Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

С.В. ЕФРЕМОВ

ОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

И ПРОИЗВОДСТВА

Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета

2007 год

2

УДК 335.58

ББК

М

Рецензенты

Профессор кафедры Управления и защиты в чрезвычайных ситуациях

Санкт-Петербургского государственного политехнического

университета

Доктор технических наук В.Н. Тарабанов

Декан Факультета безопасности жизнедеятельности государственного

педагогического университета им. А.И.Герцена

Доктор педагогических наук, профессор.

Ефремов С.В. Опасные технологии и производства. Учебное пособие.

– СПб.: Изд-во Политехнического Университета, 2007. – 236 с.

В учебном пособии рассмотрены основные опасности

техносферы, определен понятийный ряд в области опасных

технологий и производств, изложены процессы формирования

поражающих факторов на объектах содержащих сжиженные и сжатые

газы, аварийно химически опасные вещества и источники

ионизирующих излучений. Даны методические основы

прогнозирования масштабов разрушений и заражения при

возникновении аварийных ситуаций на потенциально опасных

объектах.

Пособие предназначено для студентов СПбГПУ изучающих

дисциплину «Опасные технологии и производства». Материалы

пособия могут быть использованы при написании рефератов и

разработке расчетно-графических работ по дисциплинам «Защита в

чрезвычайных ситуациях» и «Безопасность жизнедеятельности».

Табл. 38. Ил. 17. Библиография: 26 названий

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-

Петербургского государственного политехнического университета.

3

© Ефремов С.В., 2007

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…….…………………………………...

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………..……………...

Глава 1. ТЕХНОСФЕРА И ЕЕ ОПАСНОСТИ………………….

1.1. Определение и структура техносферы ………………………..

1.2. Типы опасностей………………………………………………..

1.3. Причины аварий и катастроф …………………………………

1.4. Классификация чрезвычайных ситуаций……………………..

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В

ОБЛАСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ОПАСНОСТЕЙ…………………..

2.1 Структура понятийного ряда в области техногенных опасностей

2.2. Понятия, связанные с опасностью…………………………….

2.3 Понятия опасных событий……………………………………...

2.4 Понятия, связанные с поражением…………………………….

2.5 Понятия риска…………………………………………………...

2.6 Понятия опасных технологий и производств…………………

2.7. Понятия, связанные с безопасностью…………………………

Глава 3. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТА, ПОРАЖАЮЩИЕ

ФАКТОРЫ И ПАРАМЕТРЫ…………………

3.1 Оценка опасности объекта……………………………………...

3.2. Краткая характеристика поражающих факторов и

поражающих параметров…………………………………………...

3.3. Общий подход к определению вероятности поражения…….

3.4 Общие подходы к анализу риска……………………………….

Глава 4. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

ГОРЮЧИЕ И ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА..…………………..

4.1. Трубопроводы и емкости………………………………………

4.2. Диаграмма состояния однокомпонентной системы………….

4.3. Выбор технологии хранения и перемещения вещества в

зависимости от диаграммы его состояния…………………………

4.4. Аварийные выбросы на объектах сжиженного газа………….

4.5. Приближенная оценка количества вещества переходящего в

первичное и вторичное облака при разливе сжиженных газов и

жидкостей……………………………………………………………

4.6. Опасности объектов содержащих сжатые газы………………

4.7 Опасности, связанные с взрывами конденсированных

взрывчатых веществ и пылевых облаков ………………………...

4.8 Оценка последствий взрывов…………………………………...

4.9 Методика оценки опасности объектов содержащих горючие

и взрывчатые вещества……………………………………………...

5

Глава 5. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА

5.1 Классификация опасных химических веществ

5.2. Характеристика физико-химических свойств

5.3 Токсические свойства аварийно химически опасных

веществ

5.4 Анализ промышленных аварий с выбросами токсичных

веществ

5.5 Моделирование химической обстановки

5.6 Методика прогнозирования масштабов заражения при

авариях и разрушениях химически опасных объектов

Глава 6. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

6.1 Ионизирующие излучения и их характеристика

6.2 Радиационная опасность

6.3 Радиационно опасные объекты

6.4 Радиационные аварии

6.5 Прогнозирование радиационной обстановки при авариях на АЭС

Глава 7. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

7.1 Характеристика гидротехнических сооружений.

7.2 Воздействия водного потока на гидротехнические сооружения.

7.3 Взаимодействие гидросооружений с их основаниями и

берегами, прочность их и устойчивость.

7.4 Эксплуатация и исследование гидротехнических сооружений

7.5 Аварии гидротехнических сооружений

ГЛАВА 8. ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МАШИНЫ

8.1 Общие сведения о грузоподъемных машинах.

8.2 Виды подъемных механизмов.

8.3 Основные параметры грузоподъемных машин.

8.4 Обеспечение безопасной эксплуатации грузоподъемных машин

8.5 Транспортирующие машины.

8.6 Гидравлические машины.

8.7 Общие сведения о надежности машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….. 84

ЛИТЕРАТУРА

6

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АХОВ аварийно химически опасное вещество

BLEVE Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion

kerma kinetic energy released in material

Бк Беккерель

ГЗД генетически значимой эквивалентной дозой

Гр Грей

ДОА допустимые среднегодовые объемные активности

ДУА среднегодовые удельные активности

ЕРФ естественный радиационный фон

Зв Зиверт

ЗПВ зона поражающих воздействий

ИИ ионизирующие излучения

ИИИ источник ионизирующих излучений

ИО источник опасности

КВИО коэффициент возможности ингаляционного отравления

НРБ нормы радиационной безопасности

ОБВ опасное биологическое вещество

ОБЭ относительная биологическая эффективность излучения

ОП очаг поражения

ОПД объект поражающих действий

ОХВ опасное химическое вещество

ОЯТ отработанное ядерное топливо

ПГП пределы годового поступления

ПДК предельно допустимая концентрация

ПОИ Потенциально опасный источник

ПОО потенциально опасный объект

ПОТ потенциально опасная территория

ПОЭ потенциально опасный элемент

ПП поражающий параметр

ПФ поражающий фактор

РАО радиоактивные отходы

РВ радиоактивное вещество

РН радионунклид

ТВС тепловыделяющие сборки.

ТВЭЛ тепловыделяющие элементы

ФДС фазовая диаграмма состояния

ХОО химически опасный объект

ЧС чрезвычайная ситуация

ЭД эффективная доза

ЯТЦ ядерно-технический цикл

7

ВВЕДЕНИЕ

Часто причинами чрезвычайных ситуаций техногенного

характера являются аварии на объектах использующих опасные

технологии. К таким объектам относят, прежде всего, те на которых

находятся сжиженные и сжатые газы, опасные химические вещества и

источники ионизирующих излучений. В результате аварий могут

возникать взрывы, пожары, токсические и радиационные поражения.

Для принятия обоснованных инженерных и управленческих

решений по защите людей и материальных ценностей необходимо

разбираться в процессах формирования поражающих факторов, знать

характеристики опасных веществ и источников, уметь прогнозировать

масштабы и последствия аварий. Все эти вопросы изложены в

учебном пособии. Пособие разбито на шесть глав.

Первая глава посвящена техносфере и ее опасностям. В ней

рассмотрены структура техносферы, типы аварий, характеристика

основных техногенных и природно-техногенных опасностей.

Во второй главе приведен понятийный ряд в области

техногенных опасностей, даны определения понятий связанных с

опасными технологиями и производствами, поражениями и рисками.

В третьей главе анализируются общие подходы к анализу риска

и определению вероятности поражений, дается краткая

характеристика поражающих факторов и поражающих параметров.

Четвертая глава посвящена рассмотрению опасностей объектов

содержащих сжиженные и сжатые газы. В ней показано, как на основе

диаграммы состояния однокомпонентной системы можно выбрать

технологию хранения и перемещения вещества. Разобраны процессы

формирования поражающих факторов при разрушении емкостей и

трубопроводов, содержащих взрывопожароопасные сжиженные и

сжатые газы. Приведена одна из методик оценки обстановки при

взрывах и пожарах.

В пятой главе описаны опасности объектов содержащих

токсичные вещества. Проанализированы различные варианты

классификации опасных химических веществ. Дано определение

понятию аварийно химически опасное вещество (АХОВ). Приведены

физико-химические и токсические свойства основных АХОВ, а также

представлен анализ промышленных аварий с их выбросами.

Рассмотрены процессы формирования первичного и вторичного

8

облаков опасных веществ в атмосфере. Приведена методика

прогнозирования масштабов заражения при авариях и разрушениях

химически опасных объектов.

Шестая глава посвящена рассмотрению опасностей объектов

содержащих источники ионизирующих излучений. Даны основные

понятия о радиоактивности, приведены требования к ограничению

облучения. Проанализированы радиационно-опасные объекты и

возможные аварии на них. Рассмотрены возможные подходы к

прогнозированию радиационной обстановки при авариях на атомных

станциях.

Седьмая глава посвящена рассмотрению опасностей

гидротехнических сооружений. Дана общая характеристика

гидротехнических сооружений, приведены краткие сведения о видах и

конструкциях гидротехнических сооружений. Рассмотрено

воздействие водного потока на гидротехнические сооружения,

взаимодействие гидросооружений с их основаниями и берегами,

прочность их и устойчивость. Проанализирован характер аварий

гидротехнических сооружений, приведены сценарии возможных

природных и техногенных аварий на ГЭС.

Восьмая глава посвящена рассмотрению опасностей связанных

с подъемными машинами. Даны общие сведения о грузоподъемных

машинах, рассмотрены виды подъемных механизмов, их основные

параметры, а также вопросы обеспечения безопасной эксплуатации

грузоподъемных машин.

Учебное пособие написано на основе опыта чтения лекций по

дисциплине «Опасные технологии и производства» для студентов

факультета Безопасности Санкт Петербургского государственного

политехнического университета.

9

Глава 1 ТЕХНОСФЕРА И ЕЕ ОПАСНОСТИ

Определение и структура техносферы. Типы опасностей.

Причины аварий и катастроф. Классификация чрезвычайных

ситуаций.

1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СТРУКТУРА ТЕХНОСФЕРЫ Биосфера – область существования и функционирования живой

материи. В биосфере можно выделить три элемента: люди, природа,

техносфера.

Техносфера – это часть биосферы, коренным образом

преобразованная человеком в инженерно-технические сооружения:

города, заводы и фабрики, карьеры и шахты, дороги, плотины,

водохранилища и т.п.

В структуру техносферы входят следующие потенциально

опасные объекты:

1. Ядерно-опасные и радиационно опасные объекты (атомные

электростанции, исследовательские реакторы, предприятия

топливного цикла, хранилища временного и долговременного

хранения ядерного топлива и РАО).

2. Химически и биологически опасные объекты

3. Объекты, содержащие взрывчатые вещества с энергией

возможного взрыва, эквивалентной 4,5 тонн тринитротолуола.

4. Объекты добычи, переработки, хранения и транспортировки

нефти и газа;

5. Гидротехнические сооружения 1 и 2 классов.

6. Тепловые электростанции мощностью свыше 600 МВт.

7. Морские порты, аэропорты с длиной основной взлетно-

посадочной полосы 1800м и более, мосты и тоннели длинной более

500м, метрополитены.

8. Предприятия по подземной и открытой (глубина разработки

свыше 150м) добыче и переработке (обогащению) твердых полезных

ископаемых.

1.2 ТИПЫ ОПАСНОСТЕЙ Техносфера порождает опасности техногенного и природно-

техногенного характера.

Под техногенными опасностями будем понимать опасности,

возникающие в ходе функционирования потенциально опасных

объектов.

Под природно-техногенными опасностями понимают опасные

природные процессы возникшие под воздействием техносферы

10

К техногенным опасностям отнесем:

1. Взрывные и пожарные опасности.

2. Радиационные опасности.

3. Химические опасности.

4. Гидротехнические опасности.

5. Транспортные опасности.

6. Опасности, связанные с коммунальным хозяйством. (Каждая

вторая авария в РФ происходит на сетях теплоснабжения, а каждая

пятая – на сетях водоснабжения и канализации).

К числу природно-техногенных опасностей относят:

1. Наведенную сейсмичность;

2. Опускание территорий;

3. Подтопление территорий;

4. Карстово-суффозионные провалы;

5. Техногенные геофизические поля (вибрационные, электрические,

тепловые).

Большого внимания заслуживает такой феномен, как

наведенная сейсмичность. К мощным факторам наведенной

сейсмичности относятся мегаполисы, крупные водохранилища шахты

и карьеры, закачка в глубокие горизонты земной коры, подземные

атомные взрывы. Каждый из факторов вызывает наведенную

сейсмичность по-своему. Один, увеличивая неоднородность

напряженного со стояния земной коры, создает дополнительную

нагрузку (мегаполис), другой — разгрузку (шахты, карьеры), но оба

тем самым способствуют проявлению сейсмических явлений.

Землетрясения могут возникнуть и из-за создания крупных

водохранилищ. Накопление огромных масс воды приводит, с одной

стороны, к дополнительной нагрузке на земную кору, достигающей 20

кг/см и выше, а с другой — к изменению гидростатического давления

в породах на территории выходящей далеко за контуры

водохранилища. Повышение гидростатического давления

способствует возникновению землетрясения.

Опускание урбанизированных территорий происходит из-за

дополнительной статической и динамической нагрузки от зданий,

сооружений и транспортных систем города на почву. Еще больший

эффект производит извлечение подземных вод. Впервые на это

обратили внимание японские специалисты зафиксировав опускание

территории Токио за период 70-х годов примерно на 4,5 м.

Катастрофических размеров достигло опускание поверхности

г.Мехико, начавшееся в конце прошлого столетия в связи с

интенсивным забором подземных вод. На отдельных участках города

в 1948…52г.г оно происходило со скоростью 30 см/год. К концу 70-х

годов вся территория города опустилась более чем на 4м, а его северо-

11

восточная часть — на 9м. В настоящее время этот процесс удалось

стабилизировать за счет сокращения объемов откачки воды и

поставки ее в город из других регионов.

Опускание поверхности земли происходит также при добыче

жидких и газообразных полезных ископаемых — нефти и газа.

Территория американского города Лонг-Бич по этой причине

опустилась к началу пятидесятых годов на 8,8м. В результате серьезно

пострадали промышленные предприятия, жилые здания,

транспортные пути, морской порт.

В РФ данная проблема является актуальной для Западной

Сибири, поскольку опущение этой территории даже на несколько

десятков сантиметров может существенно увеличить и без того ее

сильную заболоченность.

Суть подтопления территорий заключается в подъеме уровня

грунтовых вод к земной поверхности, что приводит к

переувлажнению грунтов, заболачиванию земель, затоплению

подвальных и технических помещений. Вследствие подтопления

повышается сейсмичность территории, идет снижение несущей

способности грунтов, а в итоге происходят преждевременные

деформации и выход из строя сооружений и подземных

коммуникаций, ухудшается экологическая обстановка.

Подтопление нередко вызывает активизацию оползней, просадки,

провалы и набухания грунтов, загрязнение грунтовых вод, усиливает

коррозионные процессы в подземных конструкциях, приводит к

деградации почв и угнетению растительных комплексов. На

территориях где подземные воды загрязнены нефтью и

нефтепродуктами их подъем к поверхности Земли может

способствовать созданию взрыва и пожароопасной обстановки.

Процесс подтопления освоенных территорий России охватывает

примерно 9 млн. га земель, в том числе 5 млн. га

сельскохозяйственных и 1 млн. га находящихся на границах городов.

Из насчитывающихся в государстве 1064 городов подтоплению

подвержены 792 (74,4%), из 2065 рабочих поселков 460 (22,3%), а

также 762 сельских населенных пунктов. От него страдают

практически все крупные города, в том числе Москва и Санкт-

Петербург.

Карстово-суффозионные провалы. На территориях где

залегают мощные пласты растворимых пород (солей гипса,

известняка, мела) широко развиты процессы локального их

растворения и образования карстовых пустот. (Карст – это процесс

растворение горных пород). В том случае, если карстовые полости

находятся на небольшой глубине (до 100 м), кровля перекрывающих

12

их пород может терять устойчивость и обрушаться с образованием на

поверхности Земли специфических карстовых воронок.

Интенсивная откачка подземных вод и нарушение

установившегося гидродинамического режима на территориях

пораженных древним карстом, могут вызвать развитие так

называемых карстово-суффозионных процессов. (Суффозия – это

процесс выноса мелких минеральных частиц и растворенных веществ

водой, фильтрующийся в толще горных пород). Они приводят к

образованию воронок опасных не только для зданий и сооружений, но

для людей. В некоторых районах указанные процессы идут

достаточно быстро. Так, например, за последние 25 лет в северо-

западной части Москвы возникло 42 карстово-суффозионных провала,

которые ранее на территории города не фиксировались. Эти провалы

имели диаметр от нескольких до 40 м, глубину от 1,5 до 5- 8 м. В

результате их образования пострадали три пятиэтажных дома,

жителей которых пришлось переселить. Здания же были разобраны.

Формирование техногенных геофизических полей. Хозяйственная деятельность городских и промышленных

агломераций вызывает образование на их территории еще одного

источника опасностей — техногенных физических полей:

вибрационных, электрических и тепловых.

Вибрационные поля возникают в основном от движения

транспорта. Вибрационные поля обуславливают динамическое

воздействие на грунты, вызывая снижение их несущей способности,

влияют на техническое состояние зданий и сооружений, отрицательно

сказываются на условиях жизни и работы людей.

Электрические поля блуждающих токов формируются за счет

утечек тока с электрифицированного рельсового транспорта,

заземленных промышленных установок, со станций катодной защиты.

Они повышают коррозионную активность грунтов по отношению к

находящимся в них подземным коммуникациям. Коррозия металлов

под воздействием таких полей ускоряет разрушение стальных

трубопроводов в 5-10 раз.

Тепловые поля территории городов образуются под влиянием

ряда факторов: нарушения естественного режима поглощения

солнечного тепла из-за повышенной задымленности атмосферы и

экранирования значительной площади различными объектами,

использования подземных вод в качестве охладителей в системах

кондиционирующих воздух, тепловыделения промышленных

предприятий; утечек нагретых вод из подземных коммуникаций и

непосредственного сброса их в открытые водоемы. В результате в

геологической среде урбанизированных территорий создаются зоны

тепловых аномалий с превышением температуры над фоном на 10 и

13

более градусов. Изменение теплового режима территории вызывает

агрессивность грунтов и грунтовых вод по отношению к подземным

сооружениям и коммуникациям, в ряде случаев создает

непредвиденные трудности при ведении строительных работ.

Понятие о синергетических процессах Катастрофы часто носят синергетический характер (синергетикус

означает согласованно-действующий). Суть заключается в том, что

одно катастрофическое явление вызывает цепочку других.

Синергетические процессы подчиняются «Принципу домино».

Например, землетрясение может стать причиной возникновения

цунами, оползней, селей, обвалов подтопления порождают просадки

лессов; нагонные ветры- затопления территорий. Еще большая

опасность создается, когда в синергетический процесс втягивается

техносфера. На урбанизированных территориях из-за высокой

концентрации промышленных объектов практически любое

стихийное бедствие способно вызвать серию техногенных катастроф

— пожары, взрывы, выбросы и разливы химических веществ.

Ликвидировать синергетическую катастрофу во много раз

труднее, чем природную или техногенную, поскольку действия,

направленные против какой-либо одной из них, оказываются

неадекватными при одновременном возникновении той и другой.

Подтверждением сказанному могут служить примеры землетрясений,

произошедших в Японии. Землетрясение в Набате (июнь 1964 г),

продолжавшееся всего 15 сек., нанесло огромный ущерб городу.

Многие здания рухнули. Почти трое суток бушевали массовые

пожары в порту, где размещались нефтеперерабатывающие

предприятия и хранилища нефти. Тушение их было затруднено,

поскольку дороги, мосты и подземные пути к порту были разрушены.

В результате огонь уничтожил не только объекты нефтехимии, но и

более 300 жилых домов.

1.3 ПРИЧИНЫ АВАРИЙ И КАТАСТРОФ К причинам аварий и катастроф в России (таблица 1.1) относятся:

1. Неизбежное увеличение объема производства, увеличение

объема перевозок и хранения взрывоопасных, пожароопасных,

токсичных химических и радиоактивных веществ (увеличение объема

производства).

2. Введением в производство новых технологий, требующих

высокой концентрации энергии, опасных для жизни человека веществ

и оказывающих ощутимое воз действие на компоненты ОПС

(введение технологий с высокой концентрацией энергии).

14

3. Высокая концентрация населения вблизи ПОО экономики,

связанной с общей урбанизацией образа жизни .Так в РФ численность

городского населения составляет 75% численности страны, при этом

только 15% горожан проживают на территории с уровнем загрязнения

атмосферы, отвечающим гигиеническим нормам (высокая

концентрация населения вблизи ПОО).

Факторы повышения техногенной опасности в России

К факторам повышения техногенной опасности в России

относятся:

1. Стремление иностранных фирм и государств к

инвестированию, в первую очередь, создания и развития вредных

производств на территории РФ (иностранные инвестирования

вредных производств).

2. Высокий прогрессирующий уровень износа основных

производственных фондов (старение основных фондов).

3. Снижение производственной и технологической дисциплины, а

также квалификации технического персонала (снижение дисциплины

и квалификации).

4. Накопление отходов производства, представляющих угрозу

окружающей среде. В РФ ежегодно образуется около 75 млн. т

отходов, из них утилизируются лишь 50 млн. т (накопление отходов

производства).

5. Возрастание вероятности терроризма на объектах техносферы

(терроризм)

Таблица 1.1 - Причины аварий и катастроф

Причины аварий и

катастроф

Факторы повышения техногенной

опасности в России

1. Увеличение объема

производства, перевозок и

хранения опасных

веществ.

2. Введение в

производство новых

технологий.

3. Высокая концентрация

населения вблизи опасных

объектов.

1. Ввоз в Россию вредных производств.

2. Старение основных фондов.

3. Снижение дисциплины и

квалификации персонала.

4. Накопление отходов производства.

5. Возрастание вероятности терроризма

на объектах техносферы.

15

1.4 КЛАССИФИКАЦИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ Для установления единого подхода к оценке ЧС и адекватного

реагирования на них ЧС классифицируются по нескольким

признакам. В первую очередь всю совокупность ЧС можно разделить

на конфликтные и бесконфликтные. Мы будем рассматривать только

бесконфликтные ЧС и только невоенного времени. Они могут быть

классифицированы по многим признакам. Остановимся на двух–

наиболее часто используемых классификациях.

Первая – базовая классификация ЧС, практически используемая

в Российской системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных

ситуаций, построена по типам и видам чрезвычайных событий,

инициирующих ЧС (рис.1.2).

Таблица 1.2 - Классификация ЧС по типам и видам чрезвычайных

событий

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ

▼ ▼ ▼

ЧС техногенного

характера

ЧС природного

характера

ЧС экологического

характера

- пожары, взрывы

- обрушение зданий

- гидродинамические

явления

- аварии:

-транспортные

-с выбросом ХОВ

-с выбросом РВ

-с выбросом БОВ

-на КЭС

-на очистных

сооружениях

-на

электроэнергетических

системах

- опасные явления:

-геофизические

-геологические

-метеорологические

-морские

гидрологические

-гидрологические

-гидрогеологические

- природные пожары

- инфекционные

заболевания людей

- инфекционные за

болевания с/х

животных

- поражение с/х

растений болезнями и

вредителями

- изменение

состояния суши

(почвы, недр,

ландшафта)

- изменение состава

и свойств

атмосферы

(воздушной среды)

- изменение

состояния

гидросферы

(водной среды)

- изменение

состояния

биосферы

Вторая классификация ЧС построена по масштабам

распространения чрезвычайных событий и тяжести последствий

(табл.2) является важной для структур управления народным

хозяйством. Эта классификация введена постановлением

Правительства Российской Федерации «О классификации

чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» от 13

сентября 1996 г. № 1094.

16

Таблица 1.3 - Классификация ЧС по масштабам распространения и тяжести последствий

Вид ЧС Показатели, характеризующие ЧС Выделение сил и

средств для

ликвидации ЧС Численность

пострадавших

Кол-во человек

с нарушенными

условиями

жизне-

деятельности

Размер

материального

ущерба, тыс

мрот*

на день возник-

новения ЧС

Размер зоны

ЧС

Л И Б О

Локальная Не более 10 Не более 100 Не более 1 Объект

производствен-

ного или

социального

назначения

Объект

Местная 10 - 50 100 – 300 1 – 5 Населенный пункт,

город, район

Органы

местного

самоуправления

Территориальная 50 - 500 300 – 500 5 - 500 Субъект РФ Субъект РФ

Региональная 50 - 500 500 – 1000 500 - 5000 2 субъекта РФ Субъект РФ

Федеральная Свыше 500 Свыше 1000 Свыше 5000 Более 2-х

субъектов РФ

Субъект РФ

Трансграничная ЧС, поражающие факторы которой выходят за пределы РФ, либо ЧС,

которая произошла за рубежом, но затрагивает территорию РФ

Правительство

РФ

Примечания: *мрот – минимальный размер оплаты труда

17

Глава 2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ОПАСНОСТЕЙ

Структура понятийного ряда в области техногенных опасностей.

Понятия, связанные с опасностью. Понятия опасных событий.

Понятия, связанные с поражением. Понятия риска. Понятия

опасных технологий и производств. Понятия, связанные с

безопасностью.

2.1 СТРУКТУРА ПОНЯТИЙНОГО РЯДА В ОБЛАСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ОПАСНОСТЕЙ

Основой любой конкретной деятельности является некоторое

связанное множество понятий – понятийный ряд. Этот ряд позволяет

строить образы, модели объектов и исследовать их свойства и

поведение, обмениваться информацией, воспринимаемой однозначно.

Для того чтобы построить понятийный ряд необходимо выбрать

исходное понятие, то есть такое, которое можно не определять.

Выберем в качестве исходного понятия понятие «вред», а

опасность определим как свойство объекта, выраженное в его

способности причинять вред себе и другим объектам. Опасности

реализуются в ходе некоторых событий, назовем их «опасные

события». При реализации опасного события причиняется вред.

Результат причинения вреда назовем «поражением».

Нереализованную (потенциальную) опасность будем характеризовать

таким понятием как «риск», понимая под риском вероятность

реализации опасного события или поражения. Технологии и

производства, для которых величина риска выше приемлемого

назовем «опасными технологиями и производствами».

Свойство объекта противостоять опасности назовем

«безопасностью». Комплекс мероприятий по обеспечению требуемого

уровня безопасности назовем «обеспечением безопасности». Анализ

состояния опасного производственного объекта называют «анализ

безопасности». Введем в ряд еще два понятия «требования

промышленной безопасности», «декларация промышленной

безопасности опасного производственного объекта».

Из приведенных суждений можно сделать следующее

умозаключение: В структуру понятийного ряда, применяемого в

области техногенных опасностей, следует включить шесть групп

понятий:

18

1 Понятия, связанные с опасностью.

2. Понятия опасных событий.

3. Понятия, связанные с поражением.

4. Понятия риска.

5. Понятия опасных технологий и производств

6. Понятия связанные с безопасностью.

ВРЕД

►

1.

ОПАСНОСТЬ

Свойство объекта

выраженное в его

способности

причинять вред себе и

другим объектам

▼

2.

ОПАСНЫЕ

СОБЫТИЯ

События при

реализации,

которых

причиняется вред

▼

3.

ПОРАЖЕНИЕ

Результат

причинения

вреда

▼

-Источник опасности

-Потенциально опасный

источник

-Постоянно

действующий источник

опасности

-Опасные вещества

-Опасные воздействия

-Инцидент

-Авария

-Катастрофа

-Чрезвычайная

ситуация

-Поражающий

фактор

-Поражающий

параметр

-Критерий

поражения

-Объект поражения

-Процесс

поражения

-Зона поражения

►

4.

РИСК

Вероятность

реализации опасного

события или

поражения

▼

5.

ОТП

ТиП для которых

величина риска

выше

приемлемого

▼

6.

БЕЗОПАСНОСТЬ

Свойство объекта

противостоять

опасности

▼

-Технический риск

-Индивидуальный риск

-Коллективный риск

-Потенциальный

территор. риск

-Социальный риск

-Приемлемый риск

-Технология

-Производство

-Установка

-ОТ, ОП

-Категории

опасных

производственных

объектов

-Безопасность

-Обеспеч.

безопасности

-Анализ

безопасности

-Декларация

безопасности

-Требования

безопасности

Рисунок 2.1 – Структура понятийного ряда в области техногенных

опасностей

19

2.2 ПОНЯТИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ОПАСНОСТЬЮ Опасность – свойство объекта, выраженное в его способности

причинять вред себе и другим объектам.

Источники опасности (ИО) — это объекты и процессы

способные причинить вред (Объекты и процессы способные создавать

угрозы и оказывать негативные (поражающие) воздействия на

человека и окружающую среду).

(потенциально опасные источники, элементы, объекты,

территории)

Опасные вещества – это вещества, способные причинить вред.

Опасные вещества можно разделить на 4 группы:

— взрывопожароопасные вещества;

— опасные химические вещества;

— опасные биологические вещества;

— радиоактивные вещества.

Опасные воздействия - это энергетические воздействия,

причиняющие вред (поле давления, световое, электрическое,

акустическое, информационное и другие поля).

Таблица 2. 1 - Определения основных видов опасных веществ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫЕ ВЕЩЕСТВА

▼ ▼ ▼ ▼

Воспламеняющиеся

вещества

Окисляющие

вещества

Горючие

вещества

Взрывчатые

вещества

Газы, которые при

нормальном

давлении и в смеси с

воздухом становятся

воспламеняющимися

и температура

кипения которых

при нормальном

давлении составляет

20 градусов Цельсия

или ниже.

Вещества,

поддерживающие

горение,

вызывающие

воспламенение или

способствующие

воспламенению

других веществ в

результате

окислительно-

восстановительной

экзотермической

реакции;

Жидкости, газы,

пыли, способные

самовозгораться,

а также

возгораться от

источника

зажигания и

самостоятельно

гореть после его

удаления.

Вещества,

которые при

определенных

видах внешнего

воздействия

способны на

очень быстрое

самораспростра-

няющееся

химическое

превращение с

выделением

тепла и

образованием

газов;

20

Таблица 2. 1 (продолжение) ОПАСНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Характеристики Токсичные вещества Высокотоксичные вещества

вещества, способные

при воздействии на

живые организмы

приводить к их гибели и

имеющие следующие

характеристики

вещества, способные при

воздействии на живые

организмы приводить к их

гибели и имеющие следующие

характеристики

средняя

смертельная доза

при введении в

желудок LDP50

(перрорально)

от 15 до 200

миллиграммов на

килограмм

не более 15 миллиграммов на

килограмм

средняя

смертельная доза

при нанесении на

кожу LDR50

(резорбтивно)

от 50 до 400

миллиграммов на

килограмм

не более 50 миллиграммов на

килограмм;

средняя смертельная

концентрация в

воздухе LC50

от 0,5 до 2

миллиграммов на литр

не более 0,5 миллиграмма на

литр;

Вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды -

вещества, характеризующиеся в водной среде следующими показателями острой

токсичности:

средняя смертельная доза при

ингаляционном воздействии на рыбу в

течение 96 часов LD50-

не более 10 миллиграммов на литр;

средняя концентрация яда, вызывающая

определенный эффект при воздействии

на дафнии в течение 48 часов LC50

не более 10 миллиграммов на литр

средняя ингибирующая концентрация

при воздействии на водоросли в

течение 72 часов IC50

не более 10 миллиграммов на литр.

Ингибирование – замедление, угнетение

2.3 ПОНЯТИЯ ОПАСНЫХ СОБЫТИЙ

Инцидент - отказ или повреждение технических устройств,

применяемых на опасном производственном объекте, отклонение от

режима технологического процесса, нарушение положений

федеральных законов и иных нормативных правовых актов

Российской Федерации, а также нормативных технических

документов, устанавливающих правила ведения работ на опасном

производственном объекте (ФЗ о ПБ).

21

Аварии Авария - разрушение сооружений или технических устройств,

применяемых на опасном производственном объекте,

неконтролируемые взрыв или выброс опасных веществ.

Сценарий аварии — последовательность отдельных логически

связанных событий, обусловленных конкретным инициирующим

событием, приводящим к аварии с опасными последствиями.

Аварии, чаще всего, проходят в своем развитии пять характерных

фаз:

- первая – накопление отклонений от нормального процесса

функционирования;

- вторая – инициирование аварии;

- третья – развитие аварии, во время которой оказывается

воздействие на людей, окружающую среду и объекты экономики;

- четвертая – проведение аварийно-спасательных и других

неотложных работ, локализация аварии;

- пятая – ликвидация последствий аварии.

Инцидент АВАРИЯ Катастрофа Чрезвычайная

ситуация

▼

▼ ▼ ▼ ▼

Крупная авария Проектная

авария

Запроектная

(гипотетическая) авария

Рисунок 2.2 – Виды опасных событий

Катастрофы и чрезвычайные ситуации Катастрофа - крупная авария, внезапное бедствие,

сопровождающееся гибелью людей, материальных и природных

ценностей, образованием очага поражения. (К катастрофам относятся:

стихийные бедствия, военные конфликты, эпидемии, крупные аварии,

при которых возникают гибельные ситуации для людей).

Чрезвычайная ситуация - это обстановка на определенной

территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного

явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут

повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью

людей или окружающей природной среде, значительные

материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности

людей.

22

2.4 ПОНЯТИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ПОРАЖЕНИЕМ Под поражением будем понимать результат причинения вреда.

Силу, причиняющую вред, назовем поражающим фактором.

То есть это сила (форма движения материи), с помощью которой

поражающие эффекты (энергия, вещество, информация) передаются

от источника опасности к объекту поражения. Примеры: ударная

волна, электромагнитное излучение, скоростной напор, радиоактивное

загрязнение.

Поражающий параметр (ПП) – это количественная

характеристика поражающего фактора. (это параметр,

определяющий степень воздействия поражающего фактора на

объекты). Примеры: избыточное давление, скорость, интенсивность

излучения, плотность потока, доза облучения, энергия и масса

рабочего тела и другие.

Критерий поражения (КП) – это численное значение

поражающего параметра соответствующее определенной степени

поражения (разрушения: полные, сильные, средние, слабые;

поражения: смертельные, временно-выводящие, пороговые)

Поле поражающего параметра область пространства вокруг

источника опасности, в каждой точке которого можно указать

значение поражающего параметра.

Объект поражения – объект, на который воздействуют

поражающие факторы.

Процесс поражения (поражающее действие) – это процесс

причинения вреда (то есть это процесс взаимодействия поражающего

фактора с объектом, в результате которого возникает поражение этого

объекта).

Зона поражения (зона поражающих воздействий) – это

пространство, в пределах которого значения поражающих параметров

выше допустимых (или других установленных) уровней воздействия.

Зона чрезвычайной ситуации – это территория, на которой

сложилась ЧС.

23

Таблица 2.2 - Понятия, связанные с поражением

Под поражением будем понимать результат причинения вреда.

Поражающий

фактор

Поражающий

параметр

Критерий

поражения

Процесс

поражения

Сила,

причиняющая

вред

Количественная

характеристика

поражающего

фактора

численное

значение

поражающего

параметра

соответствующее

определенной

степени

поражения

Процесс

причинения

вреда.

Поле поражаю-

щего параметра

Зона

поражения

Область

пространства

вокруг ИО, в

каждой точке

которого можно

указать значение

поражающего

параметра.

Пространство,

в пределах

которого

поражающие

параметры

превышают

допустимые

значения.

ПОРАЖЕНИЕ

▼ ▼

ОБЪЕКТЫ (ущерб) ЧЕЛОВЕК (потери)

Разрушение Гибель (L)

Уничтожение Временная потеря дееспособности(I)

Загрязнение Пороговые поражения (Р)

Затопление Хронические поражения (заболевания)

Рисунок 2.3 – Графика процесса поражения

Источник

опасности (субъект)

ОЭ ,ОО, ОТ

Рис. 4.6-

Форма

горения

высокоско

ростной

струи

Объект

поражения

Поле поражающих параметров

Поражающий фактор

Поражающее

действие

24

2.5 ПОНЯТИЯ РИСКА Степень опасности негативного явления определяется

интенсивностью воздействия поражающих факторов. Но так как мера

поражения является случайной величиной, то ее нельзя

характеризовать только значением критерия поражения, требуется

еще знать вероятность поражения при данном критерии. Поэтому

требуется использовать специальную характеристику для меры

опасности.

В настоящее время общепринятой мерой опасности является

риск. Под термином «риск» в общем случае понимают

многокомпонентную величину, включающую показатели ущерба и

вероятность возникновения рассматриваемого негативного фактора.

РИСК - Мера опасности, характеризующая вероятность

возникновения возможных аварий и тяжесть их последствий.

Есть еще такое определение Риск (или степень риска) – это

сочетание частоты (или вероятности) и последствий

определенного опасного события.

Понятие риска всегда включает два элемента: частоту, с которой

осуществляется опасное событие, и последствия этого события.

ПРИЕМЛЕМЫЙ РИСК

Риск, уровень которого допустим и обоснован, исходя из

экономических и социальных соображений.

Риск поражения объекта — частота сложного опасного

события, определяемая как произведение риска возникновения

опасного события на субъекте на условную вероятность заданного

вида и степени поражения объекта опасности.

Риск возникновения опасного события на объекте — частота

реализации на нем опасного события.

Количественные показатели риска Технический риск – вероятность отказа технических устройств с

последствиями определенного уровня за определенный период

функционирования ОПО.

Потенциальный территориальный риск – пространственное

распределение частоты реализации негативного воздействия

определенного уровня;

Индивидуальный риск — частота поражения отдельного

индивидуума в результате воздействия исследуемых факторов опасности;

То есть индивидуальный риск - это риск поражения человека.

Коллективный риск — ожидаемое количество пораженных в

результате возможных аварий за определенный период времени.

25

В РД 08-120-96 есть такое определение: коллективный риск – это

ожидаемое количество смертельно травмированных в результате

возможных аварий за определенный период времени.

Таблица 2.3 - Показатели риска

1. Технический

риск Ra, Rсц

вероятность отказа технических устройств с

последствиями определенного уровня за

определенный период функционирования ОПО.

2. Потенциальный

территориальный

риск

частота реализации поражающих факторов

аварии в рассматриваемой точке территории.

(Rпот)

3.

Индивидуальный

риск

частота поражения отдельного человека в

результате воздействия исследуемых факторов

опасности аварий. Rинд = Рнахожд× Rпот

4. Коллективный

риск

ожидаемое количество пораженных в результате

возможных аварий за определенный период

времени.

5. Социальный

риск

зависимость частоты возникновения событий, в которых

пострадало на определенном уровне не менее N человек,

от этого числа N.(вероятность того что пострадало не

менее N человек)

6. Ожидаемый

ущерб

математическое ожидание величины ущерба от

возможной аварии, за определенный период

времени. Rущерб = М(у)

Социальный риск — зависимость частоты возникновения

событий (F), в которых пострадало на определенном уровне не менее

N человек, от этого числа N. В РД 08-120-96 дается такое

определение: социальный риск – это зависимость частоты событий F,

в которых пострадало на том или ином уровне число людей, больше

определенного N, от этого определенного числа людей. То есть

социальный риск есть риск получения поражения количеством людей,

не менее заданного.

26

Таблица 2.4 - Поражающие факторы

ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ Механические Термические Радиационные Химические Психогенные

- взрывная

волна;

- метательное

воздействие;

- осколки;

-

придавливание

разрушенными

конструкциями

зданий и

другими

тяжелыми

предметами.

- высокая или

низкая

температура;

- лучистая

энергия.

- проникающая

радиация;

-

радиоактивное

загрязнение.

-химические

отравления;

-

химическое

загрязнение

страх за свое

здоровье и

жизнь, за

родных и

близких

людей)

2.6 ПОНЯТИЯ ОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОИЗВОДСТВ

Таблица 2.5 - Понятия опасных технологий и производств

Технология Опасная

технология

Производственный

объект

Опасный

произв.

объект(ОПО)

Способ

производства или

переработки

продукции в

совокупности с

приборно-

аппаратным

оформлением.

Технология,

при

реализации

которой

возможно

возникновен

ие

опасностей.

Совокупность

технологических

установок для

выпуска

определенных

продуктов или

продукции,

размещаемых на

определенной

площадке

Производственн

ые объекты,

которые в

определенных

условиях могут

стать

источником

опасностей.

В соответствии с «Законом о промышленной безопасности

опасных производственных объектов» к категории опасных

производственных объектов относятся объекты 5 категорий.

27

Таблица 2.6 - Категории опасных производств

ОБЪЕКТЫ

1

категории

2

категории

3

категории

4

категории

5

категории

Объекты,

на

которых

имеются

опасные

вещества.

Объекты, на

которых

используется

оборудование,

работающее

под

давлением

более 0,07

МПа

или при

температуре

нагрева воды

более 115 0 С.

Объекты, на

которых

используются

стационарно

установленные

грузоподъемные

механизмы,

эскалаторы,

канатные

дороги,

фуникулеры.

Объекты,

на которых

получаются

расплавы

черных и

цветных

металлов и

сплавы на

основе этих

расплавов.

Объекты, на

которых

ведутся

горные

работы,

работы по

обогащению

полезных

ископаемых,

а также

работы в

подземных

условиях.

2.7. ПОНЯТИЯ, СВЯЗАННЫЕ С БЕЗОПАСНОСТЬЮ

Промышленная безопасность опасных производственных

объектов - состояние защищенности жизненно важных интересов

личности и общества от аварий на опасных производственных

объектах и последствий указанных аварий.

Обеспечение промышленной безопасности (или управление

риском) – системный подход к принятию политических решений,

процедур и практических мер в решении задач предупреждения или

уменьшения опасности промышленных аварий для жизни человека,

заболеваний или травм, ущерба имуществу и окружающей среде.

Требования промышленной безопасности — условия, запреты,

ограничения и другие обязательные требования, содержащиеся в

федеральных законах и иных нормативных правовых актах

Российской Федерации, а также в нормативных технических

документах, которые принимаются в установленном порядке и

соблюдение которых обеспечивает промышленную безопасность.

Рассматривая безопасность как меру защищенности человека и

окружающей среды от опасностей, можно поставить вопрос о

единицах ее измерения. Защищенность определенным образом влияет

на качество жизни человека. Для человека обобщенным показателем

качества жизни является ее продолжительность. Тогда средняя

ожидаемая продолжительность жизни может быть количественным

показателем уровня безопасности.

28

Оценивание защищенности природной среды оказывается более

сложным процессом, так как экосистемы в широких пределах

изменяют свои параметры в ответ на внешние воздействия, не

утрачивая способности к устойчивому существованию. В некоторых

странах защищенность природной среды определяется близостью

экологических нагрузок к пропускной способности экологического

пространства.

Учитывая большие неопределенности таких показателей, в

настоящее время защищенность человека и окружающей среды от

опасностей оценивается не по показателям качества жизни, а по неким

предельным величинам (предельно допустимые концентрации – ПДК,

предельно допустимые выбросы – ПДВ и т.п.), которые

характеризуют надежность и эффективность технических систем

безопасности.

В соответствии с этим различают безопасность:

- по видам (промышленная, радиационная, химическая,

пожарная, биологическая, сейсмическая, экологическая);

- по объектам (население, объект экономики, окружающая

природная среда);

- по основным источникам (опасные природные явления, аварии

и техногенные катастрофы).

Несмотря на недостатки такого ―технократического‖ подхода к

оценке защищенности человека, он в настоящее время является

единственно приемлемым по многим причинам. Во-первых,

определение такого интегрального показателя качества жизни, как ее

продолжительность, требует длительного наблюдения и сама она

подвержена влиянию многих не зависящих от человека факторов

(например, солнечной активности и других явлений космического

масштаба), во-вторых, очень сложно и неоднозначно распределение

ответственности в снижении интегральных показателей между

отдельными негативными факторами, в-третьих, могут оказаться

несовместимыми интересы и действия разных стран при обеспечении

защищенности своих народов и т.д.

29

Глава 3. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТА,

ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ И ПАРАМЕТРЫ

Оценка опасности объекта. Краткая характеристика

поражающих факторов и поражающих параметров. Общий

подход к определению вероятности поражения. Общие подходы

к анализу риска.

3.1 ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТА Рассмотрим какой-либо отвлеченный объект и постараемся

определить степень его опасности. То есть, с какой вероятностью он

может стать источником опасности (создать поражающие факторы) и

какой при этом может быть ущерб.

Рисунок 3.1 - Схема оценки опасности объекта

Для начала выделим на объекте опасные элементы: то есть

устройства, содержащие опасные вещества и устройства, создающие

экстремальные физические условия (устройства, создающие опасные

воздействия). Устройства, содержащие опасные вещества

характеризуются типом вещества и его количеством. По типу их можно

разделить на взрывопожароопасные вещества, вредные химические

вещества, радиоактивные вещества. По объему хранящихся веществ

объекты можно разделить на объекты требующие лицензирования и

объекты, не требующие лицензирования. К экстремальные физическим

условиям(опасным воздействиям) относят: высокие и низкие

взрыв, пожар, выброс оп.в-в)

(соц, мат, экол) Для кажд. сценария

Для кажд. сценария

Для каждого

сценария

Устройста:

-содержащие

.опас. в-ва;

-создающие

.опас. воздей.

-Неисправности

оборудования;

-Спонтанные

реакции;

-Ошибки чел;

-тказ системы

админист. упр;

-Внеш. события

30

температуры; высокие давления и вакуум; циклические изменения

давления; циклические изменения температуры; гидравлические удары.

Далее определим, какие события могут привести к

возникновению поражающих факторов. Обычно эти события

объединяют в несколько групп:

- отклонения технологических параметров; возникновение

спонтанных реакций;

- разгерметизация устройств; неисправности оборудования и

систем обеспечения;

- ошибки человека;

- отказ системы административного управления;

- внешние события.

Считается, что человеческими ошибками обусловлены 45 %

экстремальных ситуаций на АЭС, 60 % - при авиакатастрофах, 80 % -

при катастрофах на море.

После этого, проанализируем каков возможный исход аварии.

Исходами могут быть: выбросы опасных веществ, пожары и взрывы,

гидродинамические удары.

Затем определим вероятность реализации каждого из исходов и

причиняемый при этом ущерб. Ущерб обычно делят на социальный,

материальный и экологический. Потом рассчитывают риск.

3.2 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ И ПОРАЖАЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ

Основными техногенными опасностями являются взрывы,

пожары, выбросы опасных химических и радиоактивных веществ,

прорыв гидротехнических сооружений.

Взрывная опасность

Взрываться могут конденсированные взрывчатые вещества (ВВ),

газы, пары и аэрозоли. Взрывы характеризуются барическими

эффектами, то есть возникновением областей экстремальных

давлений. При взрывах возникают два основных поражающих

фактора: воздушная ударная волна и разлет осколков.

Воздушная ударная волна

Воздушная ударная волна характеризуется тремя поражающими

параметрами:

- избыточным давлением во фронте ударной волны, ΔРф, кПа;

- длительностью фазы сжатия, η+, сек;

- импульс фазы сжатия, (I+) кПа×сек.

31

Основным поражающим параметром является избыточное

давление во фронте ударной волны. Избыточное давление во фронте

ударной волны определяется по формуле Садовского:

ΔРф = а1×R

G3

+ а2×

23

R

G+ а3

33

R

G G, кг; R, м (3.1)

R

GП

3

; (3.2)

ΔРф = а×П+ b×П2+ сП

3. (3.3)

Таблица 3.1 - Техногенные опасности и их поражающие факторы

ПОРАЖЕНИЕ

▼ ▼ ▼ ▼

Поражающий

эффект

Поражающий

фактор

Поражающий

параметр

Критерий

поражения

Опасность Поражающий фактор

Взрывная Воздушная ударная волна

Разлет осколков

Пожарная Тепловое излучение пламени

Экстремальный нагрев воздуха

Изменение состава воздуха

Токсическая

(выбросы ОХВ)

Токсические нагрузки

(отравление)

Химическое загрязнение сред и

поверхностей

Радиационная

(выбросы РВ)

Проникающая радиация

Радиоактивное загрязнение сред

и поверхностей

Гидродинамическая Волна прорыва

Краткая характеристика степеней разрушений зданий. Зона слабых разрушений (ΔРф = 2010 кПа).

Зона средних разрушений (ΔРф = 3020 кПа);

Зона сильных разрушений (ΔРф = 5030 кПа);

Зона полных разрушений, соответствует давлениям ΔРф > 50 кПа;

Слабое разрушение. Повреждение или разрушение оконных и

дверных проемов, легких перегородок. Частичное разрушение или

повреждение крыши. Возможны трещины в стенах верхних этажей.

Эти разрушения могут быть устранены в порядке ремонта различной

сложности и объема. Ущерб составляет 10-15% от стоимости здания.

Среднее разрушение. Разрушение крыш, окон, дверей,

встроенных перегородок, трещины в стенах, частичное обрушение

32

чердачных перекрытий и стен верхних этажей. После расчистки и

ремонта можно использовать помещения нижних этажей. Полное

восстановление возможно при капитальном ремонте здания. Ущерб

составляет 30-40% от стоимости здания.

Сильное разрушение. Разрушение несущих конструкций и

перекрытий верхних этажей, деформация перекрытий нижних этажей.

Ремонт и восстановление затруднительны. Ущерб достигает 50-70%

от стоимости здания, сооружения.

Полное разрушение. Разрушение или обрушение всех или

большей части стен, сильная деформация или обрушение перекрытий.

Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг

него. Ущерб составляет ~ 100% от стоимости здания, сооружения.

Поражения людей Поражение незащищенных людей может быть непосредственным

и косвенным.

К непосредственному поражению относят травмы, получаемые в

результате воздействия избыточного давления и скоростного напора

воздуха. Избыточное давление приводит к мгновенному ударному

обжатию, которое длится в течение времени η+, постепенно ослабевая.

Поток воздуха, движущийся за фронтом ударной волны, создает

давление скоростного напора, которое может перемещать тело в

пространстве, приводя к столкновению с преградами и падению.

Косвенные поражения люди могут получить в результате ударов

осколками и обломками зданий, оборудования, обломками деревьев,

камнями, осколками разбитых стекол. При этом поражения осколками

стеком могут наблюдаться до расстояний, соответствующих

избыточным давлениям ΔРф = 2…5 кПа (4 кПа) и считающихся

безопасными по воздействию ударной волны.

Избыточное давление ΔРф < 10 кПа считается безопасным для

людей вне сооружений.

Зона безопасности для открыто расположенных людей определяется величиной избыточного давления ΔРФ = 10 кПа (0,1

атм).

Различают легкие, средние, тяжелые и смертельные поражения.

Легкие травмы (поражения) имеют место при давлениях ΔРф =

20…40 кПа. Наблюдаются ушибы, вывихи, временные

функциональные расстройства, понижение слуха, расстройства речи,

головная. Выздоровление в течение 7…15 суток.

Травмы средней тяжести возникают при давлениях ΔРф =40…60

кПа. Характеризуются контузией, сотрясением головного мозга.

Имеют место повреждения органов слуха, кровотечений изо рта, носа,

33

ушей, повреждения опорно-двигательного аппарата, разрывы связок,

сухожилий, переломы мелких и некоторых крупных костей. Лечение

до 2-х месяцев.

Тяжелые травмы наблюдаются при давлениях ΔРф = 10060 кПа.

К ним относятся: общая контузия, потеря сознания, повреждения

внутренних органов и внутренние кровоизлияния, сильные

кровоизлияния из носа, рта, ушей, переломы костей. Лечение свыше 3-

х месяцев.

Смертельные поражения имеют место при давлениях ΔРф > 100 кПа.

Разлет осколков

Осколочные поля создаются летящими осколками

технологического оборудования. Разлет осколков характеризуется

такими параметрами как:

- масса осколка, mос, кг;

- скорость разлета осколка, Vос, м/с.

Пожарная опасность К техногенным пожарам относят пожары разлития, огневые

шары, струевые пламена. Пожары характеризуются термическими

эффектами (термической радиацией), то есть возникновением

областей высоких температур. При пожарах возникают три основных

поражающих фактора:

— тепловое излучение пламени (степени ожогов 1, 2, 3А

поверхностные ожоги; 3Б, 4 – глубокие ожоги);

— экстремальный нагрев воздуха (среды);

— изменение состава воздуха (действие ядовитых веществ

выделяющихся при взрывах и пожарах, а также недостаток

кислорода).

