Вероятностный расчёт чрезвычайного происшествия

При анализе безопасности необходимо знать, в какой группе элементов наиболее вероятно и возможно возникновение аварийного состояния.

Для этой цели приемлемы вероятностные методы математической статистики.

Технологическое оборудование производственных помещений можно ус­ловно разбить на три основные группы:

1. Реакционные аппараты, промежуточные ёмкости, машины;

2. Коммуникации-трубопроводы;

3. Запорная арматура (задвижки, краны, уплотнения).

Газы или пары горючих жидкостей, находящихся в технологическом обо­рудовании под давлением выше атмосферного, могут попасть в помещение при нарушении целостности оборудования.

При условии, что всё оборудование цеха может стать источником выхода газов, и, следовательно, имеется К. групп по п элементов, справедлива теорема, согласно которой при большом числе независимых элементов с малой интен­сивностью отказов суммарный поток отказов будет близок к простейшему по истечении некоторого времени, независимо от законов распределения сроков службы этих элементов.

В случае простейшего потока событий вероятность Р появления т собы­тий в интервале времени от t до t + находится по закону Пуассона

 

P= (2.4)

 

где – среднее число событий в интервале;

– параметр потока отказов.

Если т = 0, то Р₀ =- Δτ

Для экспоненциального закона плотности вероятной длительности служ­бы одного элемента параметр можно найти из выражения

 

(2.5)

 

где (t_ср- средний срок службы элемента.

При средних сроках службы элементов T₁ и Т₂....Т_К параметр потока отка­зов в целом по цеху находится из выражения

 

(2.6)

 

По или Т можно определить вероятность R безотказной работы в те­чение времени

(2.7)

 

Таким образом, устанавливается связь между вероятностью безаварийной работы оборудования в течение времени т, степенью заполненности помеще­ния оборудованием и режимом работы со сроками службы.

Вероятность В того, что отказ элемента n-й группы из К групп произой­дёт, можно оценить из выражения

 

B_m= n_m∙ _m/(n₁ ) (2.8)

 

Пример 2.3 В цехе находятся следующие виды оборудования:

- ёмкости объемом 50м³ -!0 шт. (срок службы 50 лет);

- ёмкости объёмом 25м³ - 20 шт. (срок службы 100 лет);

- трубопроводы диаметром 250 мм - 100 пог.м. (срок службы 1 пог.м - 200 лет).

Требуется оценить вероятностный выход газа в атмосферу за время между ревизиями, которое равно 6 мес. (т = 0,5 года).

Решение. Параметр потока отказов:

 

 

Для времени = 0,5 года вероятность Р₀() безаварийной работы составит:

 

P₀() = e^-r/t = e^-0,5.9/10 = 0,63

 

Вероятность того, что выход газа произойдёт из от m -й группы оборудования, можно рассчитать из уравнения:

Вывод. Так как в последнем варианте В_mз = 0,893, то наиболее вероятным источником образования взрывоопасной смеси следует считать трубопроводы.

Методика расчета средств безопасности

Основные положения

Метод – это путь или способ достижения цели. Наиболее распространен­ным и методами обеспечения безопасности жизнедеятельности являются адап­тация человека к окружающей среде и нормализация зоны действия опасных и вредных факторов, т.е. производственной среды.

Средства – это конкретная реализация методов, конструктивное, органи­зационное, материальное воплощение. Средства обеспечения безопасности подразделяют на средства коллективной и индивидуальной защиты.

Технические средства безопасности подразделяются на средства управления, информационные средства, средства защиты от опасных зон, средства ре­гулирования микроклимата и дополнительные средства.

Средства регулирования микроклимата: кондиционеры, вентиляторы, отопители, пылеотделители, аспираторы и др. поддерживают требуемые пара­метры воздушной среды и относятся к средствам коллективной защиты.

Дополнительные средства используют при техническом обслуживании и ремонте машин, при ликвидации отклонений от нормального протекания тех­нологического процесса: крючки, чистики, подставки, упоры и др.

Особый интерес представляют средства защиты от опасных зон.

Средства защиты от опасных зон могут встраиваться в оборудование или являться частью строительного решения. Они подразделяются на ограждающие устройства, тормозные устройства, предохранительные устройства и сигнали­зирующие устройства (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1. Технические средства безопасности

 

Конструкция защитных устройств должна быть такой, чтобы при отказе его отдельных элементов действие других не прекращалось.

Средства защиты не должны снижать производительность труда, ухуд­шать условия наблюдения за технологическим процессом.

Защитные ограждения, приспособления и устройства должны исключать: возможность соприкосновения работника с движущими частями оборудования; выпадение (вылет) деталей, рабочих органов; попадания частичек обрабаты­ваемого материала на человека; возможность травмирования при смене рабочих органов инструментов. Классификация ограждений приведена на рис. 3.2.

