Надежность технических систем и техногенный риск. Промышленная экология. Специальная оценка условий труда

Размещено на http://www.allbest.ru

Надежность технических систем и техногенный риск



1. Показатели надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность и ремонтопригодность в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.

Надежность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели, например повреждение окраски и т. д.

Таким образом, надежность характеризуется показателями, которые выявляются в процессе эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдывает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Это свойство особенно важно для объектов, отказ которых опасен для жизни людей. Отказ рулевого управления или тормозов автомобиля может иметь тяжелые последствия, поэтому для таких объектов безотказность - наиболее важная составная часть надежности.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического

обслуживания и ремонтов.

Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью дальнейшей его эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Основным показателем долговечности деталей, сборочных единиц и агрегатов служит технический ресурс - наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до наступления предельного состояния, оговоренного в стандартах или технических условиях на изделие.

Долговечность и безотказность - не взаимоисключающие, а дополняющие друг друга и связанные между собой показатели. Различие же заключается в следующем. Безотказность характеризует свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность же характеризует продолжительность работоспособного состояния объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами на техническое обслуживание, устранения отказов и ремонтов.

Все объекты делятся на ремонтируемые и неремонтируемые.

Ремонтируемым называется объект, для которого проведение ремонтов предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Очевидно, что для неремонтируемых объектов понятия «безотказность» и «долговечность» совпадают. Машины и оборудование относятся к категории ремонтируемых, следовательно, для них важную роль играют такое свойство, как ремонтопригодность.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

2. Статистическая оценка законов распределения в задачах надежности

Статистической оценкой называют численное значение неизвестного параметра, определяемое по данной выборке. Например, если известно, что изучаемый признак имеет нормальное распределение в генеральной совокупности, то необходимо оценить (приближенно найти) значения а (математическое ожидание) и о (среднее квадратическое отклонение) по известной выборке. Для того чтобы статистические оценки давали хорошие приближения оцениваемых параметров, они должны удовлетворять требованиям несмещенности, эффективности и состоятельности.

Несмещенной называют статистическую оценку 0*, математическое ожидание которой равно оцениваемому параметру 0.

Эффективной называют статистическую оценку, которая (при заданном объеме выборки) имеет наименьшую дисперсию.

Состоятельной называют статистическую оценку, которая при п --> оо стремится по вероятности к оцениваемому параметру 0.

Статистические оценки подразделяют на точечные и интервальные.

Точечной называют оценку, которая определяется одним числом, а интервальной - оценку, определяемую двумя числами - границами интервала, который с заданной наперед вероятностью «накроет» неизвестное истинное значение искомого параметра 0.

Такой интервал называют доверительным интервалом, а соответствующую вероятность - доверительной вероятностью, или надежностью.

Таким образом, доверительный интервал позволяет судить о надежности определения оцениваемого параметра. Ширина доверительного интервала определяется заданной доверительной вероятностью.

В результате обработки ряда измеренных значений одной величины получают ее среднее арифметическое значение Хср, которое является статистической оценкой неизвестного значения математического ожидания случайной величины X. Оценкой же неизвестного значения дисперсии или связанного с ней среднеквадратического отклонения а является вычисляемая также по результатам обработки ряда измерений среднеквадратическая погрешность т. Такого рода оценки являются точечными, так как каждая из них выражается одним числом.

Доверительный интервал строится на основании точечных оценок и заданной надежности. Интервальная оценка связана с установлением границ интервала /, который с заданной вероятностью р0 «накрывает» истинное значение измеряемой величины. Границы доверительного интервала определяются по выражению

Коэффициент tp выбирается по таблице интеграла вероятностей (функции Лапласа) по принятой доверительной вероятности р0, коэффициент к - по таблице распределения Стьюдента при малом объеме выборки.

Точечная и интервальная оценки не противоречат, а взаимно дополняют друг друга.

3. Конструктивные формы, материалы и технологии изготовления оборудования нефтегазохимических производств

Нефтегазохимическое оборудование в процессе эксплуатации испытывает повторно-статические нагрузки, обусловленные особенностью технологических процессов, ремонтными и непредвиденными пусками-остановками и др. Повторно-статические нагрузки вызывают малоцикловую усталость и снижение ресурса оборудования. ?

Большинство нефтегазохимического оборудования представляет собой конструкции оболочкового типа. К ним можно отнести колонные аппараты, технологические аппараты, теплообменные аппараты, различные емкости, трубчатые печи, дымовые трубы и др. Условия эксплуатации значительной части такого технологического оборудования характеризуются повышенной температурой, давлением и коррозионной активностью рабочей среды. ?

Степень агрессивности рабочих сред обусловлена, с одной стороны, обводненностью и содержанием кислых компонентов, сернистых и хлористых соединений, с другой - наличием коррозионно-активных компонентов в реагентах в процессах подготовки и переработки рабочих сред. ?

Оборудование нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий работает в самых различных условиях, которые определяются температурой, давлением и агрессивностью среды. Поэтому при изготовлении аппаратуры выбранные материалы должны обладать такими свойствами, которые противостояли бы действию этих факторов, т. е. они должны обладать необходимой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью в широком диапазоне температур, высокой химической стойкостью в разных средах.

Кроме того, эти материалы должны быть технологичны, т. е. поддаваться обработке давлением, резанью и свариваемостью.

