий колебания на рамы и корпуса агрегатов. Для снижения вибрации в отдельных узлах, кроме ЭД, достаточно обойтись плановыми регулировочными работами.

После проведения ремонтно-регулировочных работ малой трудоемкости необходимо произвести измерения общего уровня виброскорости в точках объектов вибродиагностики, где наблюдались повышенные значения колебаний. Если значения виброскорости не превышают допустимых значений – производится пуск агрегатов в эксплуатацию, в противном случае делается повторный частотный анализ для выяснения не работоспособных узлов, а затем дается заключение о проведении работ текущего или капитального ремонта. В случае с 7СК-8м-3,5- регулировочными работами обойтись сложно. В связи со старением агрегата, ЭД типа «АО»

показывает плохие результаты при проведении замеров. Требуется срочный капитальный ремонт или замена двигателя. В случае несоблюдения рекомендаций, данная обстановка может привести к аварии на скважине.

Данная методика вибродиагностирования состояния машин с использованием ДСА-2001, с возможностью мониторинга вибрации и выявления диагностических признаков вибрационных дефектов позволяет проводить контроль состояния различного нефтепромыслового оборудования.

Методика основана на измерении общего уровня виброскорости агрегата и контроле изменения гармонических и субгармонических составляющих спектра вибрации. Разработка и внедрение такой методики – актуальная задача. Обнаружение деталей и узлов, обусловливающих вибрационные неисправности во много раз сократит сроки ремонта оборудования, так как исключит переборку деталей и узлов, находящихся в хорошем техническом состоянии. Таким образом, для устранения вибраций в условиях эксплуатации требуется точный анализ влияния эксплуатационных дефектов на уровень вибрации, соответствующий исправному и неисправному состоянию агрегата.

Список литературы 1. ООО «ИНКОТЕС». Система вибродиагностическая портативная ДСА-2001. Руководство по эксплуатации. – Нижний Новгород, 2002. – 3 с.

2. Васильев Ю.Н., Бесклетный М.Е., Игуменцев Е.А. и др. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов производственное издание. – М.: Недра, 1987. – С. 5-8.

ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА

ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа Представлены характеристики металлических конструкций. Приведены преимущества и недостатки их применения в строительстве. Рассмотрено влияние температуры на свойства стали и поведение металлических конструкций при пожаре. Даны рекомендации по повышению огнестойкости строительных материалов.

В современной практике строительства металлические конструкции находят широкое применение. Это объясняется тем, что металл, благодаря высокой прочности, надежности работы при различных видах напряженного состояния и долговечности, способен воспринимать значительные нагрузки [1]. Структурная схема для наглядного представления поведения в условиях пожара металлических сплавов, применяемых в строительстве, а также прогнозирования и регулирования их поведения представлена на рисунке 1 [2].

Высокая прочность, надежность, индустриальность в изготовлении металлических конструкций с учетом принципов унификации и стандартизации их элементов, транспортабельность, небольшие сроки при монтаже, относительная легкость, определяют экономичность использования металлических конструкций в строительстве. Кроме того, металлические конструкции удобны в эксплуатации, так как легко ремонтируются и могут быть усилены во время проведения реконструкционных работ в случае увеличения эксплуатационных нагрузок. Однако металлические конструкции обладают такими недостатками, как:

подверженность воздействию коррозии, что требует специальных мероприятий по защите, а также малой огнестойкостью при температурах выше 400 °С (для сталей).

Используют сталь в строительстве для изготовления несущих конструкций: колонн, балок, ферм, для арматуры железобетонных конструкций, для изготовления оконных и дверных переплетов и др. Наиболее широко применяются стальные конструкции при строительстве зданий и сооружений, пролетных строений мостов, путепроводов и эстакад, а также промышленных сооружений из листовых конструкций (резервуары, газгольдеры, бункера, доменные печи и т.д.) [1]. Для производства металлических конструкций используются малоуглеродистые и низколегированные стали.

Рисунок 1 – Структурная схема – «ключ» к изучению, оценке, прогнозированию, регулированию поведения металлических сплавов в условиях пожара и определению области их Стальные конструкции изготавливаются из прокатываемых, холодногнутых или прессованных полуфабрикатов и изделий с указанием их основных геометрических размеров.

Сортамент включает в себя две основные группы этих полуфабрикатов – листовые и фасонные (швеллер, двутавр, уголки, трубы, канаты др.).

Для соединения отдельных элементов металлических конструкций применяются сварные, болтовые и заклепочные соединения. Выбор вида соединения зависит от вида напряженного состояния соединяемых элементов, величины и характера действующей нагрузки, условий работы соединения и т.д.