То есть опасными факторами пожара являются: пламя,

высокая температура среды и дым.

Тепловое излучение можно охарактеризовать двумя

поражающими параметрами:

- интенсивностью теплового излучения (плотностью теплового

потока), J≡q, Вт/м2;

- световым импульсом, U, Дж/м2.

Количество теплоты Q – это энергия источника теплового

излучения, Дж; ккал.

Тепловой поток W – это количество теплоты, излучаемое через

изотермическую поверхность в единицу времени, Дж/с; Вт; ккал/час.

1ккал/ч=1,163 Вт. W=Q/τ [кВт].

34

Плотность теплового потока q (интенсивность теплового

излучения) – это тепловой поток, отнесенный к единице

изотермической поверхности, Вт/м2.(I≡q).

q ≡ I = W/S=Q/(η×S), [кВт/м2]. (3.4)

По плотности определяется мощность:

Световой импульс U – это произведение интенсивности

излучения на время существования светящейся области, Дж/м2.

U=q×τc= (Q×τc)/(S× τc) =Q/S [Дж/м2].

τc – время действия источника теплового излучения (время

свечения).

Радиус зоны теплового воздействия на людей определяется

радиусом зоны с интенсивностью излучения I = 4,2 кВт/м2. При

действии излучения такой интенсивности на открытые участки тела

люди испытывают болевые ощущения.

Наиболее корректным представляется решение задачи о

поражающем действии тепловой радиации на человека с

использованием критериев интегральной величины количества тепла

полученного телом человека за время облучения. В этом случае

интегральный показатель Q(t,R) рассчитывается как произведение

плотности теплового потока (q) на конкретное время облучения. То

есть рассчитывается удельная (приведенная к 1 м2) тепловая энергия,

полученная телом человека за время облучения (это световой импульс

U): U=Q(t,R)=q(R)×t=q×τc.

Q(t,R) – тепловая энергия приходящаяся на единицу площади

тела человека, кДж/м2.

q(R) – плотность падающего теплового потока на расстоянии R

от центра пожара, кВт/м2.

t – время облучения человека, сек.

При ЯВ световой импульс вызывает ожоги: 1 степень – 2…4

кал/см2; 2 степень – 4…10 кал/см

2; 3 степень – 10…15 кал/см

2.

Экстремальный нагрев воздуха характеризуется таким

поражающим параметром как температура воздуха, tв, оС.

Изменение состава воздуха характеризуется несколькими

параметрами, это:

- концентрация продуктов горения в воздухе (окись углерода,

двуокись углерода)

- концентрация кислорода в воздухе;

- показатель ослабления света дымом.

Риск поражения населения от пожаров не должен быть выше 10-6

год-1

,

т.е. Рвн ≤ 10-6

год-1

. (в - воздействие; н – нормированный риск).

35

Таблица 3.2 - Интегральные критерии поражения человека тепловым

облучением

Степень

ожога

U≡Q,

кДж/м2

Характер поражения Последствия

Первая 100…200 Покраснение и

припухлости кожи.

Ожоги быстро заживают.

Работоспособность

не теряется.

Вторая 200…400 Образование пузырей

наполненных жидкостью.

Требуют лечения.

Потеря

работоспособности.

Санитарные

потери.

Третья 400…600 Полное разрушение

кожного покрова,

образование язв.

Требуется

госпитализация.

Длительная потеря

работоспособности.

Санитарные

потери.

Четвертая Более

600

Омертвление кожной

клетчатки, мышц и

костей, обугливание.

Обязательная

госпитализация.

Возможен

летальный исход.

Безвозвратные

потери.

Предельное значение опасных факторов пожара, при которых

еще не происходит поражения:

1) Тепловое излучение – 500 Вт/м2 (Интенсивность теплового

излучения I ≤ 500 Вт/м2).

2) Температура газа – 70 0С (tcp ≤ 70

0С).

3) Концентрации: Углекислого газа 0,01…6%; Окиси углерода-

менее 0,1%; Кислорода-17...24 % (15…30 %).

4) Показатель ослабления света дымом на единицу длины – 2,38.

nд = 2,38.

Токсическая опасность

Выбросы опасных химических веществ создают такие

поражающие факторы как:

— токсические нагрузки (отравление);

— химическое загрязнение сред и поверхностей.

Токсические нагрузки характеризуются таким параметром как:

- концентрация опасного химического вещества в воздухе, С, мг/л;

- доза опасного химического вещества D, мг/кг;

Химическое загрязнение сред и поверхностей характеризуются

двумя параметрами:

36

- концентрация опасного химического вещества в среде, С, мг/л;

- плотность химического заражения поверхности, Δ, мг/м2.

Критериями поражения являются:

- при острых отравлениях токсодозы (LD, ID, PD).;

- при хронических поражениях предельно допустимые

концентрации (ПДК, мг/л) и предельно допустимые выбросы (кг/год).

Радиационная опасность

Выбросы радиоактивных веществ создают два поражающих

фактора:

— проникающая радиация;

— радиоактивное загрязнение сред и поверхностей.

Проникающая радиация характеризуется:

- дозой излучения, D, Зв;

- мощностью дозы излучения Р, Зв/час.

Критерием является годовая эффективная доза излучения Е:

- для персонала РОО Еперс = 20 мЗв/год;

- для населения Енасел = 1 мЗв/год.

Радиоактивное загрязнение характеризуется такими параметрами как:

- плотность радиоактивного загрязнения, Δ, (поверхностная

активность Апов), Бк/м2;

- концентрация радиоактивного загрязнения, С (объемная

активность Аоб), Бк/м3.

Гидротехническая опасность

В результате прорыва гидротехнических сооружений создается

волна прорыва. Волна прорыва является поражающим фактором и

характеризуется следующими параметрами:

- скоростью движения фронта волны прорыва, Nф, м/с (основной параметр);

- энергией волны прорыва, Еп, Дж;

- скоростью движения гребня волны прорыва, Nг, м/с;

- глубиной волны прорыва, η, м. Техногенные опасности, их поражающие факторы и параметры

▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Взрывы Пожары Выбросы ОХВ

Выбросы РВ Прорыв ГТС

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ВУВ РО ТИ ЭНВ ИСВ ТН ХЗПС ПР РЗПС Волна прорыва

ΔРФ

η+

I+

mос

Vос

I

U

tВ СО2

ССО2

ССО

nд

D Δ

C

D

P

Aпов

Аоб

—Е

—NФ

—NГ

—h

Рисунок 3.2 - Техногенные опасности, их поражающие факторы и

параметры

37

Таблица 3.3 - Техногенные опасности, их поражающие факторы и

параметры Опас-

ность

Поража-

ющий

фактор

Поражающий параметр Обозна-

чение

Ед.

измер.

Крите-

рий (для

чел)

Взрыв-

ная

Воздуш-

ная

ударная

волна

избыточное давление во

фронте ударной волны

ΔРф кПа 10 кПа

длительность фазы сжатия η+ сек

импульс фазы сжатия I+ кПа×с

Разлет

осколков

масса осколка mос кг

скорость разлета осколка Vос м/с

Пожар-

ная

Тепловое

излучение

пламени

интенсивность теплового

излучения (плотностью

теплового потока)

J≡q кВт/м2 4,2

кВт/м2

(Возгорание

древесины 7 кВт/м2)

световой импульс U кДж/м2 100

Экстрем.

нагрев

воздуха

температура воздуха tв оС 70

0С

Изменение

состава

воздуха

концентрация продуктов

горения в воздухе (СО;СО2)

С % Ссо2=6

Ссо=0,1

концентрация кислорода в

воздухе

С % Со=17

%

показатель ослабления

света дымом

nд - 2,38

Токси-

ческая

(выброс

ы ОХВ)

Токсические

нагрузки

(отравление)

доза опасного

химического вещества

D мг/кг LD

ID

PD

Хим. загрязн.

сред и

поверхностей

концентрация опасного

вещества в среде

С, мг/л,

мг/кг

плотность химического

заражения поверхности

Δ мг/м2

Радиа-

ционная

(выброс

РВ)

Проникаю

щая

радиация

доза излучения

(1 мЗв/год – население;

20 мЗв/год - персонал)

D Зв 1/20

мЗв/год

мощность дозы излучения Р Зв/час

Радиоак-

тивное

загрязне-

ние

концентрация

радиоактивного

загрязнения в среде

Аоб Бк/м2

плотность рад.

загрязнения

Апов Бк/м3

Прорыв

гидро-

техни-

ческих

сооруже

ний

Волна

прорыва

энергия волны прорыва Еп Дж

скорость движения фронта

волны прорыва

Nф м/с

скорость движения гребня

волны прорыва

Nг м/с

глубина волны прорыва h м

38

3.3 ОБЩИЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕРОЯТНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ

Одна и та же мера воздействия, то есть одно и тоже значение

поражающего параметра может вызвать последствия различной

степени тяжести у различных людей. Следовательно эффект

поражения носит вероятностный характер. Величина поражения (Рпор)

измеряется в долях от единицы или в % и выражается, как правило,

функцией Гаусса (функцией ошибок) записываемой в виде:

dtt

f ePпор

Pr 25,0

2

1(Pr) (3.5)

В которой верхний предел интегральной функции (Pr) является

так называемой пробит-функцией. Она отражает связь между

вероятностью поражения и поражающим эффектом. Пробит-функция

может быть вычислена по уравнению вида:

Pr = a + b×ln(X) , (3.6)

Где a, b – константы для каждого вещества или процесса,

характеризующие специфику и меру опасности его воздействия.

X – поглощенная субъектом доза негативного воздействия.

Термические воздействия Для вероятности смертельного поражения при термических

воздействиях X будет произведением интенсивности излучения на

длительность теплового импульса:

а = 14,5; b = 2,56; X = q4/3

·η·10-4

, (3.7)

Где q – действующий на человека тепловой поток ([Дж/м2·с]

≡[Вт/м2]);

η – длительность воздействия (сек).

Пробит-функция для таких поражений будет определяться

следующей формулой:

Pr = 14,5 + 2,56×ln(q4/3

·η·10-4

) , (3.8)

Барические воздействия

X = f(ΔPф) (3.9)

Для определения вероятности летального исхода от прямого

воздействия на людей избыточного давления Ps и импульса Is

используется пробит-функция:

Pr = -2,44×ln[(7380/ Ps) + 1,9·109/(Ps·Is)]. (3.10)

Для случая полного разрушения зданий при газовом взрыве

Pr = -0,22×ln[(40/ Ps)7,4

+ (460/Is)11,3

]. (3.11)

Размерность Ps – Н/м2; Is – Н/м

2·с.

39

Токсические воздействия Острые токсические воздействия. Токсическая нагрузка

вычисляется с учетом изменения концентрации вещества за принятый

период времени Т:

dCD

nT

)(0

. (3.12)

Здесь C(η) – функция концентрации в той точке пространства,

куда помещен объект. Она зависит от относительной плотности газа

(по воздуху), параметра устойчивости атмосферы, скорости ветра,

интенсивности и длительности выброса из источника, высоты

источника относительно земли и т.п.

n – показатель степени, характеризующий механизм воздействия

и природу токсиканта.

Относительная вероятность поражения (от 0 до 1) представляется

в виде зависимости от пробит-функции:

P = f(Pr). (3.13)

Pr = a + b×ln(D). (3.14)

В случае пребывания объекта в атмосфере с постоянной

концентрацией

Pr = a + b×ln(Cn ×η). (3.15)

Для различных веществ пробит-функция имеет различные

константы, определяемые в результате медико-биологических

исследований и отнесенные к среднестатистическому составу

населения или к определенному контингенту людей (табл. 3.4).

Таблица 3.4 - Константы для вычисления пробит-функции летального

поражения технического персонала (C – ppm, T – мин)

Вещество Pr = a + b×ln(Cn ×η)

a b n

Аммиак -35,9 1,85 2

Хлор -8,29 0,92 2

1% объемный = 10000 ppm; 1ppm = 10-6

доли.

Длительное воздействие токсичных веществ. Проблема

длительного (хронического) воздействия малых концентраций

вредных веществ на человека является на сегодня одной из наиболее

сложных, так как последствия токсических поражений в этом случае

должны определяться путем продолжительного сравнительного

медико-биологического изучения большого количества людей,

проживающих на загрязненной и чистой территории.

40

Многие исследователи для определения последствий длительного

воздействия малых доз вредных веществ на человека используют

линейные модели вида:

Рпор = kc×C. (3.16)

Где: k – коэффициент дозовой зависимости для определенного

вида ущерба за период всей жизни человека в данном районе;

С – средняя величина концентрации вредного вещества за год

(мг/м3·год).

Эти модели строятся на основании данных о смертности и

заболеваемости и, как правило, достаточно точно отражают

последствия воздействия малых доз токсиканта на человека за

продолжительный период времени.

3.4 ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ РИСКА До недавнего времени существовало глубокое убеждение, что

разрабатываемые технические системы безопасности должны быть

направлены на то, чтобы полностью исключить или, по крайней мере,

локализовать наиболее опасные воздействия, вызванные так

называемой «максимально возможной проектной аварией». Поэтому

основное внимание было направлено на то, чтобы обезопасить

персонал предприятия и население, проживающее вблизи него,

именно от такого типа аварий.

Более глубокое изучение этой проблемы привело к осознанию

необходимости рассматривать не только худшие случаи (т.е. крайне

редкие катастрофические аварии), а также и аварии меньшего

масштаба, но часто повторяющиеся, суммарный ущерб от которых

может быть даже выше, чем от катастрофических аварий. Это привело

к необходимости использовать понятие вероятности при оценках

реализации опасных событий и возможных последствий.

Вероятность аварии, объединенная с возможными

последствиями, и дает величину риска. Эта величина далее может

быть изучена по своей структуре или сопоставлено с другими

рисками, существующими в обществе, для выработки оптимальной

стратегии по обеспечению безопасности людей и охране окружающей

среды.

Расчет и анализ риска является тем инструментом, при помощи

которого потенциальная опасность может быть оценена

количественно. Во многих случаях этот инструмент является по

существу единственной возможностью исследовать сложные

современные вопросы безопасности, ответ на которые не может быть

получен из практического опыта, как, например, возникновение и

41

развитие аварий с крайне малой вероятностью реализации, но с

большими потенциальными последствиями.

Концептуальная основа анализа риска внешне проста. Она

предполагает использование методических подходов,

математического аппарата и информационной базы, позволяющих

ответить на следующие вопросы:

1. Что может функционировать ―неправильно‖ (в нерабочем

режиме)?

2. Каковы причины этого?

3. Каковы возможные последствия?

4. Насколько это вероятно?

Итак, в общем случае потенциальная опасность в

промышленности характеризуется, по крайней мере, двумя

составляющими величинами:

- вероятностью возникновения аварии;

- величиной возможного ущерба.

Блок-схема анализа риска До недавнего времени существовало глубокое убеждение, что

разрабатываемые технические системы безопасности должны быть

направлены на то, чтобы полностью исключить или, по крайней мере,

локализовать наиболее опасные воздействия, вызванные так

называемой «максимально возможной проектной аварией». Поэтому

основное внимание было направлено на то, чтобы обезопасить

персонал предприятия и население, проживающее вблизи него,

именно от такого типа аварий.

Более глубокое изучение этой проблемы привело к осознанию

необходимости рассматривать не только худшие случаи (т.е. крайне

редкие катастрофические аварии), а также и аварии меньшего

масштаба, но часто повторяющиеся, суммарный ущерб от которых

может быть даже выше, чем от катастрофических аварий. Это привело

к необходимости использовать понятие вероятности при оценках

реализации опасных событий и возможных последствий. [9]

Вероятность аварии, объединенная с возможными

последствиями, и дает величину риска. Эта величина далее может

быть изучена по своей структуре или сопоставлено с другими

рисками, существующими в обществе, для выработки оптимальной

стратегии по обеспечению безопасности людей и охране окружающей

среды.

Расчет и анализ риска является тем инструментом, при помощи

которого потенциальная опасность может быть оценена

количественно. Во многих случаях этот инструмент является по

42

существу единственной возможностью исследовать сложные

современные вопросы безопасности, ответ на которые не может быть

получен из практического опыта, как, например, возникновение и

развитие аварий с крайне малой вероятностью реализации, но с

большими потенциальными последствиями.

Концептуальная основа анализа риска внешне проста. Она

предполагает использование методических подходов,

математического аппарата и информационной базы, позволяющих

ответить на следующие вопросы:

1. Что может функционировать ―неправильно‖ (в нерабочем

режиме)?

2. Каковы причины этого?

3. Каковы возможные последствия?

4. Насколько это вероятно?

Итак, в общем случае потенциальная опасность в

промышленности характеризуется, по крайней мере, двумя

составляющими величинами:

вероятностью возникновения аварии;

величиной возможного ущерба.

В технологическом смысле анализ риска представляет собой

последовательность действий, упорядоченную по следующим этапам:

1) числовая оценка риска;

2) анализ структуры риска;

3) управление риском.

Общая логическая последовательность анализа риска

представлена в виде блок-схемы на рис. 3.3.

На первом этапе, на основании «Исходных требований...»

Заказчика формулируются основные цели работы. С учетом исходной

информации и имеющихся ресурсов определяется необходимая

глубина анализа и строится общий алгоритм (стратегия) решения

поставленной задачи.

Далее в зависимости от исходной цели проводится анализ

самого объекта или в целом системы ―объект - окружающая среда‖.

Анализируется информация по технологии, характеристикам

основного оборудования, физико-химическим характеристикам

веществ и материалов, системам управления и защиты, а также

климатические и географические характеристики окружающей среды,

ситуационный план, генплан, объекты инфраструктуры, данные о

техническом персонале и населении региона. При этом следует

подчеркнуть, что речь идет в первую очередь об информации

непосредственно или косвенно влияющей на возникновение,

варианты (сценарии) развития и последствия аварий.

43

Рисунок 3. 3 - Блок-схема анализа риска.

Второй этап. Большинство опасностей на промышленных

объектах возникает в результате плановых (организованных) или

аварийных (нерегламентированных) поступлений (выбросов) в

атмосферу вредных (токсичных) или взрывопожароопасных веществ,

также в результате быстротечных выделений больших количеств

энергии. Эти опасности имеют различную природу происхождения,

механизм и специфику воздействия на человека, оборудование и

природную среду, а также потенциальные масштабы распространения

в окружающем пространстве. В этой связи необходимым этапом

анализа является проведение идентификации опасностей на

рассматриваемом объекте, прежде всего по физическому принципу.

1. Обоснование целей и задач анализа риска

2. Идентификация потенциальных опасностей и разработка

сценариев возможных аварий

3. Определение частоты возникновения отказов

4. Определение интенсивностей, общих количеств и

продолжительности выбросов опасных веществ или выделений

энергии в окружающее пространство

5. Расчет пространственно-временного переноса исходных

факторов опасности в окружающей среде

6. Определение критериев поражения, а также допустимых уровней

негативного воздействия на окружающую среду

7. Расчет последствий воздействия поражающих факторов на

различные объекты

8. Построение полей потенциального риска вокруг каждого

источника опасности

9. Анализ структуры риска. Исследование влияния различных

факторов на распределение риска вокруг источников

10. Оптимизация организационно-технических мероприятий по

снижению риска до заданной величины

44

Идентификация потенциальных опасностей позволяет перейти к

составлению общего перечня возможных на объекте аварий, к их

анализу и систематизации, далее к разработке характерных сценариев

их возникновения и физически обоснованных вариантов развития

(исходов). Следует подчеркнуть, что с учетом конкретного влияния

внешних факторов каждая отдельная авария может иметь несколько

различных исходов.

Третий этап. Исходные механизмы возникновения аварий и

сценарии их последующего развития и воздействия на окружающее

пространство весьма неравнозначны, поэтому число формальных

вариантов анализа в зависимости от степени детализации может

достигать нескольких тысяч. В этой связи крайне важным является

обоснование вероятности (частоты) возникновения негативных

событий, как фактора предварительного определения их значимости.

Для определения вероятностей исходных событий используются,

прежде всего, соответствующие отраслевые банки статистических

данных по характерным отказам и авариям. [9]

При отсутствии статистически значимой информации, особенно

для ―редких‖ событий, а также в качестве дополнительного средства

проверки достоверности, определение вероятностей проводят с

использованием причинно-следственных закономерностей (логики)

возникновения аварийных ситуаций и развития аварий из

совокупности промежуточных событий, т. е. на базе разработки

соответствующих сценариев, построенных по физически

обоснованному принципу: «А что будет, если...». Поскольку число

таких сценариев может быть весьма значительным, а их реализация -

взаимозависимой, для интегрального определения вероятности аварии

на сложных объектах обычно используются специальные методики

построения ‗деревьев событий‖ или ―деревьев отказов‖, а также

методы ―теории графов‖. (Вы их будете изучать в теории надежности)

Важно подчеркнуть, что при этом появляется реальная

возможность логически предопределить итоговое ―редкое‖ событие

(например, разрушение низкотемпературного изотермического

хранилища для сжиженного газа) и с высокой достоверностью

вычислить вероятность возникновения отказа, опираясь на

конкретные технические характеристики объекта, регламент его

работы, эффективность систем контроля, а также паспортные

показатели надежности отдельных элементов оборудования, по

которым, как правило, имеется весьма представительная статистика

отказов. В логику возникновения итогового отказа в обязательном

порядке включаются показатели «человеческого фактора».

45

Четвертый и пятый этапы являются, по сути, этапами

моделирования процессов формирования поражающих факторов.

Четвертый этап. Переход от качественного описания

механизмов возникновения и развития аварий на базе причинно-

следственной логики к анализу количественных закономерностей

физических эффектов осуществляется с использованием

соответствующего комплекса математических моделей. При этом

весьма важным является выделение характерных особенностей,

определение интенсивностей, общих количеств и времени выброса

опасных веществ или энергии в окружающее пространство, то есть

достоверное описание «функции источника» негативного

воздействия, причем для всего спектра нежелательных событий.

Пятый этап. На дальнейшее количественное и качественное

формирование поля опасности вокруг источника (т.е. во всех

направлениях полупространства) в большинстве случаев оказывают

самое непосредственное влияние параметры окружающей среды, в

первую очередь - скорость и направление ветра, температура и

влажность воздуха, характеристики грунта, рельеф местности и ряд

других.

Характерными примерами такого влияния могут служить:

интенсивность кипения и парообразования сжиженных газов

на поверхности грунта (воды) при разливе или выбросе из сосудов,

аппаратов или трубопроводов;

протяженный перенос по ветру углеводородных паров и

токсичных газов; отклонение пламени от вертикальной оси под

действием ветра при диффузионном горении нефтепродуктов и

сжиженных газов с открытой поверхности;

фотохимические превращения продуктов сгорания или иных

веществ, выбрасываемых в атмосферу и др.

Следует подчеркнуть, что значительное число возможных

метеорологических состояний устойчивости атмосферы (не менее 6-

ти по Паскуиллу) и большое число возможных направлений и

скоростей ветра (по крайней мере, 5-7 характерных скоростей и не

менее 8 основных географических направлений) резко увеличивают

число вариантов распространения потенциально опасных веществ в

атмосфере, требующих анализа. А это, в свою очередь, оказывает

непосредственное воздействие на потенциальные масштабы ущерба.

Формирование в окружающем пространстве физического поля

(потенциальной опасности) может также вообще не зависеть или

слабо зависеть от характеристик среды распространения. Например, в

случае разрушения сосуда с газом под давлением (воздушная ударная

волна, разлет осколков) или при разрушении резервуаров со

46

сжиженным газом (образование огневого шара (эффект BLEVE),

термическая радиация, ударная волна).

Шестой этап. Дальнейший анализ требует четкого определения

допустимых мер воздействия. Заметим, что принятая для конкретного

случая мера воздействия служит, по существу, граничным репером

при определении масштаба распространения соответствующей

потенциальной опасности (в виде поля физических параметров). Как

правило, в качестве групп риска выступают люди (технический

персонал предприятий, население в зоне потенциального негативного

воздействия), материальные ценности (оборудование, объекты

инфраструктуры, имущество), биотический компонент природной

среды (флора, фауна), а также характеристики водоемов и почв с

точки зрения их влияния на жизнедеятельность биоты.

Седьмой этап. После выбора критериев можно переходить к.

расчету прямых или косвенных (отдаленных) последствий (ущерба).

Восьмой этап. На этом этапе производится построение полей

потенциального риска вокруг каждого из выделенных источников

опасности, в пределах которых вероятно определенное негативное

воздействие для соответствующих объектов. Таким образом, общим

итогом последовательного выполнения вышеперечисленных этапов

является построение функциональной связи между величиной

определенного ущерба и вероятностью его возникновения. Поскольку

численно эти параметры могут сильно различаться (например, аварии

с очень малой вероятностью, но очень значимой величиной ущерба и,

наоборот) для их обоснованного сравнения в рамках единой шкалы

используется понятие риска, объединяющее (в виде произведения)

вероятность события и его последствия. При получении интегральных

значений риска от отдельных аварий или источников рассчитываются

независимо, с учетом территориальной привязки источников

опасности и групп риска на единой картографической основе и затем

суммируются для конкретного объекта воздействия.

Девятый этап. На этом этапе строятся локальных и

интегральных (для предприятия в целом) полей риска, производится

анализ структуры риска, исследуется влияние различных факторов на

уровень и пространственно-временное распределение риска вокруг

источников.

Десятый этап заключается в оптимизации организационно-

технических мероприятий по снижению риска до заданной величины.

47

Глава 4 ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ ГОРЮЧИЕ И ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Трубопроводы и емкости. Диаграмма состояния

однокомпонентной системы. Выбор технологии хранения

и перемещения вещества в зависимости от диаграммы

его состояния. Аварийные выбросы на объектах

сжиженного газа. Приближенная оценка количества

вещества переходящего в первичное и вторичное облака

при разливе жидкостей. Опасности объектов содержащих

сжатые газы. Опасности, связанные с взрывами

конденсированных взрывчатых веществ. Опасности,

связанные с взрывами пылевых облаков. Оценка

последствий взрывов. Методика оценки опасности

объектов содержащих горючие и взрывчатые вещества.

4.1 ТРУБОПРОВОДЫ И ЕМКОСТИ В промышленности эксплуатируются различные емкости для

хранения и транспортировки нефтепродуктов, химических веществ,

сжиженных газов под давлением. Сосуды и трубопроводы

применяются в тепловых и химических технологических процессах.

Хранимые и транспортируемые жидкости (нефть, дизтопливо,

мазут, бензин, спирты, капролактаны, метанол, аммиак) отличаются

по плотности, огне и взрывоопасности, токсичности, коррозионной

активности.

Аварии резервуаров большой емкости чреваты взрывами

хранилищ, и взрывами облаков газопаровоздушных смесей (ГПВС).

Устройства для хранения и транспортировки жидкостей и газов

▼ ▼

Трубопроводы Емкости

▼ Сосуды Резервуары Газгольдеры

«Красные»

«Зеленые»

«Желтые»

Цистерны

Бочки

Баллоны

Вертикальные

Горизонтальные

Шаровые

Мокрые

Сухие

48

Трубопроводы Трубопроводы — это устройства для транспортирования

жидкостей и газов. На трубопроводы с транспортируемым веществом

наносят краской предупредительные (сигнальные) цветные кольца.

Количество сигнальных колец определяет степень опасности.

Красные: взрывоопасные, огнеопасные, легковоспламеняющиеся

вещества;

Зеленые: безопасные или нейтральные вещества;

Желтые: токсичные или иного вида опасности, например

глубокий вакуум, высокое давление, наличие радиации

Емкости По определению емкость – это вместилище для жидких и

сыпучих тел. Емкости делят на сосуды, резервуары и газгольдеры.

СОСУДЫ. Согласно «Правил устройства и безопасной

эксплуатации сосудов работающих под давлением» под сосудом

понимается – герметически закрытая емкость, используемая для

хранения, транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов и

жидкостей под давлением, а также ведения тепловых и химических

процессов. Сосуды делятся на цистерны, бочки, баллоны.

ЦИСТЕРНА (от лат. cisterna — водоем, водохранилище),

большая ѐмкость, а также вагон или автомобиль с такой емкостью для

хранения и перевозки жидкостей. Вместимость автомобильных

цистерн обычно 1,5-5 м3, железнодорожных цистерн до 140 м3.

БОЧКА Деревянное, обтянутое обручами, или металлическое

цилиндрическое вместилище с двумя днищами и обычно с несколько

выгнутыми боками. Дубовая б. Б. для воды. Б. с цементом. (Старая

русская мера жидкостей, равная сорока вѐдрам, около 490 л).

БАЛЛОН [фр. ballon полый шар]. Шарообразный или

цилиндрический сосуд специального назначения для жидкостей или

газов. Различают баллоны малой (0,4... 12 л), средней (20...50 л) и

большой (80...500 л) емкости.

Криогенные сосуды предназначены для хранения и

транспортировки различных сжиженных газов: воздуха, кислорода,

аргона. их выпускают шести типоразмеров: 6; 3; 10; 16; 25 и 40 л.

РЕЗЕРВУАР (франц. reservoir, от лат. reservo — сберегаю),

вместилище (наземное или подземное) для хранения жидкостей и

газов. Распространены металлические и железобетонные резервуары,

реже — каменные, деревянные, из полимерных и др. материалов.

В России применяются стальные вертикальные цилиндрические

резервуары емкостью от 100 м3 до 30 тысяч м

3; шаровые и

горизонтальные резервуары для различных продуктов;

49

Сжиженные газы под давлением ΔР = 0,25…2,5 МПа хранят в

шаровых резервуарах объемом 600…2000 м3.

Нефтепродукты, сжиженные газы и другие жидкости под

давлением до 2 МПа хранят в горизонтальных цилиндрических

резервуарах надземных – емкостью до 600 м3; и подземных –

емкостью до 1000 м3.

Особую опасность представляют изотермические резервуары для

хранения сжиженных газов при температурах от минус 33 до минус

160 градусов Цельсия, имеющие диаметр от 15 до 46 м, высоту 20…35

метров, объем 10…50 тысяч метров кубических, содержащие до 30

тысяч тонн легковоспламеняющихся, горючих и токсичных

жидкостей.

для хранения больших количеств сжиженных газов используют

стационарные резервуары (объемом до 500 тыс. л), а для их перевозки

— транспортные сосуды (цистерны), имеющие объем до 35 тыс. л.

ГАЗГОЛЬДЕР (англ. gasholder, от gas - газ и holder - держатель)

- это стационарное стальное сооружение для приѐма, хранения и

выдачи газов в распределительные газопроводы или установки по их

переработке и применению Сооружение для приемки, хранения и

отпуска газа в газопроводную сеть. Газгольдеры предназначены для

хранения и выдачи больших количеств сжатых газов.

Различают газгольдеры переменного (мокрые) и постоянного

(сухие) объѐма. Газгольдер переменного объѐма состоит из

цилиндрического вертикального резервуара (бассейна), наполненного

водой, и колокола (цилиндрический вертикальный резервуар без

нижнего днища). Сверху этот резервуар снабжѐн сферической

крышей. Через дно бассейна под колокол подводится газопровод. При

заполнении внутреннего пространства Г. газом колокол поднимается;

при отборе газа - опускается.

В России функционируют мокрые газгольдеры ѐмкостью от 10 до

50 тыс. м3, их недостатки: большие расходы металла, увлажнение газа,

переменный режим давления и трудности эксплуатации в зимнее

время. Этих недостатков в значительной степени лишены так

называемые сухие, или поршневые, газгольдеры, которые

представляют собой неподвижный корпус с поршнем. Как и в мокром

газгольдере, при наполнении газом поршень поднимается, а при

выдаче газа опускается. В России функционируют сухие газгольдеры

ѐмкостью до 100 тыс. м3, к их недостаткам относятся сложность

монтажа и трудность обеспечения герметичности между корпусом и

поршнем.

50

Pк

р

Tкр Т

P

A

O

C

B

Твердая фаза

Паровая фаза

Жидкая фаза

Газовая фаза

D

Рисунок 4.1 - Типовая фазовая диаграмма состояния однокомпонентной системы

1

2 3

4

5

Tкр

Pкр

4.2 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ

Основной причиной аварий емкостей и трубопроводов,

содержащих жидкости и сжиженные газы является потеря

герметичности. Для того чтобы разобраться в процессах таких аварий,

необходимо понять фазовую диаграмму состояния однокомпонентной

системы. Диаграмма показывает те состояния вещества которые

термодинамически устойчивы при определенных значениях

температуры и давления. Она состоит из четырех кривых,

разграничивающих все возможные температуры и давления на 4

области, отвечающие твердой, жидкой, паровой и газовой фазам.

Кривая ОС представляет собой график зависимости давления

насыщенного пара от температуры. Она называется «кривой

кипения». Процесс 1 – испарение, процесс 2 – конденсация. Точка С

соответствует критической температуре. При температурах больших,

чем критическая вещество не может находиться в жидком состоянии.

Газовая фаза имеет подфазу именуемую «паровой фазой». Она

лежит области температур ниже критической (кривая АОС). При

нахождении вещества в этой области для перевода в жидкость его

надо просто сжать. Область газообразной фазы лежащей выше

критической температуры можно назвать областью «перманентных»

(постоянных) газов.

51

Pкр

Tкр

Т

P

A

O

C

B

Твердая

фаза

Паровая фаза

Жидкая

фаза

Газовая

фаза

D

Тос

Рисунок 4.2 - Фазовая диаграмма состояния для веществ 1 категории

Кривая ОВ – отделяет область жидкой фазы от твердой фазы. Эта

кривая называется «кривой плавления». Процесс 3 – затвердевание,

процесс 4 – плавление.

Кривая ОА – это кривая равновесия твердое состояние – пар (или

кривая сублимации). Процесс 5 – сублимация, процесс 6 –

десублимация.

4.3 ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ

ДИАГРАММЫ ЕГО СОСТОЯНИЯ Технология хранения и перемещения вещества устанавливается

исходя из свойств этого вещества в диапазоне температур

окружающей среды. А эти свойства определяются диаграммой

состояния. Диапазон температур окружающей среды в общем случае

изменяется от минус 40 оС до плюс 50

оС. По способам хранения и

перемещения вещества делят на 4 категории.

1 категория - вещества, у которых критическая температура

ниже температуры окружающей среды. Эти вещества называют

перманентными газами, а в жидком состоянии криогенными

жидкостями. Из криогенных веществ наиболее широко используются:

сжиженный природный газ (СПГ) состоящий главным образом из

метана; азот; кислород.

52

Pос

Tкр

Т

P

A O

C

B

D

Тос Ткип

Рисунок 4.3 - Диаграмма состояния для веществ

2 категории

Таблица 4.1. - Вещества 1 категории

№ Наименование вещества Критическая

температура Ткр, оС

1. Водород минус 240

2. Азот минус 147

3. Кислород минус 118

4. Сжиженный природный газ (метан) минус 82

Для веществ 1 категории технология перемещения и хранения

основывается на применении высококачественной термоизоляции с

использованием, как правило, вакуумных оболочек. Отметим, что

содержать метан, кислород или азот в жидкой фазе посредством

охлаждения трудно, так как это можно сделать только при наличии

еще более холодных жидкостей. Образующиеся при неизбежном

выкипании пары можно либо сразу использовать, либо снова

сжижать, либо просто выбрасывать в атмосферу.

Таким образом, вещества 1 категории хранятся в изотермических

хранилищах либо при атмосферном, либо при пониженном давлении.

При изотермическом способе хранения емкости искусственно

охлаждаются.

2 категория - вещества, у которых критическая температура

выше, а точка кипения

ниже температуры

окружающей среды. Для

сжижения этих веществ

их достаточно только

сжать. В жидком

состоянии они относятся к

очень важной категории

сжиженных газов, в

которую входят:

сжиженные нефтяные

газы; пропан; бутан;

аммиак; хлор. Вещества

этой категории

отличаются способностью к «мгновенному испарению». То есть при

разгерметизации часть жидкости мгновенно испаряется, а оставшаяся

охлаждается до точки кипения при атмосферном давлении.

При этом могут образовываться паровые облака, которые

составляют значительную часть проблем с точки зрения опасности.

Хранятся вещества 2 категории под давлением при температуре

окружающей среды, хотя можно их хранить и в охлажденном

состоянии.

53

Pос

Tкр

Т

P

A O

C

B

D

Тос Ткип

Рисунок 4.4 - Диаграмма состояния для веществ

3 категории

Таблица 4.2 - Вещества 2 категории

№ Наименование

вещества

Температура кипения при

атмосферном давлении Ткип, оС

Критическая

температура Ткр, оС

1. Пропан минус 42,0 плюс 96,8

2. Хлор минус 34,5 плюс 144,0

3. Аммиак минус 33,0 плюс 132,0

4. Бутан минус 0,5 плюс 152,3

3 категория - вещества, у которых критическое давление выше

атмосферного, а температура кипения выше температуры

окружающей среды.

Этот класс включает в себя

вещества находящиеся при

атмосферном давлении в жидком

состоянии. Те из них, которые

имеют более низкую точку

кипения, в зависимости от

температуры окружающей среды

могут входить также и в

предыдущую вторую категорию.

Так в холодную погоду бутан

жидкость (Ткип = 0,5 оС), а

этиленоксид в жаркую погоду

сжиженный газ (Ткип = 13,5 оС).

Все вещества находящиеся при температуре окружающей среды в

твердом состоянии также попадают в эту категорию. Однако твердые

вещества в данном случае опасны если они взрывчатые или если они

находятся в воздухе в диспергированном виде. Жидкости 3 категории

хранят в закрытых емкостях при температуре окружающей среды.

4 категория - вещества, содержащиеся при повышенных

температурах. К ним относятся жидкости 3 категории, которые

содержатся при подводе тепла и под давлением при температурах

выше их атмосферной точки кипения. Это водяной пар в котлах,

циклогексан. Вещества 4 категории ведут себя подобно веществам 2

категории.

54

4.4 АВАРИЙНЫЕ ВЫБРОСЫ НА ОБЪЕКТАХ СЖИЖЕННОГО ГАЗА

При аварийном выбросе сжиженного газа возможны две группы

процессов:

1) Постепенное опорожнение резервуара (сосуда, аппарата) при

частичной разгерметизации его корпуса или же истечение жидкости

из протяженного трубопровода за конечный промежуток времени при

его частичной разгерметизации. При этом происходит двухфазное

истечение жидкости в атмосферу с дальнейшим испарением.

2) Взрывное вскипание сразу жидкости в емкости при

значительном нарушении его герметичности с последующим резким

возрастанием давления, полным разрушением сосуда с возможностью

образования огневого шара и разлета осколков (эффект «BLEVE»).

«Мгновенное» (взрывное) вскипание сразу всего объема

«сильно» термодинамически перегретой жидкости в сосуде или

аппарате при значительном нарушении его герметичности с

последующим резким возрастанием давления и полным разрушением

сосуда с очевидной расположенностью к воспламенению и далее к

интенсивному сгоранию расширяющегося аэрозольного облака

переобогащенной топливно-воздушной смеси (эффект «BLEVE»).

4.4.1. Постепенное опорожнение сосуда При постепенном опорожнении происходят следующие

процессы:

- истечение сжиженных газов;

- растекание и испарение сжиженных газов на поверхности;

- движение и рассеивание облаков тяжелого газа в приземном

слое атмосферы;

- сгорание углеводородных облаков.

Истечение, растекание и испарение сжиженных газов на

поверхности

При аварийной разгерметизации сосудов или трубопроводов

происходит истечение под давлением сжиженного газа и

«мгновенное» испарение в окружающее пространство определенной

его части. Оставшаяся часть вытекшей жидкости охлаждается,

растекается по поверхности и испаряется.

Таким образом, массовая интенсивность испарения сжиженного

газа при аварийном истечении определяется тремя факторами:

- резким падением давления;

- теплопритоком из массива грунта;

- турбулентно-диффузионным потоком тепла из атмосферы.

55

Испарение жидкостей 1 категории. Вытекающая криогенная

жидкость будет находиться в равновесии со своими парами при

давлении равном атмосферному. Следовательно, при подводе тепла

возникает немедленное кипение жидкости с интенсивностью

пропорциональной скорости подвода тепла. Однако по мере того как

основание охлаждается и уменьшается подвод тепла, то и резко

падает скорость испарения.

Так когда жидкий азот растекается по основанию имеющему

температуру +20 оС скорость его испарения равна 100 грамм в

секунду с 1 м2. (0,1 кг/с·м

2). Однако когда основание замерзает, то

скорость испарения уменьшается в 10 раз и составляет всего 10кг/с·м2

(Таким образом, в случае разрушения оболочки изотермического

хранилища и последующего разлива большого количества вещества в

обваловку испарения за счет разности упругости насыщенных паров

вещества в емкости и парциального давления в воздухе практически

не наблюдается).

Для разлития таких жидкостей характерны два периода:

- период нестационарного испарения;

- период стационарного испарения.

В период нестационарного испарения происходит неустойчивое

испарение вещества за счет тепла поддона (обваловки), изменения

теплосодержания жидкости и притока тепла от окружающего воздуха.

Этот период характеризуется резким падением интенсивности

испарения в первые минуты после разлива с одновременным

понижением температуры жидкого слоя ниже температуры кипения.

Стационарное испарение происходит за счет тепла окружающего

воздуха. Испарение в этом случае будет зависеть от скорости ветра,

температуры окружающего воздуха и жидкого слоя. Подвод тепла от

поддона (обваловки) практически будет равен нулю.

Продолжительность стационарного периода в зависимости от типа

вещества, его количества и внешних условий может составить часы,

сутки и более.

Формирование первичного облака осуществляется в период

нестационарного испарения за счет тепла поддона (обваловки),

изменения теплосодержания жидкости и притока тепла от

окружающего воздуха. При этом количество вещества переходящее в

первичное облако, как правило, не превышает 3…5 % при

температуре воздуха 25…30 оС.

Испарение жидкостей 2 категории. Рассмотрим теперь

разлитие жидкостей имеющих критическую температуру выше

температуры окружающей среды. Их свойства отличаются от свойств

56

криогенных жидкостей и содержатся такие жидкости в резервуарах

под давлением.

В случае разрушения оболочки емкости содержащей вещество

под давлением и последующего разлива большого количества

вещества в поддон (обваловку) его поступление в атмосферу может

осуществляться в течение длительного времени. Процесс испарения в

этом случае делится на три периода (а не на два как с веществами 1

категории):

1 период – период мгновенного испарения;

2 период – период нестационарного (неустойчивого) испарения;

3 период – период стационарного испарения.

1 период. Основное отличие веществ 2 категории от веществ 1

категории заключается в явлении «мгновенного испарения», которое

возникает тогда, когда в системе включающей жидкость,

находящуюся в равновесии со своими парами понижается давление.

При этом происходит бурное, почти мгновенное испарение за счет

разности упругости насыщенных паров вещества в емкости и

парциального давления в воздухе.

Данный процесс обеспечивает основное количество паров

вещества поступающего в атмосферу в этот период времени. Кроме

того, часть вещества переходит в пар за счет изменения

теплосодержания жидкости, температуры окружающего воздуха и

солнечной радиации. В результате температура жидкости понижается

до температуры кипения.

Учитывая, что за данный период времени испаряется

значительное количество вещества, то может образоваться облако с

концентрациями, приводящими к взрыву или токсическому

поражению (в зависимости от типа вещества).

Второй и третий периоды аналогичны жидкостям 1 категории.

Наиболее опасной стадией аварии, безусловно, являются первые

10 минут, когда испарение вещества происходит интенсивно. При

этом в первый момент выброса сжиженного газа находящегося под

давлением образуется аэрозоль в виде тяжелых облаков.

Если считать что мгновенное испарение происходит

адиабатически (то есть система не получает и не отдает тепло), то

доля мгновенно испарившейся части жидкости при температуре Т

равна:

XXТТ LHHD (4.1)

Где: HТ - удельная энтальпия жидкости при температуре Т;

HX - удельная энтальпия жидкости в точке кипения при

атмосферном давлении;

57

LX - удельная скрытая теплота парообразования в точке кипения

при атмосферном давлении.

Анализ гидродинамики мгновенного испарения дает три

варианта:

а) мгновенное испарение, сопряженное с полным разрушением

сосуда под давлением;

б) мгновенное испарение при утечке над уровнем жидкости в

парожидкостной системе;

в) мгновенное испарение при утечке ниже уровня жидкости в

парожидкостной системе.

Испарение жидкостей 3 категории. Жидкости 3 категории

обычно называют высококипящими жидкостями. Они хранятся в

закрытых емкостях при температуре окружающей среды. Полное

разрушение такой емкости маловероятно.

Поэтому существенное значение (с точки зрения опасности)

имеет утечка ниже уровня жидкости. Интенсивность такой утечки

зависит от давления жидкости.

Испарение разлитой жидкости осуществляется по стационарному

процессу и зависит от физико-химических свойств вещества,

температуры воздуха и скорости ветра. При этом первичное облако не

образуется.

Испарение жидкостей 4 категории. Жидкости 4 категории при

температурах выше их точки кипения при атмосферном давлении

являются сжиженными парами. В этом они схожи с жидкостями 2

категории и поэтому при их разлитии наблюдается явление

мгновенного испарения.

Натурные опыты с аммиаком показывают, что первичное облако

моментально поднимается вверх примерно на 20 метров, а затем под

действием собственной силы тяжести опускается на грунт. Границы

облака на первом этапе очень отчетливы, так как оно большую

оптическую плотность и только через две-три минуты становится

прозрачным. Ввиду его большой плотности на начальном этапе

разбавление облака и его движение осуществляется под собственной

силой тяжести.

На этом этапе формирование и направление движения облака

носят крайне неопределенный характер, в результате чего при

прогнозировании распространения (движения) облака в данном

случае выделяют «зону неопределенности», в которой нельзя

предсказать местоположение облака, руководствуясь только

метеорологическими условиями. Радиус этой зоны лежит в пределах

от 0,5 до 1 км.

58

Но в отличие от жидкостей 2 категории при разлитии этих

веществ часть выброшенного пара конденсируется. Это явление

происходит из-за потери тепла в окружающую относительно

холодную среду.

Движение и рассеивание облаков тяжелого газа в приземном слое атмосферы

При выбросе сжиженного газа градиенты плотности,

температуры и давления формируют «локальное» поле сил

плавучести, которое приводит к распространению облака не только по

направлению ветра, но и в поперечном и даже в противоположенном

ветру направлениях.

Облако тяжелых паров при достижении им источников

зажигания может сгорать с образованием воздушной ударной волны.

Сгорание топливно-воздушной смеси (ТВС) может протекать как в

режиме детонации, так и в режиме дефлограции (быстрого горения).

При детонации образуется эффект самовоспламенения за счет

интенсивного сжатия смеси сверхзвуковой ударной волной.

При дефлограции действует механизм радиационно-

конвективного нагревания до температуры воспламенения слоев

смеси перед фронтом горения.

4.4.2 Эффект «BLEVE»

Одним из возможных сценариев развития арий на объекте

содержащим сжиженные газы является образование огневых шаров и

взрывные явления типа «BLEVE» (Boiling Liquid Expanding Vapour

Explosion).

Данный сценарий характеризуется совокупностью физических

процессов, сопровождающих взрывное вскипание углеводородных

жидкостей в резервуарах высокого давления, выброс содержимого

резервуара в окружающее пространство с образованием быстро

сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны, а

также с разрушением сосуда и разлетом его осколков.

Для возникновения «BLEVE» необходимо три предпосылки:

1) Жидкость должна быть «термодинамически перегретой» выше

некоторого характерного предела относительно состояния насыщения

при атмосферном давлении.

2) Должно произойти резкое падение давления над поверхностью

раздела жидкой и паровой фаз.

3) Величина термодинамической нестабильности жидкости при

сбросе давления должна достигнуть области локального перегрева,

при которой происходит мгновенное вскипание перегретой жидкости

59

по всему объему за счет высокой плотности центров парообразования

(до 106 в одном кубическом миллиметре).

При «провале» за границу предельного перегрева произойдет

«паровой взрыв». Давление в сосуде возрастет в сотни раз, вследствие

чего сосуд будет разорван. Часть жидкости превратится в пар, а

остальная в аэрозоль. В результате образуется аэрозольное облако

расширяющихся паров, которая с вероятностью 0,7…0,8

воспламенится, за счет взаимодействия разрушенных частей сосуда и

будет сгорать с высокой интенсивностью и мощным излучением тепла

в окружающее пространство.

За счет эффекта расширения паров газа и продуктов сгорания

образуется воздушная ударная волна (до 0,5 атм.). Также образуются

осколки и огневой шар диаметром Dош [м] и временем существования

ηош [сек]. Dош = 55 × M

0,375 (4.2)

Мош 8,3 (4.3)

Где М – масса сжиженного газа выброшенного в атмосферу [т].

Из 130 аварий типа «BLEVE» в 89 случаев наблюдали огневой

шар с разлетом осколков, в 24 случаях только огневой шар, в 17

случаев только разлет осколков. Число осколков от 3 до 7, разлет на

расстояние не более 300 метров. А термические поражения

наблюдались на расстоянии до 500 м. Поэтому при оценке

последствий аварий типа «BLEVE» следует прежде всего

рассчитывать зоны термических поражений.

4.5 ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА ПЕРЕХОДЯЩЕГО В ПЕРВИЧНОЕ И

ВТОРИЧНОЕ ОБЛАКА ПРИ РАЗЛИВЕ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Первичное облако – это облако, формируемое в периоды

мгновенного и нестационарного испарения (время образования – 10 мин,

время прохода – 20 мин).

Вторичное облако – это облако, формируемое в период

стационарного испарения (время существования определяется

временем испарения разлитой жидкости).

Для приближенной оценки количества вещества (Q1)

переходящего в первичное облако можно использовать формулу:

кav ttCQQ1 (4.4)

Q - общее количество вещества в емкости, кг;

Сv – удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг·град);

60

ta – температура жидкого вещества до разрушения емкости, оС;

tк – температура кипения вещества, оС;

λ – удельная теплота испарения, кДж/кг

При разрушении емкостей с высококипящими жидкостями, то

есть с жидкостями 3 категории (гидразин, тетраэтилсвинец и др.)

первичное облако практически не образуется. Основным процессом,

определяющим поступление вещества во вторичное облако, является

процесс его испарения с площади поверхности зеркала пролива.

Количество вещества поступающего о вторичное облако можно

определить по формуле:

прSEQ 36002 (4.5)

E – удельная скорость испарения, кг/(м2·с);

Sпр – площадь поверхности зеркала пролива вещества, м2;

η - время испарения, час.

Площадь поверхности зеркала пролива определяется по формуле:

4

2

пр

пр

dS (4.6)

dпр – приведенный диаметр площади пролива.

При наличии поддона (обваловки) 122,1QQ

dпр (4.7)

При отсутствии поддона (обваловки) 104,5QQ

dпр (4.8)

Где 1,22 и 5,04 размерные коэффициенты, м-0,5

.

4.6. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

СЖАТЫЕ ГАЗЫ На объектах содержащих сжатые газы возможны следующие

аварийные ситуации:

1) Выбросы газа: из скважины; из трубопровода при его

разрыве на полное сечение; из сосуда высокого давления через

отверстие;

2) Взрыв емкости содержащей газ под давлением.

4.6.1. Выбросы газа При выбросах газа можно выделить три этапа:

истечение газа;

рассеивание газа в атмосфере;

горение высокоскоростной струи (в случае возгорания);

взрыв газовоздушной смеси в открытой атмосфере.

Рассмотрим каждый из этих этапов.

61

Истечение газа из скважины

При описании истечения газа из скважины выделяют три элемента:

источник (скопление газа в природном пласте);

канал (участок ствола, по которому поступает газ от

источника);

выходной участок (характеризуется выходным

сечением оборудования или кратера).

Время истечения газа в зависимости от условий месторождения и

мер по ликвидации аварии может составить от нескольких часов до

нескольких лет. Поэтому основным параметром является объем газа

вытекаемый в единицу времени Qн (дебит).