Для изготовления нефтезаводской аппаратуры преимущественно применяют конструкционные материалы, стойкие в агрессивных средах. При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких.

4. Условия эксплуатационного нагружения объектов трубопроводного транспорта и переработки углеводородов

Нагруженность трубопроводов и их элементов в процессе эксплуатации имеет сложный характер, зависящий от многих факторов.

Основным силовым фактором является внутреннее давление Р транспортируемого продукта. Величина действующих продольных усилий Nx от внутреннего давления зависит от искривленности оси трубопровода, его взаимодействия с окружающей средой и температуры транспортируемого продукта.

С уменьшением радиуса кривизны трубопровода продольные осевые напряжения возрастают и в зависимости от перемещения трубопровода в пределах допуска на упругий изгиб могут достигать 50% кольцевых сгу.

Дополнительные воздействия в виде изгибающего Ми и крутящего Мх моментов на напряженно-деформированное состояние трубопровода могут быть вызваны деформациями грунта в результате горных разработок в зоне прокладки трубопровода, землетрясениями, деформациями и переформированием профиля поверхности в зоне водных преград и другими факторами.

Считается, что подземные трубопроводы, как правило, работают при стационарном режиме; однако при пусках и остановках, с изменениями температуры транспортируемого продукта и окружающей среды трубопроводные системы, работающие в условиях самокомпенсации деформаций, подвергаются воздействию повторных циклических термомеханических нагрузок. В наибольшей степени циклическому нагружению подвергнуты трубопроводы, транспортирующие жидкие продукты. Циклическому воздействию окружающей среды подвергаются открытые участки трубопроводов. На эти участки могут воздействовать также кратковременные нагрузки -- ветровые, от массы снега и т.п. Кроме того, трубопроводы насосных и компрессорных станций испытывают воздействие вибрационных нагрузок от работающих перекачивающих агрегатов и от аэрогидродинамических воздействий потоков жидкостей и газов. Количественно циклическая нагруженность трубопроводов пока изучена недостаточно.

Во время эксплуатации возможно изменение температуры стенки трубопровода по причине сезонах и суточных колебаний температуры окружающей среды. Цикличность температуры, как и цикличность давления, вызывает возникновение переменных напряжений и деформаций, что существенно меняет статическую схему нагружения, вызывает образование и разрушение гофров, кольцевых швов и развитие различных родов дефектов.

Таким образом, изучение механизма эксплуатационного накопления повреждений, в том числе в условиях циклического нагружения металла конструкции является актуальной задачей в области повышения безопасности и надежности работы оборудования.

Эксплуатационными факторами, определяющими прочность, является максимальные уровни и цикличность давления, температура, поперечно-продольная деформация системы «грунт-труба». Обеспечение статической прочности трубопроводов при действии только внутреннего давления не исключает возможности их разрушения при эксплуатации от других факторов. Считается, что начальный уровень прочности и конструктивной надежности у газо- и нефтепроводов одинаковый, а эксплуатационные условия существенно различны.

Оборудование опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли работают в условиях механических нагрузок, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. В связи с чем, очень важно определять предельное состояние металла и возможность дальнейшей безопасной эксплуатации такого оборудования.

5. Основные задачи прочности и ресурса

Прочность - свойство материалов, деталей, конструкций или технических систем, изготовленных по определенной технологии, сопротивляться внешним и внутренним механическим и термомеханическим нагрузкам на протяжении определенного времени и в условиях конкретной среды, характеризуемой температурой, химическим составом и состоянием, гравитационными, радиационными, электромагнитными и другими физическими полями, без разрушения, с сохранением формы и целостности в пределах, достаточных для выполнения ими своих функций.

Приведенное определение учитывает, что прочность обеспечивает: - функциональные свойства изделия, то есть способность изделия выполнять заданные для нее функции; - ресурс изделий, в том числе при различных температурных воздействиях; - жесткость и устойчивость; - сопротивление разрушению в коррозионных средах; - сопротивление циклическим, динамическим и гравитационным воздействиям; - работоспособность изделия при радиационном воздействии на материал; - работоспособность изделия в электрических и других физических полях; - сопротивление росту трещин и живучесть изделия, так как допускается частичное (в определенных, безопасных пределах) разрушение изделия; - работоспособность изделия с учетом технологий его изготовления, в том числе с внутренними напряжениями, обусловленными сваркой, кристаллизацией и рекристаллизацией, термической обработкой и т.п. процессами.

Ресурс технической системы или ее элемента -- суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние (ГОСТ 27.002-89). Для элементов технических систем, работающих в условиях термомеханического нагружения, предельное состояние наступает с потерей свойства прочности. В связи с этим можно говорить о прочностном ресурсе. Прочностной ресурс может быть ограничен снижением показателей прочностной надежности ниже допустимого уровня, установленного в технических условиях. Ресурс технической системы может быть ограничен также моральным износом.

г-процентный ресурс -- суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью г, выраженной в процентах (ГОСТ 27.002-89).

Ресурс первого рода -- ресурс ОТ или их элементов по критерию сопротивления полному разрушению (образование трещины критического размера).

Ресурс второго рода -- ресурс ОТ или их элементов по критерию сопротивления частичному разрушению с образованием течи (сквозного стабильного дефекта).

Ресурс третьего рода -- ресурс ОТ или их элементов по критерию образования несквозного дефекта металла, превышающего допустимые размеры.