Балками называются конструктивные элементы сплошного сечения, работающие на изгиб. Металлические балки на промышленных объектах применяются в качестве несущих элементов эстакад, рабочих площадок и других сооружений. Система несущих балок, образующих покрытие или перекрытие зданий, а также, используемая для создания рабочих площадок, называется балочной клеткой.

Колонны служат для передачи эксплуатационной нагрузки от нижерасположенных конструкций покрытия и перекрытия через фундаменты на грунт. Колонна состоит из трех основных частей: оголовка, на которой опираются вышележащие конструкции; стержня, воспринимающего нагрузки; базы, передающей давление колонны на фундамент. Металлические колонны изготавливаются из стали. Сплошные колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах, а сквозные – при больших высотах.

Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы. Широкое применение листовые конструкции нашли при строительстве резервуаров для хранения жидкостей (нефти нефтепродуктов, кислот и т.д.) и газгольдеров для хранения и выравнивания состава газов [3].

Конструктивная форма резервуаров зависит от назначения и величины внутреннего давления хранимого продукта. Наземные вертикальные цилиндрические резервуары постоянного объема применяются для хранения нефти и нефтепродуктов с низкой упругостью паров (керосин, газолин, дизельное топливо и др.) с внутренним давлением до 0,002 МПа, поэтому их называют резервуарами низкого давления. Для хранения нефтепродуктов с высокой упругостью паров (бензин, нефть и др.) применяются резервуары с повышенным давлением до 0,2 МПа. Резервуары повышенного давления имеют криволинейное очертание, что усложняет их конструкцию. К резервуарам повышенного давления относятся вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары, а также шаровые, каплевидные и многоторовые резервуары.

Хотя металлические (стальные) конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 мин. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара [1].

При нагреве металла подвижность атомов повышается, увеличиваются расстояния между атомами и связи между ними ослабевают. Термическое расширение нагреваемых тел – признак увеличения межатомных расстояний. Большое влияние на ухудшение механических свойств металла оказывают дефекты, число которых возрастает с увеличением температуры. При температуре плавления количество дефектов, увеличение межатомных расстояний и ослабление связей достигает такой степени, что первоначальная кристаллическая решетка разрушается.

Металл переходит в жидкое состояние.

Повышение температуры приводит к уменьшению прочности, упругости и увеличению пластичности металлов. Чем ниже температура плавления металла или сплава, тем при более низких температурах происходит снижение прочности, например у алюминиевых сплавов – при более низких температурах, чем у сталей.

При высоких температурах также происходит увеличение деформаций ползучести, которые являются следствием увеличения пластичности металлов. Чем выше величина нагружения образцов, тем при более низких температурах начинается развитие деформации ползучести и происходит разрыв образца, причем при меньших величинах относительной деформации.

При повышении температуры изменяются и теплофизические свойства металлов и сплавов.

Характер этих изменений сложный и трудно поддается объяснению. Примеры зависимости коэффициента теплопроводности и удельной объемной теплоемкости стали от температуры нагрева для сталей показаны на рисунках 2-3. Имеющиеся на графиках экстремумы связаны, повидимому, с изменением кристаллической структуры стали за счет аллотропных превращений железа.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента теплопроводности стали от температуры Наряду с общими закономерностями, характерными для поведения металлов при нагреве, поведение сталей в условиях пожара имеет особенности, которые зависят от ряда факторов. Так, на характер поведения оказывает влияние прежде всего химический состав стали: углеродистая или низколегированная, затем способ изготовления или упрочнения арматурных профилей;

горячая прокатка, термическое упрочнение, холодная протяжка и т.п.

При нагревании образцов горячекатанной арматуры из углеродистой стали происходит уменьшение ее прочности и увеличение пластичности, что приводит к снижению пределов прочности, текучести, возрастанию относительного удлинения d и сужения y. При остывании такой стали ее первоначальные свойства восстанавливаются. После остывания величина относительной прочности малоуглеродистых сталей практически восстанавливается.

Рисунок 3 – Зависимость удельной объемной теплоемкости стали от температуры Несколько иной характер поведения при нагревании низколегированных сталей. При нагревании до 300 °С происходит некоторое увеличение прочности ряда низколегированных сталей (25Г2с, 30ХГ2С и др.), которая сохраняется и после остывания. Следовательно, низколегированные стали при невысоких температурах даже повышают прочность и менее интенсивно теряют ее с увеличением температуры благодаря легирующим добавкам.

