Устойчивость технологических процессов и производств

УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

Учебное пособие

к практическим занятиям

Белгород 2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

Утверждено

научно-методическим советом

университета

УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

Учебное пособие к практическим занятиям

для бакалавров направления

200301 – Техносферная безопасность

профиль подготовки

Безопасность технологических процессов и производств и

направления 280302 – Наноинженерия

профиль подготовки

Безопасность систем и технологий наноинженерии

Белгород 2017

УДК 614.8(07)

ББК 68.9я7

К 49

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Носатова Е.А.;

канд. биол. наук, доц. Приорова Е. М.

Учебное пособие к практическим занятиям по дисциплине «Устойчивость технологических процессов и производств» подготовлено в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего образования программы подготовки дипломированных специалистов соответствующих направлений.

В издании даны общие представления об оценке защиты производственного персонала; оценке устойчивости ОЭ к воздействию механических поражающих факторов; оценке устойчивости ОЭ в условиях химического заражения; оценке устойчивости ОЭ в условиях радиационного заражения; оценке устойчивости ОЭ при действии вторичных поражающих факторов; обеспечения защиты производственного персонала, а также приведены методика прогнозирования ЧС на химически опасном объекте; методика прогнозирования ЧС на радиационно-опасном объекте; методика проектирования защитного сооружения на ОЭ. Изложение текста сопровождается нормативными материалами, формулами, таблицами и рисунками.

Учебное пособие предназначено для студентов очной формы обучения направления 200301 – Техносферная безопасность профиль подготовки Безопасность технологических процессов и производств и направления 280302 – Наноинженерия профиль подготовки Безопасность систем и технологий наноинженерии.

Учебное пособие публикуется в авторской редакции.

УДК 614.8(07)

ББК 68.9я7

© Белгородский государственный

технологический университет

(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2017

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Устойчивость технологических процессов и производств» проводится в соответствии с учебными планами направлений подготовки 200301 – Техносферная безопасность профиль подготовки Безопасность технологических процессов и производств и направления бакалавриата, 280302 Наноинженерия профиль подготовки «Безопасность систем и технологий наноинженерии».

В процессе изучения данной дисциплины студенты приобретают теоретические знания законодательства в области промышленной безопасности опасных производственных объектов и защиты в чрезвычайных ситуациях и навыки их применения на практике; осваивают методики прогнозирования чрезвычайных ситуаций химического и радиационного заражения; получают навыки организации защиты технологических процессов и производств и производственного персонала.

Практические занятия позволяют развивать у студентов творческое теоретическое мышление, умение самостоятельно изучать литературу, анализировать практику; учат четко формулировать мысль, вести дискуссию, то есть имеют исключительно важное значение в развитии самостоятельного мышления.

Практические занятия позволят студентам закрепить полученные знания.

1.

Примечания:

1. Зона фактического заражения имеет форму эллипса (на рисунках в табл. 10.3 показана пунктиром), входит в зону возможного химического заражения (ВХЗ) и обычно не наносится на карты (схемы) ввиду возможного перемещения облака АХОВ.

2. Зона возможного химического заражения часто дополнительно подразделяется:

– на район аварии или место разлива АХОВ (непосредственно на карту не наносится);

– зону возможного распространения зараженного воздуха (площадь, в пределах которой распространяются АХОВ с поражающей концентрацией).

Населенные пункты в зоне возможного химического заражения с находящимися в них людьми, сельскохозяйственными животными и растениями составляют очаг возможного химического поражения. Схема площади зоны возможного химического заражения приведена на рис. 1.

Горки

Дедовск

Красное

Хлор – 20 т 10.00 1.10

Рис. 1 Схема площади зоны возможного химического заражения

Пример 1.

Рабочая смена ОЭ составляет 790 чел. Из них в убежищах IV- класса может укрыться 450 чел. Других ЗС и подвальных помещений, которые могут быть использованы как укрытия, на территории ОЭ нет. Определить возможные потери при действии ударной волны с величиной избыточного давления на фронте ∆ P ф = 100 кПа, вызванной взрывом ядерного боеприпаса.

Решение.

Определим потери неукрытого персонала. Они составят 790 – 450 = 340 чел. и будут являться безвозвратными, поскольку при ∆P_ф = (60...100) кПа незащищённые люди получат тяжёлые травмы, как правило, не совместимые с жизнью.

Пользуясь справочником [1], выясняем, что при ∆ P ф = 100 кПа убежища IV класса получают слабые повреждения, при которых санитарные потери составляют 5%, т.е. 450⋅0,05 = 23 чел. Таким образом, из 790 чел. работающей смены ОЭ 340 погибнут и 23 чел. получат травмы.

Оценка возможных потерь при взрыве газопаровоздушных смесей может быть выполнена с использованием рекомендаций работ [2, 3].

Пример 2.