Ресурс четвертого рода -- ресурс ОТ или их элементов по критерию сопротивления усталости, ползучести, коррозии и т.п., потере устойчивости, формоизменению.

6. Сопротивление разрушению при одноосном (однородном) напряженном состоянии.

Важнейшей задачей является оценка прочности детали по известному напряжённому состоянию, т.е. с учётом главных напряжений уx, уy, уz.

Наиболее просто эта задача решается при одноосном напряжённом состоянии.

Условие прочности при одноосном напряжённом состоянии:

В случае двухосного и трёхосного напряжённого состояния необходимо оценивать напряжённое состояние по некоторому критерию прочности, учитывающему действие всех главных напряжений, отличных от нуля.

В соответствие такому критерию устанавливается понятие эквивалентного напряжения.

Эквивалентным называется напряжение одноосного растяжения элемента материала, который равнопрочен тому же элементу при сложном напряжённом состоянии.

Основные теории прочности в сопротивлении материалов.

1.Первая теория прочности ( Гипотеза наибольших нормальных напряжений ).

Опасное состояние материала возникает, когда наибольшее по модулю нормальное напряжение достигает предельного значения соответствующего простому растяжению или сжатию.

Условие прочности:

где [ур] - допускаемое нормальное напряжение при одноосном растяжении; ус] - допускаемое нормальное напряжение при одноосном сжатии.

Эта теория дает удовлетворительные результаты лишь для некоторых хрупких материалов (бетона, камня, кирпича) и неприменима для пластичных материалов.

2.Вторая теория прочности ( Гипотеза наибольших относительных удлинений ).

В этой теории в качестве критерия разрушения принято наибольшее по модулю относительное удлинение е.

Опасное состояние материала наступает тогда, когда наибольшее относительное удлинение достигает опасного значения.

Условие прочности:

где [у] - допускаемое нормальное напряжение; µ - коэффициент Пуассона.

Экспериментально эта теория не подтверждается.

3.Третья теория прочности ( Гипотеза наибольших касательных напряжений ) или теория прочности Треска -- Сен-Венана.

Причиной разрушения материала считается сдвиг, вызываемый касательными напряжениями. Полагают, что материал разрушается, когда наибольшее касательное напряжение достигает значения, предельного для данного материала.

Условие прочности:

Теория подтверждается для пластичных материалов, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию.

4.Четвёртая теория прочности ( энергетическая теория прочности ).

Эта теория предполагает, что пластичный материал находится в опасном состоянии, когда удельная потенциальная энергия формоизменения достигает предельного для данного материала значения.

Условие прочности:

Теория подтверждается для пластичных материалов, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию.

5. Теория прочности Мора (пятая гипотеза прочности).

Теория прочности Мора позволяет учесть различное сопротивление материалов растяжению и сжатию.

Например, бетон, который имеет высокую прочность на сжатие, но совершенно не может работать на растяжение.

Условие прочности:

При [ур] = [ус] теория прочности Мора совпадает с третьей теорией прочности.

7. Влияние температуры на разрушение сопротивление деформациям и разрушениям

Изменения температуры вызывают расширение или сокращение конструкционных материалов, в результате чего в них возникают температурные деформации и температурные напряжения.

Влияние высоких температур, как правило, затрагивает практически все механические свойства многих материалов. В основном оно приводит к повышению пластичности и уменьшению их прочности. При значительном изменении температуры зачастую происходят сложные физико-механические процессы, в связи с этим сильно изменяются свойства. Например, пластичные материалы становятся хрупкими, и наоборот; изменениям подвергаются деформативные свойства и прочность. Также происходят изменения, приобретающие необратимый характер, то есть после восстановления нормальной температуры, к материалам не возвращаются первоначальные свойства.

Сопротивление материалов базируется на понятии «прочность», что является способностью материала противостоять приложенным нагрузкам и воздействиям без разрушения. Сопротивление материалов оперирует такими понятиями как: внутренние усилия, напряжения, деформации. Приложенная внешняя нагрузка к некоторому телу порождает внутренние усилия в нём, противодействующие активному действию внешней нагрузки. Внутренние усилия, распределенные по сечениям тела, называются напряжениями. Таким образом, внешняя нагрузка порождает внутреннюю реакцию материала, характеризующуюся напряжениями, которые в свою очередь прямо пропорциональны деформациям тела. Деформации бывают линейными (удлинение, укорочение, сдвиг) и угловыми (поворот сечений). Основные понятия сопротивления материалов, оценивающие способность материала сопротивляться внешним воздействиям:

- Прочность -- способность материала воспринимать внешнюю нагрузку, не разрушаясь при этом;

- Жесткость -- способность материала сохранять свои геометрические параметры в допустимых пределах при внешних воздействиях;

- Устойчивость -- способность материала сохранять в стабильности свою форму и положение при внешних воздействиях.

8. Циклическое нагружение

Циклическая нагрузка - это периодически повторяющаяся нагрузка с регулярно возникающими напряжениями в материале, что способствует образованию усталостных трещин.

Усталостная прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени.

Периодическая нагрузка - переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток (перио д) времени.

Цикл напряжений - совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки.

Цикл напряжений может описываться любым периодическим законом, чаще всего - синусоидальным. Однако прочность материала при циклическом нагружении зависит не от закона изменения напряжений во времени, а в основном от значений наибольшего (максимального, уmax) и н а и меньшего (минимального, уmin) напряжений в цикле.