Особенностью поведения термически упрочненной арматуры в условиях пожара является необратимая потеря упрочнения, которая вызывается отпуском стали. При нагревании до 400 °С может происходить некоторое улучшение механических свойств термически упрочненной стали, выражаемое в повышении условного предела текучести при сохранении предела прочности, но уменьшении твердости. При температуре выше 400 °С происходит необратимое снижение как предела текучести, так и предела прочности (временного сопротивления).

Интенсивность нагрева металлических конструкций зависит от ряда факторов, к которым относятся характер нагрева конструкций и способы их защиты. В случае кратковременного действия температуры при реальном пожаре, после воспламенения горючих материалов металл подвергается нагреву более медленно и менее интенсивно, чем нагрев окружающей среды. При действии «стандартного» режима пожара температура окружающей среды не перестает повышаться и тепловая инерция металла, обуславливающая некоторую задержку нагрева, наблюдается только в течении первых минут пожара. Затем температура металла приближается к температуре нагревающей среды [4]. Защита металлического элемента и эффективность этой защиты также влияют на нагрев металла.

Высокая теплопроводность металла позволяет предполагать, что теплоперенос в массе металлической конструкции является равномерными мгновенным, поэтому для металла можно не использовать понятия температурного градиента ни по сечению, ни по длине элементов металлических конструкций. Степень нагрева металлической конструкции при пожаре зависит от размеров их элементов и величины поверхности их обогрева. При увеличении объема металла и уменьшении поверхности его обогрева температура элемента снижается. В настоящее время мало изучено поведение сварных, болтовых и заклепочных соединений в условиях пожара.

Существующее мнение, что поведение сварного шва при пожаре аналогично поведению металла соединяемых элементов, нельзя признать удачным. Так, в 80 % отказ листовых конструкций, используемых при строительстве цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов, происходит из-за разрушения вертикальных сварных швов, воспринимающих кольцевые усилия растяжения.

При действии на балку высоких температур при пожаре даже на ограниченную часть ее поверхности, сечение конструкции, вследствие высокой теплопроводности металла, быстро прогревается до одинаковой температуры. При этом снижается предел текучести и модуль упругости стали. Обрушение прокатных балок наблюдается в сечении, где действует максимальный изгибающий момент. При использовании таких балок в балочной клетке из-за преждевременного выхода из строя стального настила, жестко прикрепленного к балкам, наблюдается потеря их общей устойчивости.

Исчерпание несущей способности стальных колонн, находящихся в условиях пожара, может наступить в результате потери:

- прочности стержнем конструкции;

- прочности или устойчивости элементами соединительной решетки, а также узлов крепления этих элементов к ветвям колонны;

- устойчивости отдельными ветвями на участках между узлами соединительной решетки в колоннах сквозных сечений;

- местной устойчивости стенки и свесов сжатых полок колонны составного двутаврового сечения;

- общей устойчивости колонны [1].

Увеличение времени сохранения свойств металлов в условиях пожара (в случаях, где это необходимо и экономически оправдано) обеспечивается следующими способами:

1) выбором изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара (в этом плане предпочтение отдается низколегированным сталям вместо углеродистых);

2) специальным изготовлением металлических изделий, более стойких к нагреву;

3) огнезащитой металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев.

Список литературы 1. Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций.

– М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 2001. – С. 45-48, 105-179.

2. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебник/ В.Н. Демехин и др. – М.:

Академия ГПС МЧС России, 2003. – С. 70-88.

3. Васильев А.А. Металлические конструкции. – М.: Стройиздат, 1979. – С. 25-37, 156-160.

4. Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций. – М.: Стройиздат, 1985. – С.112-125.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ

ОГНЕСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа Представлены способы повышения огнестойкости применяемых в строительстве металлических конструкций. Рассмотрены виды «пассивной» огнезащиты конструкций как составной части общей системы мероприятий по обеспечению пожарной безопасности. Приведены характеристики компонентов современных средств огнезащиты.

В современной практике строительства металлические конструкции находят широкое применение. Это объясняется тем, что металл, благодаря высокой прочности, надежности работы при различных видах напряженного состояния и долговечности, способен воспринимать значительные нагрузки [1].

Используют сталь в строительстве для изготовления несущих конструкций: колонн, балок, ферм, для арматуры железобетонных конструкций, для изготовления оконных и дверных переплетов и др. Наиболее широко применяются стальные конструкции при строительстве зданий и сооружений, пролетных строений мостов, путепроводов и эстакад, а также промышленных сооружений из листовых конструкций (резервуары, газгольдеры, бункера, доменные печи и т.д.).