Для оценки среднего дебита пользуются методами

гидрогазодинамического расчета скважин. Приток газа к забою

описывают уравнением фильтрации.[9] Канал, по которому движется

неуправляемый поток, описывается уравнениями сохранения массы и

импульса. При описании процесса истечения газа на выходном

участке считается, что скорость потока на выходе равна скорости

звука. При таких условиях количество газа истекаемого в единицу

времени определится по формуле:

Н

УУЗВУН FWCQ (4.9)

Где: СУ – поправочный коэффициент, учитывающий специфику

формирования конфигурации выходного сечения канала при аварии;

WЗВ – скорость звука;

FУ – площадь поперечного сечения канала на устье скважины;

ρУ – плотность газа на устье скважины;

ρН – плотность газа в нормальных условиях;

QН – дебит газа из скважины в нормальных условиях.

Анализ аварий показывает, что дебит может находиться в

пределах от 300 тысяч до 10 млн. м3/сутки, а давление на срезе от 100

до 1000 кПа. Истечение газа при разрыве трубопровода на

полное сечение

Описание истечения газа при разрыве трубопровода проводят

системой дифференциальных уравнений массы, импульса и энергии.

В простейшем варианте считают, что произошло

автоматическое перекрытие аварийного участка и газ истекает из

разрыва только на одном конце участка. Общая масса газа,

выброшенная при разрыве, может быть определена по формуле:

НН

ЭФГ

TZR

dALM 0 (4.10)

Lэф = 1,3×L, где L – длина отсечного участка трубопровода, м.

62

А – площадь поперечного сечения трубопровода;

d0 – внутренний диаметр трубы;

R – газовая постоянная;

Zн – коэффициент сжимаемости газа до разрыва при параметрах

Pн, Tн (Pн, Tн – температура и давление газа в трубопроводе до

разрыва).

Истечение газа через «отверстие» из сосуда высокого

давления

Рассмотрим критическое истечение идеального газа из

толстостенного сосуда высокого давления либо при аварийном

обрыве патрубка либо из отверстия образованного за счет коррозии.

Изменение параметров состояния газа в емкости описывается

системой уравнений термодинамики тела с переменной массой:

Gid

dq

V

k

d

dP 1 (4.11)

Gid

dq

G

k

d

dP 1 (4.12)

Где:

v

p

c

ck - показатель адиабаты;

V – объем сосуда;

d

dq - тепловой поток от стенки сосуду к газу;

i – энтальпия газа;

ГTRk

ki

1 (4.13)

TГ – температура газа;

G – массовый расход

ГT

PBfG 0 (4.14)

Р – давление;

μ - коэффициент расхода;

f0 – площадь сечения отверстия;

RkkB

k

k

1

1

2 1

1

. (4.15)

Пример динамики опорожнения технологического сосуда под

давлением. Метан, объем сосуда 600 м3, начальное давление 80

кгс/см2, начальная температура 258 К. Диаметр выходного отверстия

0,15 м, коэффициент расхода 0,8. Для таких условий начальный

массовый расход будет 200 кг/сек, а время выброса 500 сек.

63

Рассеивание в атмосфере аварийных выбросов газов из скважин,

трубопроводов и аппаратов

На начальном этапе выбрасываемая примесь рассеивается по

законам струйного смешения, а область загрязнения представляет

собой изогнутый расходящийся в направлении ветра конус,

касающийся земли на некотором расстоянии от источника выброса.

На определенном расстоянии от источника осевая скорость струи

становится соизмерима со скоростью сносящего воздушного потока и

начинает доминировать диффузионный механизм рассеивания.

Таким образом, при выбросе газа образуются два участка

рассеивания: струйный участок и диффузионный след. Поэтому для

определения поля концентраций используют комплексные струйно-

диффузионные модели. Дальность распространения опасных

концентраций может достигать 20 км.

Горение высокоскоростной струи

При горении газовых струй принимают модель горения

поверхностного

источника. В основе этой

модели лежит

предположение, что

пламя является

трехмерным объемным

телом, а излучение в

окружающее

пространство

происходит с наружной

оболочки пламени как

твердого тела и

выражается через

Диффузионный

участок

Струйный

участок

Рисунок 4.5 - Схема рассеивание в атмосфере аварийных

выбросов

64

коэффициент излучения и величину общего тепловыделения. При

выбросе из скважины струя горения имеет форму конуса длиной до 150

м.

При разрушении магистрального газопровода возникают:

ударная волна за счет расширения в атмосфере газа,

заключенного под давлением в объеме «мгновенно»

разрушившейся части трубопровода;

ударная волна, образующаяся при воспламенении газового

шлейфа и расширении продуктов сгорания;

образование и разлет осколков из разрушенной части

трубопровода;

возможности воспламенения газа и термическим

воздействием пожара.

Ударная волна формируется слабая – до 0,25 бар в эпицентре.

Осколки могут разлететься максимум на расстояние до 250

метров.

Радиус термического воздействия может составить 300 метров.

При воспламенении происходит быстрое (вспышкообразное) сгорание

лишь малой части шлейфа, остальной газ горит медленно (V=10 м/с)

отдельными зонами. [11]

Взрыв газовоздушной смеси в открытой атмосфере

Целый ряд тяжелых катастроф имел место при взрывах

газовоздушных смесей (ГВС) в атмосфере. При аварии,

сопровождающейся разгерметизацией емкости, содержащей сжатый или

сжиженный горючий газ, или разрыве газопровода обычно образуется

облако газовоздушной смеси. Характер взрыва облака ГВС зависит от

ряда факторов: его размеров, распределения и концентрации горючей

примеси по облаку, величины энергии инициирования. Возможны

режимы горения, взрывного горения, детонации, а также их комбинации.

Воспламенение облака происходит при наличии источника зажигания.

При этом возможен переход дефлаграционного дозвукового режима к

детонационному сверхзвуковому. Детонационный режим может

возникнуть и непосредственно, например, от взрыва детонатора или

электрической искры, если размеры облака превышают некоторое

критическое значение.

Значительная часть взрывов ГВС, наблюдавшихся в различных

промышленных и транспортных авариях, происходила в режиме,

когда часть горючего вещества взрывается, а часть сгорает. Для

оценки поражающего действия такого взрыва используется

энергетический подход.

Тротиловый эквивалент взрыва находится по соотношению:

65

VTP

v

Q

MQG , (4.16)

где G – тротиловый эквивалент взрыва, кг;

М – масса горючего газа в облаке ГВС, кг;

Qv – теплота взрыва этого газа, Дж/кг;

Qvтр – теплота взрыва тротила, Дж/кг;

- доля прореагировавшего при взрыве горючего вещества.

В приближенных расчетах обычно полагают =0,1. При

определении величины М принимают М= М0, где М0 – исходная

масса сжатого или сжиженного газа в емкости, а также выброшенного

в атмосферу при аварии на газопроводе. Коэффициент определяют в

зависимости от способа хранения или транспортировки горючего

вещества: =1 для сжатых газов и газов при атмосферном давлении;

=0,5 для газов, сжиженных под давлением; =0,1 для газов,

сжиженных охлаждением; =0,02 0,07 – при растекании

легковоспламеняющихся жидкостей. Последующие вычисления

давления во фронте ударной волны Рф на расстояниях,

превышающих примерно полтора-два радиуса облака, проводятся по

формуле Садовского [12]:

ΔРф = 95 R

G3

+ 3902

3 2

R

G+ 1300

3R

G , (4.17)

4.6.2 Взрыв емкости, содержащей газ под давлением Взрыв емкости, находящейся под внутренним давление газа,

относится к группе физических взрывов, обусловленных различными

физическими процессами. Разрушение емкости сопровождается

быстрым расширением газа. При этом в окружающем воздушном

пространстве формируется ударная волна и поле осколков. В

приближенных расчетах для оценки параметров ударной волны и

дальности разлета осколков используется энергетический подход.

Энергия взрыва определяется по формуле:

r

y

r

r

P

P

y

VPE

1

0 011

, (4.18)

где Е – энергия взрыва, Дж;

Pr – давление газа в емкости, Па;

Р0 – атмосферное давление, Па;

V0 – объем емкости, м3.

γ - показатель адиабаты (1…2)

66

Последующий расчет давления во фронте воздушной ударной

волны проводится по формулам (4.16), (4.17) при замене величины

αМQv на Е.

4.7 ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С ВЗРЫВАМИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И

ПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ Взрыв – это процесс чрезвычайно быстрого превращения

вещества, сопровождающийся выделением большого количества

энергии. В результате взрыва вещество, заполнявшее определенный

объем, превращается в сильно нагретый и сжатый газ (продукты

взрыва). Область, заполненная продуктами взрыва, стремительно

расширяется, сжимая и приводя в движение окружающую среду.

Порожденное взрывом движение внешней среды проявляется в виде

специфического волнового процесса – ударной волны. Ударная волна

распространяется со сверхзвуковой скоростью. По мере удаления от

центра взрыва скорость ударной волны снижается и на больших

расстояниях приближается к звуковой. Ударная волна является

основным поражающим фактором взрыва. Поражающее действие

ударной волны связано в основном с действием избыточного давления

и скоростного напора воздуха в фазе сжатия.

Важной характеристикой взрыва является скорость

распространения взрывчатого превращения. В зависимости от

величины этой скорости различают дефлаграционное (дозвуковое)

горение и детонацию. Взрывы большинство конденсированных ВВ

протекают в режиме детонации.

При детонации процесс взрывчатого превращения идет с

максимально возможной для данного вещества скоростью,

превышающей скорость звука. Скорость детонации является

определенной константой каждого ВВ. В условиях детонации

достигается максимальное разрушительное действие взрыва.

Взрывы можно разделить на химические и физические.

Источник энергии химических взрывов заключается в энергии

молекулярных связей. При взрыве происходит превращение

относительно сложных нестойких молекул исходного вещества в

молекулы более простых веществ взрывы конденсированных ВВ

относятся к химическим взрывам.

Конденсированные взрывчатые вещества – это в основном

твердые вещества, например, тротил С6Н2(NО2)3СН3, гексоген

(СН2NNО2)3, гремучая ртуть Hg(ОNС)2 и др. Имеется некоторое

количество жидких ВВ, например, нитроглицерин С3Н5(ОNО2)3.

67

Взрывы большинство конденсированных ВВ протекают в режиме

детонации.

Избыточное давление во фронте ударной волны при взрыве

тротилового заряда определяется по формуле М.А.Садовского [1]

ΔРф = 95 R

G3

+ 3902

3 2

R

G+ 1300

3R

G , (4.19)

где ΔРф - избыточное давление, кПа;

G - масса тротилового заряда, кг;

R - расстояние от центра взрыва, м.

Длительность фазы сжатия η+, с, рассчитывается по

соотношению [1]

η+ = 1,5х10-3

х RG6 , (4.20)

Максимальное давление скоростного напора воздуха за фронтом

ударной волны ΔРск, Па, находится по соотношению

2

2

ФФКСК

VРСР , (4.21)

где Ск – коэффициент лобового сопротивления тела.

Опасности, связанные с взрывами пылевых облаков

Формула, применяемую в расчетах давления взрыва

пылевоздушных смесей:

p

v

CTV

PMQP

000

0 , (4.22)

В этой формуле ΔР – избыточное давление взрыва, кПа; Р0, 0, Т0

– давление в кПа, плотность в кг/м3 и температура воздуха в

помещении в 0К до взрыва соответственно; Ср – удельная

теплоемкость воздуха (Ср 1,01 кДж/кг град); V0 – свободный объем

помещения, м3; М, Qv – масса в кг и теплота взрыва в кДж горючей

пыли; коэффициенты =0,5, 3. Значения теплоты взрыва пыли Qv

приведены в табл.4.3.

Таблица 4.3 - Теплота взрыва горючих пылей

Горючее вещество Теплота взрыва Qv, кДж/кг

Антрацитовая пыль

Пыль древесная сосновая

Пыль древесная еловая

Пыль торфяная

Пыль мучная

(32 36) 103

15,4 103

20,4 103

10,5 103

16,8 103

Для пыли определяют величину НКП. Значения НКП при

диаметре частиц менее 100 мкм находят по соотношению

68

НКП = 800/Qv, (4.23)

где НКП – нижний концентрационный предел, кг/м3;

Qv – теплота взрыва пыли, кДж/кг.

При взрыве аэрозолей давления Р, Рm рассчитываются по

формуле (28), где под величинами М, Qv понимают массу в кг и

теплоту взрыва в кДж/кг горючего вещества в составе аэрозоля;

величины Р0, 0, V0, T0, Cp сохраняют прежние значения;

коэффициенты =0,5, 3. Значения Qv в важных частных случаях

образования аэрозолей таким топливом как бензин, керосин, мазут,

нефть составляют 42; 44; 39,8; 42 МДж/кг соответственно.

4.8 ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВОВ

В качестве количественного показателя действия ударной волны

на объект принимается избыточное давление ΔPФ во фронте УВ. При

воздействии УВ объект может не поражаться или получить

повреждения той или иной степени тяжести (слабые, средние,

сильные, полное разрушение). Наиболее простая – ступенчатая оценка

типа ―поражен – не поражен‖ производится сравнением

действующего избыточного давления ΔPФ и критерия устойчивости

объекта для ударной волны – поражающего избыточного давления

ΔPП. В качестве ΔPП обычно принимают нижний предел избыточного

давления, при котором здания, сооружения, оборудование, системы

электроснабжения получают средние повреждения (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 - Оценка поражения объекта.

Более точная оценка, позволяющая рассчитать материальный

ущерб и средства для восстановления в зависимости от степени

разрушения объекта, может быть произведена, если имеются данные

избыточных давлений, вызывающих определенные повреждения. Так,

для кирпичного одноэтажного здания сильные повреждения

100

80

60

40

20

0 10 20 30 40 50

Ущерб, %

фP

1

2

3

4

Не

поражен

ПораженРазрушения:

1-слабые

2-средние

3-сильные

4-полные

пP

100

80

60

40

20

0 10 20 30 40 50

Ущерб, %

фP

1

2

3

4

Не

поражен

ПораженРазрушения:

1-слабые

2-средние

3-сильные

4-полные

пP

69

возникают при ΔPФ = 25…35 кПа, средние – при ΔPФ = 15…25 кПа,

слабые – при ΔPФ = 8…15 кПа (рисунок 4.7).

В ряде случаев, например, при оценке риска требуется получить

вероятностную оценку разрушения объекта, т.е. вероятность

разрушения как функцию избыточного давления ΔPФ в ударной волне

(параметрический закон поражения) или как функцию расстояния R

до объекта (координатный закон поражения).

Параметрический закон поражения

Параметрический закон поражения устанавливает зависимость

вероятности P поражения объекта от значения параметра

поражающего воздействия ΔPФ. Будем считать, что избыточное

давление во фронте УВ, вызывающее разрушение объекта

(поражающее избыточное давление) ΔРП - случайная величина для

данного типа объектов. Значение ΔРП зависит от того, с какой

стороны объекта произведен взрыв, каково состояние атмосферы,

каковы индивидуальные особенности данного объекта среди

подобных и т.д. – т.е. от многих случайных факторов, интенсивность

влияния которых на ΔРП приблизительно одинакова. Тогда можно

предположить, что величина ΔРП распределена по нормальному

закону (формально считаем – ∞ <ΔРП < +∞):

2

2

2exp

2

1)(

Р

ПП

Р

П

РРPf (4.24)

где П

Р - математическое ожидание поражающего избыточного

давления; 2

p - дисперсия случайной величины ΔРП.

Вероятность поражения объекта при заданном значении ΔPФ –

это вероятность того, что величина ΔPФ превысит случайное значение

поражающего давления ΔРП: фP

пппф PdPfPPPP0

)()( (4.25)

При незначительной ошибке нижний предел интегрирования ―0‖

можно заменить на ―-∞‖. Получаемый параметрический закон

поражения приведен на рисунке 4.9.

Определение параметров нормального распределения pпP ,

является самостоятельной сложной задачей, однако при инженерных

расчетах можно воспользоваться выражениями:

70

P

0

0,5

1,0

п P ф P

P

0

0,5

1,0

п P ф P

Рисунок 4.8 - Нормальный

закон распределения

Рисунок 4.9 - Параметрический

закон поражения

2

maxmin PPPп ,

6

minmax PPp , (4.26)

где minP – минимальное избыточное давление, определяющее

нижнюю границу слабых разрушений (в приведенном выше примере

8minP кПа);

maxP – максимальное избыточное давление, определяющее

верхнюю границу сильных разрушений (в примере 35maxP кПа).

Такой подход обусловлен тем, что для нормального закона

распределения вероятность того, что случайная величина пP

принимает значения pпп PP 3 составляет 0,0014 (практически

нереализуемое событие), а вероятность того, что pпп PP 3

составляет 0,9986 (практически достоверное событие) – правило ―трех

сигм‖.

Расчет вероятности поражения по формуле (4.25) удобнее

проводить, если привести распределение (4.24) к стандартному

нормальному закону )(zf с параметрами 1,0 zz :

p

пп PPz , (4.27)

Тогда вероятность поражения объекта:

z z

zФdzeP )(5,02

12

2

, (4.28)

где p

пф PPz ,

z z

dzezФ0

2

2

2

1)( .

п P п P

) ( п P f

ф P п P п P ф P

71

Функция )(xФ - нечетная ( )()( xФxФ ), табулированная –

интеграл Лапласа или интеграл ошибок (рисунок 4.10).

При инженерных расчетах вероятности P по формуле (4.28) не

всегда удобно искать значения )(zФ c помощью таблиц, тогда можно

использовать аппроксимацию )(xФa функции Лапласа:

)8,037,0exp(15,0)( 2 xxxФa , (4.29)

но определенную только для неотрицательных значений аргумента,

т.е. для 0p

пф PPz .

При отрицательных значениях z

можно воспользоваться нечетностью

)(xФ и считать )()( xФxФ aa .

Тогда вероятность поражения

объекта при пф PP (т.е. 0z )

определится выражением:

)(5,0 zФP a , (4.30)

Если пф PP (т.е. 0z ), то вероятность поражения

определяется по формуле:

)(5,0 zФP , (4.31)

Следует отметить, что параметрический закон (рис.4.9) можно

использовать и для других видов поражающих воздействий,

например, термического воздействия при оценке пожарной

обстановки, облучения ионизирующими излучениями и т.д.

Координатный закон поражения

Координатный закон поражения устанавливает зависимость

вероятности P поражения объекта

от расстояния R до взрыва

(рисунок 4.11).

Случайная величина при этом

(критерий поражения) - расстояние

пR , на котором происходит

поражение объекта для данного

взрыва. Построение координатного

закона производится аналогично

параметрическому на основе

данных по поражению объекта.

0

0,5

- 0,5

x 0

0,5

- 0,5

x

Ф(x)

Фа(x)

Рисунок 4.10 – График

функций Ф(х) и Фа(х)

0

1

P

R 0

1

P

R

Рисунок 4.11 – Координатный

закон поражения

72

4.9 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ ГОРЮЧИЕ И ВЗРЫВЧАТЫЕ

ВЕЩЕСТВА.

Назначение методики Методика определяет:

а) порядок проведения предварительной укрупненной опенки

вредного воздействия на здоровье и безопасность людей при

возможных авариях, связанных с наличием больших количеств

пожароопасных, взрывоопасных и токсичных химических веществ;

б) количественные характеристики опасности и алгоритмы их

расчета.

Основные понятия:

Под сценарием или типом аварии понимается характерный

вариант развития аварийного процесса. Источником воздействия или

опасности являются:

а) элементы основной и вспомогательной технологий;

б) хранилища;

в) средства транспорта.

Объектом воздействия является персонал предприятия и

население, проживающее на прилегающей территории. Каждый такой

объект с позиции оценки опасности характеризуется вместимостью

(максимальным числом одновременно присутствующих людей).

Определяемые характеристики:

Количественными характеристиками вредного воздействия

источника являются:

1) Возможные безвозвратные потери. Под безвозвратными

потерями будем понимать количество смертельных случаев в

результате аварии.

2) Возможные санитарные потери. Под санитарными потерями

будем понимать количество пострадавших, нуждающихся в

госпитализации.

3) Ожидаемая частота аварий.

Источник воздействия относится к категории потенциально опасных, а

возможная авария считается крупной, если ожидаемые безвозвратные

людские потери составляют не менее 10 человек (в соответствии с

«Методикой оперативной оценки потенциальной опасности объектов

народного хозяйства».

Безвозвратные и санитарные потери определяются количеством

людей, находящихся в пределах зон безвозвратного и санитарного

поражения.

73

Под зонами поражения понимаются участки территории, для

которых интенсивность возникающих в результате аварии поражающих

факторов достаточна для причинения людям поражения

соответствующей тяжести.

Критерии для определения тяжести поражения:

Тепловое излучение. Смертельное поражение получают 100%

людей находящихся в непосредственном контакте с огнем, т.е. в

пределах пожара или вспышки, а также на пути огневого шара или

столба.

Санитарное поражение получат люди в тех местах, где тепловое

облучение достаточно для образования ожогов второй степени на открытых

частях тела (поток излучения более 7 кВт/м2 в течение 30 секунд).

Взрыв. Критерии поражения в этом случае зависят от типа

источника вызвавшего взрыв. Смертельное поражение при взрыве

газового облака получат 100% людей, находящихся в пределах облака

газа, причиной смерти будут ожоги и асфиксия от недостатка кислорода.

При детонации конденсированного взрывчатого вещества смертельное

поражение от ударной волны и разлета обломков получат люди в

непосредственной близости от места взрыва (10…100 м).

Санитарное поражение при взрыве получат люди в тех местах,

где максимальное избыточное давление ударной волны больше 0,1

атм (10 кПа).

Классификация опасных веществ Оценка опасности проводится для следующих трех групп

опасных веществ:

П - пожароопасных; ПВ – пожаро - и взрывоопасных; B -

взрывоопасных;

Вещества каждой группы подразделяются на классы в

зависимости от агрегатного состояния при нормальных давлении и

температуре, а также, условия хранении, переработки или

транспортировки:

A - горючие жидкости; Б - горючие газы, сжиженные сжатием;

В - горючие газы, сжиженные охлаждением; Г - горючие газы под

давлением;

Д - взрывоопасные вещества;

Вещества каждого класса подразделяются по степени опасности,

которая характеризует:

а) интенсивность развития аварийных процессов;

б) силу воздействия поражавших факторов.

Степень опасности задается целым числом:

1 - очень низкая; 2 - низкая; 3 - средняя; 4 - высокая; 5 - очень

высокая; 6 - чрезвычайно высокая.

74

В ряде случаев степень опасности вещества может варьироваться

в зависимости от класса вещества и обстоятельств аварии.

Горючие жидкости. Горючие жидкости подразделяются на два

категории в зависимости от возможных физических эффектов при

развитии аварии:

а) Горючие жидкости, для которых существенен только пожар

разлития (около 100 веществ):

- ацетон;

- бензол;

- дизельное топливо;

- керосин;

- изобутанол;

- хлорбензол;

- циклогексан.

б) Горючие жидкости, для которых возможен также взрыв

газового облака (примерно 10 веществ):

- бензин;

- газовый конденсат;

- диэтиловый эфир;

- сероуглерод;

- циклопентан.

Категория жидкости определяется давлением паров при

температуре 20 0С жидкости с давлением паров Pv > 30 кПа, могут

образовывать взрывоопасное газовое облако.

Горючие газы. Горючие газы, сжиженные охлаждением,

подразделяются на две степени опасности в зависимости от

температуры кипения. Различия в физических эффектах,

обусловленных условиями хранения газа, учитываются в

параметризациях размеров зон поражения.

Для газов с температурой кипения Т > 235 0К степень опасности

равна 3, для остальных газов – 4.

Горючие газы 3 степени опасности:

- бутан;

- дивинил;

- изобутилен;

- уксусный альдегид;

- этилхлорид.

Горючие газы 4 степени опасности:

- водород;

- изобутан;

- метан;

- природный газ;

75

- пропан;

- этан.

Взрывоопасные вещества:

- аммиачная селитра;

- гремучая ртуть;

- динамит;

- нитроглицерин;

- перекись бензоила;

- тринитротолуол;

- черный порох.

Сценарии аварий и формы зон поражения Возможны следующие сценарии развития аварий:

Для горючих жидкостей (класс А):

А1 – пожар разлития;

А2 – взрыв газового облака.

Для горючих газов сжиженных сжатием (класс Б):

Б1 – взрыв вскипания «BLEVE»;

Б2 – взрыв мгновенного выброса;

Б3 – взрыв вытекающей жидкости.

Для горючих газов сжиженных охлаждением (класс В):

В1 – пожар разлития.

Для горючих газов сжатых давлением (класс Г):

Г1 – пожар.

Для взрывчатых веществ (класс Д):

Д1 – взрыв.

Формы зон поражения

Зоны безвозвратного и санитарного поражения задаются формой,

размерами и расположением относительно источника воздействия.

Граница каждой из зон поражения может быть

аппроксимирована:

О - окружностью;

П - прямоугольником.

Для зоны поражения в виде круга размер задается радиусом круга

R.

Для прямоугольной зоны поражения размеры задаются длиной L

и шириной W. Длина отсчитывается вдоль оси симметрии

прямоугольника, проходящей через источник воздействия.

Для относительного расположения зон безвозвратного и

санитарного поражения возможны два варианта:

76

Рис. 4.12. Схема формирования зон поражения

в1 - зоны поражения имеют форму концентрических кругов, их

центр совпадает с источником воздействия (Форма 1);

в2 - зона безвозвратного поражения имеет форму

прямоугольника, источник воздействия расположен на границе зоны.

Зона санитарного поражения имеет форму круга, центр которого

совпадает с центром зоны безвозвратного поражения (Форма 2):

Рисунок 4.13 - Формы зон поражения

Форма 1 (Ф-1) Форма 2 (Ф-2)

1 2

3

2

3

1

1 – источник воздействия;

2 – граница зоны безвозвратного поражения;

3 – граница зоны санитарного поражения.

ЗБП

ЗСП ЗСП

ЗБП

77

4. Методика расчета

Допущения, принятые в методике

1. В методике использованы приближенные алгоритмы,

ориентированные на получение максимальных вероятных

количественных оценок опасности.

2. Предполагается, что интенсивность развития аварийных

процессов является максимальной и в них вовлечен весь объем

опасного вещества.

3. Оценки параметров рассеяния облаков опасных веществ

выполнены для погодных условий с нейтральным состоянием

приземного слоя атмосферы и скоростью ветра 5 м/с.

4. Подразделение веществ по степеням опасности выполнено

таким образом, что для 80...90% веществ с данной степенью

опасности размеры зон поражения меньше, чем рассчитанные с

помощью алгоритмов, изложенных в методике.

Расчет зон поражения

Линейные размеры зон поражения в большинстве случаев

определяются по формуле вида:

у = а × хb

(4.32)

где параметр «х» характеризует количество опасного вещества,

вовлеченного в аварию.

Используются также следующие расчетные формулы:

у = х0,5

(4.33)

у = а×х + b (4.34)

у = а

(4.35)

Линейные размеры измеряются в метрах, площадь в квадратных

метрах, объемы в кубических метрах, вес в тоннах.

Расчет зон поражения производится путем последовательного

выполнения ряда процедур.

Для каждого источника воздействия определяется опасное

вещество, его класс и при необходимости степень опасности.

В соответствии с классом вещества определяется значение

параметра, являющегося количественной характеристикой источника

воздействия.

Изотермия

Инверсия

Конвекция

Рисунок 4.14 Формы состояния устойчивости

атмосферы

78

В зависимости от класса вещества отбираются подходящие

сценарии развития аварии, для каждого сценария производится расчет

линейных размеров зон поражения.

Нужные значения отбираются в соответствии со сценарием и

степенью опасности вещества.

Горючие жидкости (класс А) (для ЛВЖ)

Для горючих жидкостей есть два основных сценария развития

аварии:

А1 - пожар разлития – горение вещества разлития испаряющегося

с поверхности жидкости. Разлитие возникает при истечении жидкости

из технологических емкостей в случае нарушения их целостности.

Пожар разлития возможен для всех веществ данного класса.

Форма и относительное расположение зон поражения соответствует

(Ф-1). Размеры зон поражения определяются площадью возможного

разлития жидкости (параметр «Х»). Длина зон поражения

определяется по формуле У=а×Хb.

А2 - взрыв газового облака — характеризуется возникновением

ударной волны при сгорании смеси паров опасного вещества, его

капель и воздуха. Размеры зон поражения определяются площадью

возможного разлития жидкости (параметр «Х»).

Газовые облака способны образовывать только вещества группы

(ПВ). Форма и относительное расположение зон поражения для

взрыва газового облака соответствуют (Ф-2). Длина зоны

безвозвратного поражения определяется по формуле У=а×Хb а

ширина задается соотношением W=X0,5

где параметр Х равен

площади разлития. Радиус зоны санитарного поражения определяется

по формуле У=а×Хb.

Горючие газы, сжиженные сжатием (класс Б)

Для горючих газов сжиженных сжатием возможны три сценария

развития аварии:

Размеры зон поражения определяются весом сниженного газа и

зависят от степени опасности газа.

Б1 - взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости

происходит в случае мгновенного высвобождения сжиженного газа и

немедленного возгорания. Резкое падение давления вызывает

вскипание жидкости м образование воздушной ударной волны,

осколочного поля и мгновенное воспламенение парового облака,

сопровождающееся возникновения огневого шара;

Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости характерен

для наземных - хранилищ. Расположение зон поражения

соответствует (Ф-1). Радиусы зон определяются по формуле У=а×Хb.

79

В зависимости от степени опасности газа следует использовать

различные значения коэффициентов «а» и «b».

Б2 - взрыв мгновенного выброса происходит в случае

мгновенного высвобождения сжиженного газа с последующим

возгоранием. Взрыв газового облака мгновенного выброса характерен

для наземных хранилищ емкостью до 50т. Форма и относительное

расположение зон поражения соответствуют (Ф-2), размеры зон

определяются по формуле У=а×Хb. W=а×Х

b.

Б3 - взрыв газового облака вытекающей жидкости происходит в

случае постепенного вытекания сниженного газа с последующим

возгоранием.

Взрыв газового облака вытекающей жидкости характерен для

перерабатывающих предприятий и подземных хранилищ. Форма и

относительное расположение зон поражения соответствуют (Ф-2),

размеры зон определяются по формуле У=а×Хb. W=а×Х

b.

Размеры зон поражения определяются весом сжиженного газа и

зависят от степени опасности газа.

Горючие газы, сжиженные охлаждением (класс В)

Источниками воздействия, где встречаются горючие газы,

сжиженные охлаждением, являются хранилища. Характерный

сценарий аварии:

В1 – пожар разлития площадью 1500 м2.

Расположение зон поражения соответствует (Ф-1) их размеры

определяются по формуле У=а×Х+b.

Горючие газы под давлением (класс Г)

Аварии с опасными веществами данного класса для

магистральных и распределительных газопроводов, основным

сценарием аварии является:

Г1 – пожар.

Зона поражения имеют форму концентрических кругов с центром

в месте утечки газа (Ф-1). Радиусы зон зависят от диаметра

газопровода (параметр «Х») и определяется по формуле У=а×Х+b.

Взрывоопасные вещества (класс Д)

Список взрывоопасных веществ приведен в Приложении 4.

Основным сценарием аварии является:

Д1 – взрыв, т.е. быстрое выделение энергии в ограниченном

объеме, связанное с внезапным изменением состояния вещества и

сопровождающееся разбрасыванием и разрушением окружающей

среды.

80

Форма и расположение зон поражения соответствует Ф-1.

Радиусы зон зависят от ТНТ-эквивалента взрывоопасного вещества и

определяются по формуле У=а×Хb.

Для приближенного определения ТНТ - эквивалента достаточно

вес опасного вещества умножить на 10 для органических пероксидов,

оставить без изменения для чистых взрывчатых веществ и разделить

на 10 для пиротехнических изделий.

Таблица 4.4 - Коэффициенты расчета зон поражения Сценарий Степень

опасности

Тип

зоны

Размер

зоны

а b Формула

А1

(пожар

разлития)

Б R 0,56 0,5 Х – площадь

разлития

С R 3,02 0,46 У=а×Хb

А2 (взрыв

газового

облака)

Б L 0,24 0,62 L=а×Хb; W=X

0,5

С R 0,61 0,54 У=а×Хb

Б1

(взрыв

BLEVE)

3 Б R 26,9 0,30 Х – вес

сжиженного газа

С R 102 0,32 У=а×Хb

4 Б R 33,9 0,30

С R 138 0,32

Б2

(взрыв

выброса)

3 Б L 68,5 0,46 L=а×Хb;

W 8,7 0,33 W=а×Хb

С R 52 0,39 У=а×Хb

4 Б L 152 0,34

W 12,9 0,33

С R 72,5 0,37

Б3

(взрыв

вытекания)

3 Б L 27,5 0,24 L=а×Хb;

W 1,46 0,22 W=а×Хb

С R 25,1 0,17 У=а×Хb

4 Б L 66,3 0,22

W 2,97 0,22

С R 39,9 0,19

В1

(пожар

разлития)

Б R 0 23 Х–площадь

разлития

С R 0 120 У=а×Х+b

Г1

(пожар)

Б R 38,9 –1,7 Х–диаметр

газопровода

С R 105 3 У=а×Х+b

Д1

(взрыв)

Б R 19,5 0,31 Х – вес ВВ×к

(к=0,1;1;10)

С R 142 0,33 У=а×Хb

81

Расчет людских потерь

Если есть данные о фактическом распределение людей на

объекте то, рисуем зоны на Генплане объекта или на карте и

определяем, сколько людей попало в ту или иную зону. Если этих

данных нет, то рассчитываем или максимальные, или средние потери.

Расчет максимальных людских потерь. Расчет максимальных

людских потерь производится исходя из данных о зонах

безвозвратного и санитарного поражения, а также расположения на

местности источника и объектов воздействия.

Таблица 4.5 - Стандартные плотности населения

№ Характеристика района Плотность, чел/км2

1 Отдельный жилой район 100

2 Жилой район с единичной застройкой 500

3 Тихий жилой район 2500

4 Оживленный жилой район 7000

5 Городской жилой район 12000

6 Промышленная зона низкой плотности 500

7 Промышленная зона средней плотности 4000

8 Промышленная зона высокой плотности 8000

9 Небольшой торговый центр или район 10000

10 Средний торговый центр или район 50000

11 Большой торговый центр или район 100000

12 Малопосещаемая зона отдыха и занятий

спортом

2500

13 Интенсивно используемая зона отдыха и

занятий спортом

50000

14 Очень интенсивно используемая зона отдыха и

занятий спортом

250000

Безвозвратные потери равны числу людей, попадающих в пределы

зоны безвозвратного поражения. Санитарные потери равны числу людей,

падающих в пределы части зоны санитарного поражения, находящуюся

вне зоны безвозвратного поражения. В случае асимметричного

расположения зоны безвозвратного поражения относительно источника

воздействия выбирается такая ее ориентация, при которой безвозвратные

потери имеют максимальное значение.

Если для источника воздействия возможны несколько сценариев

аварии, то для получения итоговых оценок выбирается сценарий,

приводящий к наибольшим безвозвратным людским потерям.

В случае отсутствия детальных сведений о распределении

объектов воздействия вблизи источника для приближенной оценки

людских потерь можно использовать соотношение:

N = R × Sа (4.36)

82

где: N - величина потерь. Индекс «а» задает тип поражения (Б, С).

R - плотность населения в окрестности источника воздействия.

Sб - площадь зоны безвозвратного поражения.

Sс- площадь части зоны санитарного поражения, расположенной вне

зоны безвозвратного поражения.

Стандартные плотности населения для различных типов заселения и

использования территорий приведены ниже.

Расчет средних людских потерь. Расчет средних людских потерь

производится в случае ассиметричного расположения зон поражения

и неравномерного распределения объектов воздействия в окрестности

источника воздействия.

Средние людские потери определяются в зависимости от размеров зон

потенциального поражения. К последним относятся все те участки,

где люди могут получить поражение соответствующей тяжести при

какой-либо ориентации зоны поражения. Каждая из зон

потенциального поражения имеет форму круга, центр которого

совпадает с источником воздействия, а радиус равен расстоянию до

наиболее удаленной от источника точки зоны поражения.

Средние потери определяются по формуле:

Nа.ср. = Nа.п×Sа/Sа.п (4.37)

где Nа.п - количество людей находящихся в пределах зоны

потенциального безвозвратного или санитарного поражения;

Sа.п - ее площадь.

Списки особо важных объектов воздействия

При наличии особо важных объектов воздействия в пределах

зон потенциального безвозвратного или санитарного поражения их

списки прилагаются к итоговым оценкам людских потерь.

Определение априорных частот аварий Ожидаемая частота авария зависит от сценария развития аварии,

а также вида, уровня безопасности и интенсивности

функционирования источника воздействия. Сведения об ожидаемых

частотах аварий приведены в Приложении 10.

Источники воздействия подразделяются на следующие виды:

1) автомобильный транспорт;

2) водный транспорт;

3) железнодорожный транспорт;

4) трубопроводный транспорт;

5) хранение;

6) переработка.

Уровень безопасности источника воздействия оценивается как

высокий, средний или низкий в соответствии с этим используется

низкое, среднее или высокое значение частоты аварий.

83

Таблица 4.6 - Априорные частоты аварий

Сценарий Вид источника и его

интенсивность

Частота в год низкая средняя высокая

А1

(пожар

разлития

горючих

жидкостей)

Автомобильный транспорт:

- интенсивность движения менее 1000

автоцистерн в год

10-8

10-7

10-6

- интенсивность движения более 1000

автоцистерн в год

10-6

10-5

10-4

Водный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

судов в год

10-7

10-6

10-5

- интенсивность движения более 1000

судов в год

10-5

10-4

10-3

Железнодорожный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

цистерн в год

10-10

10-9

10-8

- интенсивность движения более 1000

цистерн в год

10-5

10-4

10-3

Трубопроводный транспорт 10-3

Хранение:

- площадь обвалования менее 1500 м2

10-5

- площадь обвалования более 1500 м2

10-4

Переработка 10-4

А2

(взрыв

газового

облака

горючих

жидкостей)

Автомобильный транспорт:

- интенсивность движения менее 1000

автоцистерн в год

10-8

10-7

10-6

- интенсивность движения более 1000

автоцистерн в год

10-6

10-5

10-4

Водный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

судов в год

10-7

10-6

10-5

- интенсивность движения более 1000

судов в год

10-5

10-4

10-3

Железнодорожный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

цистерн в год

10-10

10-9

10-8

- интенсивность движения более 1000

цистерн в год

10-5

10-4

10-3

Трубопроводный транспорт 10-3

Хранение:

- площадь обвалования менее 1500 м2

10-5

- площадь обвалования более 1500 м2

10-4

Переработка 10-4

84

Продолжение таблицы 4.6

Сценарий Вид источника и его

интенсивность

Частота в год низкая средняя высокая

Б1

(взрыв

вскипания

«BLEVE»

горючих

газов

сжиженных

сжатием)

Автомобильный транспорт:

- интенсивность движения менее 1000

автоцистерн в год

10-9

10-8

10-7

- интенсивность движения более 1000

автоцистерн в год

10-7

10-6

10-5

Железнодорожный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

цистерн в год

10-11

10-7

10-6

- интенсивность движения более 1000

цистерн в год

10-9

10-5

10-4

Хранение 10-4

Б2

(взрыв

мгновенного

выброса

горючих

газов

сжиженных

сжатием)

Автомобильный транспорт:

- интенсивность движения менее 1000

автоцистерн в год

10-9

10-8

10-7

- интенсивность движения более 1000

автоцистерн в год

10-7

10-6

10-5

Железнодорожный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

цистерн в год (ц/г)

10-11

10-7

10-6

- интенсивность движения более

1000 ц/г

10-9

10-5

10-4

Хранение 10-7

Б3

(взрыв

вытекающей

жидкости

горючих

газов

сжиженных

сжатием)

Водный транспорт: - интенсивность движения менее 1000

судов в год

10-10

10-9

10-8

- интенсивность движения более 1000

судов в год

10-8

10-7

10-6

Трубопроводный транспорт 10-7

Хранение:- площадь обвалования менее

1500 м2

10-4

- площадь обвалования более 1500 м2

10-3

Переработка 10-4

В1 (пожар

разлития

горючих

газов

сжиженных

охлажден.)

Хранение 10

-6

Г1 (пожар

горючих

газов сжатых

давлением)

Трубопроводный транспорт:

- магистральные сети

10-7

- распределительные сети 10-6

85

Продолжение таблицы 4.6

Сценарий Вид источника и его

интенсивность

Частота в год низкая средняя высокая

Д1

(взрыв ВВ) Автомобильный транспорт:

- интенсивность движения менее

1000 автоцистерн в год

10-8

10-7

10-6

- интенсивность движения более

1000 автоцистерн в год

10-6

10-5

10-4

Водный транспорт: - интенсивность движения менее

1000 судов в год

10-8

10-7

10-6

- интенсивность движения более

1000 судов в год

10-6

10-5

10-4

Железнодорожный транспорт: - интенсивность движения менее

1000 цистерн в год

10-10

10-9

10-8

- интенсивность движения более

1000 цистерн в год

10-5

10-4

10-3

Хранение 10

-7

Переработка 10-6

86

Глава 5. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА Классификация опасных химических веществ. Характеристика

физико-химических свойств АХОВ. Токсические свойства АХОВ.

Анализ промышленных аварий с выбросами токсичных веществ.

Моделирование химической обстановки. Методика

прогнозирования масштабов заражения при авариях и

разрушениях химически опасных объектов.

5.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОПАСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ

ВЕЩЕСТВ Ущерб от аварий на химически опасных объектах настолько

велик, что может сравниться с ущербом от применения ядерного

оружия. Например, в результате произведенного в 1945 году взрыва

атомной бомбы в Нагасаки было убито и ранено 140 тыс. человек, а

при аварии на химическом заводе в Бхопале пострадало 220 тыс.

человек.

Химически опасный объект (ХОО)– это объект, на котором

хранят, перерабатывают, используют или транспортируют ОХВ, при

аварии на котором, или при разрушении которого может произойти

гибель или химическое заражение людей, сельскохозяйственных

животных и растений, а также химическое заражение окружающей

природной среды [ГОСТ Р 22.0.05-94].

В России около 4000 ХОО. Самыми распространенными АХОВ

являются сжиженные аммиак и хлор. Аммиак используется на 1900

объектах (60% от всех ХОО), хлор – на 900 объектах (30%). На

аммиак приходится 50% от всего количества АХОВ, на хлор – 35%, на

хлористый водород и соляную кислоту – 5% и 10% на остальные

АХОВ.

В ГОСТе Р 22.2.08-96 дано следующее определение «Опасное

химическое вещество (ОХВ) – это химическое вещество, прямое

или опосредованное воздействие которого на человека может

вызвать острые и хронические заболевания людей или их гибель». Из известных в настоящее время 5 миллионов химических соединений

53500 признаны опасными (одно из ста). Классификация опасных

химических веществ является довольно сложной методологической

задачей, причем на разных исторических этапах ее решения

применялись различные подходы, рассмотрим 4 из них (рисунок 5.1).

87

1. Классификация опасных химических веществ по характеру

отравления (основана на характере клинических проявлений

вредного действия)

2. Классификация опасных химических веществ по степени

токсичности (ядовитости) Она основана на учете величин

половинно смертельных доз и концентраций.

3. Классификация опасных химических веществ по степени

опасности. Она учитывает значения допустимых концентраций,

размеры зон острого и хронического действия, а также коэффициент

возможности ингаляционного отравления (КВИО).

4. Классификация опасных химических веществ по способности

вызывать массовые поражения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОХВ

1. По характеру отравления

2. По степени токсичности (LD50, мг/кг)

3. По степени опасности

КВИО=Сmax/Cτ50

4. По способно

сти создавать

ОчМП

Вещества

местного

действия

Вещества

резорбтивного

действия

Раздражаю-

щие

Общеядови-

тые

Чрезвычайно

токсичные (1)

Мало

опасные (3)

— СДЯВ

Прожигаю-

щие

Нейротроп

ные

Высоко

токсичные (50)

Умеренно

опасные (30)

— АХОВ

Удушаю-

щие

Клеточные

яды

Сильно

токсичные (500)

Высоко

опасные (300)

Умеренно

токсичные (5000)

Чрезвычайно

опасные

Малотоксичные

(15000)

Практически

не токсичные

Рисунок 5.1 - Основные подходы к классификации опасных

химических веществ.

5.1.1 Классификация по характеру отравления Эта классификация основана на характере клинических

проявлений вредного действия. Одной из последних классификаций

такого типа является классификация, в которой все опасные

химические вещества делятся на две группы.

I группа - вещества с местным (раздражающим, удушающим и

прожигающим) действием на слизистые глаз, верхних дыхательных

путей и кожные покровы;

88

II группа - вещества с преобладающим резорбтивным действием

на организм. (Резорбция – всасывание вещества через кожу и его

рассасывание по всему организму).

Используя такую классификацию надо помнить что,

биологическая активность некоторых веществ позволяет отнести их и

к той, и к другой группе.

Токсиканты первой группы (рисунок 5.1) вызывают

немедленный эффект при контакте. В тяжелых случаях - это чувство

рези, жжения, боли за грудиной и в области глаз. Возможна

немедленная гибель пораженных от рефлекторной остановки

дыхания. В дальнейшем пережившие острый период интоксикации

могут умереть от отека легких (на вторые - третьи сутки).

Скорость развития поражения токсикантами второй группы во

многом определяется преимущественным механизмом их

токсического действия. По этому признаку в рассматриваемой

классификации токсические химические соединения делят на три

подгруппы:

- общеядовитые токсиканты;

- нейротропные токсиканты;

- цитотоксиканты (клеточные яды).

К общеядовитым токсикантам (таблица 5.1) относят вещества,

нарушающие энергетический обмен в организме (нарушение транспорта

кислорода кровью, ингибирование цепи дыхательных ферментов).

Таблица 5.1 - Химические вещества преимущественно общеядовитого

действия

Соединения Формула Агрегатное

состояние

Нарушающие транспорт кислорода кровью

1.Азотная кислота HNO3 Жидкость

2.Оксиды азота NO2, NO Газы

3.Оксид углерода CO Газ

Ингибиторы цепи дыхательных ферментов

4.Синильная кислота HCN Жидкость

5.Акрилонитрил CH2=CН-CN Жидкость

6.Сероводород H2S Газ

К нейротропным веществам (таблица 5.2) относятся вещества,

преимущественно нарушающие процессы передачи нервного

импульса (наркотические, судорожные).

К цитотоксикантам относят вещества, преимущественно

нарушающие пластические функции клетки, синтез белка и клеточное

деление (таблица 5.3).

89

Таблица 5.2 - Химические вещества преимущественно нейротропного

действия

Соединения Формула Агрегатное

состояние

1.Аммиак NH3 Газ

2.Гидразин H2N-NH2 Жидкость

3.Сероуглерод CS2 Жидкость

Таблица 5.3 - Химические вещества преимущественно

цитотоксического действия

Соединение Формула Агрегатное состояние

1.Диоксин

2.Метилбромид

3.Метилхлорид

4.Оксид этилена

C12H4Cl4O2

CH3Br

CH3Cl

CH2\

| O

CH2/

Кристалл

Газ

Газ

Жидкость

Для веществ первых двух подгрупп, как правило, характерен

очень непродолжительный скрытый период (до нескольких десятков

минут), бурное течение интоксикации, сопровождающееся развитием

вегетативных реакций (головные боли, слабость, тошнота, рвота и

т.д.), нарушением сознания судорожным синдромом, переходящим в

коматозное состояние. Смертельный исход в тяжелых случаях может

развиваться как в течение нескольких минут, так и спустя часы.

Рассмотренная классификация позволяет предсказать характер

ожидаемых последствий воздействия вещества на человека, зная

группу и подгруппу к которым оно относится.

5.1.2 Классификация химических веществ по токсичности

Такая классификация предусматривает шесть групп опасных

веществ Критериальные значения средней смертельной концентрации

(LC50) и средней смертельной токсодозы (LD50), позволяющие

разделить вещества, приведены в таблице 5.4

Эта классификация также не свободна от некоторых

недостатков. Так в ряде случаев высокотоксичные соединения

оказываются малоопасными вследствие своих физико-химических

свойств и наоборот, малотоксичные вещества, обладающие высокой

летучестью и стойкостью, приобретают высокоопасный характер. В

связи с этим была разработана классификация химических веществ по

степени их опасности.

90

Таблица 5.4 - Классификация химических веществ по токсичности

Группа токсичности LC50 , мг/л LD50 , мг/кг

I

II

III

IV

V

VI

Чрезвычайно токсичные

Высокотоксичные

Сильнотоксичные

Умеренно токсичные

Малотоксичные

Практически нетоксичные

Ниже 1

1...5

6...20

21...80

81...160

Выше 160

Ниже 1

1...50

51...500

501...5000

5001...15000

Выше 15000

1.3. Классификация химических веществ по степени их

опасности Эта классификация учитывает значения допустимых

концентраций в воздухе при 20 оС, размеры зон острого и

хронического действия, коэффициент возможности ингаляционного

отравления (КВИО). КВИО - отношение максимально достижимой

концентрации вредного вещества в воздухе при 20 оС к средней

смертельной концентрации для мышей.

50

max

LC

СКВИО (5.1)

Выделяется четыре класса опасности веществ. Данная

классификация узаконена в ГОСТе 12.1.007-76. (табл.5.5).

Таблица 5.5 - Классификация вредных химических веществ по

степени опасности П О К А З А Т Е Л Ь Степень опасности веществ

Чрезвычайно

опасные

Высоко

опасные

Умеренно

опасные

Мало

опасные

I класс II класс III класс IV класс

Средняя смертельная

концентрация в воздухе

LC50, г/м3

Меньше

0,5

0,5-5,0 5,0-50,0 Больше

50,0

Средняя смертельная доза

при нанесении на кожу

LD50, мг/кг

Меньше

100

100-500 501-2500 Больше

2500

ПДК в воздухе рабочей

зоны ПДКр.з.,г/м3

Меньше

0,0001

0,0001-0,001 0,001-0,01 Больше

0,01

Коэффициент возможности

ингаляционного отравления

(КВИО)

Больше

300

300-30 29-3 Меньше

3

Эта классификация учитывает также размеры зон острого и

хронического действия. Классификация химических веществ по

степени их токсичности и, особенно, опасности играет важную роль в

решении проблем санитарной регламентации при разработке ПДК,

если время контакта с токсикантом заранее установлено.

91

5.1.4 Классификация по способности вызывать массовые поражения

При авариях, когда сроки воздействия химических веществ

могут значительно варьировать, оценка опасности воздействия с

помощью данной классификации не всегда является достаточной. Так

в исследованиях проведенных в Военно-медицинской академии было

показано, что оксид углерода, который отнесен по существующей

классификации к 4 классу малоопасных соединений, при расчете зоны

острого действия и опасности развития острого смертельного

отравления при экспозициях 5 и 15 минут оказывается в классе

высокоопасных веществ. Это свидетельствует о том, что в настоящее

время перед наукой стоит задача проведения дальнейших

исследований в области классификации химических веществ,

особенно имея в виду проблему их поражающего действия при

аварийных ситуациях.

Практика решения задач обеспечения химической безопасности

требует выделение в отдельную группу веществ, аварии с выбросами

или утечками которых, могут привести к массовым поражениям

людей. Для определения перечня веществ входящих в эту группу

следует учитывать:

- токсические и физико-химические свойства, такие как высокая

токсичность при действии через органы дыхания и кожные покровы;

- крупнотоннажность производства, потребления, хранения и

перевозок;

- способность легко переходить в аварийных ситуациях в

основное поражающее состояние (пар или тонкодисперсный

аэрозоль).

По этим критериям была выделена группа веществ, в которую

вошли токсические химические соединения, обращающиеся в

больших количествах в промышленности и на транспорте, и

способные при разрушениях (авариях) на объектах их содержащих

легко переходить в атмосферу и вызывать массовые поражения. Эти

вещества получили название - АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ

ОПАСНЫЕ ВЕЩЕСТВА (АХОВ).

В ГОСТе Р 22.9.05-95 дано следующее определение «Аварийно

химически опасное вещество (АХОВ) – опасное химическое

вещество, применяемое в промышленности и в сельском

хозяйстве, при аварийном выбросе (разливе) которого может

произойти заражение окружающей среды в поражающих живой

организм концентрациях (токсодозах)».