Определить возможные потери производственного персонала ОЭ при аварии на его очистных сооружениях, связанной с выбросом в окружающую среду 0,8 т хлора. Очистные сооружения занимают территорию (40х35) м и располагаются на границе ОЭ, имеющего размеры (1,2х0,8) км. Разлив хлора может быть ликвидирован не ранее, чем через 15 мин после аварии. Рабочая смена ОЭ 582 чел., из них 32 чел. работают на открытой территории и 12 чел. обслуживают очистные сооружения. При работе в обычном режиме СИЗ находятся на складе ОЭ и на рабочих местах персонала, обслуживающего очистные сооружения. ЗС на ОЭ нет.

Решение.

Определим размеры района аварии и зоны химического заражения, руководствуясь рекомендациями работ [4, 5].

Радиус района аварии R _a ≅ 50  ≅ 50  ≅ 44 м.

В соответствии с рекомендациями работы [4] в качестве исходных данных для расчёта глубины зоны заражения принимаем метеорологические условия в момент аварии- инверсия, скорость ветра 1 м/с, температура воздуха 20 ^оС.

Эквивалентное количество хлора в первичном облаке:

= 0,18⋅1⋅1⋅1⋅0,8 = 0,144 т.

Время испарения хлора:

Эквивалентное количество хлора во вторичном облаке:

=

= (1-0,18)0,052⋅1⋅1⋅1⋅0,25⋅0,8⋅1⋅0,8/(0,05⋅1,553) = 0,145 т.

Глубина зоны заражения Г = Г^| + 0,5Г^|| = 1,46 + 0,5⋅1,46 = 2,19 км.

Предельно возможная глубина переноса воздушных масс   = 0,25⋅5 = 1,25 км < 2,19 км и, следовательно, глубина зоны заражения может составить 1,25 км.

Сравнение найденных размеров района аварии и глубины зоны заражения с размерами очистных сооружений и территории ОЭ показывает, что очистные сооружения окажутся полностью в районе аварии, а территория ОЭ при неблагоприятном направлении ветра, дующего в его сторону,- в зоне химического заражения. Концентрация хлора на границе района аварии достигает смертельного значения, а с приближением к месту аварии значительно превышает его. Поэтому следует предположить, что даже при условии использования СИЗ люди, работающие на очистных сооружениях успеют получить поражения. Из них в соответствии со статистическими данными, приведёнными в табл. 17 работы [5], 4 чел. погибнут, 5 получат поражения средней и тяжёлой степени и 3 чел. лёгкой степени. Из остального производственного персонала, если предположить, что работающие на открытой территории успеют укрыться в зданиях, получат поражения 15%, т.е. 86 чел. Из них со смертельным исходом (35%) – 30 чел., средней и тяжёлой степени (40%) – 34 чел. и легкой степени (25%)  – 22 чел.

Таким образом, в целом на ОЭ получат поражения 98 чел., из них 34 погибнут, 39 получат поражения средней и тяжёлой степени и 25 чел. поражения лёгкой степени.

Пример 3.

ОЭ из примера 2 после радиационной аварии может оказаться в зоне радиоактивного заражения с показателем спада уровня радиации n=0,5, и уровнем радиации на 1 ч после аварии Р1 = 2 мГр/ч. Оценить достаточность защиты производственного персонала в начальном периоде аварийной ситуации, если он в это время продолжает работать в обычном режиме, находясь 8 ч в производственных зданиях, 12 ч в жилых 5-этажных домах, 2 ч (или 10 ч для производственного персонала, работающего на открытой территории) на открытом воздухе и 2 часа в городском транспорте.

Решение.

Определяем уровень радиации по истечении начального периода аварийной ситуации, т.е. через 10 суток.

 = 0,13 мГр/ч.

Пользуясь работой [6], находим коэффициенты ослабления радиации производственными и жилыми зданиями, транспортом, которые соответственно равны К _пз = 7; К _жз = 27; К _т = 2.

Находим коэффициент среднесуточной защищённости производственного персонала:

– работающего в зданиях

;

– работающего на открытом воздухе

Определяем дозы облучения производственного персонала за этот период

– внешнего облучения:

 ≅ 11,2мГр

 ≅ 27,8мГр

– с учётом внутреннего облучения, которое в этом периоде аварийной ситуации примерно равно внешнему,

 мГр,

В соответствии с нормами радиационной безопасности НРБ-99 [7], найденные значения доз превышают пороговые значения (5...50) мГр и требуют укрытия первой группы и эвакуации второй группы производственного персонала.

Следовательно, для обеспечения устойчивой работы ОЭ по этому фактору должны быть приняты дополнительные меры защиты персонала, по- видимому, связанные с усилением защитных свойств производственных зданий и изменением режима работы на открытой территории ОЭ.

Поражающих факторов

Действие механических поражающих факторов приводит не только к поражению производственного персонала, но и основных производственных фондов. Оно может также нарушить энергетическое и материально- техническое обеспечение ОЭ и дезорганизовать процесс управления им.

Оценка степени разрушения ОПФ при различных видах воздействий может производиться методами анализа справочных данных для рассматриваемого элемента или расчёта воздействия возможной нагрузки на него.