Для производства металлических конструкций используются малоуглеродистые и низколегированные стали [2].

Хотя металлические (стальные) конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 мин. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара.

Увеличение времени сохранения свойств металлов в условиях пожара (в случаях, где это необходимо и экономически оправдано) обеспечивается следующими способами:

1) выбором изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара (в этом плане предпочтение отдается низколегированным сталям вместо углеродистых);

2) специальным изготовлением металлических изделий, более стойких к нагреву;

3) огнезащитой металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев [1].

Огнезащита конструкций является составной частью общей системы мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и огнестойкости сооружений. Она направлена на снижение пожарной опасности конструкций, обеспечения их требуемой огнестойкости. В число основных задач огнезащиты входят: предотвращение возгорания, прекращения развития начальной стадии пожара, создание «пассивной» локализации пожара, ослабление опасных факторов пожара, расширение возможности применения новых прогрессивных проектных решений [3].

В общем случае повышение огнестойкости строительных конструкций может быть достигнуто двумя различными способами:

- техническими решениями, замедляющими нагрев строительных конструкций до критического уровня;

- техническими решениями, понижающими температуру газовой среды у поверхности строительной конструкции.

К первому способу относятся применение огнезащитных покрытий, облицовок, экранов, подвесных потолков, а также заполнение водой полостей в металлических конструкциях (за рубежом в случае использования средств огнезащиты иногда применяют термин «пассивная огнезащита»). Второй способ предусматривает, прежде всего, использование систем автоматического пожаротушения («активная огнезащита»).

В настоящее время для огнезащиты строительных конструкций используют следующие способы:

- обетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом (конструктивный способ);

- облицовка объекта огнезащиты плитными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

- нанесение непосредственно на поверхность объекта огнезащитных покрытий (окраска, обмазка, напыление и т.п.);

- комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов [4].

Актуальность огнезащиты в наибольшей мере проявляется для металлических конструкций, которые при пожаре быстро прогреваются и теряют несущую способность. В последнее время достигнут существенный прогресс в разработке составов для конструкций, которые позволяют повышать до требуемых значений огнестойкость металлических конструкций.

При разработке огнезащиты металлических конструкций наметилась тенденция к использованию облегченных материалов и легких заполнителей, вспученного перлита и вермикулита, минерального волокна.

Основными компонентами современных средств огнезащиты являются термостойкие наполнители, в том числе пористые и волокнистые, а также органические и неорганические вяжущие [5].

В качестве термостойких наполнителей используются:

- вспученный и невспученный вермикулит;

- вспученный и невспученный перлит;

- минеральные волокна из базальта, каолина, кремнезема, отходов металлургического производства.

В качестве неорганических вяжущих используются:

- жидкое натриевое стекло;

- портландцемент;

- природный двухводный и безводный гипс (ангидрит);

- глиноземистый цемент;

- фосфатные вяжущие;

- алюмосиликатные вяжущие.

В качестве органических вяжущих применяются:

- меламиноформальдегидные смолы;

- эпоксидные смолы;

- латексы на основе сополимеров этилена, винила, акрила, стирола, бутадиена, версалата и некоторых других мономеров;

- полисилоксаны [6].

Современные огнезащитные материалы обязательно имеют в своем составе специальные добавки для повышения удобоукладываемости, адгезии и когезии, долговечности, влагостойкости, а также усиливающие огнезащитные свойства композиции и др.

Разнообразие наполнителей и вяжущих позволяет создавать широкую гамму огнезащитных материалов, удовлетворяющих практически любым предъявляемым к ним требованиям.

В некоторых случаях применяются однокомпонентные огнезащитные материалы (без связующего) в виде засыпок или волокнистых материалов, скрепленных естественными силами сцепления [7].

Вспученный перлит. Вспученный перлит представляет собой пористый материал, получаемый из природных вулканических водосодержащих стекол (перлита, обсидиана и др.). В зависимости от размера частиц его подразделяют на песок и щебень.

Перлитовый щебень применяют в качестве крупного заполнителя в бетонах огнезащитного назначения. По способности поглощать влагу из атмосферы вспученный перлит относится к числу материалов, инертно сорбирующих влагу (его равновесная сорбционная влажность не превышает 1,5 %).

Вспученный перлитовый песок применяют: в качестве заполнителя в растворах, используемых для изготовления огнезащитных штукатурок; как мелкий заполнитель в бетонах огнезащитного назначения; в составе огнезащитных покрытий и плит; для теплоизоляционных (огнезащитных) засыпок при температурах до 1000 °С.