Обычно цикл напряжений характеризуется двумя независимыми из следующих основных характеристик (параметров цикла): уmax - максимальное напряжение цикла (наибольшее в алгебраическом смысле напряжение цикла); уmin - минимальное напряжение цикла (наименьшее в алгебраическом смысле напряжение цикла); уm - среднее напряжение цикла (полусумма наибольшего и наименьшего напряжений цикла)

 ,  ;  ;

уa - амплитудное напряжение цикла (полуразность наибольшего и наименьшего напряжений цикла)

 ;  ,

R - коэффициент асимметрии цикла напряжений (отношение наименьшего и наибольшего напряжений цикла)

 ,

В зависимости от величины перечисленных характеристик циклы напряжений могут быть подразделены на следующие основные типы:

симметричный цикл - максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку уmax = ?уmin , R=-1;

асимметричный цикл - максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине), при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным; знакопеременный цикл - максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку ( R<0, R?-1); у ? max -уm знакопостоянный цикл - максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и имеют одинаковый знак ( R>0, R?1);

у ? max отнулевой (пульсирующий) цикл - максимальное или минимальное напряжения равны нулю (уmin=0 или уmax=0, R=0 или R=?);

Циклы с одинаковым коэффициентом асимметрии R называют подобными. R меняется от +? до -1.

Нагрузка тем опаснее для детали, чем больше среднее значение цикла.

9. Неоднородное напряженное состояние

В неоднородном напряжённом состоянии напряжения в разных точках одного сечения неодинаковы, и в сечении, параллельном данному, они другие. Если из тела, находящегося в неоднородном напряженном состоянии, выделить бесконечно малый элемент, то по граням этого элемента напряжения можно считать распределёнными равномерно, то есть бесконечно малый элемент тела, находящегося в неоднородном напряженном состоянии, находится в условиях однородного напряжённого состояния.

Неоднородное напряженное состояние при изгибе увеличивает чувствительность к надрезу. Чувствительность материала к надрезу косвенно указывает на относительно низкое значение хрупкой прочности.

Неоднородное напряженное состояние элементов оболочек необходимо учитывать при проектировании.

В неоднородном напряженном состоянии элемент следует полагать бесконечно малым. Тогда предположение о равномерном распределении напряжений по его граням выполняется с точностью до малых второго порядка. ?

При неоднородных напряженных состояниях, изгибе и кручении расчетный предел текучести принимается условно повышенным по сравнению с пределом текучести при растяжении, так как волокна задерживают образование остаточных деформаций и местные пластические деформации наиболее напряженных волокон не приводят к значительным общим деформациям детали. Коэффициенты концентрации напряжений в расчеты не вводятся, так как пики напряжений сглаживаются вследствие местных пластических Деформаций, неопасных для прочности детали. ?

В неоднородном напряженном состоянии элемент следует полагать бесконечно малым. ?

При неоднородном напряженном состоянии наличие надреза на образце (или детали) изменяет характер распределения энергии, между отдельными объемами вследствие их неравномерного деформирования. В условиях однородного напряженного состояния до момента образования шейки (или трещины) распределение поглощаемой энергии является сравнительно равномерным (речь идет о некоторой средней величине энергии на любом макроучастке базы образца), хотя, и в условиях однородного напряженного состояния вследствие микронеоднородности развития деформаций поглощаемая энергия неодинакова для отдельных объемов. Неравномерность деформации в зоне надреза обусловливает и неравномерность распределения энергии между отдельными объемами. ?

При плоском неоднородном напряженном состоянии предполагают, что напряжение меняется при переходе от одной точки тела к другой достаточно медленно и поэтому в малой окрестности точки напряженное состояние отличается от однородного на величины высших порядков малости.



10. Критерии разрушения, характерные признаки разрушения

При наличии в телах трещин, как в случае однородного, так и в случае неоднородного состояния, используются три группы критериев разрушения: силовые, деформационные, энергетические.

При этом возникающие разрушения в зависимости от свойств материала и условий нагружения делаться на три группы: хрупкие, вязкие и усталостные.

Вязкое разрушение сопровождается интенсивной пластической деформацией материала детали. Излом имеет волокнистое строение и, вследствие сильной деформации зёрен, не имеет кристаллического блеска. Неровные участки рассеивают свет и поверхность излома кажется матовой. Причиной образования является воздействие значительных кратковременных сил, возникающих при заклинивании механизма или нарушениях технологического режима. Вязкое разрушение имеет место и при длительном действии сил, вызывающих напряжения, превосходящие предел текучести материала детали. Признаком вязкого излома является наличие боковых скосов по его краю.

Если в процессе эксплуатации произошла поломка детали в нескольких местах, то надо знать, что первичные изломы (которые могли повлечь за собой все остальные поломки), как правило, не бывают вязкими. Вязкие первичные изломы встречаются при разрушении в редких случаях вследствие грубых ошибок, допущенных при расчёте на прочность, монтаже (сборке) или эксплуатации. Относительно медленно развивающаяся вязкая трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрезмерной пластической деформации деталь ещё до её полного разрушения перестаёт выполнять свои функции. Полное разрушение происходит редко, пластические деформации обнаруживаются путём визуального осмотра заблаговременно.