К основным типам промышленных объектов с химически

опасным производственным циклом относятся: предприятия по

92

производству хлора; крупнотоннажные производства

хлорорганических продуктов, целлюлозно-бумажной продукции,

промежуточных и конечных сложных продуктов, в том числе

ядохимикатов; нефтеперерабатывающие заводы, совмещенные с

установками для получения аммиака и других АХОВ; хранилища и

склады химически опасных веществ.

К объектам хозяйственного назначения, представляющим

химическую опасность, следует отнести: холодильники, овощные

базы, очистные сооружения. На этих объектах используется в

основном хлор, аммиак, соляная и серная кислоты. Их запасы могут

быть от нескольких тонн до сотен тонн.

Значительные запасы АХОВ сосредотачиваются в портах и на

железнодорожном транспорте. В последние годы широкое

распространение получил трубопроводный транспорт, в том числе и

для переброски АХОВ.

Среди объектов, содержащих АХОВ, самыми многочисленными

(более 90%) являются хранилища хлора и аммиака, обладающие к

тому же наиболее значительным потенциалом по химическим

поражающим факторам. По другим АХОВ, сравнимым с ними по

токсичности и возможностям поступления в атмосферу, эти

показатели в 10-100 раз ниже.

Основные типы таких объектов концентрируются

преимущественно в промышленных и густонаселенных районах

страны. В отличие от АЭС, большинство крупных производств

АХОВ находятся вблизи и даже в границах крупных городов.

В 1987 году был утвержден «Временный перечень

сильнодействующих ядовитых веществ для организации защиты

населении от них». В него входило 103 вещества. Этот перечень

оказался излишне перенасыщен веществами, представляющими

опасность при внутреннем потреблении и не приводящими к

возникновению очагов массовых поражений. В 90-е годы этот

перечень был пересмотрен, и было выделено 34 вещества, которые

при аварийных выбросах приводят к возникновению очагов массовых

поражений, им было дано наименование АХОВ.

В таблице 5.6 представлен перечень 28 основных АХОВ, с

которыми приходится сталкиваться при обеспечении химической

безопасности.

93

Таблица 5.6 - Перечень основных АХОВ

№ Наименование и формула вещества Примечание

1 Аммиак NH3 Вещества,

выброс

которых

приводил к

крупным

авариям

2 Хлор Cl2

3 Фосген COCl2

4 Диоксин (2,3,7,8-тетрахлордибензо-диоксин)

C12H4Cl4O2

5 Метилизоцианат CH3NCO

6 Окись углерода CO

7 Окислы азота NxOy Азот-

содержащие

АХОВ 8 Азотная кислота НNO3

9 Синильная кислота HCN

10 Акрилонитрил CH2=CH-CN

11 Ацетонитрил CH3CN

12 Ацетонциангидрин (CH3)2C(OH)CN

13 Гидразин N2H4 ; НДМГ (CH3)2N2H2

14 Метиламин CH3NH2

15 Диметиламин (CH3)2NH

16 Пиридин C5H5N

17 Водород хлористый и соляная кислота HCl Галоген-

содержащие

АХОВ 18 Хлорпикрин CCl3NO2

19 Метил хлористый CH3Cl

20 Метил бромистый CH3Br

21 Водород фтористый HF

22 Дихлорэтан C2H4Cl2

23 Двуокись хлора ClO2

24 Сернистый ангидрид SO2 Серо-

содержащие

АХОВ 25 Сероуглерод CS2

26 Сероводород H2S

27 Окись этиленаC2H4O Прочие

28 Формальдегид HCOH

В Законе РФ №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных

производственных объектов» (1997 г.) определены предельные

количества для 13 опасных веществ, наличие которых на опасном

производственном объекте является основанием для обязательной

разработки декларации промышленной безопасности. Это: Аммиак

(500т); Нитрат аммония (2500 т); Акрилонитрил (200 т); Хлор (25т);

Оксид этилена (50т); Цианистый водород (20т); Фтористый водород

(50т); Сернистый водород (50т); Диоксид серы (250т); Триоксид серы

(75т); Алкилы (50т); Фосген (0,75т); Метилизоцианат (0,15т).

94

5.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ

ВЕЩЕСТВ Физико-химические свойства АХОВ во многом определяют их

способность переходить в основное поражающее состояние и

создавать поражающие концентрации. Перечень наиболее важных

физико-химических свойств АХОВ приведен на рисунке 2. Основные

физико-химические характеристики АХОВ приведены в таблице 5.7.

Физико-химические свойства АХОВ

Агрегатное состояние

Молекулярная масса

Плотность (ρ), кг/м3

Максимальная концентрация (Сmax), мг/л

Давление насыщенного пара, (р), кПа

Теплота испарения Lисп. [Дж/кг; ккал/кг; Дж/моль]

Теплоемкость ср [Дж/(моль•К); кДж/(кг•К)].

Температура кипения (tкип)

Рисунок 5.2 - Перечень наиболее важных физико-химических свойств

АХОВ

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА - это состояния

(фазы) одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями ряда физических свойств (плотности, энтропии). Различают твердое, жидкое и газообразное агрегатные состояния. Существование у одного вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различием в тепловом движении молекул и в их взаимодействии. При обычном условии АХОВ могут быть в твердом, жидком и газообразном состоянии. Однако при производстве, использовании, хранении и перевозках этих веществ их агрегатное состояние может отличаться от такового в обычных условиях. (Пример - аммиак).

МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА (Мr) – сумма атомных масс всех атомов входящих в молекулу вещества. В химии традиционно используют не абсолютные значения молекулярных масс, а относительные. Относительной молекулярной массой вещества (Мr) [r – relative - относительный] называется величина, равная отношению средней массы молекулы к 1/12 массы атома углерода

12С. 1/12 часть

массы атома углерода 12

С принята за единицу массы и называется атомная единица массы (а. е.м.). 1 а. е.м. = 1,66×10

-27 кг.

ПЛОТНОСТЬ (ρ) - массовое содержание вещества в единице объема [кг/м

3]. Играет важную роль при оценке показателей,

характеризующих химическое заражение. Если плотность АХОВ больше плотности воды, то эти вещества будут проникать в глубь

95

водоема, заражая его. Если плотность газовой фазы АХОВ больше плотности воздуха, то на начальном этапе образования зараженного облака оно будет скапливаться в пониженных местах рельефа местности.

МАКСИМАЛЬНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ (Cmax) - это количество вещества, содержащееся в единице объема его насыщенного пара при данной температуре в замкнутой системе, когда жидкая и газообразная фазы находятся в равновесии. Она характеризует способность вещества переходить в парообразное состояние, поэтому раньше эту характеристику называли «летучесть», [мг/л; мг/м3].

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА (p) – давление пара находящегося в равновесии с жидкостью или твердым телом при данной температуре. Эта характеристика, наряду с Cmax определяет его летучесть и соответственно продолжительность химического заражения территории. Чем выше давление насыщенного пара, тем выше его способность к испарению и тем менее стойким будет заражение территории. Измеряется в гектопаскалях ([гПа]; 1атм = 1000 гПа; 1гПа = 0,75 мм рт.ст. = 10 мм вод.ст.). 1атм = 100 кПа.

ВЯЗКОСТЬ (η) - свойство жидких и газообразных сред

оказывать сопротивление их течению, (то есть перемещению одного

слоя относительно другого) под действием внешних сил. Вязкость

влияет на характер поведения АХОВ в аварийной ситуации (характер

дробления, впитывания и др.). Обозначается греческой буквой эта

(η). Измеряется в [Па·с] или в сантипуазах [сП]: 1мПа·с = 1сП.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (σ) характеризует

поверхность раздела двух фаз и определяется как работа, затрачиваемая

на создание единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной

температуре (представляет собой работу обратимого изотермического

образования единицы площади этой поверхности). Обозначается буквой

сигма (ζ) [1 МДж/м2 = 1МН/м = 1эрг/см

2 = 1 дин/см].

Поверхностное натяжение выражается в стремлении вещества

уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела

фаз. Поверхностное натяжение жидкости часто определяют как силу,

действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и

стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря

поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних

воздействий принимает форму шара.

ТЕПЛОТА ИСПАРЕНИЯ Lисп. (теплота парообразования)- количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу в

равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его

из жидкого состояния в газообразное. Обозначается Lисп. [Дж/кг;

ккал/кг; Дж/моль] Она определяет характер выброса и последующего

испарения АХОВ.

96

ТЕПЛОЕМКОСТЬ (ср) – количество теплоты, поглощаемой

телом при нагревании на 1 градус. Теплоемкость, отнесенная к

единице массы вещества, называется удельной теплоемкостью.

Обозначается ср [Дж/(моль·К); кДж/(кг·К)]. Теплоемкость, как и

теплота испарения, определяет характер выброса и последующего

испарения АХОВ.

ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ (tкип) – это температура

равновесного перехода жидкости в пар при постоянном внешнем

давлении. Если это давление равно нормальному атмосферному (760

мм рт. ст.), то такая температура кипения называется точкой кипения.

Она позволяет косвенно судить о летучести АХОВ и характеризует

продолжительность поражающего действия. Чем выше температура

кипения вещества, тем оно медленнее испаряется.

ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ (tплав) – температура

равновесного фазового перехода твердого вещества в жидкое

состояние или обратно при постоянном внешнем давлении. Для

веществ, которые плавятся при температуре ниже 20 оС, ее называют

также температурой замерзания. Есть еще такое определение:

температура замерзания это температура, при которой жидкость

теряет подвижность и загустевает настолько, что при наклоне

пробирки с продуктом под углом в 45о его уровень остается

неизменным в течение 1 минуты. Температура замерзания имеет

большое значение при транспортировке АХОВ и определяет характер

поведения вещества при низких температурах.

ТЕМПЕРАТУРА ВСПЫШКИ (tвсп) - самая низкая температура

вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его

поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в

воздухе от постороннего источника зажигания. Устойчивого горения

вещества при этом не возникает.

ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ (tвос) - наименьшая

температура, при которой в условиях специальных испытаний

вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после

их зажигания внешним источником возникает самостоятельное

пламенное горение этого вещества. Данная характеристика присуща

только горючим веществам.

ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ (tсво) - самая

низкая температура вещества или ее оптимальной смеси с воздухом,

при нагреве до которой происходит резкое увеличение скорости

экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного

горения.

РАСТВОРИМОСТЬ - способность вещества равномерно

распределяться в среде другого или других веществ, образуя раствор.

97

Хорошая растворимость в воде может привести к сильному и длительному

заражению водоемов. В то же время хорошая растворимость в воде и

органических растворителях может позволить использовать при необходимости

растворы различных веществ для дегазации и нейтрализации АХОВ.

Таблица 5.7 - Основные физико-химические характеристики АХОВ Показатель Аммиак Гидрази

н

Диокси

н

Сернис-

тый ан-

гидрид

Фос-

ген

Хлор Цианис-

тый во-

дород

Агрегатное

состояние при н.у.

Газ Жидкос

ть

Твердо

е

Газ Жид-

кое

Газ Жидкост

ь

Молекулярная

масса, г

17,03 32,05 320 64,02 98,9 70,9 27,03

Плотность, кг/м3

Плотность пара

кг/м3

682

0,71

1008

1,33

-

13,3

1460

2,66

1376

1,43

1557

3,16

699

1,12

Давление

насыщенного пара,

гПа при 20ОС

8546 81 - 3373 1559 6906 827

Удельная теплота

испарения, кДж/кг

при t=20оС

при tкип

1190,7

1374,7

1236,5

1072,3

-

-

361,3

415,4

231

239

253

288

978,6

882

Удельная

теплоемкость,

кДж/кг·градус при

t=200 при tкип

4,778

4,41

3,095

3,095

-

-

1,449

1,319

1,35

1,01

0,88

0,95

2,596

2,596

Температура

кипения, оС

-33,4 113,5 305 -10,1 8,2 -34 25,65

КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ - является характеристикой

процесса диффузии и равен количеству газа, переходящему через

сечение 1 м2

в секунду, когда разность концентраций на расстоянии 1

м равна единице. Скорость испарения АХОВ прямо пропорциональна

коэффициенту его диффузии в воздушную среду.

ГИДРОЛИЗ - разложение вещества водой. Он определяет

условия хранения, состояние в воздухе и на местности, стойкость

АХОВ в случае их аварийных выбросов (утечек). Причем чем меньше

АХОВ подвержено гидролитическому разложению, тем

продолжительнее его поражающее действие.

КОРРОЗИОННАЯ АКТИВНОСТЬ - свойство разрушать

оболочки, в которых хранится (перевозится) АХОВ. Она является

причиной многих аварий (разрушений) на промышленных и

транспортных объектах, в том числе в процессе хранения.

Большинство АХОВ обладают повышенной коррозионной

активностью.

98

5.3. ТОКСИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Важной характеристикой АХОВ является их токсичность (греч.

toxikon – яд), то есть ядовитость. Под токсичностью АХОВ

понимается его способность вызывать патологические изменения в

организме, которые приводят человека к потере дееспособности или к

гибели.

Токсичность зависит от пути попадания в организм.

Различают ингаляционную, перроральную, кожно-резорбтивную,

и микстную токсичность.

Количественно токсичность АХОВ оценивается дозой. Доза

вещества, вызывающая определенный токсический эффект,

называется токсической дозой (D).

Токсическая доза, вызывающая равные по тяжести поражения,

зависит от свойств АХОВ, пути его проникновения в организм, от

вида организма и условий выброса.

Для веществ, проникающих в организм в жидком или

аэрозольном состоянии через кожу, желудочно-кишечный тракт или

через раны, поражающий эффект для конкретного вида организма в

стационарных условиях зависит только от количества АХОВ.

Токсические свойства веществ определяют экспериментальным

путем на различных лабораторных животных, поэтому чаще

пользуются понятием удельной токсодозы - дозы отнесенной к

единице живой массы животного. Токсичность одного и того же

вещества, даже при одинаковых условиях, различна для разных видов

животных, а для конкретного вида животного заметно отличается в

зависимости от способа поступления в организм. Поэтому после

численного значения токсодозы указывают вид животного и способ

введения вещества. Например, запись: «Зарин, Dсмерт=0,017 мг/кг

(кролики, внутривенно)» означает, что доза зарина 0,017 мг/кг,

введенная кролику в вену вызывает у него смертельный исход.

Различают пороговые, выводящие из строя и смертельные

токсодозы.

ПОРОГОВАЯ ТОКСОДОЗА (PD) - количество вещества,

вызывающее начальные признаки поражения организма с

определенной вероятностью или, что то же самое, у определенного

процента людей или животных. Вероятность проставляется внизу

справа, например PD50 - средняя пороговая токсодоза.

ВЫВОДЯЩАЯ ИЗ СТРОЯ ТОКСОДОЗА (ID) - количество

вещества, вызывающее при попадании в организм выход из строя

определенного процента пораженных как временно, так и со

99

смертельным исходом, например ID50 - средняя выводящая из строя

токсодоза.

СМЕРТЕЛЬНАЯ ТОКСОДОЗА (LD) – количество вещества,

вызывающее при попадании в организм смертельный исход с

определенной вероятностью, например LD50 – средняя смертельная

токсодоза. В дозах, меньших LD50 АХОВ вызывают поражения

различной степени тяжести: тяжелые при 0,3...0,5 LD50, средние при

0,2 LD50 и легкие приблизительно при 0,1 LD50.

PD50, ID50, LD50 - являются кожно-резорбтивными токсодозами,

кроме них используются так же ингаляционные токсодозы, то есть

токсодозы для АХОВ, заражающих атмосферу паром или

тонкодисперсным аэрозолем и вызывающих поражения человека и

животных через органы дыхания. Для расчета этих токсодоз

используется уравнение:

D = C·η·V/G . (5.2)

С – концентрация АХОВ в воздухе, мг/л;

η – время вдыхания зараженного воздуха, мин;

V – интенсивность дыхания, л/мин;

G – масса человека, кг.

Немецкий химик Ф. Габер предложил упростить это выражение.

Приняв допущение, что для людей, находящихся в одинаковых

условиях, отношение V/G постоянно и разделив на него обе части

уравнения, он получил выражение

T = C·η. (5.3)

Произведение С·η Габер назвал коэффициентом токсичности и

принял его за постоянную величину. Эта величина позволяет

сравнивать различные АХОВ по ингаляционной токсичности. Часто

этот коэффициент называют ингаляционной токсодозой и обозначают

PCη50, ICη50, LCη50, хотя более правильно его называть относительной

токсичностью при ингаляции. Относительная токсичность АХОВ при

ингаляции зависит от физической нагрузки на человека. Для людей

занятых тяжелой физической работой (V=40 л/мин) она будет меньше

чем для людей находящихся в покое (V=10 л/мин). Приведем

определения доз данные в ГОСТе 12.1.007-76:

Средне смертельная доза при введении в желудок – доза

вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном

введении в желудок.

Средне смертельная концентрация в воздухе - концентрация

вещества, вызывающая гибель 50% животных при 2...4 часовом

ингаляционном воздействии.

100

Средне смертельная доза при нанесении на кожу - доза вещества,

вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на

кожу. Токсодозы некоторых АХОВ приведены в таблице 5.8.

Таблица 5.8 - Токсические дозы АХОВ Пока-

затель

Аммиак Хлор Окислы

азота

Сернистый

ангидрид

Фосген Серо-

водород

Цианистый

водород

LCη50, 150 6,0 8,0 5,0 3,2 30 2,0

ICη50, 15 0,6 1,5 12 0,6 6,0 0,2

PCη50, 5,0 0,3 0,5 0,5 0,2 2,0 0,1

Предел переносимости Кроме токсодоз, для характеристики токсичности АХОВ

используют такой показатель как ПРЕДЕЛ ПЕРЕНОСИМОСТИ - это

максимальная концентрация, которую человек может выдержать

определенной время без устойчивого поражения.

В промышленности в качестве предела переносимости

используется ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ

(ПДК) - эта концентрация определена как максимально допустимая,

которая при постоянном воздействии на человека в течение рабочего

дня не может вызвать через длительный промежуток времени

патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых при

помощи современных методов диагностики.

Она относится, как правило, к восьмичасовому рабочему дню и

не может использоваться для оценки опасности аварийных ситуаций в

связи со значительно меньшим интервалом воздействия АХОВ.

Предельно допустимые концентрации основных АХОВ показаны в

таблице 5.9.

Таблица 5.9. - Предельно допустимые концентрации АХОВ, мг/м3

Показатель Ам-

миак

Гидра-

зин

Окис-

лы

азота

Сернис-

тый ан-

гидрид

Фос-

ген

Окись

угле-

рода

Цианис-

тый

водород

Класс

опасности 4 1 2 3 2 4 2

ПДК в

воздухе

рабочей зоны

20 0,1 5 10 0,5 20 0,3

ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов

1.Максильно-

разовая 0,2 - 0,085 0,5 - 3 -

2. Средне-

суточная 0,2 - 0,085 0,05 - 1 0,01

101

5.4. АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ АВАРИЙ С ВЫБРОСАМИ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

5.4.1. Промышленные аварии с выбросом хлора

В литературных источниках [7,16,17] описаны 20 крупных аварий

с хлором за период с 1939 по 1981 годы.

Таблица 5.10 - Последствия аварий с выбросом хлора Год

аварии

1917 1926 1929 1934 1936 1939 1940 1947 1947 1949

Масса,

хлора, т 17 24 24 15 2 24 7 30 16 4

Погиб-

ло 1 19 1 1 0 60 3 19 0 0

Пора-

жено - - -

Эвакуи-

ровано - - -

Год

аварии 1952 1956 1961 1962 1963 1964 1965 1976 1979 1981

Масса,

хлора, т 15 3 27 28 8 - 27 90 60 300

Погиб-

ло 7 0 1 0 0 1 0 0 1 17

Пора-

жено 100 - 500

Эвакуи-

ровано - 10500 200000 5000

гибель – 5 т/чел; Несмертельные поражения – 1 т/чел.

Суммарный выброс хлора в этих авариях превысил 700 тонн, при

этом погибло 130 человек, более тысячи человек получили поражения

различной степени тяжести, десятки тысяч человек вынуждены были

эвакуироваться. Все случаи гибели людей, кроме одного, произошли в

радиусе до 500 метров. Один из погибших находился на расстоянии

800 м (это наибольшее удаление от места аварии с выбросом хлора

при летальном исходе для пострадавшего). Глубина распространения

первичного облака при выбросе в пределах 30 т (1961 год) превысила

2 км, при этом площадь зоны поражения, на основании

местоположения трупов животных, составила 15 км2, зона

располагалась по направлению ветра. Максимальная площадь зоны

эвакуации составила 125 км2 (1979 г.).

102

5.4.2. Промышленные аварии с выбросом аммиака

Количество аварий на объектах содержащих аммиак очень

значительно, но большинство из них носит локальный характер.

Анализ 11 крупных аварий с выбросом аммиака приведенных в

литературных источниках [7, 17] показывает, что пять из них связаны

с разрывами трубопроводов, две - с повреждением резервуаров для

хранения аммиака, четыре - с авариями железнодорожных цистерн и

автоцистерн. Суммарный выброс аммиака превысил 2000 тонн. В

результате этих аварий погибли 41 человек (табл.18).Наиболее

характерными из них являются две.

Авария на заводе по выпуску удобрений в г. Потчефструме

(ЮАР) произошедшая 13 июля 1973г. Размер утечки составил 38 т

аммиака. В результате аварии погибло 18 человек, причем 6 из них

находились за пределами предприятия. Из людей работавших в

радиусе 50 м от места аварии сразу же погибли 2 человека, а 5 были

спасены, но умерли позже от последствий отравления. Из работавших

в радиусе 50...100 м на месте никто не умер, впоследствии умерли 5

человек. Было отмечено 65 случаев несмертельных отравлений.

Таблица 5.11 - Последствия крупных аварий с выбросом аммиака Год

аварии 1968 1969 1970 1970 1971 1973 1973 1975 1976 1976

Масса,

аммиака,т 19 90 160 75 600 277 38 50 180 19

Погибло 6 9 0 0 0 0 18 0 2 6

Поражено 65 100

Авария автоцистерны с аммиаком произошедшая 11 мая 1976

года в г. Хьюстоне (США). Произошел мгновенный выброс 19 тонн

аммиака, погибло 6 человек, пострадало более 100 человек. В

начальный период аварии образовавшееся облако аммиачно-

воздушной смеси, было, тяжелее окружающего воздуха. Площадь

следа этого облака составила 1 км2.

Анализ сведений Госгортехнадзора России [18] свидетельствует о

том, что в 90-е годы на аммиачных холодильных установках

зафиксирован ряд аварий связанных с выбросом аммиака. В

результате аварий пострадало несколько десятков человек. Имеются и

случаи гибели людей (табл. 5.12).

При возникновении аварии связанной с выбросом аммиака из

технологического оборудования происходит заражение территории в

месте аварии и образование зон химического заражения по

направлению распространения зараженного воздуха.

103

Таблица 5.12 - Последствия аварий на аммиачных холодильных

установках Год

аварии

1990 1992 1992 1992 1995 1996 Всего

Город Нальчик СПб Новорос-

сийск

Сверд-

ловск

Белая

Глина

Улья-

новск

Погибло 6 1 - - 1 1 9

Поражено 3 16 10 - 3 32

Всего 9 1 16 10 1 4 41

гибель – 50 т/чел; Несмертельные поражения – 10 т/чел.

5.4.3. Промышленная авария с выбросом фосгена

Фосген является весьма важным химическим веществом для

промышленности. Он является основным сырьем для производства

полиуретанов. За все время в промышленности произошла только

одна авария с выбросом фосгена, повлекшая многочисленные жертвы.

Она произошла в Гамбурге в 1928 году. Размер утечки составил 11

тонн фосгена, погибло 11 человек, получили поражения различной

степени тяжести 171 человек, пораженные находились в радиусе 11

км от места аварии. Была проведена эвакуация на 1 день 350 жителей.

Гибель – 1 т/чел; Несмертельные поражения – 60 кг/чел.

5.4.4. Промышленные аварии с выбросом диоксина

Наиболее полные данные по зарубежным авариям с диоксином

приведены в работе [19]. В ней описаны 24 случая поражения

диоксином. Из них 6 были промышленными авариями с взрывами и

выбросом диоксина в атмосферу. При этом пострадало более 1500

человек (таблица 5.13). Принципиальной особенностью таких аварий

является возможность формирования чрезвычайно стойких очагов

химического заражения.

Таблица 5.13 - Последствия крупных аварий с выбросом диоксина Год аварии 1949 1953 1956 1963 1968 1976 Все-

го Страна США ФРГ Фран-

ция

Гол-

ландия

Велико-

британия

Ита-

лия

Вещество 2,4,5-трихлорфенол

Погибло 0 0 0 0 0 0 0

Поражено 228 75 17 106 90 1000 1516 Несмертельные поражения – 2 грамма/чел.

Примером тому является авария в г. Севезо (Италия, 1976 г.) с

выбросом диоксина. Всего в атмосферу было выброшено 1,75 кг

диоксина, а на местность попало 250 грамм. При этом дегазация

местности и объектов была связана со снятием грунта, термической

104

обработкой, другими трудоемкими методами и продолжалась около 8

лет. В результате аварии никто не погиб, но было много пострадавших,

которые заболели хлоракне. Общая площадь заражения составила

17,1 км2. Было эвакуировано более 800 человек. [7]

5.4.5. Промышленная авария с выбросом метилизоцианата

Химическим аналогом аварии на Чернобыльской АЭС можно

считать катастрофу в г. Бхопал (Индия, 1984 г.), в котором наиболее

полно проявились существенные особенности аварий на объектах с

химически опасными компонентами. В результате этой аварии было

выброшено около 43 т метилизоцианата и продуктов его неполного

термического разложения. Зоны заражения продуктами выброса

составила в глубину 5 км, в ширину более 2 км. Погибло 3150

человек, стали полными инвалидами около 20 тыс. человек, страдают

различными заболеваниями от последствий отравления более 200 тыс.

человек. Сразу после аварии были госпитализированы 14 тыс.

человек, 158 тыс. человек была оказана амбулаторная помощь. Гибель

– 14 кг/чел; Полные инвалиды 2 кг/чел; Несмертельные поражения –

200 грамм/чел.

5.4.6. Промышленная авария с выбросом окиси углерода

Окись углерода используется в производстве метанола и других

спиртов, а также служит совместно с хлором сырьем для получения

фосгена, а в металлургии она применяется в процессах

карбонилирования для очистки никеля.

Окись углерода вызывает при отравлении большое количество

летальных исходов. Но летальные исходы при отравлении окисью

углерода обычно случаются в условиях ограниченного пространства и

чаще всего приводят к гибели лишь одного человека. Так в

Великобритании с 1907 по 1931 год произошло 1899 случаев

отравления окисью углерода, при этом 224 человека погибло. В 1974

году в английской промышленности произошло 329 случаев

отравления окисью углерода, погибло 6 человек. Cамая крупная

авария с выбросом окиси углерода произошла в 1982 году на реке

Мозель (Франция). При движении по реке баржа врезалась в опору

проходившего над рекой трубопровода с окисью углерода.

Трубопровод разорвался, произошел выброс газа, погибло 5 человек.

105

5.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ

5.5.1 Типы аварий на химически опасных объектах Аварии на ХОО, в зависимости от последствий, подразделяются на

локальные, местные и общие.

Локальная авария – авария, последствия которой,

ограничиваются одним сооружением. Поражение получают только

люди, находящиеся в этом сооружении.

Местная авария – авария, при которой зоны поражения ограничиваются

производственной площадкой предприятия или его санитарно-защитной зоной и

создают угрозу поражения персонала всего предприятия.

Общая авария – авария, при которой зоны поражения распространяются

за пределы всего предприятия и его санитарно-защитной зоны, что приводит к

заражению окружающей среды и поражению людей.

Аварии на объектах с АХОВ сопровождаются утечкой и выбросами

АХОВ из поврежденного технического оборудования и хранилищ,

подвижного состава. При таких авариях могут происходить пожары и

взрывы, отягощающие чрезвычайную ситуацию.

Говоря об опасностях крупных промышленных аварий, следует

помнить, что степень воздействия токсичных веществ отличается от

последствий взрывов и пожаров, и проявляется непосредственно во время

аварии или сразу же после нее. Анализ статистики поражений людей в

крупных авариях с пожарами, взрывами и токсическими выбросами

свидетельствует о том, что от токсических поражений погибло – 8%, а

пострадало – 32% от числа всех пораженных в этих авариях.

Анализ структуры предприятий, производящих или

потребляющих АХОВ, показывает, что в их технологических линиях

обращается, как правило, небольшая доля токсических химических

продуктов, имеющихся на предприятии. Большая часть АХОВ

содержится на складах. Поэтому при авариях в цехах предприятия в

большинстве случаев происходит локальное загрязнение воздуха,

оборудования цехов, территории предприятия. Поражение в таких

случаях может получить в основном производственный персонал.

При авариях же на складе предприятий, когда разрушаются

крупнотоннажные емкости, АХОВ, распространяется за пределы

предприятия, приводя к массовому поражению не только персонала

предприятия, но и населения. Риск такой аварии и возможные

масштабы загрязнения окружающей среды зависят от условий

хранения АХОВ. В настоящее время на складах предприятий

используются, главным образом, три способа хранения АХОВ:

— в резервуарах под высоким давлением (до 20 кг/см2);

106

— в изотермических искусственно охлаждаемых хранилищах (при

давлении, близком к атмосферному, и пониженной температуре (до-50 0С);

— в закрытых емкостях при температуре окружающей среды (для

высококипящих жидкостей).

При хранении больших объемов АХОВ (от 100 т до 50 тыс. т) на

современных предприятиях используется 2 способа: под высоким

давлением; и изотермический способ хранения. От способа хранения

АХОВ зависит их поведение при повреждении оболочек резервуаров.

В случае аварийного вскрытия оболочки емкости под давлением или

изотермического хранилища образуются первичное и вторичное

облака загрязненного АХОВ, находящегося в аэрозольном или

парообразном состоянии. Химически опасные компоненты,

хранящиеся под давлением, обладают большой энергонасыщенностью

и поэтому характеризуются более мощным (залповым) выбросом с

образованием первичного облака.

Вещества, хранящиеся под нормальным давлением, испаряются

при вскрытии емкости медленнее и образуют менее мощный выброс.

Однако такой источник химического заражения действует более

длительное время. При вскрытии оболочек с высококипящими

жидкостями образования первичного облака не происходит. Заметим,

что первичное облако образуется непосредственно за счет выброса

АХОВ при вскрытии оболочки, вторичное – за счет последующего его

испарения из зоны разлива или вскрытой емкости.

5.5.2 Показатели химической обстановки Химическая обстановка характеризуется двумя видами

показателей:

1. Показатели масштабов заражения.

2. Показатели степени опасности заражения.

Показатели масштабов заражения Масштаб химического заражения обычно характеризуется

четырьмя основными параметрами:

— радиусами и площадью района аварии;

— глубиной и площадью заражения местности;

— глубиной и площадью зоны распространения первичного облака;

— глубиной и площадью зоны распространения вторичного облака.

При этом границами зон распространения первичного и вторичного

облаков считаются изолинии средней пороговой токсодозы.

Радиус района аварии зависит от вида АХОВ, условий его

хранения, использования и других факторов. Он может достигать

0,5…1 км.

107

Зоны заражения АХОВ местности, оборудования, зданий и

сооружений аварийного объекта, как правило, не выходит за пределы

района аварии. Лишь при выбросах некоторых высокотоксичных

соединений, например, диоксина, глубина заражения местности

может составлять величину, равную нескольким километрам и более.

Одним из главных показателей, характеризующих масштабы

заражения при химически опасных авариях, является глубина

распространения первичного облака АХОВ. В качестве граничного

значения пороговой токсодозы принимается обычно значение PCη50,

определенное за время от 40 до 60 минут. Глубина распространения

первичного облака АХОВ на равнинной местности может составлять от

нескольких километров (для фосгена, гидразина, окиси углерода) до

нескольких десятков километров (хлор, аммиак, окислы азота).

Например, в случае аварии на объекте, где хранится хлор в емкости

объемом 1000 т, при изотермических условиях и скорости ветра 2 м/с ее

величина равна 12 км, а при инверсионных условиях составляет 24 км.

В основе образования вторичного облака АХОВ лежит процесс его

испарения с зеркала пролива. Значения этого показателя масштабов

химического заражения в 3…5 раз меньше, чем для первичного облака.

Глубина распространения вторичного облака АХОВ в большинстве

случаев не превышает 3 км. Однако при инверсионных условиях она

может быть более 5 км. Например, для хлора она достигает 8 км. Более

подробная характеристика масштабов заражения при разрушениях

химически опасных объектов приведена в табл. 5.14.

Таблица 5.14 - Масштабы заражения при авариях на объектах,

содержащих АХОВ

Тип

АХОВ

Объем

АХОВ, т

Радиус

района

заражен

ия, км

Глубина, км Стойкость

,

сутки Зоны

распрост

р облака

АХОВ

Зоны

заражен

ия

местност

и

хлор Q<100 0,5 15 0,5 до 9час

Q>100 1 1

аммиак Q<100 0,5 8 1 до 12

Q>100 1

амил Q<100 0,5 1 1 до 20

Q>100 1

гептил Q<100 0,3 1 0,5 до 30

Q>100 0,5

диоксин до 100 кг 1 10 6 до года

108

В результате реализации химической опасности того или иного

вида могут возникать поражающие факторы, время воздействия

которых на объект поражения может изменяться от сотых долей

секунды до длительных промежутков времени - в годы, а то и в

десятки или сотни лет. Кроме того, следует подчеркнуть то

обстоятельство, что при реализации одной и той же химической

опасности могут возникать поражающие факторы различного времени

действия. Причем они могут возникать как непосредственно после

аварии, так и спустя определенное время после нее.

Так, например, при возникновении пожара температура и

токсические поражения человека могут быть отнесены к поражающим

факторам острого действия, в то время как попадание токсических

веществ в окружающую среду и последующее вредное действие на

организм человека по пищевым или иным цепочкам может быть

отнесено к поражающим факторам хронического действия.

Показатели степени опасности заражения Другой не менее важной группой показателей являются

показатели степени опасности химического заражения. К их числу

относятся:

— потери людей в районе разрушения (аварии);

— потери людей в зонах распространения АХОВ;

— количество зараженных объектов, техники и средств защиты.

Потери людей в районах разрушения определяются количеством,

людей, которые могут оказаться недееспособными в результате

поражающего воздействия АХОВ. Величина потерь зависит в

принципе от наличия у персонала изолирующих противогазов, так как

время защитного действия фильтрующих противогазов в районе

аварии крайне ограничено.

Потери людей на открытой местности оцениваются в

зависимости от наличия средств защиты и его местонахождения в

зоне распространения АХОВ.

При оценке возможных потерь в районах распространения АХОВ

можно выделить 4 зоны:

— зона смертельного поражения – гибель пораженных после

воздействия АХОВ в различные сроки;

— зона среднего поражения – госпитализация пораженных на

длительное время (2-3 суток);

— зона легкого поражения - краткосрочная госпитализация или

амбулаторное лечение пораженных;

— пороговая зона - пораженные ощущают лишь первичные

признаки поражения.

109

Наименьшей стойкостью при выбросе обладают "плавучие" (то

есть легче воздуха) статические газы. Это, например, монооксид

углерода и циановодород.

Далее в этом ряду располагаются сжиженные газы, обладающие

также относительно высокой плавучестью, например, аммиак.

За ними следуют сжиженные газы с большей плотностью, чем у

воздуха (хлор).

За ними следуют низколетучие жидкости (иприт)

Замыкают ряд твердые токсичные вещества (диоксин).

5.5.3 Схема оценки химической обстановки

1. Подготовка исходных данных

▼

2. Расчет радиуса района аварии

▼

3. Расчет вещества в первичном облаке

▼

4. Расчет площади пролива АХОВ

▼

5. Расчет удельной скорости испарения АХОВ

▼

6. Расчет времени испарения АХОВ

▼

7. Расчет глубины распространения первичного облака

▼

8. Расчет глубины распространения вторичного облака

▼

9. Оценка площадей распространения первичного и вторичного облаков

▼

10. Отображение химической обстановки на карте

▼

11. Расчет продолжительности поражающего действия АХОВ

▼

12. Определение времени подхода зараженного облака к объекту

▼

13. Расчет потерь

Рисунок 5.3 - Блок-схема оценки химической обстановки.

110

Расчет радиуса района аварии для АХОВ Радиус района аварии для низкокипящих АХОВ, (хлор, аммиак,

сероводород, формальдегид и др.) можно оценить по формуле:

QRан 50 (5.4)

где: Rан – радиус района аварии для низкокипящих АХОВ, [м].

Q - количество АХОВ (т), вышедшее в окружающую среду.

Предельный радиус района аварии для низкокипящих АХОВ

составляет 1000 м.

Радиус района аварии для высококипящих АХОВ (синильная

кислота, сероуглерод, соляная кислота и др.) определяется по

формуле:

QRав 25 (5.5)

Предельный радиус района аварии для этих АХОВ составляет

500 м.

При пожарах радиус района аварии может увеличиваться в

1,5…2 раза.

Приближенная оценка количества вещества переходящего в первичное и вторичное облака при разливе сжиженных газов и

жидкостей Для приближенной оценки количества вещества (Q1)

переходящего в первичное облако можно использовать формулу:

кav ttCQQ1 (5.6)

Q - общее количество вещества в емкости, кг;

Сv – удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг·град);

ta – температура жидкого вещества до разрушения емкости, оС;

tк – температура кипения вещества, оС;

λ – удельная теплота испарения, кДж/кг.

При разрушении емкостей с высококипящими жидкостями, то

есть с жидкостями 3 категории (гидразин, тетраэтилсвинец и др.)

первичное облако практически не образуется. Основным процессом,

определяющим поступление вещества во вторичное облако, является

процесс его испарения с площади поверхности зеркала пролива.

Количество вещества поступающего во вторичное облако определим

по формуле:

Q2 = Q – Q1 (5.7)

111

Расчет площади поверхности зеркала пролива АХОВ Для этого сначала надо рассчитать приведенный диаметр

площади пролива dпр.

При прогнозировании химической обстановки принимается,

что емкость, содержащая АХОВ разрушается полностью, толщина

слоя разлившейся свободно по подстилающей поверхности

жидкости принимается равной 0,05 м по всей площади разлива, при

проливе АХОВ в поддон или обваловку толщина слоя жидкости (h)

принимается равной:

h = Н - 0,2 (5.8)

где Н - глубина поддона (высота обваловки), м.

При таком допущении dпр можно определить по следующим

соотношениям:

При отсутствии поддона:

dпр = 5,04×(Q2/ρ)0,5

(5.9)

При наличии поддона высотой Н:

dпр = (1,22/Н)×(Q2/ρ)0,5

(5.10)

Где 1,22 и 5,04 размерные коэффициенты, м-0,5

.

Теперь определим площадь поверхности зеркала пролива Sпр:

Sпр = π× dпр/4 (5.11)

Расчет удельной скорости испарения АХОВ

Удельную скорость испарения АХОВ можно определить по

формуле:

икипрTTR

M

Td

MuE

11exp041,0

14,0

1 , [кг/(м2·с)] (5.12)

u1 – скорость ветра на высоте 1 м, [м/с];

М – молекулярная масса АХОВ, г/моль.

dпр - приведенный диаметр площади пролива, м;

Ти - температура испарения, К;

λ – удельная теплота испарения, кДж/кг;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3 кДж/(кмоль·К)

Тк - температура кипения АХОВ, К;

Расчет времени испарения АХОВ

Время испарения АХОВ можно определить по формуле:

ηисп = Q2/(3600×Е×Sпр) (5.13)

E – удельная скорость испарения, кг/(м2·с);

Sпр – площадь поверхности зеркала пролива вещества, м2;

ηисп - время испарения, час.

112

Расчет глубины распространения первичного облака АХОВ Для расчета глубины распространения первичного облака

АХОВ можно использовать формулу: 1

501

111

a

мPCu

QbKГ (5.14)

Q1 – количество АХОВ, переводимое в первичное облако в

зависимости от способа хранения и температуры воздуха, т.

u1 - скорость ветра на высоте 2 м, м/с.

Км – коэффициент влияния местности. Он зависит от наличия и

вида растительности (коэффициента шероховатости, Z0), от доли леса

на пути распространения облака, от среднего перепада высот

характерного для данного типа местности и от СВУА.

РСη50 – пороговая токсодоза, г·с/м3.

a1, b1 – размерные коэффициенты, зависящие от вертикальной

устойчивости воздуха.

а1 = 0,57×ехр(0,86×ε)

b1 = 15,4×ехр(6,96×ε)

(5.15)

(5.16)

ε (эпсилон) – параметр вертикальной устойчивости воздуха,

равный при изотермии нулю, при конвекции – минус 0,1…0,2, при

инверсии – плюс 0,1…0,2.

Формулу (44) рекомендуется использовать при оценке глубины

распространения первичного облака АХОВ в приземном слое

атмосферы при расстояниях до 15…20 км в случае аварийных

выбросов от одиночной или группы близко расположенных емкостей.

Расчет глубины распространения вторичного облака АХОВ Для расчета глубины распространения вторичного облака АХОВ можно

использовать формулу: 1

501

25,0

22

)(a

мPCu

QbKГ (5.17)

η – время за которое определяется глубина распространения

вторичного облака АХОВ, час.

Q2(η) – количество АХОВ, испарившееся за время η, т.

Q2(η) = 3600 ×Е×Sпр×η (5.18)

a1, b2 – коэффициенты, зависящие от вертикальной устойчивости воздуха.

а1 определяется по формуле (45)

b2 = 16,84×ехр(6,87×ε) (5.19)

Время η в случае оценки максимальной глубины

распространения вторичного облака АХОВ равно:

η = ηисп, если ηисп ≤ 24 часа;

η = 24 часа, если ηисп > 24 часа.

113

Оценка площадей распространения первичного и вторичного облаков АХОВ

Площади распространения первичного и вторичного облаков

АХОВ определяются по формулам:

S1 = (Г1 + Ra)2×θ1/60

S2 = (Г2 + Ra)2×θ2/60

(5.20)

(5.21)

S1, S2 – площади распространения первичного и вторичного облаков,

км2;

Г1, Г2 – глубины распространения первичного и вторичного облаков,

км;

Ra – радиус района аварии, км;

θ1, θ2 – половина угла сектора, в пределах которого возможно

распространение первичного и вторичного облаков АХОВ с заданной

достоверностью, град. Величина θ зависит от нескольких факторов,

основными из которых являются метеорологические и

топографические условия. Значения θ при различной вертикальной

устойчивости воздуха и доверительной вероятности приведены в

таблица 5.15.

Таблица 5.15 - Значения θ

Параметр СВУА Значение доверительной

вероятности, Рг

0,5 0,75 0,9

Прогнозирование

распространения

первичного облака АХОВ

Инверсия 9 15 20

Изотермия 12 20 25

Конвекция 15 25 30

Прогнозирование

распространения

вторичного облака АХОВ:

- при времени испарения

от 2 до 6 часов

Инверсия 12 20 30

Изотермия 15 25 40

Конвекция 20 35 50

- при времени испарения

от 6 до 12 часов

Изотермия 22 37 52

- при времени испарения от

12 до 24 часов

Изотермия 30 50 70

Примечание. Данные таблицы рассчитаны для средних условий и не

учитывают возникновение местных ветров. Их направление и

изменчивость необходимо учитывать индивидуально.

Доверительная вероятность Рг отражает характер решаемых

задач. При решении задачи «угрозы» (в интересах раннего

предупреждения и оповещения) доверительная вероятность

принимается равной 0,9. Если известен весь набор исходной

114

информации об объекте в условиях выброса, то Рг = 0,5. Во всех

остальных случаях Рг = 0,75.

При определении значения θ2, кроме того, дополнительно

учитывается время, за которое оценивается значение угла сектора.

Данное время отождествляется с временем испарения АХОВ. При

превышении времени испарения 24 часа оно принимается

постоянным, равным 24 часа, а глубина распространения облаков

АХОВ в этом случае оценивается как максимальная среднесуточная.

Порядок отображения на картах (схемах) зоны аварии и зон распространения первичного и вторичного облаков Схема отображения зоны аварии и зон распространения

первичного и вторичного облаков представлена на рисунок 5.4.

Площади района аварии и возможного распространения

первичного и вторичного облаков АХОВ принято обозначать

сплошной линией синего цвета. Рядом с условным знаком делается

надпись синим цветом со сведениями об АХОВ, его количестве и

времени аварии. Площадь района аварии закрашивается желтым

цветом.

RА

Г2 + RА

Г1+ RА

ХЛОР – 100

9.00 2.06

Рисунок 5.4. Схема отображения зоны аварии и зон

распространения первичного и вторичного облаков

115

Определение продолжительности поражающего действия АХОВ

Продолжительность поражающего действия АХОВ,

находящегося в первичном облаке, определяется временем

прохождения облака через поражаемый объект. На небольших

удалениях от места аварии оно составляет несколько минут.

Продолжительность действия вторичного облака определяется

временем испарения АХОВ с площади разлива, которое зависит

главным образом от высоты слоя разлившейся жидкости и скорости

приземного ветра. Продолжительность действия АХОВ (tпор)

определяется по формуле (52):

tпор = ηисп×Kv, (5.22)

где: tпор - время поражающего действия АХОВ, ч;

ηисп - время испарения АХОВ в стандартных условиях (скорость

ветра 1м/с, температура воздуха 20° С);

Kv - коэффициент, учитывающий влияние скорости ветра на

время испарения АХОВ. Величина коэффициента Kv в

зависимости от скорости ветра имеет значения, приведенные в

табл. 5.16.

Таблица 5.16 - Значение коэффициента Kv в зависимости от скорости

ветра

Скорость

ветра, м/с 1 2 3 4 5 8 10 12 15

Kv 1 0,75 0,6 0,5 0,43 0,3 0,25 0,22 0,18

Определение времени подхода зараженного воздуха к объекту

Время подхода облака зараженного воздуха к объекту

определяет то время, которое имеется для оповещения объекта об

опасности заражения и для принятия мер защиты. Оно определяется

по формуле (53):

tподх = R/(60×Vахов) (5.23)

где: tподх - время подхода облака зараженного воздуха к объекту, мин;

R - расстояние от ХОО до объекта, м;

Vахов - скорость АХОВ, м/с.

Поскольку скорость АХОВ в 1,5 -2 раза больше скорости ветра

на высоте 1 м над поверхностью, то для оценки времени подхода

АХОВ к объекту используют формулу (54):

tподх = R/(60×2×V) = R/(120×V) (5.24)

где V - скорость ветра на высоте 1 м над поверхностью.

116

Расчет количества и структуры пораженных Расчет количества пораженных как среди персонала объекта,

так и среди населения, проживающего в близи объекта, производится

исходя из количества людей, оказавшихся в очаге поражения, и их

защищенности от воздействия паров ядовитых веществ.

Количество людей, оказавшихся в очаге поражения,

рассчитывается либо суммированием количества людей,

находящихся на объекте и в жилых кварталах, подвергшихся

воздействию зараженного воздуха, либо путем умножения средней

плотности людей на площадь зараженной территории. Расчетные

формулы для определения числа пораженных для того и другого

случая имеют следующий вид:

П = L×(1-Кзащ), (5.25)

П = Р×S×(1-Кзащ), (5.26)

Где: П - количество пораженных на объекте, чел;

L - количество людей, оказавшегося в очаге поражения, чел;

Р - средняя плотность размещения людей на объекте, чел/км2;

Sпр - площадь территории приземный воздух на которой был

заражен, км2;

Кзащ - коэффициент защищенности людей от поражения АХОВ.

Коэффициент защищенности рассчитывается исходя из места

пребывания производственного персонала (населения) в момент

подхода облака к пораженному объекту и защитных свойств

используемых укрытий или табельных средств индивидуальной

защиты.

5.6. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МАСШТАБОВ

ЗАРАЖЕНИЯ ПРИ АВАРИЯХ И РАЗРУШЕНИЯХ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

5.6.1 Предназначение методики 1. Методика предназначена для заблаговременного и

оперативного прогнозирования масштабов заражения на случай

выбросов АХОВ в окружающую среду при авариях (разрушениях)

на химически опасных объектах и транспорте. Она позволяет

осуществлять прогнозирование масштабов зон заражения:

- при авариях на технологических емкостях и хранилищах;

- при транспортировке по трубопроводам и различными

видами транспорта;

- при разрушении химически опасных объектов.

117

2. Методика предназначена для случаев выброса АХОВ в

атмосферу в газообразном, парообразном или аэрозольном

состояниях.

3. Внешние границы зоны заражения рассчитываются по

пороговой токсодозе для данного АХОВ при ингаляционном

воздействии на организм человека.

4. Масштабы заражения рассчитываются:

- для сжиженных газов – отдельно для первичного и

вторичного облаков;

- для сжатых газов – только для первичного облака;

- для жидкостей, кипящих выше температуры окружающей

среды, только для вторичного облака.

5.6.2 Допущения При прогнозировании химической обстановки принимаются

следующие допущения:

1. Емкость, содержащая АХОВ разрушается полностью.

2. Толщина слоя разлившейся свободно по подстилающей

поверхности жидкости (h) принимается равной 0,05м по всей

площади разлива (h=0,05м).

3. При проливе АХОВ в поддон или обваловку толщина слоя

жидкости (h) принимается равной:

h = Н - 0,2, (5.27)

где Н - высота поддона (обваловки), м.

4. При разливах из емкостей, расположенных группой,

имеющих общий поддон (обваловку)

h = Q0/(F×d) (5.28)

5. Предельное время пребывания людей в зоне химического

заражения и продолжительность сохранения неизменными

метеоусловий (степени вертикальной устойчивости атмосферы,

направления и скорости ветра) составляют 4 часа. По истечении

указанного времени прогноз обстановки должен уточняться.

6. При авариях на газо- и продуктопроводах выброс АХОВ

принимается равным максимальному количеству АХОВ,

содержащемуся в трубопроводе между автоматическими

отсекателями (например, для аммиакопроводов Q0 = 275…500 т).

5.6.3 Рекомендации 1. При заблаговременном прогнозировании масштабов

заражения на случай производственных аварий в качестве

исходных данных рекомендуется принимать:

118

- за количество АХОВ в выбросе (Q0) – количество АХОВ в

максимальной по объему единичной емкости (технологической,

складской, транспортной), а для сейсмических районов - общий

запас АХОВ;

- метеорологические условия – инверсия, скорость ветра 1м/с.

2. Для прогноза масштабов заражения непосредственно после

аварии должны браться конкретные данные о количестве

выброшенного (разлившегося) АХОВ и реальные метеоусловия.

5.6.4 Исходные данные

Общее количество АХОВ на объекте и данные о размещении их

запасов в технологических емкостях и трубопроводах.

Количество АХОВ, выброшенных в атмосферу и характер их

разлива на подстилающей поверхности:

- «свободно»;

- «в поддон»;

- «в обваловку».

Высота поддона или обваловки складских емкостей, (площадь

общего поддона для группы емкостей).

Метеорологические условия:

- температура воздуха;

- скорость ветра на высоте 10 м (на высоте флюгера);

- степень вертикальной устойчивости атмосферы (время суток,

облачность).

Время прошедшее после начала аварии.

Расстояние до объекта.

5.6.5 Модель расчета

Определение толщины слоя разлитой жидкости

При «свободном» разливе АХОВ

h=0,05м. (5.29)

При разливе АХОВ в поддон или обваловку

h = Н - 0,2. (5.30)

При разливах из емкостей, расположенных группой, имеющих

общий поддон (обваловку)

h = Q0/(F×d). (5.31)

119

Определение продолжительности поражающего действия

(времени испарения)

Продолжительность поражающего действия АХОВ

определяется временем его испарения с площади разлива (Т). Оно

определяется по формуле:

Т = h×d/( К2×К4×К7) (5.32)

Определение коэффициента, зависящего от времени

прошедшего после начала аварии (К6)

Если время прошедшее после аварии меньше времени

испарения АХОВ (N ‹ T), то

К6 = N0,8

(5.33)

Если время прошедшее после аварии больше или равно времени

испарения АХОВ (N ≥ T), то

К6 = Т0,8

(5.34)

При времени испарения меньше одного часа (Т ‹ 1часа) К6

принимается для 1 часа.