 

 

 

Рис. 3.2. Защитные ограждения

 

Ограждения защищают оператора от механических воздействий движу­щихся и вращающихся частей, высоких или низких температур, повышенных уровней излучения, агрессивных химических веществ, биологических вредно­стей. К ним относятся: кожух; крышка; решётка; сетка; капот; перила; барьеры; экраны; жалюзи; козырьки и др. Они могут быть сплошные, несплошные, про­зрачные, непрозрачные, стационарные, съёмные, открываемые, раздвижные.

Ударная нагрузка Р_огр на ограждение в случае отлёта обрабатываемой де­тали, инструмента, разрыва абразивного круга определяется по формуле

 

(3.1)

 

где т – масса детали, инструмента, круга, кг;

_окр –окружная скорость вращения, м/с;

R₀ – радиус центра тяжести детали, м.

Ударная (центробежная) сила отлетающей детали определяется из выражения

P_отл=м , (3.2)

 

где –скорость движения детали, м/с;

R –радиус кривизны траектории отрыва детали, м.

По найденному значению Р_огр и Р_отл определяют толщину стенки ограждения (табл. 3.1).

 

 

Таблица 3.1 – Зависимость толщины стенки ограждения из листовой стали от ударной нагрузки

 

Ударная нагрузка, кН	Толщина стенки, мм	Ударная нагрузка, кН	Толщина стенки, мм
4,91		73,5
8,33		80,36
14,6		96,04
17,5		102,9
26,67		115,64
31,16		139,16
39,69		159,74
47,04		188,16
61,74		205,8

 

Посредством блокировки можно предотвратить запуск при включённой передаче, начало движения при открытых дверях, включение рабочих органов при снятом ограждении или нахождение человека в опасной зоне. Они могут быть механические, пневматические, электрические, фотоэлектрические, гидравлические и др.

Блокировки должны отвечать следующим требованиям: исключать возможность выполнения операций при незафиксированном рабочем материале

или его неправильном положении; не допускать самопроизвольных перемещений; выполнение следующего цикла до окончания предыдущего; обеспечивать останов, невозможность пуска при снятых ограждениях; обеспечивать удержание заготовки материалов при прекращении подачи электроэнергии, топлива, масла и пр.

Ограничители служат для предотвращения появления в технических системах излишнего количества энергии, в результате которого могут развиваться не­стандартные режимы работы или чрезвычайные ситуации. Они могут быть выполнены в виде: клапанов (рычажных, взрывных); мембран; шайб, штифтов, шпилек; муфт; ловителей, концевых выключателей; плавких вставок и др.

Предохранительные клапаны и мембраны должны безотказно автоматически срабатывать при определённом заданном давлении, быть постоянно закрытыми не нарушать нормального хода процесса. Классификация предохранительных устройств приведена на рис. 3.3.

Площадь сечения S_k (см²) предохранительного клапана определяется из выражения

(3.3)

 

где Q – пропускная способность клапана, кг/ч;

P – давление под клапаном, Па (максимальное давление под клапаном должно быть не более 1,1 расчетного);

М – молярная масса газа, кг/кмоль (для воздуха М=29 кг/кмоль, для водяного пара М=18 кг/кмоль);

 

 

 

Рис. 3.3. Классификация предохранительных устройства

 

Т – температура среды, ⁰К

Пропускная способность (кг/ч) предохранительных клапанов для паровых котлов определяется по формулам:

а) при давлении от 0,07 до 12 МПа

- насыщенного пара

 

Q_НП = 0,5∙ а ∙ F(10P₁+1) (3.4)

 

- перегретого пара

 

, (3.5)

 

б) при давлении 12 МПа насыщенного и перегретого пара

 

(3.6)

 

где а – коэффициент расхода пара (принимается равным 0,9 величины, установленной заводом-изготовителем клапана, можно принять а = 0,6);

S_k – площадь проходного сечения клапана в проточной части, мм²;

Р₁ – максимальное избыточное давление перед клапаном, МПа;

V_НП, V_ПП – удельный объем пара насыщенного и перегретого перед клапаном (давление от 0,07 до 12 МПа), м³/кг;

V – удельный объем пара насыщенного и перегретого перед клапаном (давление от 12 МПа), м³/кг;

Количество клапанов можно рассчитать по формуле

 

, (3.7)

 

где Q_k – паропроизводительность котла, кг/ч.

Число предохранительных клапанов для водогрейных котлов или водяных экономайзеров определяется из выражения.