Хрупкое разрушение происходит внезапно при однократном приложении силы или под действием повторных ударных сил при малой степени местной пластической деформации. Излом имеет ярко выраженное кристаллическое строение у недеформируемых материалов и гладкое от сдвига у мягких материалов. Кромки изломов гладкие, ровные без скосов или с небольшими скосами. Скос на хрупком изломе указывает место долома, то есть окончание разрушения. Участок без скоса (или с меньшим скосом) обычно примыкает к фокусу излома.

Хрупкие разрушения в большинстве случаев начинают развиваться в зонах концентрации напряжений, в местах приварки элементов жёсткости, пересечения сварных швов, у отверстий и галтелей, в зонах резкого изменения толщины. Очагами хрупких разрушений металлоконструкций часто являются дефекты сварки - горячие и холодные трещины, непровары, подрезы, шлаковые включения, поры, расслоения металла.

Усталостное разрушение является одним из основных видов повреждения от действия циклических нагрузок. Усталостные разрушения возникают в процессе постепенного накопления повреждений в материале деталей под действием переменных напряжений, которые приводят к образованию микротрещин, их развитию и окончательному разрушению детали.

При внезапных отказах оборудования основной причиной является усталостный излом. Определение условий возникновения усталостной перегрузки по виду излома является основным объективным методом анализа внезапных отказов оборудования и даёт возможность предупреждать аналогичные отказы. Критериев такого анализа шесть: характер излома глубина развития трещины усталости; степень и характер наклёпа поверхности излома; число начальных очагов развития трещины; характер линии фронта трещины; число следов линии фронта трещины.

На усталостном изломе чётко выделены: зона усталостного разрушения, имеющая мелкозернистое строение, с фарфоровидной или шлифованной поверхностью; зона статического разрушения - с волокнистым строением у пластичных металлов и крупнокристаллическим у хрупких.

В общем виде на усталостном изломе различают четыре зоны: зарождения усталостных трещин; развития трещин (усталостного разрушения); переходную - ускоренного разрушения; окончательного, быстрого статического разрушения.

11. Расчеты долговечности на стадии развития трещины (живучести)

Для расчета живучести используется выражение

Dа/dN = C(DK )n.

Где da/dN -скорость роста трещины, DК - размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле ( это разница между максимальным и минимальным коэффициентом интенсивности напряжений в цикле), С и n - коэффициенты материала, зависящие от параметров цикла, температуры материала, характера окр.среды

Типовой подход к расчету живучести на стадии развития трещины заключается в интегрировании этого уравнения. Для получения представительных результатов расчета живучести необходимо располагать данными по напряженному состоянию детали вдоль траектории развития трещины а так же параметрами С и n уравнения, отвечающими фактическому состоянию металла, условиями окружающей среды. Комплексный характер этой задачи обуславливает ее сложность, что в свою очередь, не способствует точности получаемых результатов. Прежде всего это относится к габаритным элементам ответственного оборудования, работающих в сложных температурно-силовых условиях: трубопроводные системы, сосуды, работающие под давлением и тд



12. Нормирование социального риска

Социальный риск- риск одновременной (или несколько растянутой по времени, но от одной причины) смерти значительной группы людей от неестественных причин.

К социальному риску относят случаи с числом жертв более10 человек. В России величина социального риска от неестественных причин10-6 смертей/год.

Меры, направленные на предотвращение индивидуального риска, в большинстве случаев одновременно предотвращают и социальный риск.

Социальный риск характеризует масштаб и вероятность (частоту) аварий и определяется функцией распределения потерь (ущерба), у которой есть установившееся название - F/N-кривая.

Сценарии, попадающие в область 1 пренебрежимо малых рисков, не требуют принятия каких-либо защитных мер. Сценарии в области 3, требуют незамедлительного вмешательства с целью выхода из этой области путем снижения вероятности реализации этих сценариев или снижения количества жертв, независимо от величины необходимых для этого затрат. В области 2 при принятии решений о проведении защитных мероприятий следует исходить из принципа практической целесообразности.

13. Нормирование индивидуального риска

Индивидуальный риск - частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий.

При оценке индивидуального риска учитывается возможность гибели человека при всех возможных сценариях отказа системы, причем различаются только два состояния: «жив» (последствия равны 0), «мертв» (последствия равны 1). В этой постановке величина последствий не будет входить в выражение для данного индекса риска.

Таким образом, индекс индивидуального риска определяется вероятностью гибели в течение года в результате аварии в рассматриваемой системе одного выбранного заранее человека.

Расчетное значение индекса индивидуального риска определяется выражением:

Где P(O) - вероятность отказа системы в течение года;

P(G|O) - уязвимость человека, оцениваемая как условная вероятность гибели данного человека в случае отказа системы.

Обычно, так же как и при оценке социального риска, выделяют три категории индивидуального риска: пренебрежимо малый, приемлемый и недопустимый (или чрезмерный) риски.

1.Пренебрежимо малый индивидуальный риск -- это риск, сопоставимый с другими рисками, с которыми люди сталкиваются в повседневной жизни и которые считаются несущественными. Предельная величина пренебрежимо малого риска определяется нормативной базой страны, исходя из уровня ее экономического развития, культуры безопасности и отношения к человеческой жизни. RI< 10-6 в год (1 на млн.). В случае, если индивидуальный риск, связанный с эксплуатацией системы, попадает в область пренебрежимо малых рисков, законодатель не требует принятия каких-либо дополнительных мер, направленных на дальнейшее снижение рисков.