Определение эквивалентного количества вещества

в первичном облаке

Эквивалентное количество вещества в первичном облаке Q1э

определяется по формуле:

Q1э = К1×К3×К5×К7×Q0 (5.35)

При авариях на хранилищах сжатого газа Q0 рассчитывается по

формуле:

Q0 = d×Vx (5.36)

При авариях на газопроводе Q0 рассчитывается по формуле:

Q0 = 0,01×n×d×Vг (5.37)

Для сжиженных газов, не вошедших в таблицу, значение К7

принимается равным 1, а коэффициент К1 определяется по формуле:

исп

p

H

TсК1 (5.38)

ср – удельная теплоемкость жидкого АХОВ;

ΔT – разность температур жидкого АХОВ до и после разрушения

емкости, oC;

ΔHисп – удельная теплота испарения жидкого АХОВ при

температуре испарения, кДж/кг.

N ‹ T Да Нет

К6 = N0,8

К6 = Т0,8

120

Рисунок 5.5 - Обобщенная схема расчета

Ввод исходных

данных

1. Определение толщины слоя разлитой жидкости

2. Определение продолжительности поражающего

действия (времени испарения)

3. Определение коэффициента, зависящего от

времени прошедшего после начала аварии (К6)

4. Определение эквивалентного количества

вещества в первичном облаке

5. Определение эквивалентного количества

вещества во вторичном облаке

6. Определение эквивалентного количества

вещества в облаке зараженного воздуха при

полном разрушении химически опасного объекта

7. Расчет глубины зоны заражения

8. Определение площади зоны заражения АХОВ

9. Определение времени подхода зараженного

облака к объекту

Вывод результатов

расчета

121

Определение эквивалентного количества вещества во вторичном

облаке

Эквивалентное количество вещества во вторичном облаке Q2э

определяется по формуле:

Q2э = (1 – К1)×К2×К3×К4×К5×К6×К7×Q0/(h×d) (5.39)

При определении Q2э для АХОВ, не вошедших в таблицу,

значение коэффициента К7 принимается равным 1 (К7 = 1), а

коэффициент К2 определяется по формуле:

mpК 6

2 101,8 (5.40)

p – давление насыщенного пара вещества при заданной

температуре воздуха, мм рт. ст.;

m – молекулярная масса вещества.

Определение эквивалентного количества вещества в облаке

зараженного воздуха при полном разрушении химически опасного

объекта

В случае полного разрушения ХОО для прогнозирования

глубины зоны заражения рекомендуется брать данные на

одновременный выброс суммарного запаса АХОВ на объекте и

считать скорость ветра 1 м/с, а состояние атмосферы – инверсия.

Эквивалентное количество АХОВ в облаке зараженного облака

определяется аналогично методу для вторичного облака при

свободном разливе. При этом суммарное эквивалентное количество Qэ

рассчитывается по формуле:

)(20Q 76

1

3254э

i

iii

n

i

iid

QKKKККК (5.41)

Где i – тип АХОВ; n – количество типов АХОВ.

Расчет глубины зоны заражения

Расчет глубины зоны заражения ведется с использованием

таблиц А и Б.

В таблице А приведены максимальные значения глубины зоны

заражения первичным (Г1) и вторичным (Г2) облаком АХОВ. Они

определяются по эквивалентному количеству вещества и скорости

ветра на высоте 10 м.

Полная глубина (Г) зоны заражения, обусловленной

воздействием первичного и вторичного облака АХОВ, определяется

по формуле:

Г = Гmax + 0,5×Гmin (5.42)

Гmax - наибольший из размеров Г1 и Г2.

Гmin - наименьший из размеров Г1 и Г2.

122

Затем рассчитывается предельно возможное значение глубины

переноса воздушных масс:

Гп = N×ν (5.43)

Полученное значение Г сравнивается со значением Гп.

За окончательную расчетную глубину зоны заражения (Гз)

принимается меньшее из двух сравниваемых между собой значений.

Определение площади зоны заражения АХОВ

Площадь зоны возможного заражения определяется по формуле:

Sв = 8,72·10-3

·Гз2·θ (5.44)

Площадь зоны фактического заражения определяется по

формуле:

Sф = К8·Гз2·N

0,2 (5.45)

Определение времени подхода зараженного облака к объекту

Время подхода облака АХОВ к заданному объекту зависит от

скорости переноса облака воздушным потоком и определяется по

формуле:

t = X/ν (5.46)

Таблица 5.17. - Перечень величин используемых в методике

Обозн. Наименование Ед.

изм.

h Толщина слоя разлитой жидкости м

Н Высота поддона (обваловки) м

Q0 Количество выброшенного (разлившегося) при

аварии вещества

т

Qэ Суммарное эквивалентное количество АХОВ

на ХОО

т

Q2э Эквивалентное количество АХОВ во

вторичном облаке

т

Q1э Эквивалентное количество АХОВ в первичном

облаке

т

F Площадь общего поддона для группы емкостей м2

d Плотность АХОВ т/м3

Vx Объем хранилища м3

n Содержание АХОВ в природном газе %

Vг Объем секции газопровода между

автоматическими отсекателями

м3

Т Время испарения АХОВ с площади разлива час

N Время прошедшее после начала аварии час

123

Продолжение таблицы 5.17

Обозн. Наименование Ед.

изм.

ν Скорость переноса переднего фронта

зараженного воздуха

км/ч

Гmax Наибольший из размеров Г1 и Г2 км

Гmin Наименьший из размеров Г1 и Г2 км

Г1 Глубина зоны заражения первичным облаком

АХОВ

км

Г2 Глубина зоны заражения вторичным облаком

АХОВ

км

Г Полная глубина зоны заражения,

обусловленной воздействием первичного и

вторичного облака АХОВ

км

Гп Предельно возможное значение глубины

переноса воздушных масс

км

Гз Расчетная глубина зоны заражения км

Sв Площадь зоны возможного заражения АХОВ км2

θ Угловые размеры зоны возможного заражения град

tв Температура воздуха, оC

U Скорость ветра на высоте 10 м м/с

СВУА Степень вертикальной устойчивости атмосферы

Х Расстояние от источника заражения до

заданного объекта

км

t Время подхода облака АХОВ к заданному

объекту

час

124

Таблица 5.18 - Коэффициенты

Обозн

ачени

е

Наименование Способ

определ

ения

Значе-

ние

К1 Коэффициент, зависящий от условий

хранения АХОВ

К2 Коэффициент, зависящий от физико-

химических свойств АХОВ

К3 Коэффициент равный отношению

пороговой токсодозы хлора к

пороговой токсодозе другого АХОВ

К4 Коэффициент, учитывающий скорость

ветра

К5 Коэффициент, учитывающий степень

вертикальной устойчивости атмосферы

К6 Коэффициент, зависящий от времени N,

прошедшего после начала аварии

К7 Коэффициент, учитывающий влияние

температуры воздуха

К8 Коэффициент, зависящий от степени

вертикальной устойчивости атмосферы

Таблица 5.19 - Исходные данные

№ Параметр Значение

1. Тип и фазовое состояние АХОВ

2. Количество выброшенного (разлившегося)

при аварии вещества, Q0, т

3. Характер разлива АХОВ на подстилающей

поверхности

4. Высота поддона или обваловки, H, м

5. Площадь общего поддона для группы

емкостей, F, м2

6. Температура воздуха, tв, оC

7. Скорость ветра на высоте 10 м, U, м/с

8. Степень вертикальной устойчивости

атмосферы, СВУА

(или время суток и облачность)

9. Время прошедшее после начала аварии, N,

час

10 Расстояние до объекта, Х, км

125

5.6.6 Порядок нанесения зон заражения на топографические карты и схемы

Зона возможного заражения облаком АХОВ на топографических

картах и схемах ограничена окружностью, полуокружностью или

сектором, имеющим угловые размеры φ и радиус, равный глубине

зоны заражения Г.

Центр окружности, полуокружности или сектора совпадает с

источником заражения. Зона фактического заражения, имеющая

форму эллипса, включается в зону возможного заражения. Ввиду

возможных перемещений облака АХОВ под воздействием ветра

фиксированное изображение зоны фактического заражения на карты

не наносится.

1. При скорости ветра по прогнозу меньше 0,5 м/с зона заражения

имеет вид окружности. Точка "О" соответствует источнику

заражения; угол θ = 3600; радиус окружности равен Г.

2. При скорости ветра по прогнозу 0,6…1 м/с зона заражения

имеет вид полуокружности. Точка "О" соответствует источнику

заражения; угол φ = 1800; радиус полуокружности равен Г,

биссектриса угла совпадает с осью следа облака и ориентирована по

направлению ветра.

При скорости ветра по прогнозу6ольше 1 м/с зона заражения

имеет вид сектора. Точка "О" соответствует источнику заражения. θ =

90о при U = 1,1…2 м/с. θ = 45

о при U > 2 м/с.

Радиус сектора равен Г, биссектриса сектора совпадает с осью

следа облака и ориентирована по направлению ветра.

Рисунок 5.5 Обобщенная схема расчета

θ

О

О θ

Г Г

Г

Рисунок 5.6 - Формы нанесения зон заражения на карту.

О

126

Глава 6. ОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СОДЕРЖАЩИХ

ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующие излучения и их характеристика. Радиационная опасность. Радиационно опасные объекты. Радиационные аварии.

6.1 ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

6.1.1 Виды ионизирующих излучений Под термином «радиация» обычно понимают ионизирующее

излучение, способное вызывать определенные изменения в живой и

неживой материи.

Ионизирующим излучением (ИИ) считается любое излучение,

взаимодействие которого со средой приводит к образованию

электрических зарядов разных знаков.

Способность веществ испускать ионизирующие излучения

называется радиоактивностью. Вещества, испускающие

ионизирующие излучения называются радиоактивными веществами.

Процессы, в результате которых возникает радиация, называются

радиоактивными процессами или радиоактивностью.

Радиоактивность – это процесс распада ядер атомов,

сопровождающийся ионизирующим излучением.

Радиоактивность может быть естественной или искусственной

(наведенной).

Ионизирующее излучение состоит из ионизирующих частиц. К

ионизирующим частицам относят корпускулы и фотоны.

Корпускулы - частицы с массой покоя отличной от нуля.

Фотоны - кванты электромагнитного излучения с нулевой

массой покоя.

ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

▼ ▼

Корпускулярное излучение Фотонное излучение

Альфа-излучение

Бета-излучение

Протонное излучение

Нейтронное излучение

Гамма-излучение

Характеристическое излучение

Тормозное излучение

Рентгеновское излучение

Рисунок 6.1 – Виды ионизирующих излучений.

127

Корпускулярное излучение – ионизирующее излучение,

состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля. К

корпускулярному ионизирующему излучению относятся альфа-

излучение, бета-излучение, протонное, нейтронное излучения.

Альфа-излучение – корпускулярное излучение, состоящее из

ядер атомов гелия.

Бета-излучение – излучение, состоящее из электронов или

позитронов.

р-излучение – излучение, состоящее из протонов.

n-излучение – излучение, состоящее из нейтронов.

Фотонное излучение – электромагнитное косвенно

ионизирующее излучение. К фотонному ионизирующему излучению

относят гамма-излучение, характеристическое, тормозное и

рентгеновское излучения.

Гамма-излучение. Электромагнитное излучение, возникающее

при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных

превращениях или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение. Электромагнитное излучение,

возникающее при изменении энергетического состояния электрона

атома. Имеет дискретный энергетический спектр.

Тормозное излучение. Электромагнитное излучение,

возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных

частиц. Имеет непрерывный энергетический спектр.

Рентгеновское излучение. Электромагнитное излучение,

состоящее из тормозного и характеристического излучений.

Рисунок 6.2 - Формирование фотонных излучений.

γ - излучение

Характеристическое излучение

Тормозое

излучение

Характеристическое излучение

Рентгеновское излучение

128

6.1.2 Активность Источниками ионизирующих излучений (ИИИ) называют

вещества или установки, при использовании которых возникают

ионизирующие излучения.

Современные ядерно-технические установки обычно

представляют собой сложные источники излучений. Любой источник

излучения характеризуется:

видом излучения;

геометрией источника (формой и размером);

мощностью источника;

энергетическим составом;

временным распределением излучения;

угловым распределением излучения.

Мощность источника ионизирующих излучений характеризуется

его активностью(А).

Под активностью (А) понимается среднее число атомов

радиоактивного вещества распадающихся в единицу времени.

Более строгим является следующее определение:

Под активностью (А) понимается отношение числа dN

спонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений,

происходящих в источнике за интервал времени dt, к этому интервалу.

А = dN/dt (

6.1)

dN – число атомов РВ, распавшееся за интервал времени dt.

Отношение активности к массе, объему, площади или длине

источника называется удельной, объемной, поверхностной или

линейной активностью источника соответственно.

Удельная активность радионуклида – отношение активности

радионуклида в образце к массе образца: Аm = А/m.

Объемная активность радионуклида – отношение активности

радионуклида в образце к объему образца: АV = А/V.

Поверхностная активность радионуклида – отношение

активности радионуклида содержащегося на поверхности образца к

площади поверхности этого образца: АS = А/S.

Линейная активность радионуклида – отношение активности

радионуклида содержащейся на длине образца к его длине: АL = А/L

Изменение активности во времени описывается

экспоненциальной зависимостью получившей название Закон

радиоактивного распада:

Аt = A0×exp(-λ·t) (

6.2)

129

A0 – активность радионуклида в источнике в начальный момент

времени (t=0).

λ – постоянная распада (отношение доли ядер радионуклида,

распадающихся за интервал времени dt, к этому интервалу).

λ = 0,693/T½ (6.3)

T½ – период полраспада радионуклида (время в течение

которого число ядер в результате радиоактивного рампада

уменьшается в 2 раза). 0,693 = ln2.

На практике часто вместо экспоненциального закона изменение

активности во времени определяется степенной зависимостью

предложенной Веем и Вигнером: n

tt

tAA

0

0

(

6.4)

A0 – активность осколков деления в момент времени t0;

At – активность осколков деления в момент времени t;

n - коэффициент зависящий от изотопного состава источника

ионизирующего излучения и от времени прошедшего после

аварийного выброса или ядерного взрыва.

Для практических расчетов в широком диапазоне времени

принимают:

n = 0,4 (для радиационной аварии);

n = 1,2 (для ядерного взрыва).

Единица активности радионуклида–беккерель (Бк). 1Бк=1расп/с.

Беккерель равен активности источника в котором за время 1 сек

происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная

единица активности – кюри (Ки).

Кюри – это активность источника в котором за время 1 сек

происходит 37 миллиардов спонтанных ядерных превращений

(1 Ки = 3,7·1010 Бк) (1 Ки/км2 = 37000 Бк/м2).

Свяжем массу m радионуклида в граммах (без учета массы

неактивного носителя) с его активностью А в беккерелях. m = N×ma,

где ma – масса одного атома в граммах. ma = Ма/Na,

где Ма – молекулярная масса,

Na – постоянная Авогадро, Na = 6,022×1023 моль-1.

А = 4,17×1023

× m/ (Ма×T½) (

6.5)

Для описания источников кроме активности (удельной

активности) источника (изотопа) используют такие характеристики

как: выход реакции, период полураспада, энергетическое

распределение излучения.

130

6.1.3 Дозовые характеристики ионизирующих излучений Объектом защиты от ИИ является человек. Мерой воздействия

ИИ на человека является доза.

Различают следующие виды доз: экспозиционная, керма,

поглощенная, эквивалентная, эффективная.

Экспозиционная доза Х – это отношение суммарного заряда dQ

всех ионов одного знака, созданных в сухом воздухе, когда все

электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном

объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к

массе воздуха в этом объеме:

Х = dQ/dm (6.6)

Единицы измерения: Кл/кг; рентген. [1Р = 2,58×10-4 Кл/кг],

[1Кл/кг = 3876 Р].

Понятием экспозиционной дозы желательно пользоваться для

фотонного излучения в воздухе, при энергии фотонов до 3 Мэв.

В иностранной литературе экспозиционную дозу называют также

- ионной. В настоящее время (с 1.01.1990г.) использование

экспозиционной дозы не рекомендуется. Это связано с тем, что

экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения,

поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения

разных видов.

Керма. Для оценки воздействия на среду косвенно

ионизирующих излучений всех видов используют понятие «керма»

(kerma – аббревиатура от английских слов kinetic energy released in

material).

Керма К – это отношение суммы первоначальных кинетических

энергий dWK всех заряженных ионизирующих частиц, образованных

под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном

объеме вещества к массе dm вещества в этом объеме:

К = dWK / dm (6.7)

Керма удобна тем, что она применима как для фотонов, так и для

нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Единицы

измерения: грей. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D – это

отношение средней энергии dŴ, переданной ионизирующим

излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в

этом объеме:

D = dŴ/dm (6.8)

131

То есть поглощенная доза - это отношение энергии

поглощенной веществом, к массе этого вещества. Единицы

измерения: грей. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Эквивалентная доза

Для разных видов излучения биологический эффект при прочих

равных условиях, в том числе и при одинаковой поглощенной дозе,

оказывается различным. При одной и той же поглощенной дозе

радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация,

создаваемая излучением. Для сравнения биологических эффектов,

производимых одинаковой поглощенной дозой различных видов

излучения, используют понятие относительной биологической

эффективности излучения (ОБЭ) или коэффициента качества

излучения WR.

Мы его будем называть «коэффициент качества излучения».

Для λ-квантов и β-частиц любых энергий WR = 1;

Для нейтронов WR от 5 до 10;

Для α-частиц WR = 20.

Таким образом, эквивалентная доза НТ,R – это поглощенная доза

в органе или ткани, умноженная на взвешивающий коэффициент для

данного вида излучения, WR.

НТ,R = WR.× DT,R (6.9)

где DT,R средняя поглощенная доза в органе или ткани Т,

а WR – взвешивающий коэффициент для излучения R.

(коэффициент качества)

В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах.

Внесистемной единицей эквивалентной дозы является 1 бэр.

1 Зв = 100 бэр или 1бэр = 0,01 Зв.

Разные органы или ткани имеют разные чувствительности к

излучению. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного

облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие

эффективной дозы.

Эффективная доза Е – сумма произведений эквивалентных доз в

органах и тканях человека НТ на взвешивающие коэффициенты для

этих органов и тканей WT.

T

TT HWE (6.10)

где НТ - эквивалентная доза в органе или ткани Т,

а WT – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т.

Сумма всех коэффициентов WT равна единице. При равномерном

облучении всего организма эквивалентная доза в каждом органе или

ткани одна и та же

132

НТ = Н, и, следовательно, Е = Н.

Коэффициент Wт имеет следующие значения: половые железы -

0,2; костный мозг - 0,12; кишечник - 0,12, желудок - 0,12, легкие -

0,12; мочевой пузырь - 0,05, молочные железы - 0,05, печень - 0,05,

пищевод - 0,05, щитовидная железа - 0,05; кожа - 0,01; кости - 0,01;

остальные органы - 0,05. Единицы измерения эффективной дозы –

зиверт.

∑WТ = 0,2 + 4×0,12 + 6×0,05 + 2×0,01=1.

Эффективная коллективная доза(S) это эффективная доза,

полученная группой людей от какого-либо источника радиации.

Эффективная коллективная доза является мерой коллективного риска

возникновения стохастических эффектов облучения. Она равна сумме

индивидуальных эффективных доз. Единица измерения эффективной

коллективной дозы – человеко-зиверт (чел-Зв), внесистемная –

человеко-бэр (чел-бэр): n

i

iES1

(6.11)

n – число людей.

Мощность дозы (уровень радиации) – это отношение

приращения дозы (D, K, X, H, E, S) за интервал времени dt к величине

этого интервала.

Мощность экспозиционной дозы: dtdXX /ˆ [Р/час ]

Мощность кермы: dtdKK /ˆ [Гр/час]

Мощность поглощенной дозы dtdDD /ˆ [Гр/час]

Мощность эквивалентной дозы dtdHH /ˆ [Зв/час]

Мощность эффективной дозы Ê = dE/dt [Зв/час]

При проведении практических расчетов обычно дозу, вне

зависимости от ее вида обозначают буквой D, а мощность дозы

обозначают буквой Р.

Применив степенную зависимость Вигнера – Вея, получим: n

tt

tРР

0

0 (6.12)

Р0 – мощность дозы в момент времени t0;

Рt – мощность дозы в момент времени t.

Для ядерного взрыва (n = 1,2):

D = 5,0×( tн Рн ·– tк Рк) (6.13)

Для радиационной аварии (n = 0,4): D = 1,7×( tк·Рк – tн·Рн) (6.14)

6.1.4 Связь активности и мощности дозы

133

Связь активности с дозовыми величинами осуществляется через

керма-постоянную радионуклида (Гδ).

Мощность воздушной кермы Ќ, создаваемой фотонами от

точечного изотропно излучающего источника с активностью А

находящегося в вакууме на расстоянии R от источника равна:

произведению керма-постоянной данного радионуклида и активности

источника деленному на квадрат этого расстояния:

Рисунок 6.3 - Связь активности и мощности дозы.

Ќ = Гδ ×А / R2 [Гр/с]. (6.15)

Керма-постоянная радионуклида Гδ – это отношение мощности

воздушной кермы Ќ, создаваемой фотонами с энергией больше

заданного порогового значения δ от точечного изотропно

излучающего источника данного радионуклида, находящегося в

вакууме на расстоянии r от источника, умноженной на квадрат этого

расстояния, к активности А источника:

Гδ = Ќ× R2/А [Гр·м

2/(с·Бк)]. (6.16)

Раньше использовалась гамма-постоянная (Г) – это отношение

мощности экспозиционной дозы Р, создаваемой γ-излучением

точечного изотропного источника данного радионуклида на

расстоянии R, умноженной на квадрат этого расстояния, к активности

А этого источника:

Р = Г×А/R2 (6.17)

Г = Р× L2/А [Гр·м

2/(с·Бк)] (6.18)

На практике, для того чтобы связать активность с мощностью

дозы используют коэффициент kγ.

kγ – это коэффициент перехода от плотности заражения к уровню

радиации.

Р = kγ.× АS (6.19)

kγ. =Р/АS [Р·м2/(час·Ки)] (6.20)

АS - поверхностная активность (плотность загрязнения) АS=А/S[Бк/м2].

В НРБ-99 используется понятие дозового коэффициента ε:

ε = Ĥ/А [Зв/Бк] (6.21)

6.1.5 Поле ионизирующего излучения

Р=Г×(А/R2)

А

R

R 2ˆ RAГK

134

Ионизирующие излучения создают в пространстве или среде

поле излучения, характеризуемое пространственно - временным

распределением излучения в рассматриваемом объеме.

То есть «Полем ионизирующего излучения называется

распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде».

Для описания полей излучения используется несколько

физических величин: поток (флюенс) частиц или квантов, плотность

потока (мощность флюенса), поток энергии и плотность потока

энергии (интенсивность излучения).

Кроме того, поля характеризуют распределением частиц или

квантов по их энергиям, угловым распределением, выражаемым

значением плотности направленного потока излучения в данной точке

под разными углами и компонентным составом излучения.

Для описания процессов взаимодействия ИИ со средой и

передачи энергии облучаемому веществу, в том числе, органе или

ткани человеческого тела, используются различные физические

величины: доза (поглощенная), мощность дозы, эквивалентная доза,

керма, линейная потеря энергии и т.д. В зависимости от величины,

характеризующей ионизирующее излучение, различают поле

плотности потока ионизирующих частиц, поле мощности дозы, поле

мощности кермы.Основной величиной, характеризующей поля ИИ,

является флюенс. (Вместо термина «флюенс» иногда используется

менее распространенный термин «перенос»). Различают флюенс

частиц и флюенс энергии.

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц отношение числа

ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной

сферы, к площади поперечного сечения dS этой сферы:

Ф = dN/dS. [м-2

] [см-2

]. (6.22)

Теперь дадим определение плотности потока. Плотность потока

ионизирующих частиц – это отношение флюенса ионизирующих

частиц dФ за интервал времени dt к этому интервалу:

θ = dФ/dt [м-2

·с-1

] [см-2

с-1

]. (6.23)

В некоторых случаях надо знать не поток ионизирующих частиц, а их

энергию. В этих случаях используют флюенс энергии ионизирующих

частиц и плотность потока энергии ионизирующих частиц.

Флюенс энергии ионизирующих частиц Фw - отношение энергии

ионизирующего излучения dW, проникающего в элементарную сферу, к

площади центрального сечения dS этой сферы:

Фw = dW/dS [Дж/м2] [МэВ/см

2]. (6.24)

Плотность потока энергии ионизирующих частиц или

интенсивность ионизирующих частиц (термин «интенсивность»

получил широкое распространение как удобный синоним термина

135

«плотность потока энергии») – отношение флюенса энергии

ионизирующих частиц dФw за интервал времени dt к этому

интервалу:

I = dФw/ dt [Вт/м2] [МэВ/(см

2·с)]. (6.25)

6.2 РАДИАЦИОННАЯ ОПАСНОСТЬ

6.2.1 Фоновое облучение человека

Фоновое облучение человека создается космическим излучением,

а также естественными и искусственными радиоактивными

веществами, содержащимися в теле человека и в окружающей среде.

В соответствии с Законом РФ №3-ФЗ «О радиационной безопасности

населения» фоновое облучение (ФО) делят на две составляющие:

- естественный радиационный фон (ЕРФ);

- техногенно измененный радиационный фон (ТИРФ).

Кроме радиационного фона, облучение человека в повседневных

условиях (ОЧП) складывается из облучения при медицинских

процедурах (ОМП) и облучение при использовании бытовой техники

(ОБТ):

θ = dФ/dt [м-2

·с-1

] [см-2

с-1

]. (6.26)

ОЧП = ЕРФ + ТИРФ + ОМП + ОБТ

Наибольший вклад вносят источники, имеющие природное

происхождение (ЕРФ). Причем эта доза в два раза выше техногенной,

регламентированной для населения за год.

В Законе «О радиационной безопасности населения» даны

следующие определения:

Естественный радиационный фон – это доза излучения,

создаваемая космическим излучением и излучением природных

радионуклидов, естественно распределенных в земле, воде, воздухе,

других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме

человека.

Техногенно измененный радиационный фон – это

естественный радиационный фон, измененный в результате

деятельности человека.

ЕРФ характеризуется средней годовой эффективной дозой (Еерф)

внутреннего и внешнего облучения за счет всех природных

радионуклидов содержащихся в окружающей среде (земная радиация

и космические излучения). Еерф находится в пределах 1,68…1,91 мЗв

(примерно 2 мЗв).

Как видно из таблицы 6.1 внутреннее облучение, получаемое

людьми за счет поступления РН естественного происхождения в

136

организм с пищей, водой и воздухом составляет примерно 2/3 от

общей дозы: 10…15% этой дозы приходится на РН углерода-14 ( С14

6 ),

калия-40 ( К40

19 ) и трития ( Н3

1 ). Основная же часть дозы облучения

обусловлена РН ряда Урана-238 ( U238

92 ) и Тория-232 ( Th232

90 ). Отдельные

из них поступают с пищей:

— Так Свинец-210 ( Pb210

82 ) и Полоний-210 ( Po210

84 )

концентрируются в рыбе и моллюсках.

— Мясо северных оленей имеет высокое содержание Полония-

210 ( Po210

84 ), так как лишайники селективно концентрируют этот РН.

Таблица 6.1 – Облучение человека в повседневных условиях

ОБЛУЧЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА В ПОВСЕДНЕВНЫХ УСЛОВИЯХ

▼ ▼ ▼

Естественный

радиационный фон

(ЕРФ)

Техногенно

измененный

радиационный фон

(ТИРФ)

Медицина и

бытовая техника

1. Внутреннее

облучение от земной

радиации 1,325

мЗв/год.

2. Внешнее облучение

от земной радиации

0,350 мЗв/год.

3. Внутреннее

облучение от

космических

излучений:

0,015 мЗв/год.

4. Внешнее облучение

от космических

излучений 0,3 мЗв/год.

Таким образом,

средняя годовая

эффективная доза (Е)

внутреннего и

внешнего облучения

за счет ЕРФ

составляет примерно

1. Радиационный фон

от радиоактивных

осадков ядерных

взрывов – 0,02

мЗв/год.

2. Радиационный фон

от объектов атомной

энергетики – 0,001

мЗв/год.

1. Медицинские

обследования – 1

мЗв/год.

2. Облучение от

электронной

аппаратуры – 0,01

мЗв/год.

1,990 мЗв/год. 0,021 1,010

137

Естественный радиационный фон Однако наиболее весомый вклад в величину внутреннего

облучения вносит Радон-222 ( Rn222

86 ). Он имеет период полураспада Т1/2

= 3,85 дня. Радон-222 ( Rn222

86 ), вместе с продуктами своего распада дает

1…1,2 мЗв (3/4 годовой индивидуальной дозы за счет облучения от

земных источников радиации). Основными источниками поступления

радона являются:

— земная поверхность с высоким содержанием РН уран-

ториевого ряда (скальный грунт, отдельные виды глинозема и т.д.);

— строительные материалы (отдельные типы гранитов, пемза,

фосфогипс, кирпич из красной глины, доменный шлак, зольная пыль

после сгорания угля и т.д.);

— природный газ, сгораемый в невентилируемых помещениях;

— вода, особенно опасен радон, распыленный в ванной комнате,

так как его поражающее действие на легкие наиболее высокое. Так его

концентрация в ванной комнате в среднем в три раза выше, чем на

кухне и в 40 раз выше, чем в жилых помещениях.

Опасность радона обусловлена поражающим действием альфа и

гамма излучения с достаточно высокой энергией.

Техногенно измененный радиационный фон

Техногенно измененный радиационный фон – это

естественный радиационный фон, измененный в результате

деятельности человека. Он складывается из двух составляющих:

— радиационный фон от радиоактивных осадков ядерных

взрывов;

— радиационный фон от объектов атомной энергетики.

Радиационный фон от радиоактивных осадков ядерных

взрывов. Начиная с 40-х годов, когда впервые были произведены

ядерные взрывы, практически все население планеты подверглось и

продолжает подвергаться облучению, обусловленному наличием в

различных природных средах РН, образованных в результате деления

ядерных материалов, применяемых в ЯБП.

Основной вклад в ожидаемую эффективную эквивалентную дозу

облучения населения дают только несколько РН осколочного

происхождения:

— Цезий-137 ( Cs137

55 );

— Цирконий-95 ( Zr95

40 );

— Стронций-90 ( Sr90

38 )

— и наиболее долгоживущий Углерод-14 ( С14

6 ).

138

Так если Цирконий-95 ( Zr95

40) к сегодняшнему дню прекратил свое

поражающее действие, а Цезий-137 ( Cs137

55 ) и Стронций-90 ( Sr90

38 )

наполовину распались, то Углерод-14 ( С14

6 ) потерял лишь 7% своей

активности.

Суммарная ожидаемая коллективная доза от всех ЯВ,

произведенных в мире к настоящему времени составляет около

307млн. чел-Зв. К 2000 году человечество получило всего около 20%

от этой дозы. На сегодняшний день фон от осадков ЯВ дает 0,02 мЗв в

год.

Радиационный фон от объектов атомной энергетики. При

отсутствии аварий объекты атомной энергетики дают ожидаемую

коллективную дозу облучения 5,5чел-Зв на каждый ГВт-год по

короткоживущим РН и 670 чел-Зв по долгоживущим. Эти цифры не

учитывают вклад РАО в ожидаемую дозу, которая оценивается в

1…2% от указанных выше значений. Годовая эффективная доза

каждого жителя Земли от объектов атомной энергетики оценивается

менее 1% от естественного уровня радиации и составляет 0,001

мЗв/год.

Доза облучения, создаваемая антропогенными источниками (за

исключением облучений при медицинских обследованиях), невелика

по сравнению с естественным фоном ионизирующего облучения, что

достигается применением средств коллективной защиты.

Рассеивание в атмосфере радионуклидов, содержащихся в

выбросах, приводит к формированию зон загрязнения около

источника выбросов. Обычно зоны антропогенного облучения

жителей, проживающих вокруг предприятий по переработке ядерного

топлива на расстоянии до 200 км, колеблются от 0,1 до 65 %

естественного фона излучения.

Миграция радиоактивных веществ в почве определяется в

основном ее гидрологическим режимом, химическим составом почвы

и радионуклидов. Меньшей сорбционной емкостью обладают

песчаная почва, большей – глинистая, суглинки и черноземы.

Опыт ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС

показывает, что ведение сельскохозяйственного производства

недопустимо на территориях при плотности загрязнения выше 80

Ки/км2, а на территориях, загрязненных до 40...50 Ки/км

2, необходимо

ограничивать производство семенных и технических культур, а также

кормов для молодняка и откормочного мясного скота. При плотности

загрязнения 15...20 Ки/км2 по Сs137

55 сельскохозяйственное

производство вполне допустимо.

139

Источники ИИ используемые в медицине. Ионизирующее

излучение используются для лечения людей. Средняя доза,

получаемая населением при рентгенологических обследованиях,

определяется генетически значимой эквивалентной дозой (ГЗД). В

1986 году ГЗД составляла: Великобритания - 120 мкЗв, Япония - 150

мкЗв, СССР - 230 мкЗв. По данным специалистов, средняя

эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников в

медицине составляет около 1 мЗв (0,1 Бэр).

Предельные дозовые значения для медицинских процедур на

сегодняшний день не установлены. В НРБ 99 устанавливается что для

здорового человека годовая доза не должна быть выше 1 мЗв.

Электронная аппаратура. Телевизоры и другая электронная

аппаратура, где используются электровакуумные приборы с

напряжением более 20 кВ, являются источником мягкого

рентгеновского облучения, они дают вклад 0,01мЗв/год (1мбэр/год).

Для телевизоров допускается мощность экспозиционной дозы 100

мкР/час на расстоянии 10 см.

Таким образом, человек получает за счет фонового облучения,

медицинских процедур и облучения от электронной аппаратуры

2 + 1 + 0,01 = 3 мЗв/год. (6.27)

Таблица 6.2 – Показатели радиационного облучения

№ Составляющие радиационного

облучения

Величина

облучения

1 Естественный радиационный фон (ЕРФ); 1,68…1,91 мЗв/год

(≈2мЗв/год)

2 Радиационный фон от радиоактивных

осадков ядерных взрывов (РФЯВ);

+ 0,02 мЗв/год

3 Радиационный фон от объектов атомной

энергетики (РФАЭ).

+ 0,001 мЗв/год

Радиационный фон = 10…25 мкР/час

(≈15 мкР/час)

4 Медицинские обследования + 1 мЗв/год

5 Облучение от электронной аппаратуры + 0,01 мЗв/год

Облучение человека в повседневных

условиях

= 3 мЗв/год

Для человека, проживающего в промышленно развитых регионах

РФ, годовая суммарная эквивалентная доза облучения из-за высокой

частоты рентгенодиагностических обследований достигает 3000...3500

мкЗв/год (средняя на Земле доза облучения равна 2400 мкЗв/год).

6.2.2 Требования к ограничению облучения

140

Требования устанавливаются в соответствии с ФЗ№3 «О

радиационной безопасности населения», НРБ-99 и ОСПОРБ.

Устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

— персонал (группы А и Б);

— все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий

их производственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса

нормативов:

— основные пределы доз (ПД), приведенные в таблице 6.3;

— допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного

радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего

облучения), являющиеся производными от основных пределов доз:

пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые

объемные активности (ДОА), среднегодовые удельные активности

(ДУА) и другие;

— контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности

потоков и др.). Их значения должны учитывать достигнутый в

организации уровень радиационной безопасности и обеспечивать

условия, при которых радиационное воздействие будет ниже

допустимого. ПД устанавливаются Закон РФ №3-ФЗ «О

радиационной безопасности населения».

Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни

облучения персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала

группы А.

Для студентов и учащихся старше 16 лет, проходящих

профессиональное обучение с использованием источников излучения,

годовые дозы не должны превышать значений, установленных для

персонала группы Б.

Таблица 6.3 - Основные пределы доз

Нормируемые

величины

Пределы доз

Персонал (группа А) Население

Эффективная

доза

20 мЗв в год в среднем

за любые

последовательные 5

лет, но не более 50 мЗв

в год

1 мЗв в год в среднем за

любые

последовательные 5 лет,

но не более 5 мЗв в год

Эквивалентная

доза за год:

в хрусталике глаза

150 мЗв

15 мЗв

коже 500 мЗв 50 мЗв

кистях и стопах 500 мЗв 50 мЗв

141

Нормируемые величины дозовых нагрузок для персонала

составляют: эффективная доза - 20 мЗв/год (2 Бэр/год) за любые

последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв/год; эквивалентная доза

за год для хрусталика глаза - 150 мЗв, для кожи, кистей и стоп - 500

мЗв.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период

трудовой деятельности (50 лет) – 1000 мЗв, а дли населения за период

жизни (70 лет) – 70 мЗв.

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы

природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие

радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются

специальные ограничения.

Так доза от медицинского обследования для здоровых людей не

должна превышать 1 мЗв/год.

В помещениях естественный фон не должен быть выше уровня

радиации на открытой местности на 0,2 мкЗв/час (20 мкР/час). Т.е.

Рдоп.пом ‹ Ротк.мест+20мкР/ч.

При превышении 30 мЗв/месяц – временное отселение.

Планируемое облучение персонала группы А выше

установленных пределов доз при ликвидации или предотвращении

аварии может быть разрешено только в случае необходимости

спасения людей или предотвращения их облучения. Планируемое

повышенное облучение допускается для мужчин старше 30 лет лишь

при их добровольном письменном согласии, после информирования о

возможных дозах облучения и риске для здоровья.

Таблица 6.4 - Допустимые уровни радиоактивного загрязнения

рабочих поверхностей, кожи, спецодежды и средств индивидуальной

защиты, част/(см2 × мин)

Объект загрязнения Альфа-активные

нуклиды*

Бета-

активные

нуклиды отдельные** прочие

Неповрежденная кожа 2 2 200

Основная спецодежда 5 20 2000

Поверхности помещений

постоянного пребывания

персонала

5 20 2000

Поверхности помещений

периодического

пребывания персонала

50

200

10000

Наружная поверхность

дополнительных средств

50

200

10000

142

индивидуальной защиты,

снимаемой в саншлюзах

Планируемое повышенное облучение в эффективной дозе до 100

мЗв в год и эквивалентных дозах не более двукратных значений,

приведенных в таблице 3, допускается с разрешения территориальных

органов Госсанэпиднадзора, а облучение в эффективной дозе до 200

мЗв в год и четырехкратных значений эквивалентных доз по таблице 3

– только с разрешения федерального органа Госсанэпиднадзора.

Допустимые плотности загрязнения различных поверхностей на

основе данных НРБ-99 приведены в таблице 6.4.

6.3 РАДИАЦИОННО ОПАСНЫЕ ОБЪЕКТЫ

6.3.1 Ядерный топливный цикл Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) - это вся последовательность

повторяющихся производственных процессов, начиная от добычи

топлива (включая производство электроэнергии) и кончая удалением

радиоактивных отходов.

В зависимости от вида ядерного топлива (ЯТ) и конкретных

условий ЯТЦ могут различаться в деталях, но их общая

принципиальная схема сохраняется.

143

Добыча руды. Урана в земной коре (3-4) 10

-4%. Он рассеян в

горных породах, почве, воде морей и океанов. Урана в 1000 раз

больше, чем золота, в 30 раз больше серебра и столько же, сколько

цинка и свинца. Небольшая часть урана сконцентрирована в

месторождениях, где его в 102-10

3 больше, чем в среднем.

Добыча урановой руды осуществляется комплексно (например,

золотоурановые месторождения в ЮАР и ураново-фосфатные

месторождения во Флориде), шахтным, либо карьерным способом, а

также методом выщелачивания без выемки руды на поверхность.

Переработка руды. Урановые руды содержат рудные минералы

с ураном, и пустую породу, которую надо устранить, получив

химические концентраты урана. Производят дробление и измельчение

исходной руды (кроме случаев подземного выщелачивания),

выщелачивание (перевод урана из руды в раствор), селективное

выделение урана из растворов. Очень часто перед выщелачиванием

руду обогащают различными методами (радиометрический,

гравитационный и флотационный на различии смачивания

минералов). При добыче руд с содержанием, например 0.1%, для

получения 1 т U3O8 необходимо извлечь из недр 1000 т руды, не

считая пустой породы от проходок. Поэтому обычно

1. Добыча и переработка руды

2. Очистка урана от примесей и разделение изотопов

3. Изготовление тепловыделяющих элементов и сборок.

4. Использование ядерного горючего в реакторах.

5. Хранение и транспортировка отработанного ядерного топлива.

6. Радиохимическая переработка отработанного ядерного топлива.

7. Хранение и захоронение радиоактивных отходов.

Рисунок 6.4 - Обобщенная схема ядерного топливного цикла.

144

гидрометаллургические заводы, перерабатывающие руду,

сооружаются рядом с рудниками и карьерами.

Аффинаж. Полной очистки химических концентратов урана

достичь не удается (U3O8 - в одних концентратах 60-80%, в других 95-

96%). Такой уран не годится для топлива. При аффинаже завершается

очистка соединений урана от примесей и, особенно от элементов,

обладающих свойством захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий,

европий, гадолиний, самарий). Методы аффинажа разнообразны, в

результате получаются осадки урановых солей, из которых

прокаливанием и получают чистые оксиды урана: UO3, U3O8 и UO2 -

важнейшие промежуточные продукты уранового производства.

Производство UF6 и разделение изотопов. Современная

ядерная энергетика с реакторами на топливных нейтронах базируется

на слабообогащенном (2-5%) 235

U урановом топливе. В реакторах на

быстрых нейтронах, а также в исследовательских и транспортных

реакторах используется уран с ещѐ более высоким содержанием 235

U

(до 93%). Следовательно, прежде чем изготавливать топливо,

природный уран, содержащий только 0.72% 235

U, необходимо

обогатить - разделить изотопы 235

U и 238

U. Используются физические

методы (газодиффузионный и центробежный). В обоих методах

применяют UF6, для чего фторируют различные соединения урана.

Сначала из оксидов урана с помощью HF получают тетрофторид UF4,

а затем UF6. При фторировании попутно гексафторид урана

очищается от примесей, т.е.продолжается аффинаж. Метод диффузии

основан на явлении молекулярной диффузии через пористую

перегородку с мельчайшими отверстиями. При тепловом равновесии

молекулы 235

UF6 обладают большей средней скоростью теплового

движения и поэтому чаще ударяются о перегородку, проникают через

нее, а 238

UF6 будут концентрироваться перед перегородкой. 235

U в

количестве 0.25-0.3% находится в отвале и используется в

дальнейшем, как воспроизводящий материал в реакторах-

размножителях для производства плутония.

Изготовление топлива. Обогащенный уран служит исходным

сырьем для изготовления топлива ядерных реакторов. Ядерное

топливо применяется в реакторах в виде металлов, сплавов, оксидов,

карбидов, нитритов и других топливных композиций, которым

придается определенная конструктивная форма. Конструкционной

основой ядерного топлива в реакторе является ТВЭЛ, состоящий из

сердечника (топлива) и оболочки. В каждом из реакторов ВВЭР и

РБМК содержится около 50000 ТВЭЛов, заполненных таблетками из

диоксида урана. Все ТВЭЛы объединяются в тепловыделяющие

сборки (ТВС). На предприятиях, производящих ЯТ получают

145

порошок диоксида урана из UF6, изготовляют спеченные таблетки,

трубчатые оболочки ТВЭЛов, упаковывают таблетки в оболочки,

изготавливают ТВС для непосредственного использования в реакторе.

Топливо поступает в реактор и обеспечивает получение

электроэнергии.

Отработавшие ТВС выгружаются из реактора и затем либо

надежно и безопасно хранят, либо перерабатывают.

Хранение, транспортировка и радиохимическая переработка

отходов ядерного топлива (ОЯТ). В процессе радиохимической

переработки из ОЯТ в первую очередь извлекаются делящиеся

нуклиды для повторного использования в качестве ЯТ. Кроме того,

извлекаются другие ценные элементы. Активность ОЯТ настолько

высока, что его невозможно перерабатывать сразу после выгрузки из

реактора, поэтому ОЯТ хранится (выдерживается) в охлаждающих

бассейнах на АЭС перед транспортировкой в течение трех лет.

Транспортирование ОЯТ от АЭС на радиохимический завод -

важная стадия топливного цикла. Высокая активность перевозимого,

значительное остаточное тепловыделение до десятков КВт на тонну,

наличие делящихся веществ - требует принятия особых мер. ОЯТ

помещают в специальные контейнеры массой от 30 до 100 т, на долю

ОЯТ приходится лишь 2-5% общей массы. Применяются специальные

ж/д вагоны, автотрейлеры и плавучие суда.

Поступившие на радиохимический завод ОЯТ перегружают под

водой из контейнеров в бассейны-хранилища с толщей воды,

обеспечивающей радиационную защиту. Все операции выполняют с

дистанционным управлением. Контейнеры размещают в специальных

стеллажах, чтобы исключить критическую массу. Из бассейнов ТВС

поступают в отделение резки, где режутся на куски. Разрезанные

сборки попадают в растворители с азотной кислотой, где

осуществляется выщелачивание (извлечение) урана, плутония, других

ценных элементов, затем производится их переработка, после чего

уран и плутоний переводятся в раствор, не содержащий продуктов

деления.

Хранение и переработка радиоактивных отходов. В

зависимости от удельной активности твердые, жидкие и газообразные

радиоактивные отходы делят на три категории. Например, жидкие

отходы классифицируются так: низкоактивные - менее 3.7×105

Бк/л,

среднеактивные от 3.7×105

до 3.7×1010

Бк/л и высокоактивные -

больше 3.7×1010

Бк/л. Признана оптимальной следующая схема

переработки ОЯТ:

Хранение в жидкой форме для снижения остаточного

тепловыделения;

146

Отверждение выдержанных жидких отходов и временное

хранение в контролируемых условиях;

Окончательное захоронение отвержденных отходов в стабильных

геологических формациях;

Из 12-ти предприятий топливного цикла - три радиохимические.

На этих предприятиях происходят:

- неконтролируемое накопление делящихся веществ в отдельных

фазах производства;

- образование в ходе технологических процессов

взрывопожароопасных газовых смесей;

- наличие химических процессов, протекающих с высоким

экзотермическим эффектом;

- использование оборудования с опасной геометрией.

6.3.2 Характеристика радиационно опасных объектов К радиационно опасным объектам относятся:

1. Атомные реакторы.

2. Космические корабли с ЯЭУ

3. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы.

4. Ядерные боеприпасы.

5. Хранилища и могильники.

6. Радиохимические лаборатории.

Кроме того, сейчас широко используются различные

радиоизотопные приборы (РИПы) как пожарные извещатели,

уровнемеры и т.п.

На начало 21 века в 27 странах мира было 430 энергоблоков на

АЭС и 580 ядерных реакторов на судах.

К основным радиационно-опасным объектам России относятся 29

энергоблоков на 9 АЭС (31 на 10) примерно 20 ГВт, 113

исследовательских ядерных установок, 12 промышленных

предприятий топливного цикла, 30 исследовательских организаций, 9

атомных судов с 15 ЯЭУ, 13000 предприятий, использующих РВ, 16

региональных комбинатов по переработке и захоронению

радиационно активных отходов.

В С.Петербурге и области насчитывается порядка 20 объектов -

источников радиационного риска. Наибольшего внимания

заслуживают атомные энергетические установки на Ленинградской

АЭС, стенде НИТИ в г. Сосновый Бор; исследовательские атомные

реакторы ПИЯФ, ЦНИИ им. A.H. Крылова, транспортные АЭУ на

судостроительных предприятиях; радиохимические лаборатории 1го

класса работ с радиоактивными веществами.

147

Атомные реакторы

Все типы атомных реакторов являются опасными источниками

радиоактивного заражения, т.к. в них в процессе работы

накапливается большое количество радиоактивных веществ. В

атомном реакторе цепная реакция идет в специальном устройстве -

тепловыделяющем элементе (ТВЭЛе). ТВЭЛ имеет оболочку из

цирконий-ниобиевого сплава или нержавеющей стали, внутри которой

помещаются таблетки из окиси плутония или урана нужной степени

обогащения.

В процессе работы ядерного реактора в ТВЭЛах происходит

выделение энергии, которая передаѐтся через стенки ТВЭЛа

теплоносителю. При этом в реакторе происходит накопление

радионуклидов, как за счѐт деления ядерного горючего, гак и за счѐт

активации нейтронами ядерного горючего и элементов, входящих в

конструкцию ядерного реактора

При нормальной работе ядерного реактора температура стенок

ТВЭЛа составляет около 800°С (внутри ТВЭЛа до 2500°С), тепло от них

отводится за счѐт охлаждения водой, которая нагревается до 285 -

320°С на выходе из реактора, частично превращаясь в пар и создавая

давление в системе 7 - 1 6 МПа в зависимости от типа ядерного реактора.

При таких параметрах работы ТВЭЛа часть продуктов деления

находится в парообразном состоянии и способна проникать через

микротрещины в стенках ТВЭЛа в окружающую среду, загрязняя

пароводяную смесь радиоактивными веществами.

Таблица 6.5 - Характеристики АЭС действующих в России

(из программы развития ядерной энергетики РФ на период до 2010 г.)

АЭС Номер

блока

Тип

реактора

Электрическая

мощность

(брутто), МВт

Срок окончания

эксплуатации,

год

Белоярская 3 БН-600 600 2010

Билибинская 1 ЭГП-6 12 2004

2 ЭГП-6 12 2004

3 ЭГП-6 12 2005

4 ЭГП-6 12 2006

Балаковская 1 ВВЭР-1000 1000 2015

2 ВВЭР-1000 1000 2017

3 ВВЭР-1000 1000 2018

4 ВВЭР-1000 1000 2023

Калининская 1 ВВЭР-1000 1000 2014

2 ВВЭР-1000 1000 2016

148

Кольская 1 ВВЭР-440 440 2003-2008

2 ВВЭР-440 440 2004-2009

3 ВВЭР-440 440 2011

4 ВВЭР-440 440 2014

Курская 1 РБМК-1000 1000 2006-2011

2 РБМК-1000 1000 2009-2014

3 РБМК-1000 1000 2013

4 РБМК-1000 1000 2015

Ленинградская 1 РБМК-1000' 1000 2003-2008*

2 РБМК-1000 1000 2005-2010*

3 РБМК-1000 1000 2009-2014*

4 РБМК-1000 1000 2011

Нововоронеж-

ская

3 ВВЭР-440 417 2001-2006

4 ВВЭР-440 417 2002-2007

5 ВВЭР-1000 1000 2010

Смоленская 1 РБМК-1000 1000 2012

2 РБМК-1000 1000 2015

3 РБМК-1000 1000 2020

Ростовская

(Волгодонская)

1 ВВЭР-1000 1000 Энергоблок

утвержден к

эксплуатации

25.12.2001 г.

При работе реактора постоянно происходит утечка РВ эти РВ

выходят в атмосферу через вентиляционную трубу. При нормальной

работе это неопасно. В случае аварии на АЭС выход РВ в атмосферу

резко увеличивается и представляет опасность для персонала и

населения, проживающего вблизи АЭС.

Корабельные АЭУ

Принципиальным отличием корабельных реакторов от

реакторов АЭС является использование в качестве топлива

высокообогащенного урана, а также их высокая внешняя

защищенность.

Космические корабли с ЯЭУ

Космические корабли с ЯЭУ используют плутоний-238, который

выделяет в 280 раз больше энергии, чем оружейный плутоний-239 и

соответственно в 280 раз более радиоактивен. Всего 450 граммов

плутония-238 при его равномерном распределении в атмосфере

достаточно, чтобы вызвать рак у всех людей, населяющих Землю. В

1964 г. американский "Транзит" с радиоизотопным генератором

149

потерпел аварию и сгорел в атмосфере над Индийским океаном. Над

Землей было рассеяно более 950 г плутония-238.

В 1978 г. советский "Космос-945" с ЯЭУ разрушился, войдя в

плотные слои атмосферы, многотонная масса вместе с 37.1 кг ОЯТ

испарилась и была рассеяна, что привело к РЗ 100 тыс. км2 Канады.