 

(3.8)

 

где Q – максимальная теплопроизводительность котла, Дж/ч;

h –высота подъема клапана, мм;

d – диаметр седла клапана, мм;

к – эмпирический безразмерный коэффициент (для низкоподъемных клапанов к = 135, для полноподъемных к = 70);

Pi – максимально допустимое давление в котле (экономайзере) при полном открытии клапана, МПа;

i –теплосодержание насыщенного пара при максимально допусти­мом давлении в котле, Дж/кг;

t – температура воды, входящей в котел, °С.

На каждый котел паропроизводительностью более 100 кг/ч устанавлива­ют не менее 2 клапанов (рабочий и контрольный) с суммарной пропускной спо­собностью не менее часовой производительности котла.

Необходимый внутренний диаметр (мм) устанавливаемых предохрани­тельных клапанов определяется по формуле

 

(3.9)

 

где Q –максимальная теплопроизводительность котла, Дж/ч;

h – высота подъема клапана, мм;

k – эмпирический безразмерный коэффициент, при h<(1/20) d (малая высота подъема) k = 0,0075, при h<(l/4) d (полноподъемные) k = 0,015);

Р₁ – максимально допустимое давление в котле (экономайзере) при полном открытии клапана, МПа;

Диаметр прохода рычажно-грузовых и пружинных клапанов должен быть не менее 20 мм.

Предохранительные клапаны на паровых котлах и пароперегревателях регулируют на выпуск пара со следующим превышением рабочего давления: в котлах с рабочим давлением до 1,3 МПа – на 19,6 кПа для контрольного и 29,4 кПа для рабочего клапана.

Пропускная способность предохранительных клапанов (кг/ч) для стацио­нарных сосудов, работающих под давлением (автоклавов, ресиверов, выпарных аппаратов, бродильных камер и пр.), рассчитывается по формуле

 

(3.10)

 

где а – коэффициент расхода через клапан (можно принять а=0,6);

S_k – площадь проходного сечения клапана в проточной части, мм²;

В – коэффициент, учитывающий расширение истекающей из клапана субстанции, для жидкостей В=1, для газов В<1 (табл.2.3);

Р₁,Р₂ – максимальное избыточное давление перед клапаном и в окружающей среде, МПа;

ρ – плотность среды, кг/м³ (табл. 3.3)

 

Таблица 3.2 – Значения коэффициента В для расчета клапанов

 

Р1,Р2	Коэффициент В при значении показателя адиабаты
1,0	1,135	1,24	1,30	1,40	1,66	2,0	2,5	3,0	4,0	6,0	10,0
	0,43	0,45	0,46	0,47	0,48	0,51	0,54	0,58	0,61	0,66	0,72	0,79
0,08	0,45	0,47	0,48	0,49	0,50	0,53	0,57	0,61	0,64	0,69	0,75	0,82
0,16	0,47	0,49	0,51	0,52	0,53	0,56	0,59	0,63	0,67	0,72	0,79	0,86
0,24	0,49	0,52	0,53	0,54	0,55	0,59	0,62	0,67	0,70	0,77	0,83	0,89
0,32	0,25	0,55	0,56	0,57	0,59	0,62	0,66	0,70	0,74	0,79	0,86	0,91
0,40	0,55	0,58	0,59	0,60	0,63	0,66	0,70	0,75	0,79	0,84	0,88	0,93
0,48	0,59	0,62	0,64	0,65	0,67	0,71	0,75	0,79	0,82	0,87	0,91	0,94
0,52	0,62	0,65	0,66	0,68	0,69	0,74	0,77	0,81	0,85	0,88	0,92	0,95
0,56	0,65	0,68	0,69	0,71	0,73	0,76	0,80	0,84	0,86	0,89	0,93	0,96
0,60	0,68	0,71	0,73	0,74	0,76	0,79	0,82	0,85	0,88	0,90	0,94	0,96
0,64	0,71	0,74	0,76	0,77	0,78	0,81	0,84	0,87	0,89	0,92	0,95	0,97
0,68	0,75	0,77	0,79	0,79	0,81	0,84	0,86	0,89	0,90	0,93	0,96	0,97
0,76	0,81	0,83	0,84	0,85	0,86	0,88	0,90	0,92	0,93	0,95	0,96	0,97
0,84	0,88	0,89	0,89	0,90	0,91	0,92	0,94	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99
0,92	0,94	0,94	0,95	0,95	0,96	0,96	0,97	0,97	0,98	0,98	0,99	0,99
1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00

 

Примечание. Значения показателя адиабата: =1,4 – воздух, водород, оксид углерода, азот кислород; =1,24 – ацетилин; =1,3- метан, углекислый газ; =1,36 – хлор; = 1,35- пары воды; =1,29- сернистый газ; =1,67 – аргон, гелий; =1,34- сероводород.