2. Приемлемые индивидуальные риски -- риски, с которыми, учитывая выгоды от эксплуатации системы, люди (или общество в целом) готовы мириться при условии, что эти риски тщательно отслеживаются и минимизируются в соответствии с соображениями практической целесообразности (например, риск, связанный с пересечением океана). Приемлемые риски лежат в диапазоне RI = 10-6? RIПриемл ? RI = 10-4.

3. Недопустимые (чрезмерные) риски -- риски, с которыми, за исключением чрезвычайных случаев, люди не готовы мириться ни при каких выгодах от эксплуатации системы. В случае попадания индивидуальных рисков в недопустимую область, эксплуатация системы считается невозможной до того момента, когда будут реализованы защитные мероприятия, позволяющие перевести риски в область приемлемых рисков. Причем снижение риска до уровня приемлемых должно осуществляться, невзирая на стоимость защитных мероприятий. RI> 10-4.

14. Нормирование экономического риска

Под экономическим риском принято понимать двухфакторный функционал вероятности отказа Рф (система может находиться в двух состояниях: рабочее и нерабочее) и последствия отказа системыUф, который выбирается в виде произведения указанных факторов:



Вероятность отказов технических систем определяются с помощью методов теории надежности. Калькуляция ущербов от отказов технических систем является отдельной задачей, решаемой с помощью специальных методик оценки ущербов от техногенных аварий. Ущерб от достижения элементом системы предельного состояния и последующего отказа системы выражается в нарушении целостности системы или ухудшении других свойств; фактических или возможных экономических и социальных потерях (отклонение здоровья человека от среднестатистического значения, т.е. его болезнь или смерть; нарушение процесса нормальной хозяйственной деятельности; утрата того или иного вида собственности; ухудшение природной среды и т.д.).

Ущерб представляется в виде суммы прямого  и косвенного  ущербов:

Под прямым ущербом при отказе ТС понимаются потери и убытки населения, природной среды и всех структур народного хозяйства (в т.ч. самой системы), попавших в зону действия поражающих и вредных факторов аварии. Они определяются количеством погибших и пострадавших среди персонала и населения, невозвратных потерь основных фондов, оцененных природных ресурсов и убытков, вызванных этими потерями.

Косвенный ущерб от отказа ТС -- это потери, убытки и дополнительные затраты, которые понесут население, объекты природной среды и народного хозяйства, не попавшие в зону действия опасных факторов аварии, и которые вызваны нарушениями и изменениями в сложившейся структуре хозяйственных связей, инфраструктуре. Кроме того, это потери (дополнительные затраты), вызванные необходимостью проведения отдельных мероприятий по ликвидации последствий аварии.

Экономические риски в отличие от индивидуальных и социальных рисков, как правило, не нормируются государственными органами. Вопрос о выборе предельных значений экономического риска обычно решается на уровне организаций, эксплуатирующих ТС данного типа, с учетом практики страховых компаний. При этом, безусловно, должны учитываться такие факторы как значимость системы для жизнедеятельности страны, региона или местного сообщества, уровень социально- экономического развития страны, восприятия риска в обществе и т.д. Величина RЭ определяет значение экономического риска, с которым общество готово мириться ради тех благ, которые оно получает с помощью эксплуатируемой системы.

15. Статистическое моделирование эксплуатации сложных систем. Метод Монте-Карло

Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний) - численный метод решения различных задач при помощи моделирования случайных событий. В приложении к физике M.-К. м. можно определить как метод исследования физ. процесса путём создания и эксплуатации стохастической модели, отражающей динамику данного процесса.

Статистическое моделирование представляет собой метод получения с помощью компьютерных моделей статистических данных о процессах, происходящих в изучаемой системе. Фактически статистическое моделирование сводится к построению для процесса функционирования исследуемой системы S некоторого моделирующего алгоритма, имитирующего функционирование и взаимодействие элементов системы с учетом случайных входных воздействий, изменений параметров элементов, влияние факторов внешней среды Е с последующей компьютерной реализацией этого алгоритма. В результате статистического моделирования системы S получается набор значений искомых величин (например, определяющих надежность проектируемой системы) или функциональных зависимостей, последующая статистическая обработка которых позволяет получить сведения о поведении проектируемого объекта или процесса в произвольные моменты времени, при изменении параметров элементов, в случае возникновения ситуаций отказа. Если количество полученных значений N достаточно велико, то полученные результаты моделирования системы приобретают статистическую устойчивость и с достаточной точностью могут быть приняты в качестве оценок искомых характеристик функционирования или качества системы S. Можно выделить следующие основные этапы статистического моделирования - генерирование N реализации случайной величины Y с требуемой функцией распределения, описывающий влияющий фактор или исследуемое взаимодействие между элементами ОЭПиС; - преобразование значений полученной величины, определяемой математической моделью функционирования ОЭПиС; - статистическая обработка реализации и получение искомой характеристики функционирования ОЭПиС.

16. Модели деформируемых тел

Изучение любого явления (процесса) начинается с разработки его модели. При этом выделяются наиболее существенные его черты и не рассматриваются менее важные элементы этого явления.

Выделяют ряд этапов создания моделей в механике (рис. 1.1).