Сегодня угрозу представляет американский космический зонд -

"Кассини", запущенный в 1997 с реактором на 32.7 кг плутония-238. В

августе 1999 г. он пролетел на расстоянии 500 км. от Земли; в случае

аварии по оценке NASA 5 млрд. человек могут получить

радиотоксичное поражение.

Всего с ЯЭУ в космос было запущено 48 космических аппаратов

(36 - наши, 12 - американских). На 6-ти из них были аварии.

Риск катастроф увеличивается в космосе в связи с образованием

мусора (остатки космических аппаратов, отработавшие свое зонды,

отделившиеся ступени ракет и пр), общая масса которого превышает

3000 т. Сейчас в околоземном пространстве насчитывается примерно

8 тыс. фрагментов размером более 10 см, и примерно 300 тыс. более

мелких, но тоже очень опасных. Если космический мусор не убирать,

то возможны катастрофические столкновения спутников и ракет с

твердыми фрагментами.

Сейчас программы с использованием ЯЭУ на плутонии-238

сворачиваются из-за дороговизны. В 1993 г. мы подписали контракт о

продаже США 5 кг. плутония-238 за 6 млн. долларов (бросовая цена).

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы Для питания электричеством необслуживаемых, автоматически

действующих средств навигационного оборудования используются

радиоизотопные энергетические источники питания (РИТЭГи). Работа

РИТЭГ основана на превращении тепловой энергии, выделяющейся

при распаде радиоизотопного топлива на основе стронция-90 в

электрохимическую при помощи термоэлектрического блока.

Начальная активность этих источников составляет от 40 до 3000 Ku, в

зависимости от типа. Мощность дозы излучения на поверхности

РИТЭГ может достигать величины равной 200 мP/ч.

РИТЭГи являются закрытыми источниками ионизирующего

излучения с обеспечением высокой степени безопасности по таким

критериям, как герметичность, механическая, термическая и

коррозионная устойчивость. Радионуклид 90

Sr (точнее титанит

стронция - SrTiO3) помещен в герметически закрытой жаропрочной

стальной ампуле, окруженной свинцовой защитой. Закрытый

характер, высокая степень герметичности и защиты от ионизирующих

излучений, позволяет обеспечить необходимый уровень безопасности

150

персонала и населения, проживающих в районах берегового

расположения навигационного оборудования.

Ядерные боеприпасы Особое место в перечне радиационно опасных объектов занимают

ядерные боеприпасы. Главными компонентами ЯБП, с точки зрения

опасности, являются взрывчатые вещества и ядерное горючее.

Хранилища и могильники Твердые и жидкие радиоактивные отходы, образующиеся при

эксплуатации АЭУ, подлежат временному хранению в специальных

хранилищах. В настоящее время количество радиоактивных отходов в

РФ каждый год возрастает, а переработка их из-за нехватки

производственных мощностей радиохимических заводов не

осуществляется. В С.-Петербургском регионе в г. Сосновый Бор

функционирует специализированный комбинат по захоронению

жидких и твердых РАО, поступающих с Ленинградской АЭС, а

также других объектов, оснащенных ядерными реакторами и

радиохимическими лабораториями. На этом комбинате

предусматривается переработка РАО, дезактивация спецодежды и

белья. Емкость хранилищ составляет 40 тыс.м3.

В области находится два бетонированных захоронения с

оборудованием, не подлежащим дезактивации, с атомного ледокола

―Ленин‖. В приемниках указанных могильников уровень излучений

составляет 1500 мкР/ч. В регионе имеются опасные в радиационном

отношении места сброса и захоронения различного рода РАО и

материалов, осуществлявшихся в 40-50 годы без должных мер

безопасности и долгосрочного прогноза поведения и распространения

радионуклидов в ОПС. К таким местам относится участок

Васильевского острова в районе Шкиперского протока (5 квартал).

Здесь обнаружены загрязненные радиоактивными веществами пласты

грунта, которые вытянуты в сторону понижения рельефа. В пробах

содержатся радиоизотопы цезия, стронция, а также -активные

радионуклиды.

Радиохимические лаборатории. К объектам повышенной радиационной опасности относятся

радиохимические лаборатории 1го

класса работ с радиоактивными

веществами. В такого рода лабораториях могут проводиться работы с

активностью на рабочем месте до 3.7·108 Бк для наиболее токсичных

радионуклидов (210

Po, 226

Ra, 228

Th, 232

U, 238

Pu, 239

Pu и др.) и с

активностью до 3.7·109, 3.7·10

10 и 3.7·10

11 Бк для менее опасных

радионуклидов, принадлежащих к группам токсичности Б, В и Г,

соответственно. В С.-Петербургском регионе таких лабораторий три:

две на площадке ПИЯФ, одна на площадке ГИПХа.

151

6.4 РАДИАЦИОННЫЕ АВАРИИ

6.4.1 Классификация радиационных аварий Закон РФ №3-ФЗ «О радиационной безопасности населения»

гласит: «Радиационная авария - потеря управления источником

ионизирующего излучения, вызванная неисправностью оборудования,

неправильными действиями работников (персонала), стихийными

бедствиями или иными причинами, которые могли привести или

привели к облучению людей выше установленных норм или к

радиоактивному загрязнению окружающей среды».

Наиболее опасными являются аварии на АЭС. Второе место по

радиационной опасности занимают хранилища радиоактивных отходов

(особенно жидких), а затем следуют транспортные средства на ядерных

двигателях (надводные корабли, подводные лодки, атомные ледоколы,

лихтеровозы и др.), радиохимические заводы и другие объекты

ядерного комплекса.

Аварии с выходом РВ в окружающую среду принято

классифицировать по границе распространения и количеству вышедших

при аварии радиоактивных веществ. Для классификации аварий в

России используется Международная шкала МАГАТЭ.

Шкала разделена на две большие части. Нижние три класса (I - 3)

относятся к происшествиям (инцидентам), а верхние классы (4 - 7) - к

авариям. Классификация аварий на АЭС приведена в табл.6.6

Таблица 6.6 - Характеристика событий на АЭС Класс, название,

пример аварии

Критерий

1. Внешние последствия 2. Внутренние

последствия

3. Ухудшение;

глубоко эшелон.

защиты

7 класс

Глобальная

авария

(Чернобыль,

СССР,26.04.86)

Большой выброс -

значительный ущерб

здоровью людей и

окружающей среде.

Величина выброса по

J131

- более:1016

Бк.

– –

6 класс

Тяжѐлая авария

(Виндскейл, Англия,

1957 г.)

Значительный выброс

полная реализация

внешнего противо-

аварийного плана на

ограниченной террито-

рии. Величина выброса

– –

152

J131

от 1015

до 1016

Бк.

5 класс

Авария с риском для

окружающей среды

(Три Майл

Айленд,США, 1979г.)

Ограниченный выброс

частичная реализация

внешнего противоаварий-

ного плана на

ограниченной террито-

рии. Величина выброса

J131

от 1014

до 1015

Бк.

Значительное

повреждение

активной зоны

ядерного

реактора.

–

4 класс

Авария в пределах;

АЭС(Сант-Лоурент,

Франция, 1980 г.)

Небольшой выброс -

облучение лиц из

населения порядка

нескольких мЗв.

Применение плана

защитных мероприятий

маловероятно.

Частичное

повреждение

активной зоны.

Острые

последствия

для здоровья

персонала.

–

3 класс

Серьѐзное

происшествие

(Ленинградская

АЭС, 1975г.)

Очень небольшой

выброс - облучение

населения ниже доли от

установленного предела

дозы, порядка десятых

долей мЗв.

Большое

загрязнение.

Переоблучени

е персонала

АЭС.

1 Близко к аварии -

потеря высоко

эшелонированной

защиты.

2 класс

Происшествия

средней тяжести.

– –

События с

потенциальным

последствием для

безопасности.

1 класс

Незначительное

происшествие.

– –

Отклонения от

разрешѐнных

границ

функционирования.

0

Ниже шкалы – –

Не влияет на

безопасность.

На стадии проектирования АЭС рассматривается набор

проектных аварий и мероприятий по локализации и ликвидации их

последствий, в том числе и максимальная проектная авария, в

результате которой оплавляются аварийные ТВЭЛы и радиоактивное

заражение выше допустимых величин имеет место за пределами

территории АЭС. Радиационные последствия такой аварии

используются для подготовки защитных мероприятий в 30 км зоне АЭС.

Опасность для населения и предприятий, размещѐнных вблизи АЭС,

создают аварии с оплавлением активной зоны, вероятность таких аварий

на наших АЭС оценивается фактором риска 10-3 – 10

-4 , т.е. одна авария на

одном ядерном реакторе в течение 1 -10 тысяч лет при неблагоприятном

стечении обстоятельств. С возрастанием количества ядерных реакторов в

стране вероятность аварии растѐт. Другая классификация

Все аварии делят на:

153

— проектные (аварии, которые могут быть локализованы

системами внутренней безопасности объекта).

— запроектные (аварии, которые не могут быть локализованы

системами внутренней безопасности объекта).

Категории аварий:

— локальная (РВ не выходят за пределы промплощадки);

— местная (РВ не выходят за пределы санитарной зоны);

— средняя – (РВ выходят за пределы санитарной зоны, но не

выходят за пределы 30 км зоны);

— крупная (облучение более 1 млн. чел. по 30 мЗв и РВ, выходят

до 100 км).

Три фазы развития аварий:

Ранняя – завершение формирования первичного следа

радиоактивного облака. Наиболее интенсивное радиационное

воздействие на население и окружающую среду. Продолжительность

10 суток. Эта авария опасна внешним (гамма), (бета) излучением от

радиационного облака и РЗ местности.

Средняя – характеризуется наличием ограничений

жизнедеятельности населения в зонах радиоактивного заражения

местности и систем контроля радиоактивного облака до принятия всех

мер защиты. Продолжительность 1 год. Опасна внешним (гамма)-

излучением РЗМ от радиоактивного заражения местности.

Поздняя – характеризуется восстановлением обычной системы

жизнедеятельности населения и контроля радиационной обстановки.

Продолжительность – до снятия всех ограничений. Опасна как

средняя фаза.

Зоны поздней фазы подразделяются:

— зона радиационного контроля: от 1 до 5 мЗв (проводятся

мониторинг радиоактивности объектов окружающей среды).

— зона ограниченного проживания населения: от 5 до 20 мЗв

(осуществляется мониторинг и РК).

— зона отселения: от 20 до 50 мЗв (въезд для постоянного

проживания запрещается).

— зона отчуждения: более 50 мЗв (не допускается постоянное

проживание).

Основные мероприятия радиационной защиты в ЧС:

1. Ограничение пребывания населения на открытой местности,

временное укрытие

2. Профилактика переоблучения щитовидной железы.

3. Защита органов дыхания.

4. Эвакуация населения: (упреждающая, экстренная, поздняя).

154

5. Прекращение употребления загрязненных продуктов питания,

воды.

6. Ограниченные доступы населения на загрязненные участки

местности.

7. Проведение отселения.

8. Проведение дезактивационных работ.

6.4.2 Характеристика радиационных аварий

Аварии на АЭС В пятидесятые годы наша страна выступила инициатором

использования атомной энергии в мирных целях. В 1954 г. была

построена первая АЭС.

Начались аварии. Специалисты-атомщики выделяют за все время

работы энергоустановок (с 1954 г.) три крупные аварии: в Англии - на

АЭС "Уиндскейл", в США - на АЭС "Тримайл-Айленд" и в СССР в

Чернобыле.

В результате пожара в 1957 г. на Уиндскейлском реакторе N1

произошел выброс большого количества радиоактивного дыма,

значительная территория оказалась зараженной; пожар на 4 день

удалось погасить, реактор забетонировали - появился прообраз

будущего Чернобыльского саркофага.

В марте 1979 года на АЭС "Тримайл-Айленд" произошла авария,

в результате которой в окружающую среду попало большое

количество радиоактивных веществ. На американской станции во

время аварии получили повышеные дозы облучения многие из

обслуживающего персонала АЭС, ликвидация последствий аварии

заняла многие годы.

Южно-Уральская катастрофа. Под этим названием скрыто две

радиационные катастрофы.

С 1949 по 1956 год в реку Теча сбрасывались отходы

радиохимического предприятия Маяк. Облучению подверглось 28

тысяч человек. Дозы достигали 300…400 бэр. Лучевой болезнью

заболело 935 человек. Отселено 7500 жителей.

В сентябре 1957 года на том же производстве произошел взрыв

емкости с РАО. В воздух было выброшено более 2 МКи стронция-90,

цезия-144, циркрния-95, рутения-106. Площадь радиоактивного следа

23 тысячи км2, переселено 10 тысяч человек.

В апреле 1986 года на ЧАЭС произошла авария с разрушением

ядерного реактора.

26 апреля взрыв разрушил 4 блок ЧАЭС и произошел выброс в

атмосферу РВ активностью 50 МКи. Из них:

155

— иод-131 ( I131

53) около 10 МКи;

— цезий-137 ( Cs137

55 ) около 2 МКи;

— изотопы стронция, в том числе стронций -90 ( Sr90

38 ) около 0,2

МКи.

— плутоний-239 ( Рu239

94 ) 700 Ки.

Пострадало более 100 тысяч человек, радиус зоны эвакуации

составил 30 км.Из хозяйственного пользования было выведено 3 тыс

км2 территорий, отселено 115 тысяч человек.

Как показывает практический опыт, аварии на АЭС могут быть двух

типов: без разрушения ядерного реактора и с разрушением ядерного

реактора.

Авария без разрушения ядерного реактора Такая авария на АЭС возникает при оплавлении аварийных

ТВЭЛов, разрыве магистрального трубопровода и других ситуациях и

характеризуется выходом из первого контура пара с радиоактивными

веществами через вентиляционную трубу высотой 80 150 м.

Радиоактивное заражение атмосферы и местности существенно

отличается в случае аварии на одноконтурных и двухконтурных ядерных

реакторах.

При аварии на одноконтурном ядерном реакторе типа РБМК-1000 основной выход пара с РВ происходит в течение 20 мин и практически

завершается в течение 1 часа. За это время выходят все радиоактивные

вещества, которые находятся в зазорах аварийных ТВЭЛов в газообразном

(парообразном) состоянии: РБГ активностью 27 МКи, радиоизотопы йода

активностью 28 МКи и радиоизотопы цезия активностью 0.14 МКи.

Паровое облако с радиоактивными веществами за счѐт высокой

скорости истечения из вентиляционной трубы поднимается над нею на

несколько десятков метров и распространяется по направлению со

скоростью среднего ветра на высоте перемещения облака.

На распространение радиоактивного облака и характер

радиоактивного заражения атмосферы и местности будут оказывать

влияние направление, скорость ветра и класс вертикальной

устойчивости атмосферы.

При попадании человека в радиоактивное облако РБГ, проходя

через лѐгкие, будут выбрасываться из организма в атмосферу, а

радиоизотопы йода и цезия будут частично задерживаться в них и

попадать в организм человека, распределяясь в нѐм по органам:

изотопы йода - в щитовидной железе, а цезия - равномерно по всему

организму.

156

Поскольку воздействие излучения радиоактивного облака будет

кратковременным (около 1 ч.), основной вклад в дозу облучения будет

давать внутреннее облучение (99 % дозы) за счѐт распада

радиоизотопов йода, попавших внутрь организма, поэтому размеры

зон радиоактивного заражения определяются исхода из доз

внутреннего облучения людей. Поскольку к облучению наиболее

чувствительны дети, то по их облучению определяют зоны заражения.

В этом случае выделяют только две зоны радиоактивного заражения

(РЗ): зону опасного РЗ с дозой внутреннего облучения детей на

внешней границе величиной 0.3 Зв (30 бэр) и на внутренней границе

2.5 Зв (250 бэр) и зону чрезвычайно опасного РЗ с дозой внутреннего

облучения детей на внешней границе 2.5 Зв. Эти зоны теоретически

имеют форму эллипсов, размеры которых зависят от скорости ветра и

степени устойчивости атмосферы, и находятся при аварии на реакторе

РБМК-1000 в пределах: длина от 30 до 250 км и ширина от 5.2 до 7 км

для зоны опасного РЗ, а для зоны чрезвычайно опасного РЗ - длина от

6 до 22 км и ширина от 1 до 1.4 км.

Спад уровней радиации на РЗ местности определяется распадом

радиоизотопов йода в течение времени до 3 мес. после аварии, в

дальнейшем распадом радионуклидов цезия -134 и 137.

Для двухконтурного реактора типа ВВЭР-1000 авария

характеризуется длительным выходом пара с радионуклидами (до 9

сут) в атмосферу через вентиляционную трубу.

Прочный корпус ядерного реактора и система защиты удерживает

РВ внутри системы и выход их примерно в 10 раз меньше, чем при аварии

на реакторе РБМК -1000: выходит всего 2.2 МКи РБГ и 1.37 МКи

радиоизотопов йода. Сравнительно небольшой выход РВ при

гипотетической аварии на ВВЭР-1000 приводит к тому, что независимо

от метеоусловий РЗ местности не выходит за пределы 30-км зоны.

Форма зон радиоактивного заражения при ГА на реакторе ВВЭР-1000

может иметь не только элипсообразную, но и кольцевую форму вокруг

АЭС с выступами - эллипсами по тем направлениям, когда наблюдается

повышенный выход радиоактивных веществ из реактора.

В условиях, когда образуется эллипсообразная форма следа, размеры

зон РЗ могут составлять: опасного - длина от 4 до 25 км, ширина 1 км;

чрезвычайно опасного - длина от 5 до 9 км, ширина от 0.4 до 0.5 км.

Уровни радиации на оси радиоактивного следа через 1 час после

аварии составляют десятые доли рентгена в час на расстояниях до 3 км от

АЭС и сотые доли рентгена в час на расстояниях от 3 до 11 км от АЭС.

Авария на АЭС с разрушением ядерного реактора

157

Примером такой аварии является авария на Чернобыльской АЭС

26 апреля 1986 года. До аварии ядерный реактор работал около 3 лет

без замены ядерного горючего, в момент аварии мощность реактора

была 7 % от номинальной. Ядерный реактор, на котором произошла

авария, был одноконтурный типа РБМК-1000 с тепловой мощностью

3200МВт и электрической 1000 МВт, за 3 года работы в этом реакторе

накоплено около 10 млрд. кюри радиоактивных веществ.

В момент аварии на энергоблоке произошло несколько тепловых

взрывов, которые разрушили ядерный реактор и здание, где он

находился, а также произошѐл мгновенный выброс радиоактивного

парогазового образования и продуктов разрушения здания на высоту

около 2 км. Потом произошло загорание графита (его в реакторе 1700

т) и его горение происходило в течение двух недель, в процессе

которого происходило интенсивное выпаривание радиоактивных

веществ из разрушенного реактора, выход их из зоны аварии и

распространение в окружающей среде под влиянием метеоусловий.

Попытки прекратить выход РВ в атмосферу из зоны аварии путѐм

сброса в эту зону около 500 т различных негорючих материалов

успеха не имели.

По официальным данным при аварии на Чернобыльской АЭС в

атмосферу вышло около 50 МКи РВ, находящихся в ядерном реакторе

во время аварии.

Масштаб и степень радиоактивного заражения при аварии на

АЭС с разрушением ядерного реактора зависят от мощности реактора,

времени его работы от пуска до аварии, доли вышедших РВ в

атмосферу, интенсивности выхода РВ по времени, мощности реактора

в момент аварии и метеоусловий в момент аварии и в период выхода

РВ.

Длительный выход РВ в атмосферу обуславливает РЗ вокруг

АЭС из-за изменения направления ветра, наибольшая величина

заражения будет по направлению ветра в момент первичного выброса

РВ и последующих больших выбросов.

Для характеристики степени опасности РЗ, образующегося при

аварии на АЭС, так же как и при радиоактивном заражении от

ядерного взрыва выделяют зоны радиоактивного заражения: М -

радиационной опасности, А - умеренного РЗ, Б - сильного РЗ, В -

опасного РЗ и Г- чрезвычайно опасного РЗ.

При авариях на АЭС с разрушением ядерного реактора типа

ВВЭР-1000 интенсивный выход РВ в атмосферу будет

кратковременным (видимо в течение нескольких часов).

Кратковременность выхода РВ в атмосферу при аварии на ВВЭР

будет обусловлена отсутствием графита, горение которого вызывало

158

интенсивный выход РВ из зоны аварии реактора РБМК-1000 на

ЧАЭС.

Следовательно, при аварии на реакторе ВВЭР-1000 РЗ будет по

форме аналогично следу радиоактивного заражения при ядерном

взрыве.

Радиоактивное заражение местности при авариях на АЭС

Особенности РЗ местности при аварии на АЭС обусловлены

особенностями радиоизотопного состава РВ ядерного реактора,

характером выхода РВ в атмосферу при аварии и метеоусловиями. Они

следующие:

Радиоактивные продукты ядерного реактора обогащены

радионуклидами с большими периодами полураспада по сравнению с

продуктами ядерного взрыва. Эта особенность приводит к тому, что спад

уровней радиации на местности, заражѐнной при аварии на АЭС, будет

более медленным, чем на местности, зараженной при ядерном взрыве:

Рtяр = Р1 · t -0,4

(авария на АЭС) (6.28)

Рtяв = Р1 · t -1,2

(ядерный взрыв) (6.29)

Радиоактивные вещества, выходящие в окружающую среду при

аварии на АЭС, обогащены радионуклидами легколетучих элементов в 5-

15 раз больше, чем их изотопный состав в ядерном реакторе (РБГ,

радиоизотопы йода и цезия).

Радиоактивные вещества, выходящие в атмосферу при аварии на

АЭС, находятся в составе мелкодиспергированных аэрозолей, которые

практически не оседают на поверхность земли и распространяются в

атмосфере на сотни и даже тысячи км от места аварии. Образование

мелкодисперсных аэрозолей обусловлено тем, что радиоактивные

вещества, распределѐнные в парогазовой фазе (в момент взрыва),

находятся в молекулярном состоянии (при выпаривании их в процессе

горения графита) и при остывании в воздухе конденсируются на

атмосферной пыли.

Мелкодисперсные радиоактивные аэрозоли, образующиеся при

аварии на АЭС, заражают поверхности при контакте с ними за счѐт

адсорбции. Такой механизм радиоактивного заражения поверхностей

приводит к неравномерному заражению местности: более интенсивному

заражению (в 6-10 раз больше) местности с развитой поверхностью

(кустарники, лесные массивы), а также местности, над которой были

осадки в период прохождения радиоактивного облака.

Радиоактивное заражение объектов внешней среды на АЭС носит

стойкий характер, т.е. заражение поверхности с большим трудом

поддаются обеззараживанию. Это обусловлено большими силами связи

мелкодисперсных частиц с поверхностью (для отрыва частицы размером

159

0.5 мкм надо приложить силу 6000 дин, в то время как для отрыва

частицы в 20 мкм надо приложить силу всего 6 дин).

Аварии на корабельных АЭУ

Одной из наиболее тяжелых аварий является разгерметизация

первого контура. Тяжесть аварии определяется, главным образом,

размером отверстия разгерметизации, тепловой мощностью, на которой

работал реактор, местом разгерметизации контура. При аварии, связанной

с быстрым истечением теплоносителя и оплавлением активной зоны,

возможен выброс из зоны большей части этой активности.

Аварии с радиоизотопными термоэлектрическими

генераторами Авария РИТЭГ может произойти в следующих случаях:

- при проведении погрузочно-разгрузочных работ;

- при неполной нагрузке;

- при попадании в него боеприпаса или в результате теракта.

В этих случаях возможно загрязнение среды изотопами Sr-90,

Y-90 и продуктами их распада. К таким аварийным ситуациям можно

отнести сбрасывание с высот более 9 м на стальные плиты, пожары с

температурой более 800оС,

прямое падение летательного аппарата.

Для обеспечения навигационной безопасности захода

гражданских судов и военных кораблей в порты и гавани С.-

Петербурга, Кронштадта, Выборга, Приморска, Ломоносова на

территории региона установлено 60 знаков и маяков, где в качестве

источников электропитания применяются РИТЭГи.

Аварии с ядерными боеприпасами При аварии с ЯБП может произойти неактивный взрыв ЯБП.

Протекающие при этом ядерные реакции не носят цепного характера.

Радиоактивное заражение в этом случае возникает вследствие

разгерметизации оболочки ЯБП. При этом состав загрязнения

включает радионуклиды урана-238, плутония-239, а также

множество короткоживущих радионуклидов.

Аварии в хранилищах

Аварийные ситуации в местах хранения жидких радиоактивных

отходов могут возникнуть в случае разрыва и появления течей в

резервуарах хранилищ. Аварийные ситуации в местах хранения

твердых отходов могут возникнуть при взрывах в результате

попадания боевых средств или террористических актов.

В 1957 году в Челябинской обл. произошел взрыв - разнесло

емкость с высохшими радиоактивными отходами. Образовалось

160

облако с радиоактивностью в 2 млн Ки, которое растянулось в длину

на 105 км и в ширину на 8-9 км. С загрязненной территории было

эвакуировано 102 тыс. человек. Ущерб от изъятия земель составил 7

млн рублей, а ликвидация аварии в целом обошлась в 200 млн руб.

6.5 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ

ОБСТАНОВКИ ПРИ АВАРИЯХ НА АЭС

6.5.1 Методика Гражданской обороны для выявления и оценки радиационной обстановки при аварии на АЭС В зависимости от степени загрязнения местности и возможных

последствий внешнего облучения принято выделять следующие зоны:

- радиационной опасности;

- умеренного загрязнения;

- сильного загрязнения;

- опасного загрязнения;

- чрезвычайно опасного загрязнения.

В пределах зоны М целесообразно ограничивать пребывание

персонала, не привлекаемого непосредственно к работам по

ликвидации последствий аварии.

При необходимости выполнения работ в зоне А персонал

должен находиться в защищенной технике.

В зоне персонал должен размещаться в защитных сооружениях.

В зоне В персонал должен находиться в сильно защищенной

технике, время работ ограничено несколькими часами.

В зоне Г не следует допускать даже кратковременного

пребывания людей.

Таблица 6.7 - Характеристики зон радиоактивного загрязнения местности

при авариях на АЭС

Наименование

зоны

Индекс

зоны

Цвет для

обозначения

внешней

границы

Доза

излучения за

первый год

после аварии,

рад

границаВнешн

границаВнутр

.

.

Мощность

дозы на 1ч

после аварии,

рад/ч

границаВнешн

границаВнутр

.

.

Радиационной

опасности

М Красный 5

50

014,0

140,0

Умеренного

загрязнения

А Синий 50

500

14,0

4,1

161

Сильного

загрязнения

Б Зеленый 500

1500

4,1

2,4

Опасного

загрязнения

В Коричневый 1500

5000

2,4

14

Чрезвычайно

опасного

загрязнения

Г Черный 5000

9000

14

42

Рисунок 6.4 - Схема нанесения на карту прогнозируемых зон

загрязнения при аварии на АЭС.

Выявление радиационной обстановки методом прогноза

включает:

- определение размеров зон загрязнения местности;

- определение мощности дозы излучения на объекте;

- отображение выявленной РО.

Исходные данные для выявления РО:

Информация об АЭС:

- тип аварийного реактора (РБМК или ВВЭР);

- координаты АЭС, время аварии;

- электрическая мощность реактора - W , МВт;

- количество аварийных реакторов – n ;

- доля выброшенных РВ из реактора – , % (если доля

выброшенных РВ неизвестна, то полагают %10 ).

Метеорологические условия:

- скорость и направление ветра на высоте 10 м – V , м/с;

- состояние облачного покрова: отсутствует, средний,

сплошной.

Основные допущения и ограничения:

- ядерный реактор работает в стационарном режиме;

- источниками радиоактивного загрязнения местности являются

радиоактивное облако, образовавшееся в результате мгновенного

выброса РВ на высоту до 1,5 км, и радиоактивная струя,

формирующаяся при истечении продуктов из реактора на высоту до

200 м;

М

А Б В Г

10 . 15 30 . 14

1000 РБМК

М

А Б В Г

10 . 15 30 . 14

1000 РБМК

162

- базовая доля выброса продуктов деления 10% от находящихся в

реакторе, из которых для РБМК 25 % находится в облаке и 75 % - в

струе, для ВВЭР 75% - в облаке и 25% - в струе;

- скорость гравитационного оседания частиц – 0,01 м/с;

- используются три категории устойчивости атмосферы:

А – сильно неустойчивая (конвекция),

Д – нейтральная (изотермия),

F – очень устойчивая (инверсия).

Последовательность выявления РО: 1. Определение категории устойчивости атмосферы по заданным

погодным условиям и времени суток.

2. Определение средней скорости ветра в слое распространения

радиоактивного облака.

3. Определение размеров зон возможного загрязнения местности

для заданного типа реактора и доли выброшенных из него РВ и

нанесение их на карту.

4. Определение ожидаемых мощностей доз излучения на объекте.

а) По карте с нанесенными на ней прогнозируемыми зонами

загрязнения находится удаление объекта ),( YX от аварийного

реактора;

б) Определяется мощность дозы на оси следа облака осьP на 1 час

после аварии;

в) Если объект расположен в стороне от оси следа – Y ,а

мощность реактора и выброс РВ отличаются от табличных, то

ожидаемая мощность дозы на объекте ожP на произвольный момент

времени t после аварии определяется по формуле:

twyосьож KKKPP , (6.30)

где yK – коэффициент, учитывающий уменьшение мощности дозы в

стороне от оси следа;

wK – коэффициент, учитывающий электрическую мощность W

реактора, долю выброса, рассчитывается по формуле:

nWKw410 , (6.31)

tK – коэффициент, учитывающий изменение мощности дозы во

времени.

Оценка радиационной обстановки методом прогноза

включает:

- определение прогнозируемых доз облучения личного состава

сил ликвидации последствий аварии (населения);

- определение продолжительности пребывания личного состава

в зонах загрязнения по заданной дозе облучения;

163

- определение времени начала работы в зоне загрязнения по

заданной дозе облучения.

Исходные данные для оценки РО:

- выявленная радиационная обстановка;

- данные о выполняемой задаче – начало и продолжительность

пребывания на загрязненной местности, защищенность от облучения,

допустимые (устанавливаемые) дозы облучения.

Последовательность оценки РО:

1. Определение дозы облучения на открытой местности

2. Расчет дозы облучения за защитой.

3. Сравнение рассчитанной дозы с допустимой (устанавливаемой).

Если рассчитанная доза превышает допустимую, решаются

задачи по выбору наиболее целесообразных вариантов действий –

перенос работ на более поздний срок, организация работы сменами.

Выявление радиационной обстановки по данным разведки заключается в измерении мощностей доз излучения в отдельных

точках местности и на объектах.

Исходные данные для выявления РО по данным разведки:

Информация об АЭС:

- тип аварийного реактора (РБМК или ВВЭР);

- астрономическое время аварии авT .

Данные радиационной разведки:

- измеренное значение мощности дозы измP ;

- время измерения мощности дозы измT .

Последовательность выявления фактической РО:

1. Вычисляем приведенное время измерения мощности дозы:

авизмизм TTt (6.32)

2. Определяем коэффициент tK для пересчета мощности дозы на

заданное время после аварии.

3. Рассчитываем мощность дозы излучения на заданное время по формуле:

tизмKPtP )( , (6.33)

Оценка фактической радиационной обстановки включает

решение тех же задач, что и при оценке методом прогноза,

используются те же таблицы. Исходные данные – фактическая

радиационная обстановка.

Если учесть тот факт, что при аварии на АЭС мощность дозы на

загрязненной местности изменяется по закону (45):

t

tPtP 0

0)(,

(6.34)

164

можно решить задачи по оценке радиационной обстановки

аналитически, без применения таблиц приложения 5.

6.5.2 Прогнозирование радиационной обстановки при авариях на АЭС по методике Соснового бора

Прогнозирование радиационной обстановки при аварии на АЭС

без разрушения ядерного реактора

Прогнозирование радиационной обстановки при аварии на АЭС

без разрушения ядерного реактора

Исходными данными для прогнозирования радиационной

обстановки при такой аварии на АЭС являются:

Тип ядерного реактора (РБМК или ВВЭР);

Тепловая мощность ядерного реактора, МВт;

Метеоусловия (скорость ветра на высоте 2 м и 4 м, температура

воздуха на высоте 1 м и 4 м от поверхности земли).

Для характеристики радиационной обстановки определяются:

Степень вертикальной устойчивости атмосферы;

Размеры зон радиоактивного заражения;

Дозы внутреннего облучения детей на оси следа радиоактивного облака;

Уровни радиации на оси радиоактивного следа

Затем, используя эти данные, решают основные задачи по оценке

радиационной обстановки при действиях формирований ГО и

населения на радиоактивно заражѐнной местности.

Для определения размеров зон РЗ при гипотетической аварии на

АЭС рассчитывают по формуле (6.35) параметр Б:

2

147.00V

ttБ (6.35)

где t1 и t4 - температура воздуха (°С) на высоте 1м и 4 м от

поверхности земли;

V2 - скорость ветра (м/с) на высоте 2 м;

По величине параметра Б по табл.6.8.определяют класс

устойчивости атмосферы.

Таблица 6.8 - Характеристика класса устойчивости атмосферы Класс

устойчивост

и атмосферы

А В С D Е F G

Значение

параметра Б -0.04

от –0.039

до-0.01

от -0.009

до -0.002

от-0.001

до 0.001

От 0.002

до 0.009

от 0.01 до

0.049 >0.05

Характе-

ристика

устойчи- вости

Сильная

конвек-

ция,

Уме-рен-

ная

конвек-

Слабая

конвек-

ция.

Изотер-

мия,

безраз-

Слабая

инвер-

сия,

Умерен-

ная

инверсия

Сильная

инверсия.

Очень уст.

165

атмосферы очень

неуст.

сост.

атмосф.

ция Слегка

неуст.

сост.

атмосф.

личное

состо-

яние

атмосф.

слегка

уст сост.

атмосф.

сост.

атмосф.

Затем по найденному классу устойчивости атмосферы и скорости

приземного ветра по табл. 6.9. и 6.10 определяют размеры зон

заражения для конкретных метеоусловий.

Таблица 6.9 - Размеры зон РЗ при гипотетической аварии на

ядерном реакторе типа РБМК-1000 Класс

устой-

чивости

атмос-

феры

Скорость

ветра, м/с

Зона опасного РЗ,

Dвн.дет=30-250 бэр (0.3-2.5

Зв)

Зона чрезвычайно

опасного РЗ

Dвн.дет >250 бэр (>2.5 )

Длина, км Ширина, км Длина, км Ширина, км

А 1

3

63(0-63)

31(0-31)

8

5.2

6(0-6)

1.4

В 2

4

95(0-95)

60(0-60)

7.8

5.7

5(5-10)

6(0-6)

0.8

1.2

С

2

3

5

180(0-180)

140(0-140)

110(0-110)

7.8

7.0

5.6

-

17(0-17)

15(0-15)

1.0

1.0

D

1

3

5

10

195(45-240)

254(6-260)

200(0-200)

140(0-140)

6.2

7.0

6.2

4.0

-

-

16(6-22)

11(4-15)

-

-

0.9

0.7

Е 2-4 240(20-260) 7.0 - -

Примечание: Цифрами в скобках указывают удалѐнность границ РЗ от АЭС.

Таблица 6.10 - Размеры зон РЗ при гипотетической аварии на ядерном

реакторе типа ВВЗР-1000 Класс

устойчи-

вости

атмосферы

Скорость

ветра, м/с

Зона опасного РЗ,

Dвн.дет =0.3-2.5 Зв

Зона чрезвычайно опасного

РЗ, Dвн.дет >2.5 Зв

Длина, км Ширина,

км

Длина, км Ширина, км

D

Е

1-2

1-4

-

17.0

-

1.4

-

5.0

-

0.4

D

3-5

9.0

0.9

-

-

D

5-12

6.0

0.6

-

-

В,С

1-5

7.0

1.7

-

-

F

1-3

25.0

1.0

9.0

0.5

А

1

4.0

1.0

-

-

Если ядерный реактор другой мощности, то размеры зон

увеличивают (уменьшают) пропорционально его мощности.

166

Найденные по таблицам зоны РЗ наносятся на карту местности

таким образом, чтобы ось радиоактивного следа проходила через

объект. В этом случае определяется максимальная степень РЗ объекта

в случае аварии на АЭС.

Для этих условий определяются дозы внутреннего облучения

детей по табл.6.11 и 6.12 в зависимости от типа ядерного реактора, на

котором произошла авария. Для определения доз внутреннего

облучения рабочих и служащих при нахождении их на открытой

местности в период прохождения радиоактивного облака

используется формула (6.36):

7.1

.

.

детвнвзрвн

DD (6.36)

где Dвн.дет. и Dвн.дет. - доза внутреннего облучения взрослых и

детей;

1.7 - коэффициент, учитывающий разницу в массе щитовидной

железы, скорости дыхания и метаболизме радиоизотопов йода у

взрослого и ребѐнка.

Уровни радиации (Р/ч) на объекте определяются исходя из класса

устойчивости атмосферы и расстояния от АЭС до объекта по табл.

6.13, 6.14.

Таблица 6.11 - Дозы внутреннего облучения детей (Зв) на оси

радиоактивного следа при гипотетической аварии реактора типа

ВВЭР-1000 (класс устойчивости атмосферы D, V~5 м/с, выход 9

суток) Расстояние от

АЭС, км

Доза облучения на каждые сутки выхода РВ

Время выхода

РВ, сут

1 2 3 4 5 6 7 8 9 5

0.9

1.4

1.8

2.1

2.3

2.5

2.6

2.7

2.7

6

0.7

1.1

1.4

1.6

1.8

1.8

1.9

2.0

2.1

8

0.4

0.7

1.0

1.1

1.2

1.2

1.3

1.4

1.4

10

0.3

0.5

0.7

0.8

0.9

0.9

1.0

1.0

1.0

15

-

-

0.4

0.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.6

20

-

-

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

25 - - - - 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

167

Таблица 6.12 - Дозы внутреннего облучения детей (Зв) на оси следа

при гипотетической аварии на реакторе РБМК-1000 Расстоян

ие от

АЭС, км

Класс устойчивости атмосферы и скорость ветра, м/с

А

В

С D

Е

1 2 2 4 2 5 1 2 3 5 7 10 3

7 2.3 1.9 2.7 3.0 3.1 3.9 - - 0.8 2.7 3.6 3.7 -

10 1.9 1.1 2.5 2.2 3.2 3.1 - 0.3 1.6 3.2 3.5 3.2 -

20 0.95 0.5 1.5 1.0 2.1 1.9 - 1.3 2.3 2,6 2.3 1.9 0,4

30 0.7 0.4 1.0 0.75 1.5 1.3 - 1.4 2.1 2.1 1.8 1.4 0.7 40 0.5 0.3 0.7 0.5 1.2 0.8 0.2 1.6 1.8 1.6 1.3 1.0 0.9

60 0.3 - 0.5 0.3 0.8 0.6 0.4 1.4 1.4 1.1 0.9 0.7 1.1

80 - - 0.4 - 0.6 0.4 0.4 1.2 1.2 0.9 0.7 0.5 1.1 100 - - 0.3 - 0.5 0.35 0.4 1.0 0.9 0.7 0.6 0.4 1.0

140 - - - - 0.3 - 0.5 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.9 150 - - - - - - 0.5 0.7 0.5 0.5 0.4 - 0.9

Таблица 6.13 - Уровни радиации (Р/'ч) на оси следа при

гипотетической аварии реактора типаВВЭР-1000 Класс

Устойчи-

вости

атмосферы

Время после

аварии, сут.

Расстояние от АЭС, км

1 3 5 7 9 11

Е,F

Начальный

уровень

радиации

0.19 0.10 0.04 0.02 0.01 0.006

1 1.5 0.8 0.3 0.15 0.07 0.040

2 2.0 1.0 0.4 0.2 0.09 0.055

4 3.0 1.4 0.6 0.3 0.13 0.085

Таблица 6.14 - Уровень радиации (Р/ч) на оси радиоактивного следа

при гипотетической аварии на реакторе типа РБМК-1000 Класс

уст.

атмосфер

ы

Расстояние от АЭС, км

5 10 20 30 40 50 60 80 100 140 200 240

А 0.56 0.2 0.07 0.04 0.03 0.02 0.01 - - - - -

В 0.78 0.4 0.16 0.06 0.05 0.04 0.02 0.01 - - - -

С 1.2 0.8 0.4 0.2 0.1 0.06 0.04 0.03 0.02 0.01 - -

Д 0.3 0.6 0.4 0.3 0.2 0.15 0.1 0.08 0.06 0.03 0.02 0.01

Время подхода радиоактивного облака к объекту определяется

исходя из средней скорости ветра и удаленности объекта от АЭС.

168

2 Прогнозирование радиационной обстановки при аварии на АЭС с разрушением ядерного реактора

При прогнозировании радиоактивного заражения в случае аварии

на АЭС с разрушением ядерного реактора практически невозможно

учесть все факторы, влияющие на его параметры. Поэтому оценку

радиационной обстановки предлагается проводить исходя из средних

метеоусловий, максимального выхода радиоактивных веществ при

аварии 20-30% и максимального времени работы ядерного реактора от

его пуска до аварии равным 3 годам. Такая оценка радиационной

обстановки позволяет с некоторым запасом в сторону увеличения

безопасности человека проводить защитные мероприятия. Защитные

мероприятия планируются исходя из Норм радиационной

безопасности для аварии, при которой облучение людей может

превысить дозовые пределы от технологического облучения.

Защитные мероприятия проводятся на основании сравнения

прогнозируемой дозы, предотвращаемой защитными мероприятиями

с уровнями А и Б.

В начальном периоде аварии защитные мероприятия

определяются по табл. 6.15, исходя из прогнозируемой дозы

облучения, за первые десять суток после аварии.

Доза облучения за первые 10 суток складывается из доз внешнего

и внутреннего облучения, которые в первый год после аварии на АЭС

одинаковые по величине.

ослHН КtРtРД )22( 101010 (6.36)

где PH - уровень радиации во время (1Н) выпадения РВ;

РН - уровень радиации через (t10 ) -10 суток после аварии, ч,

Д10 - доза внешнего облучения за первые 10 суток после аварии,

мГр;

Kосл - коэффициент ослабления радиации: 0.75 для села и 0.37 для

города.

Общая доза облучения за 10 суток:

1010 2ДД об (6.37)

Таблица 6.15 - Критерии для принятия решений в начальном периоде

аварийной ситуации Меры Защиты

Прогнозируемая доза за первые 10 суток, мГр

Всѐ тело Щитовидная железа, лѐгкие,

кожа

Уровень А Уровень Б Уровень А Уровень Б

Укрытие 5 50 50 500

Йодная

профилактика:

Взрослые

-

-

250*

2500*

169

Дети - - 100* 1000*

Эвакуация 50 500 500 5000

* Только для щитовидной железы.

В промежуточном периоде аварийной ситуации меры защиты

определяются по табл. 6.16 и 6.17, исходя из предотвращаемой

эффективной дозы за первый год после аварии и загрязнения

продуктов питания радионуклидами. Эффективная доза облучения за

первый год после аварии определяется по формулам:

ослгодгодгодгодгод КtРtРД )22( (6.38)

год

об

год ДД 2 (6.39)

Таблица 6.16 - Критерии для принятия решений об отселении и

ограничении потребления загрязненных продуктов питания в первый

год после аварии Меры защиты Предотвращаемая эффективная доза, мЗв

Уровень А Уровень Б

Ограничение

потребления

загрязненных

продуктов питания и

воды

5 за первый год, 1/год в

последующие годы

50 за первый год, 10/год в

последующие годы

Отселение 50 за первый год 500 за первый год

1000 за все время отселения

Таблица 6.17 - Критерии для принятия решений об ограничении

потребления загрязненных продуктов питания в первый год после

аварии

Радионуклиды

Содержание радионуклида в пищевых

продуктах, кБк/кг

Уровень А Уровень Б

Йод- 131, Цезий- 134, 137 1.0 3.0

Стронций-90 0.1 0.3

Если прогнозируемые дозы облучения в начальном и

промежуточном периоде после аварии реактора меньше нижнего

предела, то меры защиты не проводятся. Если доза облучения между

нижним и верхним пределами, то меры защиты принимаются с учетом

конкретной обстановки и местных условий. Если облучение выше

верхнего предела, то выполнение защитных мероприятий обязательно.

170

Для расчета доз внешнего облучения от радиоактивно

зараженной местности при аварии реактора РБМК-1000 уровни

радиации на 1 ч после аварии на оси следа определяются по табл. 6.17,

а размеры зон радиоактивного заражения по табл. 6.18.

При аварии АЭС с ядерным реактором типа ВВЭР-1000 размеры

зон радиоактивного заражения определяются по табл. 6.18 только в

направлении первичного выброса.

При аварии на ядерном реакторе другой мощности размеры зон

радиоактивного заражения увеличиваются (уменьшаются)

пропорционально его мощности. Уровни радиации через 1 час после

аварии на оси следа, Р/ч.(табл. 6.18)

Таблица 6.18 - Уровни радиации через 1 час после аварии на оси следа Расстояние

от

АЭС, км

10 20 30 40 50 60 80 100 150 200 250 300 340

Уровень ра-

диации, Р/ч

78 20 9.0 4.0 2.8 1.8 1.0 0.5 0.2 0.1 0.07 0.05 0.025

171

Глава 7. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Характеристика гидротехнических сооружений. Воздействия

водного потока на гидротехнические сооружения.

Взаимодействие гидросооружений с их основаниями и берегами,

прочность их и устойчивость. Эксплуатация и исследование

гидротехнических сооружений. Аварии гидротехнических

сооружений.

7.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Водные ресурсы земли или еѐ биосферу составляют океаны,

моря, ледники, озѐра, реки, подземные воды, пары воды в атмосфере.

Общий объѐм этих ресурсов на земном шаре составляет примерно

1,45 млрд. км2, из них более 90% - это вода океанов и морей,

остальные – внутри территориальные воды.

Группа отраслей экономики, осуществляющих изучение

природных водных ресурсов страны и их использования для нужд

экономики, составляет водное хозяйство страны.

Основными отраслями водного хозяйства являются следующие:

1.) гидроэнергетика – использование энергии речных и морских

вод;

2.) водный транспорт – использование речных, озерных и морских

вод для судоходства и сплава;

3.) водная мелиорация (гидромелиорация) – использование вод для

орошения (ирригация) земель и обводнения степных пастбищ, а

также отвод избыточных вод с переувлажнѐнных земель

(осушение, дренаж);

4.) водоснабжение населѐнных мест, промышленных,

транспортных и других предприятий и водоотведение

(канализация), удаление отработанных вод (с их отчисткой);

5.) использование водных недр – лов и разведение рыбы, добыча

морского зверя, руды, солей, водорослей и др.

В задачу водного хозяйства входят также охрана водных ресурсов

от загрязнения, борьба с разрушительным действием водной стихии –

борьба с паводками, штормами, приливами, разрушением берегов, с

образованием оврагов, смывов плодородных почв с полей, с массовым

отложением наносов, селевыми потоками и т.д. Сюда же можно

отнести мероприятия по водному благоустройству городов, зон

отдыха, водоѐмов для спорта и т.п.

172

Для того чтобы использовать водные ресурсы, необходимо

строить инженерные сооружения с соответствующим механическим

оборудованием. Такие инженерные сооружения называют

гидротехническими, а прикладную науку, занимающуюся общей их

теорией, вопросами проектирования, строительства и эксплуатации –

гидротехникой.

Основная задача гидротехники и гидротехнических сооружений

заключается в том, чтобы существующий естественный режим

водного объекта – реки, озѐра, моря, подземных вод – приспособить,

изменить, преобразовать для целесообразного и экономического

водохозяйственного использования и для защиты окружающей среды

от вредного воздействия вод.

Вторая задача гидротехники – создание искусственных водных

потоков и водоѐмов, когда естественных вод недостаточно или они

отсутствуют.

Третья задача, специальная – создание установок или

сооружений для специальных нужд отдельных видов водного

хозяйства, например судоходных шлюзов, зданий электростанций,

насосных станций, рыбоводных систем и т.п.

Гидротехнические сооружения, выполняющие первую и вторую

задачи, являются общими; сооружения же, обслуживающие только

отдельные виды водного хозяйства (гидроэнергетика, судоходство,

сплав, ирригация, водоснабжение и др.) называются специальными.

В зависимости от характера воздействий на речной поток

гидротехнические сооружения делят на:

- водоподпорные и регуляционные (руслорегулирующие),

изменяющие режим потока;

- сооружения, создающие искусственные водные потоки,

называемые водопроводящими.

Наиболее распространѐнным видом водоподпорных сооружений

является плотина (или другое сооружение), перегораживающее русло и

создающее в потоке подпор, т.е. разность уровней водной поверхности

у сооружения. В этом случае зона потока выше (по течению)

сооружения называется верхним бьефом (или подпѐртым бьефом), а

ниже его – нижнем бьефом.

Подпор воды изменяет не только уровни, скорости течения,

глубины в реке, но и режим подземных вод русла и берегов. На

некоторых участках глубина залегания подводных вод может стать

столь малой (1 – 1,5м и менее), что вышележащая зона окажется

непригодной для сельскохозяйственного использования или даже

заболоченной; подобная зона носит название подтопления.

173

Происходит явление, называемое фильтрацией воды в основании

сооружения; частицы воды в основании движутся из верхнего бьефа в

нижний по некоторым траекториям, в результате часть воды из

водохранилища движется в нижний бьеф подземным путѐм.

Аналогично возникает движение подземных вод по берегам, в

обход подпорного сооружения, вызванное разницей их уровней в

верхнем и нижнем бьефах. Это создаѐт потери воды из

водохранилища.

Если в сооружении (плотине) сделать отверстия с затворами,

позволяющие регулировать выпуск воды из верхнего бьефа в нижней

по требуемому потребителем графику (режиму), то можно в периоды

избытка воды в реке, например в паводок, задерживать часть еѐ в

верхнем бьефе, накапливая там запасы с тем, чтобы в нужные

периоды выпускать воду в нижней бьеф с расходом, требуемым

потребителю. В этом случае верхний бьеф называется

водохранилищем.

Кроме плотин, перегораживающих реки, водоподпорными

сооружениями являются дамбы (или валы), отгораживающие

территории от затопления паводками или ограждающие территории

воды и дамбы, образующие искусственные бассейны (например,

бассейны гидроаккумулирующих электростанций - ГАЭС) и русла

каналов.

Руслорегулирующие сооружения должны регулировать

эрозионную деятельность потоков в их руслах, а также изменять

режим потока в пределах его русла в направлении, требуемом

потребителем и защищать русла от вредных воздействий потока.

Регуляционные сооружения представляют собой дамбы, т.е. стенки из

различных материалов, возводимые в руслах, и специальные

покрытия, защищающие берега от размыва. Дамбы эти, как правило,

не перегораживают всей ширины реки, а возводятся от берегов в

поперечном, а иногда продольном направлении по отношению к

руслу. Иногда они представляют собой ‗‘пороги‘‘ на дне русла или же

искусственные выемки руслового грунта.

Регуляционные сооружения не создают, как правило, подпора

воды, но воздействуют на направление и величину скоростей потока,

перераспределяя их и тем самым, воздействуя на формирование русла

– его глубину, размеры и форму в плане.

Эти сооружения обслуживают различные отрасли водного

хозяйства: они могут обеспечивать необходимые глубины, скорости

течения и форму русла для судоходства и сплава (леса) на реках,

создавать нормальные условия для забора воды из рек, обеспечивать

174

стабильность речных берегов, необходимую для населѐнных пунктов

и различных предприятий по берегам рек.

Третий вид общих гидротехнических сооружений –

водопроводящие, представляют собой искусственные русла,

выполненные в грунте – каналы, подземные туннели, на поверхности

земли – лотки и трубы из различных материалов. Сооружения эти

транспортируют воду с определѐнными расходами для самых

разнообразных целей; подают воду к турбинам гидроэлектростанций,

на орошаемые земли и для обводнения степей, в системы

водоснабжения городов, промышленных и других предприятий и

отводят воды осушаемых земель и от других водопользователей; они

используются в качестве водных путей – судоходных и сплавных и

для других разнообразных целей.

К числу водопроводящих сооружений относят и водосбросы,

служащие для сброса воды из водоѐмов, верхних бьефах в нижние

через отверстия в плотинах или в обход плотин в береговых

сооружениях.