Если нельзя применить предохранительные клапаны, то используют предохранительное разрывные мембрана, представляющие собой диск из металла (или другого материала), закрепленный в стенке сосуда, работающего под давлением. При давлении, превышающем рабочее не более чем на 25%, мембрана разрывается и давление в сосуде падает.

 

 

Таблица 3.3 – Значение плотности некоторых сред

 

Название вещества	Плотность , кг/м^3
Азот	1,251
Аммиак газ	0,771
Аммиак жидкость	680,0
Вода
Воздух	1,293
Водород	0.090
Оксид углерода (угарный газ)	1,250
Сернистый ингридрид
Сероводород	0,938
Синиьная кислота	900,0
Углекислый газ	1,977
Фосген
Хлорциан жидкость
Хлор жидкость
Хлор газ	3,214

 

Основным критерием для определения возможности изготовления мембраны из конкретного материала является величина Pd, т.е. произведение давления на рабочий диаметр мембраны. Значения этого критерия приведены в табл. 3.4.

 

Таблица 3.4 – Основные характеристики мембран

 

Материал мембран	Максимальная рабочая диаметр, ^0С	Максимальная рабочая температура, ^0С	Pd, МПа∙мм
Алюминий			10-40
Нержавеющая сталь
Латунь			24-60 60-230
Бронза			30,5-79 128-760
Медь			22-48 55-500

 

Необходимая толщина мембраны, работающей на срез (из меди, алюминия, и т.п.), определяется по формуле (мм).

 

(3.11)

 

где Р_р – давление, при котором должна разрушаться мембрана, Па;

d –диаметр пластины (мембраны), мм;

–сопротивление срезу, Па.

Необходимая толщина мембраны, работающей на разрушение (из хруп­ких материалов), определяется по формуле (мм)

 

(3.12)

 

где Р_р – давление, при котором должна разрушаться мембрана, Па;

r –радиус мембраны, мм;

[ _cp ]– предел прочности на изгиб, Па.

Пример 2.4. Для котла ДЕ-2,5 производительностью 2,5 т/ч насыщенного пара с дав­лением 1,4 МПа определить пропускную способность и количество предохранительных кла­панов типа ППК-1 с диаметром проходного отверстия 20 мм.

Решение. Определим площадь проходного сечения клапана

 

S_k = ∙d² /4 = 314 мм²

 

Пропускную способность одного клапана по насыщенному пару определим по фор­муле (2.12)

 

 

Число клапанов рассчитаем по формуле

 

n = Q_k /Q_НП = 2500/1413 = 1,8

Вывод. Принимаем 2 клапана с пропускной способностью 1413 кг/ч каждый.

Важную роль в обеспечении безопасности играет тормозная и удержи­вающая техника.

Тормозные устройства предназначены для снижения ограничения ско­рости и остановки машин. Они могут быть механические, пневматические, гид­равлические, дисковые, колодочные и др. (рис. 3.4).

Основное требование к тормозным устройствам - надёжность и быстрота срабатывания.

Тормозной путь должен быть не более:

- для тракторов L_T=0,1 (3.13)

- для остальных мобильных машин L_T=0,1 (3.14)

где v₀ –скорость машины в момент начала торможения, км/ч.

 

Сигнализирующие устройства предназначены для информирования опера­торов в процессе работы. Классификация сигнализаций представлена на рис. 3.5.

Задачи

1 Определить риск гибели человека на производстве за год, если ежегодно погибает 14 тыс. чел. Принять численность работающих 135 млн. чел.

2 Ежегодно вследствие различных опасностей неестественной смертью погибает 500 тыс. чел. Рассчитать риск гибели от опасностей, если население страны 300 млн. чел.

 

 

Рис. 3.4. Классификация тормозных устройств

 

Рис. 3.5. Виды сигнализации

3Определить риск быть ввергнутым в дорожно-транспортное происшествие, если ежегодно погибает на дорогах 60 тыс. чел, а население страны 300 млн. чел.

4 В цехе находятся следующие виды оборудования: ёмкости объёмом 30м³ - 5 шт. (срок службы 55 лет); ёмкости объёмом 35м³ - 15 шт. (срок службы 80 лет); трубопроводы диаметром 250 мм - 200 пог.м. (срок службы 1 пог.м - 150 лет).Требуется оценить вероятно­стный выход газа в атмосферу за время между ревизиями, которое равно 6 мес.

5 Для котла производительностью 3,5 т/ч насыщенного пара с давлением 1,7 МПа определить пропускную способность и диаметр проходного отверстия предохранительного клапана.