Рис. 1.1

Модели формы. Построение модели формы основано на схематизации конструкции и ее элементов по геометрическим признакам (рис. 1.2). Например, стержень - элемент, у которого поперечные размеры малы по сравнению с его длиной.

Рис. 1.2

Если геометрию объекта удается свести к такой модели, то вместо трехмерной конструкции рассматривают одномерную, приводя все параметры деформирования к оси стержня. С точки зрения математического описания модели это означает, что вместо уравнений в частных производных (трехмерный случай) получают обыкновенные дифференциальные уравнения, решать которые существенно легче.

Модели нагружения. Этот этап содержит схематизацию внешних нагрузок.

Классификация внешних сил по области приложения:

-объемные нагрузки - распределены по всему объему, занятому телом. Их интенсивность имеет размерность Н/м3. К числу таких сил относятся силы веса, инерции и др.;

-поверхностные нагрузки - приложены к поверхности тела. Они могут быть следствием воздействия на тело другого соприкасающегося с ним тела: твердого, жидкого или газообразного (например, давление воздуха на крыло самолета, давление жидкости на стенку сосуда). Интенсивность поверхностной нагрузки имеет размерность Н/м2;

- сосредоточенные нагрузки. Если площадка, по которой действует поверхностная нагрузка, весьма мала по сравнению с размерами тела, то нагрузку считают сосредоточенной. Интенсивность сосредоточенной силы имеет размерность Н.

Классификация внешних сил по характеру изменения во времени:

- статические (стационарные) - изменение этих нагрузок происходит медленно, они не влияют на характер процесса. В этом случае полагают, что нагрузка не меняется от времени;

- нестационарные - напротив, изменение нагрузки от времени является существенной характеристикой процесса;

- циклические - характеризуются периодическим изменением. Их действие приводит к накоплению микротрещин и усталостному разрушению конструкции;

- динамические - нагрузки, возникающие при колебании элементов конструкции или нагрузки ударного характера. В обоих случаях вовлекается в движение масса самой конструкции, что приводит к дополнительному нагружению инерционными силами.

Модели разрушения. На этом этапе описывается переход конструкции или ее элементов в предельное состояние, при котором ее дальнейшая эксплуатация невозможна:

- статическое разрушение;

- длительное статическое разрушение;

- малоцикловое разрушение;

- усталостное (многоцикловое) разрушение.

Модели материала. На этом этапе происходит схематизация физических свойств материала конструкции. Наиболее простые модели получают, полагая материал сплошным и однородным, упругим и изотропным:

- свойство сплошности и однородности - материал рассматривают как сплошное и однородное тело. Такие модели осредняют свойства в объемах материала, содержащих достаточно большое число структурных элементов (например, зерен материала);

- свойство упругости - способность тела восстанавливать свою форму и размеры после снятия внешних нагрузок;

- свойство изотропности - механические свойства материала одинаковы во всех направлениях, проходящих через исследуемую точку тела.

17. Технический риск

Технический риск - это риск, обусловленный техническими факторами. Технический риск представляет собой комплексный показатель надежности элементов техносферы и выражает вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Технический риск определяется степенью организации производства, проведением превентивных мероприятий (регулярной профилактики оборудования, мер безопасности), возможностью проведения ремонта оборудования собственными силами предприятия.

К техническим рискам относится вероятность потерь:

- вследствие отрицательных результатов научно-исследовательских работ;

- в результате недостижения запланированных технических параметров в ходе конструкторских и технологических разработок;

- в результате низких технологических возможностей производства, что не позволяет осваивать новые разработки;

- в результате возникновения при использовании новых технологий и продуктов побочных или отсроченных во времени проблем;

- в результате сбоев и поломки оборудования и т.д.

Одной из разновидностей данного риска является технологический риск - риск того, что в результате технологических изменений существующие системы производства и сбыта устареют и тем самым окажут негативное воздействие на уровень капитализации компании и ограничат её возможности по получению прибыли. В то же время, модернизация и усовершенствование (усложнение) технических средств, увеличение числа технических элементов также способствует снижению их надёжности и, соответственно, возрастанию риска.

Технические риски возникают из-за: ошибок в проектировании; недостатков технологии и неправильного выбора оборудования; ошибочного определения мощности; недостатков в управлении; нехватки квалифицированной рабочей силы; отсутствия опыта работы с новым оборудованием; срыва поставок сырья, стройматериалов, комплектующих; срыва сроков строительных работ подрядчиками (субподрядчиками); повышения цен на сырье, энергию и комплектующие; увеличения стоимости оборудования; роста расходов на заработную плату.



Промышленная экология



1. Безотходные, малоотходные и чистые производства. Основные требования к их организации

Безотходное производство - такой способ производства продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используются все компоненты сырья и энергии таким образом, что любые воздействия на ОС не нарушают ее нормального функционирования.

Малоотходное производство - такой способ производства продукции, при котором вредное воздействие на ОС не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, а образующиеся отходы временно хранятся или захораниваются.

Чистое производство - производство, которое характеризуется непрерывным и полным применением к процессам и продуктам природоохранной стратегии, предотвращающей загрязнение ОС таким образом, чтобы понизить риск для человечества и ОС.