Сведения о видах и конструкциях гидротехнических сооружений

Материалом для плотин служит бетон и железобетон, дерево,

камень и различные грунты; соответственно плотины называются

бетонными, железобетонными, деревянными, каменными и

грунтовыми. Наиболее распространѐнными являются плотины

бетонные и из грунтовых материалов – песка, супесей, глин, гравия,

галечника и их смесей, а также рваного камня.

Бетонные плотины делят на гравитационные (массивные),

контрфорсные и арочные; гравитационные в поперечном разрезе

имеют форму треугольника с шириной основания, равной около 2/3

высоты, или трапеция; низовая грань прямолинейна или

криволинейна; в плане плотина обычно прямолинейная;

контрфорсные плотины представляют собой стены более тонкие, чем

в гравитационных плотинах, но они усилены контрфорсами –

стенками, расположенными со стороны нижнего бьефа нормально к

основной и подпирающими еѐ; арочные плотины имеют всегда

криволинейное очертание с выпуклостью, обращѐнной к верхнему

бьефу, а в поперечном (вертикальном) разрезе это сравнительно

тонкие стенки слегка криволинейной формы.

Бетонные плотины бывают глухими, если они не пропускают

воды в нижний бьеф, и водопропускными, водосбросными, если они

имеют отверстия для сброса воды. В первом случае вода верхнего

бьефа, притекающая к плотине, удаляется или через другие

175

сооружения, возводимые рядом с глухой плотиной (например, через

здание гидроэлектростанции, береговые водосбросы), или отверстия

из верхнего бьефа с помощью водопроводящих сооружений (каналов,

трубопроводов, туннелей) к потребителям, например в системы

водоснабжения или орошения и др.

В водопропускных плотинах вода пропускается в нижней бьеф

через отверстия, которые могут быть поверхностные или водосливные

и погружѐнные под уровень воды верхнего бьефа – глубинные, в

частности донные. С помощью водосливных отверстий уровень

верхнего бьефа может быть снижен до гребня водослива, а

глубинными отверстиями – до уровня их порога. Отверстия

снабжаются подвижными конструкциями – затворами, которые

позволяют регулировать расходы воды, выпускаемые из верхнего

бьефа (водохранилища).

Плотины из грунтовых материалов – это насыпи из грунтов,

имеющие в поперечном разрезе форму трапеции. Земляные плотины

из песков, супесей и легких суглинков проницаемы для воды и она

фильтруется через тело плотины, насыщая его до депрессионной

поверхности. Для предотвращения или уменьшения фильтрации

устраивают водонепроницаемые зоны в теле плотины – экраны или

диафрагмы, выполняемые из глины или суглинка, бетона и

железобетона, металла и других материалов, которые смыкаются с

водонепроницаемым основанием.

Плотины каменно-земляные выполняют из гравийных,

галечниковых материалов или рваного камня; водонепроницаемыми

элементами служат экраны или ядра из суглинков и глины. По

контакту их с телом плотины укладывают переходные слои из гравия,

щебня.

Плотины из грунтовых материалов выполняют, как правило,

глухими; в невысоких каменных плотинах допускают иногда перелив

дамбы из местных материалов (галька, гравий, песок, дерево), иногда

из бетонных и железобетонных элементов, с поперечном сечением в

форме трапеции. Материал этих сооружений не должен размываться

потоком; если же материал может размываться потоком (песок,

супесь, гравий), то он должен быть прикрыт не размываемым

защитным слоем камня, плитками, свайными стенками и т.п.

Водопроводящие сооружения – это искусственные русла,

которые устраивают в грунте и из грунта (каналы, туннели) или из

бетона, железобетона, дерева, металла (лотки, трубопроводы).

К специальным гидросооружениям относят:

Гидроэнергетические сооружения – здания гидроэлектростанций,

напорные бассейны, уравнительные башни и шахты;

176

Гидросооружения водного транспорта – судоходные шлюзы,

судоподъѐмники, причальные сооружения, пристани, портовые

набережные, судоремонтные и судостроительные устройства

(эллинги, доки), лесосплавные и лесопропускные сооружения и

устройства;

Гидромелиоративные сооружения (оросительные,

обводнительные, осушительные) – шлюзы – регуляторы, отстойники,

оросительная и осушительная сеть, дренажные устройства,

коллекторы;

Гидросооружения для водоснабжения и водоотведения

(канализации) – водозаборы – специального типа, капотажные

сооружения, насосные станции, пруды – охладители, очистные

сооружения, коллекторы, ливнеспуски и др.;

Гидросооружения для рыбного хозяйства – рыбоходы,

рыбоподъѐмники, рыбоспуски, рыбоводные пруды и бассейны.

Комплекс гидротехнических сооружений, объединѐнных общей

водохозяйственной целью и расположенных территориально в одном

месте, носит название узла гидротехнических сооружений или

гидроузла. По величине создаваемого напора гидроузлы делят на

низконапорные (от 2м до 8-10м), средненапорные (величина напора от

8-10м до 30-40м), высоконапорные (свыше 40м).

Комплекс гидротехнических сооружений, охватывающих

значительную территорию и включающий ряд гидроузлов,

объединѐнных общностью задач, называют водохозяйственной

системой или гидросистемой (например, Волжский и Камский каскад,

каскад ГЭС на Ангаре, каналы имени Москвы и Волго-Донской и др.).

7.2. ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДНОГО ПОТОКА НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Водный поток, подвергаясь воздействию гидротехнических

сооружений, в свою очередь, воздействует на сооружения и

окружающую их среду (основание, берега).

Механические воздействия водяного потока сказываются в

создании давления на поверхности сооружения статического и

динамического, величины которого определяют по формулам

гидравлики и гидромеханики. Особенно важно значение

горизонтальной составляющей гидростатического давления, которая

стремится сдвинуть или опрокинуть сооружение.

Гидродинамическое давление возникает всюду, где жидкость

движется, оно пропорционально, как правило, квадрату скорости

движения потока. В частности, оно проявляется и при возникновении

177

ветровых волн на поверхности водоемов (волновое давление) и в

случае землетрясений.

Вода оказывает давление не только как жидкость, но и как

твѐрдое тело в виде ледяного покрова, проявляющегося на водоемах в

средних и высоких географических широтах. Давление льда может

быть статическим (при повышении его температуры и невозможности

свободного расширения) и динамическим – при движении льдин и

ледяных полей (при ледоходах).

Рассмотрим в качестве примера механического воздействия

случай водосборной плотины. Поток, подходящий к плотине со

средней скоростью V0 начинает деформироваться, поднимаясь на

водослив, причѐм скорости его возрастают до V1, а перед плотиной

образуется водоворотная зона А с малыми скоростями течения.

Скатываясь по водосливной поверхности плотины, со всѐ

увеличивающейся скоростью от V1 до V2 – максимальной, он

сопрягается с водой нижнего бьефа, где кинетическая энергия,

обязанная скорости V2, постепенно гасится до величины,

соответствующей бытовой скорости реки V3.

Если не снизить скорость V2 поток размывает грунт дна реки,

что опасно для сооружения. Следует отметить, что скорости V2 могут

быть 10-30 м/с и более, размыву подвержены бывают даже скальные

грунты. Борьба с размывами заключается в покрытии угрожающего

участка дна бетонной плитой, называемой водобоем, за которым ещѐ

укладывается рисберма, где заканчивается гашение избыточной

энергии. Гибкость рисбермы позволяет ей, не разрушаясь,

деформироваться, покрывая собой возможные ещѐ размывы русла.

Фильтрационный поток в основании сооружения и в берегах

вызывает следующие явления:

1) происходит утечка или потери воды из верхнего бьефа

(водохранилища);

2) фильтрующаяся вода оказывает давление на подошву

сооружения, направленное снизу вверх нормально подошве и

называемое фильтрационным давлением (иногда его называют

противодавлением). Это давление как бы облегчает сооружение и

уменьшает его сопротивление сдвигающим горизонтальным силам;

3) фильтрующаяся вода может действовать на породы основания

химически, растворяя и вынося в нижней бьеф соли, имеющиеся в

породах, постепенно ослабляя основание. Это явление называется

химической суффозией грунта; в несвязных грунтах (песок и т.п.), а

также в заполнителях трещин скальных пород фильтрующаяся вода

может увлекать за собой мелкие и мельчайшие частицы грунта,

вынося их в нижней бьеф, что приводит к ослаблению основания; этот

178

процесс носит название механической суффозии и при своѐм развитии

он может привести к разрушению основания и аварии сооружения;

при выходе фильтрационного потока в нижней бьеф струйки воды

движутся почти вертикально вверх, производя давление на частицы

грунта, и при известных условиях могут приподнять часть массива

грунта, вследствие чего сооружение получит опасный наклон в

образовавшуюся разрыхленную зону основания. Это явление

называется фильтрационным выпором грунта.

Для надѐжности сооружения необходимо удлинить пути

фильтрации, что уменьшит скорость фильтрации и опасность

суффозии и выпора. С этой целью в верхнем бьефе перед

сооружением устраивают водонепроницаемое (обычно глинистое)

покрытие, называемое понуром, а под понуром и сооружением –

шпунты, в виде цементационных, битумных и других завес в

скальных породах.

Физико-химические воздействия воды сказываются на материале

сооружений и водопроницаемом грунте основания. Так, движущаяся с

большими скоростями вода, особенно, если она влечѐт с собой донные

наносы, истирает поверхности сооружений (каменных, бетонных,

деревянных), иногда в короткий срок, приводя их в негодность;

разрушает речное ложе, даже скальное; в случае образования зон

вакуума при обтекании сооружения потоком с большими скоростями

может возникнуть кавитация, вызывающая особый вид эрозионного

разрушения материала в этих зонах.

Металлические части сооружений подвергаются коррозии

(ржавлению и окислению), вследствие чего полезная толщина их

постепенно уменьшается, например, для обычных сталей общего

назначения в среднем на 0,02-0,06 мм в год.

Бетонные сооружения, подвергаясь действию фильтрующей

через них воды, могут разрушаться вследствие выщелашивания из них

несвязанной (свободной) извести, особенно если вода обладает

агрессивными свойствами, или вследствие периодического

замерзания и оттаивания воды в порах и трещинах бетона.

Биологическое действие воды выражается в разрушительной

работе различных организмов, живущих в воде; это процессы гниения

дерева, истачивание его морским шашнем, разрушение камня

камнеточцем; кроме того, наблюдаются и явления коррозии

материалов. Тщательный учѐт в проектировании и строительстве

всего комплекса воздействий потока на сооружения является одним из

главных условий их надѐжной, безаварийной работы. Другим столь

же важным условием является прочность и устойчивость сооружений

и их оснований под действием многообразных силовых факторов.

179

7.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ С ИХ ОСНОВАНИЯМИ И БЕРЕГАМИ, ПРОЧНОСТЬ ИХ И

УСТОЙЧИВОСТЬ

Свойства основания и берегов зависят от геологического

строения и имеют исключительно важное значение для надежности

гидротехнических сооружений.

Особенно важно знание свойств пород, складывающих

основание: их прочность, деформативность, степень трещиноватости,

водостойкость, положение и качество подземных вод.

Основаниями сооружений могут быть скальные породы,

изверженные и осадочные, и нескальные – слои песчаные,

гравелистые, супесчаные, суглинки, глины и разрушительные их

сочетания. Скальные сочетания допускают строительство на них

сооружений почти любых напоров; нескальные более слабые,

позволяют возводить на них только сооружения средних и низких

напоров (до 10-30 м), за исключением грунтовых плотин, высота

которых может в этих случаях достигать 100 м и более.

Геологическое строение в зоне сооружений часто осложняет

условия их работы. История образования пород, различные

дислокации (складки, разрывы, поднятия, опускания пород, сдвиги,

сбросы, оползни и др.) вызывают резкую неоднородность пород

основания и берегов, особенно нежелательно присутствие слабых

прослоек и ослаблѐнных зон, сильная трещиноватость. Кроме того,

приходится считаться с возможными сейсмическими явлениями,

вызывающими подвижки пород и слоѐв, разрывы, которые могут

осложнить существование сооружения и даже привести его к аварии.

Все эти обстоятельства учитываются при проектировании и

строительстве гидросооружений и предусматриваются мероприятия

по улучшению естественных оснований, приспособлению их к

надѐжному восприятию будущих нагрузок от сооружения и

воздействий речного потока, А для этого необходимо тщательно и

всесторонне изучить геологическую обстановку места сооружения.

На гидросооружение действуют многочисленные силы: давление

водного потока, фильтрационное противодавление, давление

отложившихся наносов, сила веса самого сооружения и другие

возможные нагрузки. Все эти силы, будучи суммированы, могут быть

представлены двумя составляющими – горизонтальной Q и

вертикальной V.

Эти силы передаются, в конечном счете, основанию сооружения

и изменяют естественное напряжѐнное состояние основания, бывшее

до постройки сооружения, причѐм в худшую сторону. Так растут

180

сжимающие и касательные напряжения, могут появляться

растягивающие напряжения, а в результате всего развиваются

деформации основания и возможные перемещения (сдвиги, наклоны и

т.п., в скальных основаниях трещины). Это может оказаться

недопустимым по условиям эксплуатации сооружения, поэтому для

надѐжного существования и работы сооружения необходимо, чтобы

его основание, помимо должной сопротивляемости

гидродинамическим и фильтрационным воздействиям потока и

другим нагрузкам, обладало достаточной прочностью или несущей

способностью. Для арочных плотин такими свойствами должны

обладать и берега, в которые упираются арки.

Важным условием надѐжной работы сооружения является

прочность контакта подошвы его с основанием, или устойчивость

сооружения против сдвига его горизонтальными силами.

Сопротивление сооружения сдвигающей силе Q создаѐтся силой S,

пропорциональной вертикальной составляющей V, именно

S=f×V (7.1)

где f – так называемый параметр сопротивления сдвигу, равный

от 0,2 до0,8 и более, в зависимости от свойств основания и материала

плотины.

Сооружение будет устойчивым против сдвига, если (в общем

виде):

Q f×V (7.2)

Отсюда видно, какое большое значение имеют вертикальные

силы (вес плотины, воды на ней и другие нагрузки). Таким образом,

гидротехнические сооружения находятся в сложных условиях

влияния водной среды с еѐ разнообразными воздействиями и в

условиях часто сложной геологической обстановки, изменяющейся

вследствие изменений режима речного потока, климатических и

других факторов. Недостаточный учѐт этого при проектировании и в

строительстве приведѐт к авариям и катастрофам, последствия

которых очень тяжелы.

181

7.4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Гидротехнические сооружения (ГС) находятся в сложных

условиях эксплуатации, обусловленных их значительными объемами,

взаимодействием с основанием, воздушной и водной средами,

воздействием волн, льда, атмосферных осадков, температуры,

солнечной радиации, землетрясений и т.д. Тяжелые катастрофические

последствия возможных аварий ГС, особенно работающих под

напором воды, предъявляют повышенные требования к надежности.

Основными эксплуатационными показателями ГС являются:

параметры конструктивной надежности – устойчивость, прочность,

водонепроницаемость, морозостойкость и др.; технологические

параметры – напор, расход водообеспечения, выработка

электроэнергии и др.; факторы архитектурного соответствия

назначению сооружения – форма конструкций, фактура их

поверхности, цвет, освещение и пр.; параметры экономичности

возведения и эксплуатации – стоимость укладки 1м3 бетона или

грунта, процент армирования бетона, стоимость 1кВт-ч

электроэнергии.

Надежность закладывается на стадии проектирования, в процессе

строительства – выполнение требований проекта. Она оценивается

тремя основными характеристиками: безотказностью, долговечностью

и ремонтопригодностью.

Безотказность – способность сооружения не иметь отказов в

течение требуемых интервалов времени при его эксплуатации в

заданных условиях, численно она характеризуется вероятностью

безотказной работы сооружения.

Долговечность – свойство сооружения длительно сохранять (с

возможными перерывами на ремонт) свои эксплуатационные

показатели в заданных пределах до момента разрушения или другого

предельного состояния. Различают физическую (прочность,

устойчивость, водонепроницаемость и т.д.) и моральную

(соответствие современным требованиям или технологическому

процессу) долговечность.

Ремонтопригодность – приспособленность сооружения к

предупреждению, обнаружению и устранению отказов, численно она

характеризуется временем на предупреждение, отыскание места и

причин отказа и его устранения.

Техническая эксплуатация ГС преследует две цели: обеспечение

оптимальных условий для выполнения ими технологических функций

(выработку электроэнергии, водоснабжения и т.д.) и предупреждение

182

преждевременного износа ГС при минимальных эксплуатационных

затратах.

В эксплуатационный период проводятся наблюдения и контроль

за состоянием и условиями работы сооружений и оборудования,

принимаются меры против возможных нарушений их правильной

работы (во время паводка, шторма, землетрясения и т.д.),

выполняются ремонтные работы по ликвидации дефектов,

повреждений и аварий, разрабатываются мероприятия по увеличению

эффективности использования водотока путем реконструкции ГС и их

оборудования, устанавливается необходимость проведения

специальных исследований и объем наблюдений.

Техническая эксплуатация ГС заключается в осуществлении: 1)

ухода за конструкциями и оборудованием путем проведения

технического обслуживания (ежедневного и сезонного); 2)

диагностики состояния конструкций и оборудования на основе

материалов осмотров, наблюдений и исследований; 3) системы

планово-предупредительного ремонта. Она осуществляется в

соответствии с правилами и положениями о технической

эксплуатации и ремонте, разработанными проектировщиками.

На ГС выполняют два вида ремонтных работ: текущий и

капитальный. Первый проводится эксплуатационным персоналом для

предохранения сооружения от преждевременного разрушения. Второй

– по достижению ГС предельных (установленных) сроков службы или

в связи с повреждениями, которые угрожают аварией или снижением

их эксплуатационных характеристик. При резком ухудшении

технического состояния ГС проводят аварийный внеплановый ремонт,

который относят к текущему или капитальному в зависимости от

характера повреждений, состава и объема работ.

Систематические наблюдения в период эксплуатации ведутся за:

1) осадками и деформациями (смещениями) сооружений и их частей,

оснований, откосов, берм, склонов и берегов в районе сооружения и

водохранилища (с признаками оползней, обвалов, осыпей и пр.); 2)

воздействием открытого потока воды на ГС и его элементы, дно, и

берега русла в верхнем и в нижнем бьефе (за уровнями и расходами

воды, волнами, размывами и отложениями наносов, кавитационными

разрушениями, аэрацией и т.п.); 3) фильтрацией через сооружения,

основания и берега (за уровнями, расходами, давлениями

фильтрационных вод, работой швов, противофильтрационных и

дренажных устройств, возможной суффозией в земляных

сооружениях и основаниях, выщелачиванием бетона и скальных

пород оснований и т.п.); 4) напряжениями, пульсационными

динамическими нагрузками, вибрацией сооружений и их элементов;

183

5) температурным режимом сооружения, водохранилища и нижнего

бьефа (температурами, ледовыми воздействиями, образованием шуги

и обледенелых сооружений и пр.)

При наблюдениях за напорными бетонными ГС состояние

оценивается визуально (сколы, трещины, раковины, обнажения

арматуры, признаки фильтрации и выщелачивания бетона),

простукиванием (отслоения, пустоты, прочность бетона),

выбуриванием кернов и по удельному водопоглащению пробуренных

скважин (прочность и фильтрация) или прозвучиванием бетона

методами ультразвуковой дефектоскопии.

Наблюдение за земляными сооружениями включает: крепление

откосов, дренажные системы, участки сопряжения земляных и

бетонных сооружений (осадки и деформации, интенсивность

контактной фильтрации и суффозионные явления.)

Наблюдение за металлическими конструкциями должны

выявлять состояние их поверхностей (появление коррозионных,

абразивных или кавитационных разрушений, обрастание

микроорганизмами и пр.)

Подводные части ГС периодически обследуются водолазами.

Исследования ГС бывают двух видов: лабораторные и натурные;

последние теснейшим образом связанны с эксплуатацией сооружений.

Лабораторные исследования бывают трех видов: стандартные,

модельные и общие.

Стандартные исследования позволяют судить о качестве

материалов сооружений и их оснований, их физико-технических

характеристиках, признаках и свойствах, которые определяют по

образцам и пробам стандартными методами и аппаратурой в

соответствии с ГОСТом. Модельные исследования в лабораториях

проводят на макетах, действующих моделях и стендах. Макеты ГС

используют при объемном проектировании-исследовании компоновок

сооружений и оборудования. Моделирование на физических моделях

есть замена интересующего нас явления в натуре изучением

аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба,

обычно в специальных лабораторных условиях. Стенды используют

для изучения фильтрационных, кавитационных и других явлений,

работы сложного механического оборудования плотин, шлюзовых

камер, испытания и исследования гидромашин.

Общие исследования на специальных установках проводят в

лабораториях с целью изучения общих закономерностей явления и

решения общенаучных проблем, имеющих принципиальное значение

как для развития теории и практики гидротехнического строительства,

так и эксплуатации сооружений. В лабораториях проводятся

184

исследования: гидравлические, в том числе кавитационные и

фильтрационные; статические и динамические исследования

прочности и деформации сооружений, их элементов и оснований;

изучаются термические, ледовые и волновые воздействия на

сооружения; явление вакуума, кавитации и аэрации потока.

Натурные исследования, оснащенные современной контрольно-

испытательной аппаратурой (КИА), позволяют получить объективный

и полноценный материал об эффективности эксплуатации, о

состоянии и надежности работы и плотин.

Наблюдения за ГС позволяют улучшить эксплуатационные

качества сооружений и повысить их долговечность. Различают два

вида исследований: 1) контрольные наблюдения, проводимые с целью

текущего строительного или эксплутационного контроля за

состоянием сооружений; 2) специальные общенаучные исследования,

проводимые на объекте с целью уточнения и изучения теории расчета

и моделирования ГС, накопления и научного обобщения результатов

натурных исследований.

В натуре наблюдают за осадками и горизонтальными

смещениями сооружений и оснований, фильтрацией и

противодавлением, трещинами в бетоне и его коррозией,

температурным и напряженным состоянием грунтов, бетона и

арматуры, уровнями воды и размывами в бьефах, пульсациями

давления в потоке и вибрациями сооружений. Объем и характер

исследований зависят от типа сооружения, особенностей

гидрогеологической обстановки и степени ответственности гидроузла.

Для рационального расположения и эффективного

использования КИА разрабатываются проекты ее размещения.

Широкое применение при исследованиях нашли

электрофизические (неразрушающие) методы контроля качества и

определения физико-механических характеристик материалов

непосредственно в сооружениях и в основаниях с ненарушенной

структурой. Их делят на акустические, радиометрические и

электрические.

Акустические или динамические методы испытания

(прозвучивания) материалов основаны на изменении скорости

распространения, частоты колебаний и затухания звуковых или

ультразвуковых волн в среде. По типу применяемых волн, частоте

колебаний и способу их возбуждения применяют три акустических

метода: резонансный, ударный, импульсный и ультразвуковой

импульсный метод.

2. Радиометрические методы основаны на измерении поглощения

гамма-лучей, а также на замедлении быстрых нейтронов при

185

взаимодействии с ядрами водорода. Измерение поглощений гамма-

излучений используют при работе гамма-плотномеров, нейтронных

влагомеров и радиоактивных индикаторов. При определении

плотности в качестве источника гамма-лучей используют

радиоактивные кобальт и цезий (Со60 и Сs137). При работе с

радиоактивными изотопами необходимо строго выполнять требования

техники безопасности. Для выявления внутренних дефектов

материалов (пластмасс, металлов, железобетона) просвечиванием

могут использоваться рентгеновские аппараты, изотопные источники

электромагнитного излучения и источники тормозного излучения-

ускорители заряженных частиц.

3. Электрические методы измерения неэлектрических величин

обычно связанны с изменением омического, индуктивного или

ѐмкостного сопротивления среды, косвенно характеризующего

свойства материала. На этом принципе основана работа

существующих влагометров, когда исследуемый материал помещают

между пластинами конденсатора и его диэлектрическая

проницаемость изменяется в зависимости от влажности. Точность

измерения влажности (0,2 0,5)%. Для дефектоскопии металлов

широко используют электрические, электромагнитные и магнитные

методы. Сущность этих методов заключается в том, что магнитный

поток в металле, пересекая трещину или другой дефект, встречает

большое магнитное сопротивление, силовые линии искривляются и,

выходя на поверхность, создают местные потоки рассеяния.

Тепловые методы применяют тогда, когда местные нарушения

картины температурного поля определяют положение внутренних

дефектов, которые не удаѐтся выявить другими методами контроля

качества материалов.

7.5 АВАРИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

7.5.1 Характер аварий гидротехнических сооружений Аварии плотин имеют, как известно, самый различный характер.

Это обуславливается недостаточным учетом разнообразия

климатических, топографических, геологических, гидрологических

условий в створах плотин, а также возможностью их неблагоприятных

сочетаний. Сказываются и различия конструкций плотин, свойств

материалов, использованных при их возведении, применяемой

технологии строительства. Так, например, бетон плотин, построенных

30-50 лет тому назад, по многим основным свойствам существенно

отличается от бетона современных плотин. Нельзя встретить две

полностью идентичные плотины, еще меньше вероятность

186

разрушения плотин близкой конструкции по одной и той же, к тому

же единственной причине. Все это не позволило к настоящему

времени накопить данные, необходимые для достоверной

статистической оценки вероятности аварий больших плотин, однако

работы в этом направлении продолжают проводиться в ряде стран. По

этой же причине пока не сформированы критерии надежности плотин,

гарантирующие при минимальных затратах безотказную их работу в

течение заданного периода времени, например за 50-100 лет.

В грунтовых плотинах серьезные повреждения образуются чаще

всего вследствие непредвиденного заранее неблагоприятного

поведения неоднородных оснований, ослабленных действием

механической или химической суффозии; в результате этих

проявлений в толще оснований образуются каверны, трещины,

сосредоточенные пути фильтрации, приводящие к снижению и даже к

потере их несущей способности. В основаниях под действием веса

воздвигаемой плотины, гидростатического давления на нее и на чашу

водохранилища, а также действия напорной фильтрации происходят

местные просадки, трещины, смещения скальных массивов,

отражающиеся на состоянии плотины. Не меньшее значение имеют и

аналогичные процессы, протекающие в теле грунтовых плотин.

Обычно они возникают при неправильном выборе материала

сооружений (в особенности - водоупорного элемента: ядра, экрана и

т.п.), при некачественном выполнении строительных работ, плохом

уплотнении грунта, которые приводят к неравномерным осадкам в

теле плотины. Вредно сказывается, например, промораживание

отдельных слоев насыпей в процессе их возведения, пересыхание

укладываемых грунтов, препятствующее их уплотнению.

Существенное влияние оказывают различные недоучтенные

проектом внешние воздействия: размывы откосов волнами,

паводковыми водами, переливающимися через гребень ливневыми

дождями, а также повреждения при сейсмических воздействиях, к

которым грунтовые плотины гораздо более чувствительны, чем

бетонные. Конкретные проявления разрушений, вызываемых этими и

другими причинами, могут быть самыми разнообразными. Это и

полное разрушение сооружения, оползание его откосов, образование

провальных воронок, местные повреждения отдельных элементов и

многие другие.

Трещинообразование - наиболее распространѐнный вид

повреждения грунтовых плотин, приводящий иногда даже к их

разрушению.

Фильтрационные повреждения. Большая часть повреждений

плотин вызывается нарушением фильтрационного режима в теле и

187

основании плотины. Фильтрационный поток даже с небольшой

мутностью должен вызывать опасения.

Повреждения из-за неправильной оценки свойств основания. При

очень сложных геологических и гидрогеологических условиях

залегания грунтов в основании плотины предварительные изыскания

часто не могут дать достаточно точных данных о его строении и

характерных свойствах.

Образование провальных воронок и оползней. Провальные

воронки и оползни на плотинах часто образуются в результате

суффозии грунта внутренних зон насыпи, вызываемой

сосредоточенной фильтрацией, но бывает и результатом размыва

наружных поверхностей плотины. Известны случаи перерастания

воронок и оползней в прорывы, приводящие к разрушению плотин.

7.5.2 Анализ аварий гидротехнических сооружений Рассмотрим примеры известных аварий грунтовых плотин.

Несмотря на значительное количество построенных и

эксплуатируемых в мире земляных плотин (несколько тысяч), можно

назвать лишь 4 аварии на плотинах подобной конструкции,

приведшие к человеческим жертвам (плотина Титон, Мачху - II,

Киселѐвская, Тирлянская).

1.Плотина Титон имела высоту над дном реки 93 м и общую

строительную высоту 123 м. В еѐ состав входили широкое

вертикальное ядро, выполненное из иловатых грунтов с песком и

гравием, верховая переходная зона из гравия и песка, верховая

набросная призма, низовая переходная зона из гравия и песка,

прикрытая призмой из карьерной смеси, каменная наброска на

низовом откосе. Под ядром был выполнен зуб из материала ядра, из

которого была проведена трехрядная цементационная завеса. Отсыпка

плотины была закончена в ноябре 1975 г. 5 июня 1976 г., когда

водохранилище было заполнено на 1 м ниже порога водослива,

плотина разрушилась. Несмотря на своевременное предупреждение о

грозящей катастрофе, погибли 14 человек. При строительстве

гидроузла стоимостью 102 млн. долларов убытки составили 400 млн.

долларов, а с учѐтом последствий их размер превысил 1 млрд.

долларов. Авария явилась следствием недостаточной защиты насыпи

плотины от фильтрации воды через еѐ тело и по контакту насыпи с

сильно трещиноватым скальным основанием.

2.Разрушение плотины Мачху - II (Индия) произошло в августе

1979 года и привело к исключительно большому материальному

ущербу. Было разрушено 68 деревень, 12700 домов, 6700 строений

188

повреждено. Только в городе Морви в первые дни было

зарегистрировано 1540 погибших людей.

В 50 км выше плотины Мачху - II существовала грунтовая

плотина Мачху - I. В начале августа 1979 года в бассейне р. Мачху

выпадали обильные муссонные дожди, вызвавшие большой приток

воды в водохранилище. 10 августа наблюдался значительный подъем

воды перед грунтовой плотиной Мачху - I и к 21 часу вода стала

переливаться через гребень. Операторы на плотине Мачху — II были

немедленно предупреждены о необходимости увеличения открытия

всех затворов на высоту до 1.8 м. Позже было дано распоряжение о

полном открытии всех затворов. Однако электрооборудование 3

затворов оказалось в это время неисправным, и открыть удалось

только 15 затворов. Сделанные затем попытки открыть 3 затвора

вручную не увенчались успехом. Вода продолжала прибывать, и

расход еѐ достигал по разным оценкам 10 - 14 тыс. м3/с. Были приняты

срочные меры для предупреждения населения об опасности

надвигавшегося наводнения, для чего использовались

громкоговорители. Но многие жители не успели вовремя

эвакуироваться из опасной зоны.

В 1 ч 30 мин 11 августа уровень воды перед плотиной Мачху - II

достиг отметки 60.5 м и начался прорыв воды в нижний бьеф, в

основном через гребень земляных плотин. При этом левобережная

плотина была размыта на длине 1066 м, правобережная - на участке

длиной 700 м. В 15ч произошло затопление города Морви,

расположенного в 8 км от плотины. Глубина слоя воды на улицах

города достигал 4,5 м.

Авария была вызвана в основном ошибками проектирования и

эксплуатации гидроузла. Неправильно были определены вероятные

максимальные осадки в бассейне реки, ошибочно установлен модуль

стока бассейна, максимально возможные паводковые расходы. Было

занижено проектное число водосбросов, неисправность 3-х затворов,

несвоевременное открытие остальных, малодейственная система

оповещения населения об опасности способствовали тому, что

последствия катастрофы оказались столь значительными. В настоящее

время проект плотины полностью переработан. Предполагается, что

стоимость ее восстановления превысит 10 млн. долларов.

3.Разрушение Киселевской грунтовой плотины в 1993 г. в

России, водосбросы которой были рассчитаны на пропуск расхода 560

м3/с с обеспеченностью 0,1% произошло при переливе воды с

расходом составляющим около 1000 м3/c. Авария этой плотины

привела к гибели 15 человек и разрушению 1200 домов. Увеличение

расходов воды в этом случае связано, по-видимому, с ликвидацией на

189

площади водосброса естественных регуляторов стока (леса, болот и

т.д.), а также с происходящим при этом наложением дождевых

паводков на волну половодья.

4.Тяжелая авария, вызванная заклиниванием сегментных

затворов водосброса, произошла в 1994 г. на Тирлянской грунтовой

плотине на Урале. Подъѐм затворов начали производить, лишь, когда

уровни воды оказались выше их гребня, что послужило причиной их

заклинивания. Перелив воды при переполнении водохранилища через

гребень плотины высотой 9,85 м привѐл к еѐ разрушению. Был

затоплен ряд населѐнных пунктов в нижнем бьефе, погибло 22

человека.

5.Плотина Дханибара высотой 18 м, построенная в 1975 - 1976 г.,

разрушилась в июне 1976 г. Водослив при плотине, рассчитанный на

максимальный расход 584 м3/c, не смог пропустить фактический

расход, достигший 956 м3/c, что привело к катастрофе.

6.Плотина Манивали высотой 21 м построена также в 1975 - 1976

г. Прорыв плотины произошѐл в еѐ русловой части на длине 25 м при

первом наполнении водохранилища. Наблюдавшаяся в начале

заполнения водохранилища небольшая фильтрация в основании

плотины к моменту окончания наполнения водохранилища

увеличилось до 0.5 м3/c. При этом у основания низовой грани были

замечены выходы мутной воды. Через 3 часа после этого произошло

разрушение плотины. Установлено, что причиной аварии явилось то,

что траншея в скальном основании под зуб была вырыта на

недостаточную глубину и вода под большим напором начала

фильтровать через трещиноватую скалу, размывая тело плотины и

вызывая еѐ большую осадку. Гребень плотины просел и оказался ниже

уровня воды в водохранилище, что привело к переливу и разрушению

плотины.

7.На плотине Зильфенштейн высотой 41 м, построенной в 1954 -

1958г. из грунтовых материалов в Баварских Альпах (ФРГ), имело

место возникновение значительных трещин в ядре плотины в

результате еѐ неравномерной осадки, и возможно, образования свода,

с выносом из-под него мелкозернистых частиц грунта.

190

7.5.3 Сценарии возможных природных аварий на ГЭС

При анализе на гидротехнических сооружениях исследуют

сценарии развития возможных ЧС. Для примера рассмотрим сценарии

возможных аварий на Толмачевской ГЭС-1. Сначала рассмотрим

сценарии природных аварий.

1. Сдвиг плотины или смещение части сооружения,

значительные осадки, оползание откосов, длинные и глубокие

трещины от сейсмического воздействия более 8 баллов.

Плотины малой и средней высоты в большей степени

подвержены повреждениям при землетрясениях, так как высокие

частоты свободных колебаний приводят к максимальным значениям

сейсмической нагрузки на сооружение. Для плотин из песчано-

гравийной смеси критической минимальной высотой, ниже которой

имеет место явления резонанса при землетрясении (в случае

скального основания), следует считать 50 м.

Таким образом, для Толмачѐвской плотины, высотой в 20 метров

будут плохие условия при землетрясении. Следует предусматривать

специальные меры по повышению сейсмостойкости.

Одной из причин повреждения плотины является

высокочастотный спектр колебаний и неправильный подбор грунтов в

теле. Для наружных зон плотины, где необходима наивысшая

прочность, следует подбирать грунты с наиболее высокими

прочностными характеристиками - камень, гравий. Более слабые

грунты, например гравелисто-галечниковые со значительным

включением песка, следует устраивать в упорных призмах.

Необходим также специальный дренаж для предотвращения

возможности развития избыточного порового давления в теле

плотины при сейсмическом воздействии. Эти требования для данной

плотины соблюдены.

Из-за различного уплотнения грунтов отдельных зон в плотине,

из-за отсутствия специальных переходных зон в примыканиях

грунтовой плотины к соседним сооружениям, из-за неравномерной

осадки основания, могут возникнуть трещины как вертикальные, так и

простирающиеся горизонтально вдоль откоса на различных отметках.

Особенно опасно возникновение глубоких трещин, так как они могут

создать пути сосредоточенной фильтрации. Возникновение трещины

наиболее вероятно в месте примыкания плотины к правому берегу

реки, так как в этом районе имеются два активных тектонических

размыва северо-восточного направления. Поскольку плотина

возводится на сильно проницаемых породах, прикрытых 5-метровым

слоем слабоводопроницаемых пород, то вертикальные трещины от

191

сейсмических воздействий основания плотины могут разрушить

слабопроницаемый слой в верхнем бьефе и привести к вымыву грунта

из основания и просадкам плотины, что при высоком уровне воды в

верхнем бьефе может привести к размыву гребня плотины. Так же при

интенсивном землетрясении может разрушиться пригребневая зона

верхового откоса грунтовой плотины. По этому случаю сделан расчет

на устойчивость плотины.

Следовательно, возможными авариями грунтовой плотины при

землетрясении в 9 баллов будут из-за трещинообразования и

оползания откосов.

2. Гидродинамическое воздействие от оползня в верхнем бьефе.

На правом или левом берегу водохранилища ГЭС-1 может

образоваться неустойчивая зона. Грунты, из которых сложены берега

водохранилища, могут обрушиться в воду и такое явление называется

оползнем. Высота берегов в верхнем бьефе составляет

приблизительно Н = 20 м. Ориентировочный объѐм оползня может

составить:

Vоползня = 40 × 40 × 20 = 32000 м3

Из-за обрушения грунта в водохранилище, на поверхности воды

образуется одиночная волна высотой hволны, которая распространяется

от источника возмущения в форме полукруга. Для проверки

возможности перелива волны через гребень плотины нужно

рассчитать приблизительно высоту волны.

При расчетах получили высоту волны hволны = 110 см. Такая

волна не сможет перелиться через гребень плотины, она загасится в

самом водохранилище и аварии не произойдѐт.

3. Нарушение герметичности водоводов.

Водоводы, проходящие под насыпью плотины, железобетонные с

металлической облицовкой. Водовод имеет квадратную форму, длина

стороны -2 м. При сейсмическом воздействии (землетрясении) могут

произойти нарушения конструкции водоводов, например образование

щелей (трещин) и просадок грунта. Что влечѐт за собой

возникновение струи воды, которая начинает размывать каменные

призмы, а затем и земляное тело плотины. Наиболее неблагоприятным

случаем является действие сейсмической волны под углом к

продольной оси водовода, когда будут появляться скручивающие

моменты в сечениях водовода.

Расчеты показали, что это разрушение ведѐт к местному размыву

низового участка плотины и может быть своевременно локализовано.

Для этого нужно иметь дорогу, для подъезда автосамосвалов с

грунтом и бульдозера, и аварийный карьер для дополнительного

грунта.

192

4.Возникновение аварии из-за превышения значений

максимальных расходов воды.

Рассматривался случай перелива воды через гребень плотины из-

за того, что расчѐтные максимальные расходы выбраны неверно.

Однако, учитывая очень высокую зарегулированность

водохранилища за счѐт подтопления озера Толмачева и большую

площадь зеркала, а также обеспечение многолетнего регулирования,

имеется реальная возможность осуществить дополнительные сбросы

избытков воды, в благоприятные периоды и тем самым

компенсировать возможные ошибки.

5.Фильтрация по контакту с береговым примыканием.

Увеличенная фильтрация по контакту плотины с берегом может

привести к размыву откоса плотины со стороны нижнего бьефа.

Однако этот размыв имеет длительный характер, и поэтому может

быть своевременно обнаружен. Сразу должны быть предусмотрены

технические мероприятия по снижению фильтрации. Например,

методом подачи иньекцирования в контуры примыкания связующих

материалов (т.е. цементация). Для этого требуется наличие

соответствующего запаса вяжущих материалов и оборудования.

6.Нарушение нормального функционирования сооружений.

Например, из-за задержки пропуска расходов при отказах затворов,

неправильном маневрировании ими, при засорении водопропускных

отверстий плавающими телами, донными наносами, при превышении

уровня воды, возможен перелив воды через гребень плотины, что

приведѐт к серьѐзной аварии. Поэтому нужно следить за состоянием

затворов, обеспечивать своевременную очистку водопропускных

отверстий, контроль за уровнем воды в верхнем бьефе и т.п. А так как

высока степень регулирования стока, существует запас времени, для

того чтобы исправить все неисправности затворов и очистить

водопропускные отверстия, то в таком случае авария маловероятна.

Вывод: Наиболее опасным случаем природной аварии является

сейсмическое воздействие интенсивностью более 8 баллов.

После исследования возможных природных аварий рассмотрим

сценарии возможных техногенных аварий Толмачѐвской ГЭС-1.

193

7.5.4 Сценарии возможных техногенных аварий на ГЭС

Возможные техногенные аварии по плотине:

1.Вдоль реки совершаются полѐты вертолетов для организации

визуального контроля органов государственного надзора и в других

целях. В связи с этим возможно падение вертолѐта на гребень

плотины. Может возникнуть взрыв топлива, от которого может

образоваться воронка радиусом до 15 метров, глубиной 5-7 метров, и

поэтому может возникнуть проран в верхнем бьефе.

2.Рассмотрен случай, когда на автодороге, проходящей по

гребню плотины, в результате дорожно-транспортного происшествия

с автомобилем, перевозящем взрывоопасные материалы (такие как

взрывчатка, сжиженный газ, топливо и др.), произошел взрыв. Он

может произойти на гребне, а также на низовом откосе в нижней

части плотины. Мощность заряда в тротиловом эквиваленте может

составить около 2-3 тонн. Образуется воронка радиусом до 30 метров

и глубиной 8-10 метров. Может также возникнуть проран в плотине.

Но для данной Толмачевской плотины эта авария ниже

допустимого риска, так как дорога, которая проходит по гребню

организована только для служебного проезда, и поэтому

возникновение дорожно-транспортного происшествия очень мало.

Возможные техногенные аварии для здания ГЭС:

1.Падение летательного аппарата (вертолѐта) на здание ГЭС.

Такая авария ведѐт за собой разрушение конструкции здания ГЭС.

2.Пожар, в результате которого могут обрушиться несущие

конструкции здания из-за потери их прочности.

Поскольку у водоводов существуют затворы со стороны верхнего

и нижнего бьефа, опасность их разрушения не влечѐт за собой

катастрофических последствий, в связи с возможностью

своевременного закрытия затворами.

Вывод: Наиболее опасным случаем техногенной аварии является

падение вертолѐта на гребень плотины.

7.5.5 Ликвидация последствий аварий на ГЭС Ремонтные работы на грунтовых плотинах носят самый

разнообразный характер. Их назначение - обеспечение нормальной

эксплуатации плотин, претерпевших аварии различной

интенсивности. Объѐм работ зависит от вида и характера

повреждений плотин. Различают обычно мелкие, в основном,

профилактические ремонты, выполняемые силами коллективов

эксплуатационников. Более крупные ремонты производятся уже

специализированными подрядными организациями. При очень

194

больших повреждениях или разрушениях приходится проводить

значительные восстановительные работы, иногда даже перестройки

плотин. Эти работы выполняют специализированные организации,

имеющие достаточный опыт в строительстве гидротехнических

сооружений.

Восстановление или существенные изменения конструкций

плотин проводятся по проектам, в которых учитываются результаты

анализа повреждений, их причины. Часто на работы по

восстановлению поврежденных гидротехнических сооружений

объявляются конкурсы, заключаются контракты.

Конструктивными мероприятиями для повышения

сейсмостойкости плотины являются:

1. Мероприятия, которые устраивают при строительстве

плотины:

• Устройство экрана на напорной грани, предотвращающее

водонасыщение верховой упорной призмы. Материалы экранов

различны: синтетические пленки, бетон и грунты;

• Использование грунтобетона. Грунтобетон укладывается в

конструкцию горизонтальными слоями толщиной 15 см с их

последующей укаткой.

2. Мероприятия, которые устраивают после аварий:

• Армирование грунта принципиально изменяет его свойства,

позволяя грунту воспринимать ограниченные растягивающие

напряжения, повышая его прочность и устойчивость, как при

статических, так и при динамических (сейсмических) воздействиях.

Армирование грунта необходимо на участках сосредоточенного

фильтрационного потока (концевые участки дренажных устройств),

равно как и на низовой грани плотины в случае возможного перелива

воды через сооружение.

• Технологические приѐмы также используются для повышения

сейсмостойкости плотины.

При проведении на плотинах ремонтных работ во многих

странах широкое распространение получило применение различных

методов инъекцирования в их толщу и в. основание всевозможных

растворов: цементных, глинистых, синтетических. Во многих случаях

инъекционные работы производятся без прекращения эксплуатации

гидроузла при наполненном водохранилище.

Для уменьшения фильтрации проводятся цементационные

работы основания плотины из грунтовых материалов. Часто

встречающимся видом ремонтных работ направленным главным

образом на увеличение устойчивости насыпи и, частично, уменьшение

фильтрации, является пригрузка откосов грунтом.

195

Для ликвидации природных аварийных последствий требуется

наличие соответствующего запаса вяжущих материалов для

инъекцирования, и оборудования.

Ликвидация возможных техногенных аварийных последствий

должна производиться путѐм срочной засыпки прорана камнем и

бетонными блоками. Для чего в составе противоаварийных

мероприятий на гидроузле должны быть предусмотрены резервы

соответствующих строительных материалов (камня, бетонных блоков)

объѐмом, превышающим объем возможного прорана не менее чем в 3-

5 раз, с учѐтом опыта перекрытия строительных проранов. Объем этот

будет составлять:

Vстроит. матер.=Vворнки × Кразрых × Кзапаса (7.3)

где Vворнки - объѐм воронки, Vворнки = 1/3 × × r2 × h = 628 м

3;

Кразрых - коэффициент разрыхления Кразрых =0.5;

Кзапаса - коэффициент запаса Кзапаса =5;

Получаем: Vстроит. матер.= 628 × 0.5 × 5 = 1570 м3.

Так же нужно иметь аварийно-восстановительную службу,

укомплектованную автосамосвалами не менее 5-8 штук и с

погрузочно-разгрузочной техникой. С учетом высокой интенсивности

размыва песчаного грунта в гребне плотины, время на начало

проведения аварийно-спасательных работ должно составить около

одного часа от момента поступления сигнала об аварии, то есть

должна присутствовать постоянно дежурная служба и связь. Что

является весьма проблематичным, поскольку предполагается

эксплуатация ГЭС — 1 в дистанционном режиме управления.

Ликвидация данной аварии должна быть проработана в плане

ликвидации возможных аварий, являющейся неотъемлемой частью

технической документации по объекту. Информирование населения и

территориальных органов местной власти о возможных и возникших

на станции чрезвычайных ситуациях осуществляется через

региональные отделения ГО и ЧС.

196

Глава 8. ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МАШИНЫ

Общие сведения о грузоподъемных машинах. Виды подъемных механизмов. Основные параметры грузоподъемных машин. Обеспечение безопасной эксплуатации грузоподъемных машин. Транспортирующие машины. Гидравлические машины. Общие сведения о надежности машин.

8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИНАХ

Грузоподъемные машины – это машины циклического действия,

предназначенные для подъема и перемещения грузов на большие

расстояния в пределах определенной площади промышленного

предприятия.

Грузоподъемные машины весьма разнообразны по назначению,

принципам действия и конструктивному исполнению.

По назначению грузоподъемные машины условно разделяют на

машины общего и специального назначения. Машины общего

назначения являются в некоторой степени универсальными. Их

используют в производственных условиях для выполнения только

подъемно-транспортных операций. Специальные грузоподъемные

машины используют для подъема и перемещения определенных видов

грузов либо для выполнения подъемно-транспортных операций при

специальных технологических процессах.

По конструктивному исполнению грузоподъемные машины

классифицируют на подъемные механизмы (домкраты, тали и др.),

подъемники, грузоподъемные краны, погрузчики и манипуляторы.

В зависимости от конфигурации обслуживаемой рабочей

площади можно разделить на следующие группы: подъемные

механизмы, подъемники – определенная точка рабочей площади;

тележки, тали – рабочая площадь в виде прямолинейной или

криволинейной полосы; стационарные поворотные краны – рабочая

площадь в виде узкого кольца; стреловые краны, манипуляторы –

рабочая площадь в виде широкого кольца или сектора; краны

мостового типа, кабельные краны – штабелеры, манипуляторы –

рабочая площадь в виде прямоугольника; погрузчики, манипуляторы,

самоходные краны – рабочая площадь произвольной конфигурации.

197

8.2. ВИДЫ ПОДЪЕМНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Домкраты Домкраты, предназначенные для подъема грузов на небольшую

высоту ,(от 0,15 до 0,7 м) применяют преимущественно при

ремонтных, строительно-монтажных и спасательных работах.

Основное отличие домкратов от других грузоподъемных машин

состоит в том, что подъем грузов домкратами производиться без

грузозахватных устройств. Некоторые домкраты могут производить

горизонтальное перемещение поднятого груза на небольшие

расстояния. По конструкции домкраты разделяют на реечные,

винтовые и гидравлические домкраты. Привод домкратов может быть

ручным и механическим.

Реечные домкраты имеют всегда ручной привод. Их

грузоподъемность составляет 0,5-10 т. Они бывают рычажно- и

зубчато-реечными. Недостаток рычажно-реечных домкратов –

прерывистость действия и самопроизвольное падение груза

вследствие быстрого изнашивания собачек, которыми груз

удерживается. КПД рычажно-реечных домкратов – 0,95-0,97.

Винтовые домкраты могут иметь ручной или электрический привод

грузоподъемностью от 2 до 20т. С их помощью можно установить

груз по высоте с большой точностью. Основным критерием

работоспособности винтового домкрата является износостойкость

резьбы. Основными недостатками является низкий КПД и малая

скорость опускания груза.

Гидравлические домкраты выполняют с ручным и машинным

приводом. Они имеют высокий КПД (0,75-0,8). Грузоподъемность

составляет до 750т. Скорость подъема груза ручным приводом мала

(0,001 до 0,002 м/с). Для увеличения скорости подъема используют

насосы, работающие от электродвигателя. Давление рабочей

жидкости (обычно масла) определяется грузоподъемной силой и

площадью плунжера, составляет не более 5000 МПа. Высота подъема

0,15-0,7 м.

Тали Таль - грузоподъемное устройство с ручным, электрическим или

пневматическим приводом, подвешиваемое к балкам или

специальным тележками, перемещающимся по подвесному

монорельсовому пути.

Ручные тали производят подъем груза с помощью грузовых

пластинчатых или сварных калиброванных цепей, приводимых в

движение вручную с помощью приводных звездочек. Грузовая цепь

198

образует полиспаст кратностью 2;3 и реже 4. Различают червячные и

шестеренные ручные тали.

Червячные тали имеют грузоподъемность 0,5-10 т с КПД 0,55-

0,7. Шестеренные тали, также как и червячные, с приводом от

тягового колеса, их грузоподъемность 0,25-10 т, КПД 0,7-0,9.

Применяются тали с приводом от качающейся рукоятки.

Электрическая таль (с электрическим приводом) компактна,

подвешивается к неподвижным опорам (балкам, колоннам, стенам)

или к тележке, перемещающейся по монорельсовому пути.

Управление механизмом подъема электротали производится с пола с

помощью двухкнопочного поста управления, подвешенного к тали.

Грузоподъемность 0,1-15 т. Высота и скорость подъема груза

соответственно не более 30м и 0,05-0,15 м/с. Электротали

используются в качестве самостоятельной грузоподъемной машины

или в качестве механизма подъема в более сложных машинах

(монорельсовых тележках, мостовых однобалочных кранах,

настенных консольных кранах и т.д.). Большинство электроталей

имеют в качестве гибкого грузового элемента стальной канат и реже

сварную или пластинчатую цепь.

Пневматические тали используются для работы во

взрывоопасной среде, в которой использование электродвигателей не

допускается. Механизм подъема механической тали имеет

пневматический ротационный лопастной двигатель.

Лебедки Лебедками называют грузоподъемные машины, в которых в

качестве рабочего элемента, навиваемого на барабан или шкив

(звездочку), используют канат или цепь. Лебедки предназначены для

подъема и перемещения грузов по горизонтальному или наклонному

пути при ремонтных, строительно-монтажных, разборке завалов и

других работах, а также для механизации транспортирования грузов.