При использовании справочных данных, которые приводятся для мощных (ядерных) взрывов, в последние должны быть внесены коррективы. Для корректировки справочных данных может быть использована зависимость:

 , (43)

где ∆ Р _фк – скорректированная величина избыточного давления при взрыве заряда тротила массой менее 10 т, при которой имеют место различные степени поражения объекта,

G – масса ВВ (кг),

 – константа уровня поражения, определяемая из табл. 15

Таблица 15

Константы уровня поражения

∆ Р фк (кПа)	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
	23	13,5	8,2	6,4	5,4	4,7	4,3	4,0	3,7	3,5	3,3

∆ Р _фт – табличное значение избыточного давления при мощных взрывах, при котором наблюдаются те же степени поражения, что и при ∆ Р _фк.

Результаты оценки степени повреждения ОПФ используются для выявления наиболее слабых элементов, а также для определения пределов устойчивости различных видов ОПФ и на их основе предела устойчивости ОЭ в целом.

За предел устойчивости ОПФ к действию механических поражающих факторов (ударной волны, сейсмических и сейсмовзрывных волн, волны прорыва, ветра и т.п.) обычно принимают максимальные (верхние пределы) нагрузок (избыточного давления, интенсивности, скорости ветра, высоты и скорости волны и т.п.), при которых здания, сооружения, наружные технологические и инженерные сети получают слабые, а внутренние технологическое оборудование и сети - средние разрушения.

Пример 4.

Промышленное здание с железобетонным каркасом получает слабые разрушения при величине избыточного давления на фронте ударной волны ∆ Р _ф = (20..30) кПа.

Пределом устойчивости здания является ∆Р_ф = 30 кПа

Пример 5.

Кирпичное здание получает слабые разрушения при интенсивности землетрясения I = (5,5..6,0) баллов.

Пределом устойчивости здания является землетрясение интенсивностью I = 6 баллов.

Пример 6.

Станочное оборудование получает средние разрушения при величине избыточного давления 25..30 кПа.

Пределом устойчивости этого технологического оборудования является ∆ Р _ф = 30 кПа.

При действии механических поражающих факторов на оборудование может оказываться комбинированное воздействие непосредственно нагрузки, создаваемой поражающим фактором, и обломков разрушающегося здания. В связи со сложностью учёта воздействия обломков его, как правило, заменяют приростом нагрузки, который при действии ударной волны принимается равным ∆ Р _ф = (1..5) кПа при обрушении лёгких и (10..25) кПа при обрушении тяжёлых несущих конструкций, междуэтажных перекрытий, стен и перегородок.

В этом случае при определении предела устойчивости оборудования необходимо от верхнего предела нагрузки, приводящей к среднему разрушению, отнять величину максимального прироста нагрузки от воздействия и обломков.

Пример 7.

Станочное оборудование установлено в цехе с лёгким перекрытием. Определить предел устойчивости оборудования с учётом воздействия ударной волны и обломков.

Предел устойчивости станочного оборудования с учётом обрушения перекрытия равен ∆Рф = 30-5 = 25 кПа.

В определении предела устойчивости не учитывается характер нагружения элементов ОПФ во времени, что объясняется сложностью такого учёта. При принятом подходе устойчивость элемента несколько занижается по сравнению с фактической, что лишь повышает надёжность произведённых оценок. Слабые разрушения зданий, сооружений, наружных технологических и инженерных сетей и средние разрушения внутреннего технологического оборудования и внутренних сетей могут быть ликвидированы собственными силами ОЭ в результате проведения соответственно текущих и средних ремонтов.

Для наглядности составляется таблица ОПФ, облегчающая анализ устойчивости ОЭ (табл.16).

Таблица 16

Таблица устойчивости основных производных фондов ОЭ

Обозначения:

- слабое разрушение,

- среднее разрушение,

- сильное разрушение,

- полное разрушение,

- предел устойчивости

Пределом устойчивости цеха является минимальное значение предела устойчивости его основных производственных фондов, а пределом устойчивости ОЭ - минимальное значение предела устойчивости его основных цехов и структурных подразделений, определяющих выполнение ОЭ заданных функций.

Пример 8.

Определить предел устойчивости ОЭ к воздействию воздушной ударной волны, если его основные цехи имеют следующие значения пределов устойчивости:

Цех №1 ∆ Р _ф = 10 кПа; Цех №2 ∆ Р _ф = 20 кПа; Цех №3 ∆ Р _ф = 15 кПа; Цех №4 ∆ Р _ф = 30 кПа; Цех №5 ∆ Р _ф = 15 кПа.

В соответствии с приведённым выше определением предел устойчивости ОЭ к воздействию воздушной ударной волны ограничивается цехом №1 и равен 10 кПа.

Найденный в процессе исследований предел устойчивости может быть повышен. Однако его повышение целесообразно до такого значения, при котором основные цехи ОЭ будут примерно равнопрочны.

Справочные данные по возможным разрушениям различных объектов в зависимости от величины избыточного давления во фронте ударной волны при взрывах, интенсивности землетрясения, скорости ветра при ураганах, высоты и скорости волны прорыва при разрушениях плотин гидроузлов приведены в таблицах 17... 20.

Таблица 17

Поражающее действие взрыва

Продолжение табл. 17

Окончание табл. 17

Таблица 18

Объекты