Концепция безотходного производства: 1. Ресурсы необходимо использовать в таком цикле, который включал бы не только сферу промышленного производства, но и сферу потребления. Замкнутым такой цикл может быть только на уровне ТПК. Необходимо в рамках этого комплекса найти потребителей отходов, производимых предприятиями. 2. Должно быть обязательное использование в производстве всех компонентов сырья и сведение до min нерациональных энергозатрат. 3. Сохранение нормального функционирования ОС, при котором производство не оказывает отрицательного воздействия на среду обитания человека, его здоровье.

Проблема отходов должна решаться на месте их образования путем внедрения ресурсовозобновляющих технологий (РВТ), обеспечивающих минимизацию промвыбросов и выхода вторичных отходов. (в основе лежит теория трофо-энергетичного функционирования экосистем и круговорота веществ).



2. Основные источники загрязнения атмосферы и загрязняющие вещества

Различают естественное и искусственное загрязнение атсосферы. К естественным источникам относятся: извержение вулканов, пыльные бури, пожары, пыли космического происхождения, частицы морской соли и т.д. Уровень такого загрязнения рассматривается как фоновый. Искусственные источники: сжигание горючих ископаемых; работа тепловых электростанций; производственная деятельность; газовые выбросы предприятий; сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, машиностроение. Загрязняющие вещества делятся на физические (шум, вибрация, тепловое загрязнение, радиационное загрязнение) и химические (газообразные, жидкие, твердые). Газообразные загрязнители - кислые компоненты: H2S, SO2, SO3, NOX, CO2, галогены: Cl, F, Br, J и их производные, фосфор и его соединения, тяжелые металлы, летучие у/в; взвешенные вещества - пыли, аэрозоли и др.

3. Предельно допустимые концентрации в атмосфере. Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ в атмосфере. Платы за выбросы

ПДК (предельно допустимая концентрация) бывает:

- максимально-разовая - концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна вызывать в течение 30 минут рефлекторных реакций в организме человека.

- среднесуточная - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного действия при неопределенно долгом воздействии.

Так как загрязнение атмосферы зависит от метеорологических условий, то для каждого предприятия устанавливается ПДВ (предельно допустимый выброс) (такой выброс, при котором при неблагоприятных метеорологических условиях концентрация на поверхности земли не будет превышать ПДК с учётом фоновой концентрации). Для контроля фонового загрязнения установлены стационарные посты и разовые отборы.

При расчёте ПДВ определяютсяся: 1) источники выброса; 2) ингредиенты - расчётными путями или лабораторными испытаниями; 3) координаты на площадке; 4) диаметр источника; 5) объём выброса; 6) высота выброса; 7) температура выброса.

Источники выброса: организованные (устье источника) и неорганизованные (испарение), приземные (менее 2м), приподнятые (2-10м) и высокие (>10м), нагретые и холодные, постоянные или периодические, аварийные, стационарные и передвижные.

Вокруг каждого предприятия существует СЗЗ (санитарно-защитная зона), чтобы обезопасить население. По величине СЗЗ делят на 5 классов (зависит от опасности предприятия): 1000 м, 500 м, 300 м, 100 м, 50м. Если в пределах СЗЗ концентрация снизилась до ПДК, то фактический выброс принимается за ПДВ. Если рассеивание распространяется дальше, то ПДВ рассчитывается по формуле:

Где М- мощность выброса, r/c

См - максимальная концентрация загрязняющих веществ в атмосфере мг/м3

Сф - фоновая концентрация загрязняющих веществ в атмосфере мг/м3

При невозможности уменьшить выброс до ПДВ, превышение нормируется как ВСВ, и оплачивают в 5 раз больше, чем за ПДВ. Основной метод предотвращения загрязнений - применение современных, экологически чистых и безотходных технологий, в которых отходящие газы используются как сырьё для других производств.

Организации и ИП, которые ведут деятельность, оказывающую негативное воздействие на окружающую среду, обязаны вносить за это отдельную плату. Контроль за правильностью исчисления, полнотой и своевременностью внесения такой платы осуществляет Росприроднадзор.

Негативное воздействие зависит от его вида. Различают следующие виды вредного воздействие на окружающую среду:

- выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух стационарными источниками;

- сбросы загрязняющих веществ в водные объекты;

- хранение, захоронение отходов производства и потребления (размещение отходов).

Для Росприродназдора расчет платы за негативное воздействие производится плательщиками самостоятельно по следующей формуле:

ПНВ = ПБ1 * С1 * К1 + ПБ2 * C2 * К2 +…+ ПБN * СN * КN,

где ПНВ - плата за негативное воздействие по всем загрязняющим веществам;

ПБN - платежная база по N-ому загразняющему веществу, включенному в перечень загрязняющих веществ, по классу опасности отходов производства и потребления;

СN - ставка платы по N-ому загрязняющему веществу;

КN - применяемый коэффициент (коэффициенты) к N-ому виду загрязняющего вещества.

Кроме того, в расчете может участвовать стимулирующий коэффициент, а также дополнительный коэффициент в отношении территорий и объектов, находящихся под особой охраной в соответствии с федеральными законами.

Платы - это объем или масса выбросов или сбросов загрязняющих веществ либо объем или масса размещенных в отчетном периоде отходов.

База определяется плательщиками самостоятельно на основе данных производственного экологического контроля.

4. Методы очистки выбросов в атмосферу от пылевых и газообразных загрязнителей

Адсорбция - концентрирование веществ на поверхности или в объёме микропор твердого тела.

...