Лебедками также называют механизмы подъема

грузоподъемных кранов и подъемников, механизмы изменения вылета

или передвижения тележек кранов, если в этих механизмах

используют канаты или цепи.

Различают лебедки с ручным или машинным приводом от

электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания, реже от

гидравлических, пневматических и паровых.

Лебедки могут быть выполнены напольными, прикрепленными

с помощью болтов к фундаментам, опорным рамам или плитам, либо

настенными. Узел крепления лебедок с любым типом привода должен

199

быть таким, чтобы обеспечивать их устойчивость при натяжении

каната (цепей), превышающим в два раза номинальное значение.

Лебедки с машинным приводом бывают нереверсивными,

реверсивными, фрикционными или с жесткой связью каната и

барабана, однобарабанные, двухбарабанные, односкоростные,

двухскоростные, с цилиндрическими или коноидальными барабанами.

Электрические реверсивные однобарабанные лебедки согласно

ГОСТ 2914-80 имеют тяговое усилие 4,0; 6,3; 10,0; 12,5; 20,0; 32,0;

50,0 кН.

Подъемники Подъемниками называют грузоподъемную машину прерывного

(циклического) или непрерывного действия для подъема груза и

людей в специальных грузонесущих устройствах, движущихся по

жестким вертикальным (иногда наклонным) направляющим или

рельсовому пути. По способу передачи воздействия от привода

грузонесущим устройствам различают канатные и цепные, реечные,

винтовые и плунжерные подъемники. Преимущественное

распространение получили канатные подъемники, в которых

грузонесущие устройства подвешены на стальных канатах,

огибающих шкивы или навиваемых на барабаны подъемных лебедок.

В таких подъемниках грузонесущие устройства (кабина, клеть, скип,

платформа, тележка или вагон) уравновешиваются другими такими же

устройствами или противовесом (в пассажирских),

Подъемники имеют, как правило, электрический или реже

гидравлический привод.

Лифты. Подъемник прерывного действия с вертикальным

движением кабины или платформы по жестким направляющим,

установленным в огражденной со всех сторон шахте, называют

лифтом. По назначению различают лифты пассажирские (обычные и

скоростные), предназначенные для транспортирования людей:

больничные - для транспортирования больных на больничных

транспортных средствах с сопровождающим персоналом, грузовые с

проводником -для транспортирования грузов и лиц, сопровождающих

груз и грузовые малые без проводника -для транспортирования только

груза.

Парк лифтов в СПб является самым старым и разнообразным. В

настоящее время в СПб и Ленинградской области находятся в

эксплуатации 40 тыс. лифтов. Анализ произошедших в 1999г.

несчастных случаев и выявленных нарушений правил безопасности

показывает, что надзор, обслуживание и ремонт лифтов находится на

недостаточном уровне. В результате этого лифты эксплуатируются в

неисправном состоянии, без квалифицированных осмотров и

200

ремонтов. К обслуживанию лифтов допускаются не обладающий

знаниями и практическими навыками работы персонал. Из

проверенных за 9 месяцев 2011 лифтов пришлось остановить работу

705 лифтов. При этом были выявлены 6603 нарушения правил

безопасности и неисправности, которые при определенном стечении

обстоятельств могли привести к авариям или несчастным случаям.

Из 28 тыс. пассажирских лифтов, установленных в жилых домах

более 10 тыс. отработали свой нормативный срок 25 лет. Из них 1500

лифтов находятся в эксплуатации от 35 до 40 лет и более. Ежегодно

1000 лифтов превышают нормальный срок эксплуатации.

Несчастный случай: в Шлиссельбурге 15.6.99 – смертельный

исход в пассажирском лифте, 20.8.99 на строительной площадке СПб,

16.4.99 в Московском районе – подросток, катаясь на крыше лифта,

получил смертельную травму.

Патерностеры. Подъемники непрерывного действия для

подъема пассажиров в открытых кабинах, прикрепленных к

вертикально движущимся цепям, называют патерностерами. Вход и

выход пассажиров патерностера происходит при движении кабины.

Фуникулеры. Рельсовый наклонный путь с канатной тягой для

перевозки пассажиров или грузов в вагонах по крутым подъемам

называют фуникулерам.

Скиповый подъемник – передвижная или стационарная

установка для подъема сыпучих грузов в скипах (специальных

ковшах) по наклонным или вертикальным направляющим.

Находят применение в шахтах, рудниках, карьерах, для загрузки

доменных печей и т.п. В верхнем разгрузочном пункте скип

автоматически разгружается через откидное дно или

опрокидыванием.

Строительный подъемник выложен в виде перемещающейся по

вертикальным направляющим платформы (кабины). Он предназначен

для подъема груза и людей на этажи строящихся зданий и

сооружений.

Шпили – лебедки с фрикционным барабаном, имеющим

горизонтальную или вертикальную ось вращения; используются при

производстве маневровых работ на железнодорожных путях, в портах

и доках, для подъема якорей на судах, при подтаскивании грузов и т.п.

Грузоподъемные краны Одним из наиболее распространенных средств механизации

погрузочно-разгрузочных работ на промышленных предприятиях,

строительных площадках, в речных и морских портах, на

железнодорожном транспорте и т.д. является грузоподъемные краны,

201

обеспечивающие подъем груза, перемещения его на незначительное

расстояние и опускание с помощью грузозахватного устройства.

Грузоподъемные краны могут быть классифицированы по

конструктивному исполнению, конструкции грузозахватного

устройства, по виду перемещения, конструкции ходового устройства,

по виду привода механизмов, степени поворота и способу опирания.

По конструктивному исполнению грузоподъемные краны

разделяют на краны: мостового типа, к которым относятся мостовые,

козловые и мостовые перегружатели, кабельные и мостокабельные;

краны - штабелеры; стрелового типа, к которым относятся башенные,

портальные и консольные; самоходные краны, включающие

гусеничные, железнодорожные, пневмоколесные, плавучие,

шагающие.

По конструкции грузозахватного устройства краны разделяют

на крюковые, предназначенные для работы с различными штучными

грузами; грейферные - для работы с сыпучими материалами;

магнитные – для транспортирования стальных и чугунных грузов;

клещевые – для ящиков, бочек, мешков и т.п.; траверсные,

оборудованные например, вакуумными захватами; автоматические

захваты (спредеры) – для транспортирования контейнеров.

По виду перемещения грузоподъемные краны бывают

стационарные и передвижные.

По конструкции ходового устройства краны разделяют на

рельсовые, пневмоколесные, гусеничные, канатные, шатающие,

плавучие.

По виду привода механизмов краны бывают с ручным,

электрическим, гидравлическим, пневматическим, с приводом от

двигателя внутреннего сгорания, паровым и комбинированным.

По степени поворота стрелы краны разделяют на

полноповоротные, неполноповоротные и неповоротные.

По способу опирания на крановый путь краны бывают опорные

и подвесные.

Краны мостового типа предназначены для обслуживания в

основном площадок прямоугольной формы.

Наиболее распространенными кранами мостового типа

являются мостовые, козловые и мостовые перегружатели, кабельные и

мостовые.

Мостовые краны находят широкое применение для

внутрицеховых и внутрискладских погрузочно-разгрузочных работ.

Они бывают общего и специального назначения. Краны общего

назначения, снабженные в основном крюком, предназначены для

выполнения массовых погрузочно-разгрузочных работ. Мостовые

202

краны специального назначения, снабженные специальными

грузозахватными приспособлениями предназначены для работы с

определенными грузами. Они бывают с поворотной тележкой, с

выдвижной поворотной и неповоротной стрелой и др., а в

металлургии - мульдозавалочные, литейные, штыревые, для

раздевания слитков, ковочные, колодцевые, с гибким подвесом

траверса, с подхватами, магнитные, грейферные и др.

В зависимости от конструкции мостовые краны делятся на

однобалочные и двухбалочные, а по способу опирания на крановый

путь – опорного и подвесного типа.

Основной характеристикой мостовых кранов является –

расстояния между осями крановых рельсов.

Мостовые краны подвесные однобалочные с ручным приводом

имеют грузоподъемность 0,5-5 т и длину от 3,6-11,4 м, а с

электрическим приводом грузоподъемность 0,25-0,5т и длину от 3,6

до 34,8 в зависимости от количества опор.

Мостовые краны опорные имеют грузоподъемность 3,2 до 500 т

и пролет до 34,5 м.

Козловые краны и мостовые перегружатели имеют пролетное

строение, соединенное с опорами, опирающимися на ходовые тележки

крана, в которых установлены ходовые колеса крана. По

конструктивному исполнению эти краны не имеют существенных

отличий. Различаются между собой назначением, грузозахватным

приспособлением, рабочими скоростями и группами режима работы.

Козловые краны разделяют на краны общего назначения ,

строительно-монтажные и специального назначения.

Козловые краны общего назначения используют на открытых

складах и погрузочных площадках, обслуживаемых средствами

наземного рельсового и безрельсового транспорта. Имеют

грузоподъемность 3,2-32 т, пролет 10-32 м, высоту подъема груза –

7,1-10 м.

Строительно-монтажные краны предназначены для монтажа

промышленных предприятий, энергетических установок и др.

Грузоподъемность 300-400т, пролеты 60-80 м, высота подъема груза

20-30 м.

Краны специального назначения предназначены для

обслуживания гидротехнических сооружений и др. Грузоподъемность

25-630 т, пролеты

5-20 м.

Мостовые перегружатели предназначены для обслуживания

открытых складов насыпных грузов. Они снабжены специальными

грузозахватными приспособлениями – грейферами. Пролеты – до 115

203

м. Широкое применение нашел двухконсольный мостовой

грейферный перегружатель.

Кабельные и мостокабельные краны предназначены для

обслуживания больших производственных площадей

(судостроительных верфей, плотин, шлюзов, лесных складов,

бетонных заводов и др.). Эти краны состоят из двух башен с

натянутым между ними несущим канатом, по которому передвигается

грузовая тележка. По характеру работы кабельные краны бывают

стационарными и передвижными. Грузоподъемность 3-25 т, иногда до

150 т. Пролеты 300-600 м, иногда до 1000 м. Высота башен 25-40 м,

иногда 60-70 м. Высота подъема груза от 150 до 250 м.

Мостокабельные краны обслуживают склады лесоматериалов и

сыпучих грузов. Несущие канаты закреплены на концах пролетного

строения, установленного на опорах. Пролет до 150 м. Грузовая

тележка перемещается по несущему канату.

Краны - штабелеры предназначены для механизированных

складов с многоярусными стеллажами высотой 25 м и более. Они

бывают мостовые и стеллажные. По способу опирания на рельсовый

путь – опорные или подвесные.

Мостовые краны – штабелеры имеют грузоподъемность 0,125-

12,5 т, пролет 5,1-28,5 м, высоту подъема 4,8-13,2 м. Мостовой

опорный кран -штабелер состоит из моста, по которому передвигается

тележка с вертикальной поворотной колонной, выполненной с

направляющими.

Стеллажные краны -штабелеры имеют грузоподъемность 0,16-

12,5 т, наибольшую высоту подъема 18 м. По способу опирания

ходовой тележки эти краны разделяют на подвесные (балка на

потолке), стеллажные (рельсы на стелажах), напольные (рельсы на

полу). Наибольшее распространение получили напольные стеллажные

краны -штабелеры.

Краны стрелового типа

В кранах стрелового типа грузозахватное устройство подвешено

к блокам на концевой части стрелы или на грузовой тележке,

перемещающейся по стреле.

По возможности перемещения эти краны могут быть

стационарными или передвижными. Передвижные краны в

зависимости от условий эксплуатации оборудуют различными

ходовыми устройствами (самоходные краны).

Стационарные краны конструкции имеют различные: наиболее

распространенны поворотные краны с внешними опорами,

закрепленными на стенах или колоннах; широко применяются и

стационарные краны на неподвижной или вращающейся колонне.

204

Самоходные краны классифицируют по грузоподъемности

конструкции ходового устройства, типу привода, виду стреловых

устройств.

Грузоподъемность стреловых кранов в основном зависит от

вылета стрелы с учетом устойчивости крана от опрокидывания и

прочности его элементов.

По конструкции ходового устройства эти краны разделяют на

гусеничные, автомобильные, пневмоколесные и с рельсово-колесным

ходом.

По типу привода самоходные краны бывают с механическим,

электрическим, гидравлическим или смешанными приводами.

При использовании механического привода все механизмы

получают движения от дизеля или другого двигателя внутреннего

сгорания; электрический многодвигательный привод имеет

индивидуальный электродвигатель, при использовании гидропривода

каждый механизм оснащен индивидуальным гидродвигателем.

На самоходных кранах стреловые устройства выдвижные и не

выдвижные. Иногда применяют не прямолинейные стрелы.

Для обеспечения устойчивости от опрокидывания на

пневмоколесных кранах применяют выносные опоры (аутригеры),

увеличивающие опорную базу крана.

Башенные краны - полноповоротные краны со стрелой,

шарнирно закрепленной в верхней части вертикально расположенной

башни. Эти краны предназначены для механизации строительно-

монтажных работ при возведении различных зданий и

гидротехнических сооружений.

По конструкции башни различают краны с поворотной и

неповоротной башней, а по конструкции стрелы – с подъемными и

балочными стрелами. Подъемные стрелы могут быть выполнены

маневренными, допускающие изменение угла наклона стрелы с

грузом, и установочными, допускающими изменения угла наклона

стрелы только без груза.

Портальные краны представляют собой стреловые краны,

поворотная часть которых расположена на П-образной

металлоконструкции – портале. Эти краны используют в основном

для погрузочно-разгрузочных работ в морских и речных портах и

монтажа на судостроительных заводах и стройках. Они имеют

высокую производительность при транспортировке штучных грузов и

сыпучих материалов.

По числу опорных точек на ходовую часть порталы могут быть

трех или четырех опорными. Между крановыми рельсами, по

которым кран перемещается вдоль причала, расположены

205

железнодорожные пути, по числу которых порталы называют одно-,

двух- и трехпутными.

Консольные краны имеют грузозахватное устройство,

подвешенное на консоли или тележке, передвигающейся по консоли.

Эти краны можно разделить на стационарные, на колонные,

настенные передвижные поворотные и неповоротные и велосипедные,

передвигающиеся по одному рельсу, уложенному на полу цеха. Они

предназначены для обслуживания площадей, расположенных

непосредственно вдоль кранового пути.

Погрузчики используют для погрузки, разгрузки и

транспортирования штучных и насыпных грузов. Различают

погрузчики периодического действия для штучных или насыпных

грузов и непрерывного действия для насыпных грузов. Наиболее

распространенными являются погрузчики периодического действия

на специальных шасси – автопогрузчики и электропогрузчики.

Автопогрузчики имеют привод от двигателя внутреннего сгорания и

пневматические шины. Электропогрузчики имеют механизм

передвижения от электродвигателя с питанием обычно от

аккумуляторных батарей. Погрузчики снабжены грузоподъемником с

набором сменных грузозахватных грузов (вилы, ковши, челюстные

захваты). Грузоподъемность 0,63-0,45 т, высота подъема груза не

более 4,5 м.

Роботы и манипуляторы Робот – это автоматическая машина, предназначенная для

выполнения в производственном процессе двигательных и

управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека

при перемещении предметов производства или технологической

оснастки. Находят применение для ликвидации последствий в

чрезвычайных ситуациях.

Промышленные роботы предназначены для механизации и

автоматизации разнообразных трудоемких погрузочно-разгрузочных

операций. Грузоподъемность промышленных роботов составляет от 1

до 1000 кг и более.

К промышленным роботам условно относят также

манипуляторы с биотехническим (ручным) управлением и

манипуляторы с интерактивным управлением, в которых реализуется

попеременно управление от оператора с автоматическим

управлением.

Среди манипуляторов с биотехническим управлением широкое

распространение получили универсальные шарнирные

сбалансированные манипуляторы, которые используют для

механизации складских и монтажных работ, операций по установке и

206

снятию деталей при обслуживании металлорежущих и других станков

и машин или непрерывного транспорта. Они устанавливаются на

полу, передвижной тележке или крепятся к стенке, потолку и т.д.

Такие манипуляторы снабжены сменными грузозахватными

устройствами. Применяются копирующие манипуляторы, в которых

перемещение захвата повторяется за перемещением рукоятки

управления с помощью следящих систем.

Примером манипулятора с интерактивным управлением может

служить ковочный манипулятор, который осуществляет подачу

заготовок от печи к ковочном прессу при его ручным управлении и

манипулирование заготовкой в процессе свободной ковки при

автоматическом управлении.

Манипуляторы, работающие автоматически по жесткой не

изменяемой программе, называют автооператорами (подача заготовок

к прессу, смена инструмента в станках и др.).

Автоматические операторы могут работать по программе,

которая может быстро изменяться в зависимости от условий

производства.

Управление манипулятором совместно с конвейером

осуществляется с помощью управляющей ЭВМ.

8.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Грузоподъемные машины характеризуются следующими

основными параметрами: грузоподъемностью, скоростями движения

отдельных механизмов, режимами работы, пролетом, вылетом,

высотой подъема грузозахватного устройства. Значения этих величин

должны соответствовать рекомендациям стандартов.

Грузоподъемностью машины называют массу номинального

(максимального) рабочего груза, на подъем которого рассчитана

машина. Грузоподъемность машин изменяется в весьма широких

пределах (от 10 - 100 кг до 400 - 800 т и более).

Краны самоходные и башенные еще характеризуются грузовым

моментом, являющимся произведением веса груза на вылет стрелы.

Этот параметр определяет устойчивость крана против опрокидывания

в процессе работы.

Вылетом стрелы называют расстояние по горизонтали от оси

вращения поворотной части крана до оси грузозахватного органа.

Скорости движения различных механизмов выбирают в

зависимости от требований технологического процесса. В современных

кранах скорость подъема груза не превышает 25 - 30 м/мин, скорость

207

передвижения моста крана - 100 - 120 м/мин, скорость передвижения

тележек мостовых кранов обычно 35 - 50 м/мин.

Для кранов, используемых для массовых перегрузочных работ,

скорости движения можно значительно увеличить: например, они

составляют 90 - 120 м/мин для подъема и опускания груза; 240 - 360

м/мин для передвижения тележек, движущихся по рельсовому пути.

Частота вращения кранов не более 3 об/мин в зависимости от

окружной скорости конца стрелы, не превышающей 5 - 6 м/с.

Пролет крана - расстояние по горизонтали между осями рельсов

кранового пути. Пролеты мостовых кранов должны быть увязаны с

пролетами зданий в соответствии с Госстандартом.

Высота подъема для башенных и стреловых кранов - это

расстояние от уровня кранового пути до грузозахватного органа,

находящегося в верхнем рабочем положении.

Полное время цикла работы механизма грузоподъемной машины

складывается из времени пуска Etn, времени движения с

установившейся скоростью Ety, времени торможения Etт, и времени

пауз Etо.

tу = Etn + Ety + Etт + Etо (8.1)

Отношение времени tв - работы механизмов в течение цикла к

полному времени цикла tц характеризует интенсивность

использования механизма. Это отношение называют относительной

продолжительностью включения.

ПВ =

ц

в

t

t 100%

(8.2)

Интенсивность работы механизма определяется также

коэффициентами использования в течение часа, суток, года, а также

коэффициентом использования крана по грузоподъемности.

Режим работы механизмов регламентирует ГОСТ 25835-83,

согласно которому все механизмы в зависимости от условий

использования разделяют на шесть групп, определяемых классом

использования и классом нагружения. Класс использования

механизмов отражает интенсивность использования механизма во

время его эксплуатации. Это время определяется по зависимости:

Т = То Zдн h (8.3)

где То - среднесуточное время работы;

Zдн - число рабочих дней в году:

Zдн = 250 при двух выходных днях,

Zдн = 300 при одном выходном в неделю и

Zдн = 360 при непрерывном производстве.

208

Срок службы крана принимается по нормативным документам и

обычно составляет 15 - 25 лет.

Таблица 8.1 - Классы использования механизмов

Класс

использо-

вания

А0

А1

А2

А3

А4

А5

А6

Время

работы

механизма,

Т, ч

до 800

800

-

1600

1600

-

3200

3200

-

6300

6300

-

12500

12500

-

25000

25000

-

50000

Классы нагружения механизма, характеризующие относительную

нагрузку механизма в соответствии со спектром нагрузок, в

зависимости от значения коэффициента нагружения приведены в

табл. 8.2.

Таблица 8.2 - Классы нагружения механизмов

Класс

нагружения

Коэффициент

нагружения,

К

Качественная характеристика

классов нагружения

В1

До 0,125

Работа при нагрузках, значительно меньших

номинальных, и в редких случаях с номинальной

нагрузкой.

В2

0,125 - 0,25

Работа при средних и номинальных нагрузках.

В3

0,25 - 0,50

Работа преимущественно при номинальных и

близких к номинальным нагрузках.

В4

0,50 - 1,00

Постоянная работа при номинальных и близких

к номинальным нагрузках.

В зависимости от сочетаний класса использования и класса

нагружения устанавливают группу режима работы механизмов по

табл. 8.3.

209

Таблица 8.3 - Группа режимов работы механизмов

Класс

использования

Группа режима работы механизмов

для класса нагружения

В1 В2 В3 В4

А0 1М 1М 1М 2М

А1 1М 1М 2М 3М

А2 1М 2М 3М 4М

А3 2М 3М 4М 5М

А4 3М 4М 5М 6М

А5 4М 5М 6М -

А6 5М 6М - -

Согласно правилам Госгортехнадзора группы режимов работы

механизмов 1, 2, 3 - легкие, 4 - средние, 5 - тяжелые и 6 - весьма

тяжелые.

Режим работы крана в целом регламентирует ГОСТ 25546-82,

согласно которому все краны в зависимости от условий их

использования разделяют на восемь групп режимов работы,

определяемых классом использования и классом нагружения.

Класс использования крана, отражающий интенсивность

использования крана при эксплуатации, характеризуется числом

циклов работы, совершаемых за срок службы.

Таблица 8.4 - Классы использования кранов

Класс

использо-

вания

Общее число циклов

работы крана за срок его

службы

Класс

исполь-

зования

Общее число

циклов работы

крана за срок

его службы

С0

Менее 1,6 · 104

С5

2,5 · 105 - 5 · 10

5

С1

1,6 · 104

- 3,2 · 104

С6

5 · 105 - 1 · 10

6

С2

3,2 · 104 - 6,3 · 10

4

С7

1 · 106 - 2 · 10

6

С3

6,3 · 104 - 1,25 · 10

5

С8

2 · 106 - 4 · 10

6

С4

1,25 · 105 - 2,5 · 10

5

С9

Более 4 · 106

Цикл работы крана включает перемещение грузозахватного

устройства к грузу, подъем и перемещение груза, освобождение

грузозахватного устройства и возвращение его в исходное положение.

210

Класс нагружения определяется отношением массы

перемещаемых краном грузов к номинальной грузоподъемности крана

за срок его службы.

Таблица 8.5 - Классы нагружения кранов

Класс

Нагружения

Коэффи-

циент

нагрузки

Качественная характеристика

класса нагружения

1 2 3

Q0

(весьма легкий)

0063, Постоянная работа с грузом, значительно

меньшим номинального.

Q1 (легкий)

0,063 - 0,125

Постоянная работа с грузом, меньшим

номинального.

Q2 (умеренный)

0,125 - 0,25

Постоянная работа с грузом средней массы.

Q3 (тяжелый)

0,25 - 0,50

Постоянная работа с грузом большой

массы.

Q4

(весьма тяжелый)

0,5 - 1,0

Постоянная работа с грузом,

приближающимся к номинальному.

Группа режима работы крана определяется в зависимости от

класса использования и класса нагружения по табл. 8.6.

Таблица 8.6 - Группы режимов работы кранов

Класс

Нагру-

жения

Класс использования

С0 С1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8 С9

Q0

-

-

1К

1К

2К

3К

4К

5К

6К

7К

Q1

-

1К

1К

2К

3К

4К

5К

6К

7К

8К

Q2

1К

1К

2К

3К

4К

5К

6К

7К

8К

8К

Q3

1К

2К

3К

4К

5К

6К

7К

8К

8К

-

Q4

2К

3К

4К

5К

6К

7К

8К

8К

-

-

211

Основными элементами грузоподъемных машин являются:

привод (ручной, электрический, гидравлический, пневматический, от

двигателя внутреннего сгорания), гибкие грузовые элементы и детали

(канаты, цепи, барабаны, блоки, крепления), грузозахватные

приспособления (крюки, петли, крюковые подвески, захваты,

грейферы), остановы и тормоза (колодочный, ленточный, с осевым

нажатием, для регулирования скорости), механизмы подъема груза,

передвижения, поворота и изменения вылета.

8.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Грузоподъемные машины относятся к оборудованию

повышенной опасности. За первое полугодие 1999 г. по РФ

смертельный травматизм на подъемных сооружениях составил 47

случаев (26%), более 50 грузоподъемных кранов потерпели аварию.

На поднадзорных Управлению Северо-Западного округа территориях

Госгортехнадзора за 1998 г. и 9 месяцев 1999 г. произошло 15

несчастных случаев (из них 8 со смертельным исходом и 9 аварий).

В 1998 г. 77% из числа пострадавших не были обучены в

качестве стропальщиков. В 1999 г. 30% несчастных случаев составили

нарушения технологической дисциплины. За 1998 - 1999 гг. 14 раз

основной причиной аварий и травматизма явилось неисправное

состояние грузоподъемного крана или съемных грузозахватных

приспособлений.

Практика показывает, что для предупреждения 75% аварий и

несчастных случаев требовалось действенность лиц, ответственных за

исправное содержание грузоподъемных кранов, и желание

руководителей организаций заниматься вопросами безопасности.

За 9 месяцев 1999 г. выявлено в эксплуатации 380 неисправных

грузоподъемных кранов, в том числе: 84 крана, имевшие трещины и

деформации несущих конструкций; 56 кранов с неисправными

приборами безопасности; на рабочих местах выявлено 315

необученных работников, среди них 71 человек из ремонтного

состава, 53 стропальщика и 134 инженерно-технических работника.

Контроль безопасных условий эксплуатации грузоподъемных

машин осуществляет Государственный комитет по надзору за

безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору

(Госгортехнадзор). Его главными задачами являются проведение

контроля за выполнением установленных требований по безопасному

ведению работ и проведением профилактических мер по

предупреждению аварий и производственного травматизма, а также

212

обеспечения единства требований, предусматриваемых правилами,

нормами и инструкциями по технике безопасности на предприятиях,

независимо от их территориального расположения и ведомственного

подчинения.

В области надзора за безопасным ведением работ при устройстве

и эксплуатации подъемных машин Госгортехнадзор обеспечивает:

- контроль за соблюдением правил устройства и безопасной

эксплуатации грузоподъемных кранов, лифтов, фуникулеров и

подвесных канатных дорог;

- регистрацию подъемных машин и выдачу разрешений на их

эксплуатацию;

- проведение технических освидетельствований подъемных

сооружений;

- контроль за устранением предприятиями-изготовителями и

монтажными организациями выявленных недостатков в конструкции

подъемных сооружений, а также дефектов изготовления и монтажа;

- контроль за соблюдением установленных техническими

нормами сроков планово-предупредительного и капитального ремонта

подъемных сооружений.

При проектировании и эксплуатации грузоподъемных машин

особое внимание следует обращать на повышение их надежности и

соблюдение требований техники безопасности. Соблюдение правил

Госгортехнадзора является обязательным при проектировании,

расчете и эксплуатации грузоподъемных машин.

В соответствии с правилами вновь установленные

грузоподъемные машины, а также съемные грузозахватные

устройства до пуска в работу подлежат техническому

освидетельствованию, целью которого является проверка исправного

состояния крана. Различают полное и частичное освидетельствование.

При полном техническом освидетельствовании производят осмотр

машины, а также статические и динамические испытания под

нагрузкой. При частичном техническом освидетельствовании

производится только осмотр грузоподъемной машины - без испытания

ее под нагрузкой.

Полному техническому освидетельствованию подвергаются

грузоподъемные машины перед их вводом в работу (первичное

техническое освидетельствование) и периодическому - не реже одного

раза в 3 года. Редко используемые краны должны подвергаться

техническому освидетельствованию через каждые 5 лет.

Первичное освидетельствование кранов, выпускаемых с заводов-

изготовителей и транспортируемых на место эксплуатации в

213

собранном состоянии, производится отделом технического контроля

завода-изготовителя перед их отправкой.

Грузоподъемные машины, находящиеся в эксплуатации, должны

подвергаться частичному периодическому освидетельствованию через

каждые 12 месяцев. При осмотре устанавливают надежность каждого

узла и элемента машины. Например, определяют отсутствие трещин в

элементах металлоконструкции, степень износа зева крюка (износ не

должен превышать 10% высоты сечения крюка), легкость вращения

крюка на его опоре, надежность стопорного устройства крюка,

состояние и степень износа грузовых канатов, а также пригодность их

к дальнейшей работе в соответствии с принятыми нормами браковки,

надежность крепления каната, состояние механизмов и приборов

безопасности, наличие заземления и нулевой блокировки, состояние

ограждений и перил, надежность противоугонных устройств и т.д.

Состояние механизмов определяют осмотром без разборки с

опробованием в работе. Особое внимание уделяют механизмам

подъема груза и стрелы как наиболее ответственным.

Затем грузоподъемная машина подвергается статическому

испытанию для проверки прочности ее элементов, а для передвижных

стреловых кранов также для проверки грузовой устойчивости.

Статические испытания производят нагрузкой, на 25% превышающей

номинальную грузоподъемность машины.

Для статических испытаний мостовой кран устанавливают над

опорами крановых путей, а его тележку - в положение,

соответствующее наибольшему прогибу моста. Крюк с грузом

поднимается на высоту 200 - 300 мм и в таком положении

выдерживается в течение 10 мин. Затем груз опускается, и проверяют

остаточную деформацию металлоконструкции крана с помощью

отвеса, подвешиваемого к крану. По окончании испытаний отвес

должен занять прежнее положение, что свидетельствует об отсутствии

остаточных деформаций и нормальной работе металлической

конструкции.

Первичное статическое испытание вновь изготовленных

стреловых кранов производят при вылетах, соответствующих

наиболее напряженному состоянию механизмов, металлоконструкции,

канатов и наименьшей устойчивости кранов. Периодическое

испытание проводят только в положении, соответствующем

наибольшей грузоподъемности крана. Краны, имеющие

грузоподъемность, не зависящую от вылета, испытывают при

наибольшем вылете. Во всех случаях испытания стреловых кранов их

поворотную часть устанавливают в положение, соответствующее

наименьшей устойчивости крана. Результаты статических испытаний

214

считаются удовлетворительными, если в течение 10 мин не

произойдет самопроизвольного опускания подвешенного груза, не

обнаружится остаточная деформация, потеря устойчивости у

стреловых передвижных кранов или повреждения отдельных

элементов.

Машина, выдержавшая статические испытания, подвергается

динамическому испытанию для проверки действия механизмов и

тормозных устройств. При этих испытаниях проводят повторный

подъем и опускание груза, масса которого на 10% превышает

грузоподъемность машины (правила Госгортехнадзора допускают

также проведение динамических испытаний номинальной нагрузкой),

а также проверяют действия всех других механизмов машины при их

раздельном движении. Механизмы подъема груза и стрелы,

рассчитанные на подъем и опускание стрелы с грузом, проверяют под

нагрузкой, соответствующей наибольшему рабочему вылету стрелы.

При этих испытаниях также проверяют действие концевых

выключателей моста, тележки и т.д. Действие концевых

выключателей механизма подъема груза и стрелы проверяют без

груза. Если механизмы машины, их тормоза и концевые выключатели

действуют исправно, то производят проверку действия ограничителя

грузоподъемности, который должен срабатывать при плавном

подъеме груза, масса которого на 10% превышает номинальную

грузоподъемность. Если на одном механизме грузоподъемной

машины установлено два тормоза и более, то действие каждого

тормоза проверяют в отдельности.

Сменные грузозахватные приспособления при

освидетельствовании также подвергают осмотру и испытанию

нагрузкой, превышающей на 25% их номинальную грузоподъемность.

Результаты освидетельствования заносят в журнал, и разрешение

на эксплуатацию машины может быть выдано только после получения

удовлетворительных результатов осмотра и испытаний.

Контроль за содержанием и безопасной эксплуатацией

грузоподъемных машин осуществляет инспекция Госгортехнадзора и

инженерно-технический работник по надзору, назначаемый

администрацией предприятия, эксплуатирующего машины.

Техническое освидетельствование грузоподъемных машин на

предприятии производит инженер по техническому надзору в

присутствии ответственного лица за исправное состояние

грузоподъемной машины.

Помимо инженерно-технического работника по надзору

руководство предприятия назначает ответственное лицо за

содержание грузоподъемных машин в исправном состоянии. В его

215

подчинении находится персонал, обслуживающий краны (кроме

стропальщиков).

Для проведения работ по перемещению грузов кранами в помощь

крановщику назначают стропальщиков (такелажников, зацепщиков),

прошедших специальное обучение и аттестование квалификационной

комиссией. Перед началом работы крановщик и стропальщик обязаны

убедиться в исправности крана и грузозахватных устройств. При

подъеме груза стропальщик должен следить, чтобы грузовые канаты

находились в вертикальном положении, не допускать перемещения

груза при натяжении каната под углом к вертикали. Перед

перемещением груза его следует предварительно поднять на 200 - 300

мм и проверить равномерность натяжения стропов и надежность

обвязки груза. Если масса поднимаемого груза близка к

грузоподъемности крана, то груз следует поднять на 100 мм и

выдержать в течение нескольких минут, чтобы убедиться в

надежности строповки груза, исправности тормозов и устойчивости

крана, и только после этого можно продолжать подъем и перемещение

груза.

Права и обязанности лиц, работающих с грузоподъемными

машинами, инженерно-технических работников, осуществляющих

надзор на предприятиях за содержанием и безопасной эксплуатацией

подъемных сооружений, ответственных за исправное состояние

грузоподъемных кранов и безопасное производство работ по

перемещению грузов кранами различного типа, крановщиков,

стропальщиков, обслуживающих краны, изложены в

соответствующих инструкциях, разработанных и утвержденных

Госгортехнадзором.

В особо опасных случаях (например, работы под линией

электропередачи, работа у котлована или траншей, подъем груза

двумя кранами, подъем крупногабаритных грузов с высоким

расположением центра тяжести и т.п.) работа может производиться

только под непосредственным руководством и наблюдением

ответственного лица за безопасное перемещение груза кранами.

При производстве работ по подъему и перемещению грузов

правилами Госгортехнадзора запрещается поднимать груз, масса

которого превышает грузоподъемность машины или неизвестна, но

имеются основания считать, что она может превысить номинальную

грузоподъемность. Нельзя поднимать груз, засыпанный землей,

примерзший к земле и укрепленный болтами или залитый бетоном, а

также грузы, находящиеся в неустойчивом равновесии, подвешенные

за один рог двурогого крюка, находящиеся в таре и заполняющие ее

216

выше бортов. Не разрешается стропальщику или подсобным рабочим

находиться на перемещаемом грузе или под поднятым грузом.

Необходимую надежность и долговечность грузоподъемных

машин можно обеспечить только квалифицированным, регулярным

техническим обслуживанием. Электрооборудование кранов, качество

монтажа, токоподвод и заземление должны соответствовать Правилам

устройства электроустановок (ПУЭ).

Безопасная эксплуатация грузоподъемных машин достигается

при соблюдении правил технической эксплуатации, обеспечении

прочности и устойчивости, наличии автоматических блокировок,

исключающих возникновение аварийных ситуаций при неправильных

непреднамеренных действиях обслуживающего персонала и

специальных устройств, обеспечивающих их безопасную работу.

К устройствам, обеспечивающим безопасную работу

грузоподъемных машин, относятся устройства концевой защиты,

ограничители грузоподъемности, противоугонные устройства, буферы

и упоры, ограничители перекоса кранов и др.

8.4.1. Правила эксплуатации и ремонта грузоподъемных устройств морских судов, поднадзорных Регистру РФ Правила распространяются на судовые краны, верхние строения

плавучих кранов и крановых судов, краны на плавучих доках и

килекторах. В правилах даны указания по следующим вопросам

технической эксплуатации и ремонта кранов: объем надзора Регистра;

материалы, термообработка и сварка, испытания,

освидетельствования и осмотры документов и маркировка; надзор за

грузоподъемными устройствами в эксплуатации; испытания плавучих

кранов.

Правила предусматривают три вида освидетельствований:

первоначальное, периодическое и внеочередное.

Первоначальное освидетельствование сопровождается

испытанием и полным освидетельствованием крана.

Все краны должны подвергаться полному освидетельствованию

инспектором Регистра не реже одного раза в 12 месяцев.

Освидетельствование называется полным, если наружный осмотр

объекта дополняется другими приемами освидетельствования

(замерами, дефектоскопией, проверкой действия, разборкой

механизмов).

217

Таблица 8.7 - Пробные нагрузки для грузоподъемных устройств на

морских судах Грузоподъемность крана, т менее 20т от 20 до 50 т более 50 т

Пробная нагрузка, превышающая

грузоподъемность крана

на 25% 1 5т 10%

Периодические испытания проводят не реже чем один раз в пять

лет. Внеочередные освидетельствования и испытания производят

после замены, переоборудования или ремонта кранов, их механизмов

или деталей, а также после аварий.

Кран испытывают сначала пробным грузом (табл. 8.7), который

перемещается в крайние положения вылета, поворота и передвижения

крана. Затем производят испытание рабочим грузом при работе

механизмов с полными скоростями и предусмотренным совмещением

движений. Одновременно проверяют действие тормозов и концевых

выключателей.

Верхние строения серийных плавучих кранов (крановых судов),

предназначенных для работы на волнении, сначала испытывают под

нагрузкой рабочим грузом, затем - под пробной нагрузкой грузом,

равным по массе 1,4 грузоподъемности крана и поднимаемым на

полном вылете при положении стрелы вдоль судна, и, наконец, под

пробной нагрузкой грузом, равным по массе 1,25 грузоподъемности

крана и перемещаемым в крайние положения вылета, поворота и пути

передвижения крана.

8.4.2. Правила эксплуатации грузоподъемных устройств судов внутреннего плавания, поднадзорных Речному

Регистру РФ Правила распространяются на устройства для подъема и

перемещения грузов грузоподъемностью 1 т и более, устанавливаемые

на судах и других плавучих сооружениях, поднадзорных Речному

Регистру. В Правилах приведены общие указания по надзору,

освидетельствованию, испытаниям и запрещению эксплуатации

подъемных устройств.

Освидетельствования кранов делятся на три вида:

первоначальное (после постройки или капитального ремонта),

очередные (в ходе очередных освидетельствований судна,

приурочиваемых к его среднему или капитальному ремонту, т.е.

проводимые через 4 - 6 лет), ежегодные.

При первоначальном освидетельствовании кран, предварительно

испытанный изготовителем, предъявляют инспекции для

окончательного испытания и освидетельствования. При очередных

освидетельствованиях инспектор осматривает все узлы и

218

ответственные детали грузоподъемного устройства в разобранном

виде. На основании результатов осмотра инспектор представляет

владельцу требования о необходимости ремонта. После выполнения

этих требований кран подвергают ежегодному освидетельствованию.

Ежегодные освидетельствования считаются контрольными и

производятся организацией надзора в целях проверки выполнения

предыдущих предписаний Регистра, действия всех механизмов,

приборов и устройств.

Перед освидетельствованием проводят испытания кранов:

статическое с пробной нагрузкой грузом, равным по массе 1,25

грузоподъемности крана, и динамическое с пробной нагрузкой

грузом, равным 1,1 грузоподъемности крана. Динамическое

испытание выполняют после статического испытания двукратным

подъемом и опусканием пробного груза на полной скорости.

Проверяют также резкой остановкой груза работу тормозов. В

Правилах имеются особые указания по испытаниям и маркировке

съемных деталей кранов, крюковых подвесок, цепей грузовых

канатов, а также содержатся требования к материалам,

термообработке и сварке элементов грузоподъемных машин.

8.5. ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ МАШИНЫ В отличие от грузоподъемных машин, которые перемещают

грузы определенными порциями и обратным движением без груза

возвращаются за новой порцией груза, транспортирующие машины-

конвейеры предназначаются для перемещения грузов непрерывным

потоком без остановок для их загрузки и разгрузки. Конвейеры

предназначены для работы с массовыми грузами, состоящими из

большого числа однородных частиц или кусков, или штучными

грузами, перемещаемыми в большом количестве.

Все машины непрерывного транспорта можно разделить на

транспортирующие машины с тяговым элементом (лента, цепь канат),

в которых груз перемещается вместе с тяговым элементов, и

транспортирующие машины без тягового элемента. Они обычно

используются для перемещения, как правило, груза одного вида.

Основной характеристикой конвейеров является их

производительность - объемная V, м3/ч, массовая - Q, т/ч; или

штучная - Z шт/ч. Объемная и массовая производительности связаны

между собой зависимостью

Q = V, (8.4)

где - насыпная плотность груза, т/м3, численно равная массе

единицы объема груза при свободной насыпке.

219

Ленточные конвейеры Ленточные конвейеры являются наиболее распространенным

типом транспортирующих машин непрерывного действия во всех

отраслях промышленности (90% из более чем полумиллиона

конвейерных установок). Они используются в горнодобывающей

промышленности - для транспортирования руд полезных ископаемых

и угля при открытой разработке, в металлургии - для подачи земли и

топлива, на предприятиях с поточным производством - для

транспортирования заготовок между рабочими местами и т.д.

В РФ работает несколько конвейерных линий большой

протяженности. Для транспортировки руды на шахте Криворожского

бассейна разработана конвейерная линия, состоящая из 9

горизонтальных и наклонных конвейеров общей длиной 9 км,

скорость ленты - 3 м/с, производительность - 600 т/ч, мощность

приводных электродвигателей - 31200 кВт. Но чаще длина одиночных

конвейеров не превышает 1 - 2 км.

Ленточные конвейеры отличаются высокой

производительностью (до 30 - 40 тыс. т/ч), простой конструкцией,

малой материалоемкостью, надежностью в работе и удобством в

эксплуатации, относительно небольшим расходом энергии. Они могут

иметь криволинейную трассу с поворотами в горизонтальной

плоскости и с подъемами и спусками в вертикальной плоскости в

зависимости от рельефа местности (радиус поворота имеет широкий

диапазон значений, до 600 - 800 м).

В конвейерах применяют резинотканевые и металлические

ленты. Цепные конвейеры с тяговым элементом - из цепей

пластинчатого, разборного, крючкового, вильчатого, круглозвенного

типа. Цепь дает возможность удобно и надежно закреплять

грузонесущие и ходовые элементы контейнера. Недостатком цепного

тягового элемента является большое количество шарниров,

требующих регулярного наблюдения и периодической смазки, а также

интенсивный износ цепи при высоких скоростях, вызываемый

динамическими нагрузками (обычно скорость не превышает 0,6 - 1

м/с). Для перемещения груза на конвейер устанавливают ковши,

люльки, тележки, подхваты и т.п.

Основными узлами конвейеров, кроме лент и цепей, являются

барабаны, поддерживающие ролики, приводы, натяжные устройства,

остановы и тормоза.

Эскалаторы - специальный вид цепного конвейера,

предназначенного для транспортирования пассажиров с одного

уровня на другой и имеющего в качестве несущих элементов ступени,

укрепленные с обеих сторон на тяговых цепях. Применяются в

220

метрополитенах, в общественных, торговых и административных

зданиях. Скорость движения - 0,5 - 1 м/с в зависимости от места

установки и характера пассажиропотока.

Производительность эскалатора, численно равная числу

пассажиров, перемещаемых в течение 1 ч работы, определяется по

зависимости

Q = 3600 n

tст ,

(8.5)

где tст - шаг ступени, м; n - число пассажиров на одной

ступени; - скорость движения полотна эскалатора, м/с; -

коэффициент заполнения полотна; = 0,75 - 0,8 - для

пассажиропотока обычной интенсивности и = 1 1,1 - в часы пик.

На основании опытных данных: = 0,6 (2 - )

Привод эскалатора состоит из электродвигателя, передаточного

механизма, рабочих и аварийных тормозов, соединительных муфт.

Неотъемлемой частью эскалатора является поручневое устройство в

виде ленты, охватывающей направляющие и имеющее натяжное

устройство.

Эскалатор оборудуют рядом предохранительных устройств,

останавливающих его в случае повреждения или угрозы повреждения.

Эти устройства срабатывают при подъеме ступеней перед гребенками

входа и выхода, обрыве или внезапной вытяжке поручня, увеличении

скорости эскалатора на 25% выше номинальной и внезапном

изменении направления движения, отключении питания катушек

электромагнитов рабочих тормозов или гидротолкателей и

неразмыкании тормозов при пуске.

Привод эскалатора должен быть оборудован одним или двумя

одновременно и автоматически действующими рабочими тормозами и

одним или двумя одновременно и автоматически действующими

аварийными тормозами.

Рабочие тормоза должны срабатывать при отключении

электродвигателя главного или вспомогательного приводов,

обеспечивая замедление.

Аварийные тормоза должны действовать при увеличении

скорости полотна на 30% по отношению к номинальной скорости

движения или при самопроизвольном изменении направления

движения полотна.

Элеваторы - транспортирующие устройства, перемещающие груз

в вертикальном или близком к вертикальному направлении. Тяговым

элементом может служить цепь или резинотканевая лента.

221

Перемещение сыпучего груза осуществляется ковшами, а штучных

грузов - полками.

Для предохранения элеватора от самопроизвольного обратного

движения при выключении двигателя привод снабжают стопорным

устройством.

Транспортирующие машины без тягового элемента Для транспортирования грузов с помощью гравитационных

устройств используется сила тяжести. Простейшими

гравитационными устройствами являются наклонные плоскость,

желоб, труба, по которым скатывается транспортируемый груз. Угол

наклона желоба определяется коэффициентом трения между его

поверхностью и грузом и углом естественного откоса (для движения

угол наклона должен быть на 5 - 10° больше угла трения).

К гравитационным устройствам относят также неприводные

роликовые конвейеры, состоящие обычно из секций по 2 - 3 м.

Качающиеся конвейеры используют для транспортировки всех

видов насыпных грузов (кроме липких и ядовитых); металлической

стружки, мелкого литья и др. на небольшие расстояния (до 100 м).

Качающийся конвейер представляет собой желоб, совершающий

колебательные движения относительно неподвижной рамы, благодаря

чему груз перемещается. Качающиеся конвейеры подразделяются на

инерционные и вибрационные, в которых груз отрывается от желоба

и микробросками перемещается вдоль желоба. Наибольшее

применение нашли вибрационные конвейеры, в которых желоб

совершает колебания с амплитудой от долей миллиметра до 15 мм и

более.

Винтовые конвейеры транспортируют груз, перемещающийся по

желобу с помощью вращающегося вала с лопастями,

расположенными по винтовой линии. Он состоит из неподвижного

желоба, приводного вала с лопастями, опор, привода, загрузочного и

разгрузочного устройства.

В последнее время для производства работ и доставки грузов в

труднодоступные места все шире применяются краны-вертолеты,

которые могут зависать над грузом и забирать его непосредственно с

земли, что повышает безопасность закачки груза. В труднодоступных

местах эксплуатация крана-вертолета экономически выгодна. Так при

прокладке высоковольтной линии электропередачи применение

крана-вертолета в 1,35 раза экономичнее, чем использование

автомобилей и грузоподъемных машин.

Пневматическое транспортирование груза по трубопроводам

происходит под действием разности давлений воздуха в начале и

конце трубопровода, создаваемой нагнетательными (до 600 кПа) или

222

вакуумными (до 700 кПа) насосами, и может применяться как для

массовых, так и для штучных грузов.

Гидравлическое транспортирование происходит при образовании

смеси из насыпного груза и воды, которая называется пульпой.

Самотечная схема предусматривает перемещение пульпы по

желобам с небольшим уклоном в сторону движения.

В напорной схеме пульпа всасывается землесосом из приемного

устройства, подается по трубопроводу на обезвоживающее сито, с

которого груз поступает в приемный бункер, а вода - в отстойник.

8.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Объемные и лопастные насосы

Гидравлическими машинами называются машины, которые

сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию

(насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее

рабочему органу для полезного использования (гидравлический

двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных

разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная

от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива

в двигателях ракет. Гидродвигатели имеют большое значение в

энергетике. В РФ около 20% электроэнергии вырабатывается на

гидроэлектростанциях. Для использования гидравлической энергии

рек и преобразования ее в механическую вращающегося вала

генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины,

являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Мощность

используются и при бурении скважин.

Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах,

назначением которых является передача механической энергии от

двигателя к исполнительному рабочему органу, а также

преобразования вида и скорости движения последнего посредством

жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос,

работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через

насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает

механическую энергию исполнительному рабочему органу.

Назначение гидропередач такое же, как и механических передач

(муфты, коробки скоростей, редукторы и т.д.), однако по сравнению с

последними имеют ряд преимуществ (бесступенчатая плавная работа

без люфтов, малые габариты и вес, возможность передачи больших

мощностей, высокая надѐжность).

223

В современной технике применяется большое количество

разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили

объѐмные и лопастные насосы и гидродвигатели. Объѐмные

гидромашины (поршневые, шестеренные, аксиально-поршневые и

т.д.) работают за счет изменения объема рабочих камер, периодически

соединяющихся с входным и выходным патрубками. Рабочим

органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо,

снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости,

(лопастной насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастной

двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей

колеса с обтекающей их жидкостью. К лопастным насосам относятся

центробежные и осевые.

Вихревые и струйные насосы

Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо с

радиальными или наклонными лопатками, помещенное в

цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазорами. Напор

вихревого насоса в 3-9 раз больше, чем центробежного, при тех же

размерах и частоте вращения. Напор вихревых насосов достигает

250м, мощность до 25кВт.

Особенно перспективно их использование при перекачивании

смеси жидкости и газа. Их применяют для подачи легколетучих

жидкостей (бензин, спирт и т.д.), жидкостей насыщенных газами,

сжиженных газов, кислот, щелочей и других агрессивных химических

реагентов.

В струйных насосах, называемых также инжекторами,

эжекторами, гидроэлеваторами, поток полезной подачи перемещается

и получает энергию благодаря смешению с рабочим потокам,

обладающим большей энергией.

Гидролинии

Надежность объемных гидромашин и гидроприводов в

значительной мере зависит от совершенства гидравлических

коммуникаций, а также от качества жидкости и очистки ее в процессе

работы.

Гидролиниями называют устройства, предназначенные для

прохождения рабочей жидкости в процессе работы гидропривода. В

соответствии с выполняемыми функциями их разделяют на

всасывающие, по которым рабочая жидкость движется к насосу;

напорные, по которым рабочая жидкость под давлением движется от

насоса к распределителю, гидродвигателю или гидроаккумулятору и

сливные, по которым рабочая жидкость движется в гидробак.

224

Кроме того, различают гидролинии управления, по которым

рабочая жидкость подается к устройствам для управления, и

дренажные, по которым отводятся утечки рабочей жидкости.

Основным требованием к гидролиниям является обеспечение

минимального гидравлического сопротивления и прочность

конструкции.

Для обеспечения минимального гидравлического сопротивления

гидролинии и каналы следует выполнять по возможности

максимального сечения с наименьшим числом местных

сопротивлений.

Для напорных гидролиний скорость течения жидкости обычно

5-10м/с и для всасывающих 1-2м/с.

Гидробак предназначен для питания объемного гидропривода

рабочей жидкостью. Он может находиться под атмосферным и

избыточным давлением.

Гидроаккумулятор – емкость, предназначенная для

аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под

давлением. Гидроаккумулятор, в котором аккумулирование

(накапливание) и возврат (отдача) энергии происходят за счет сжатия

и расширения газа, называют пневмогидроаккумулятором. В системах

гидропривода преимущественно применяют аккумуляторы этого типа.

В гидроприводах машин, работающих в стабильных

температурных условиях применяют, рабочие жидкости

минерального происхождения: трансформаторное, веретенное АУ,

индустриальное, турбинное и другие масла. Для работы при t= 600С

применяют смеси минеральных масел (например АМГ-10), при t=180-

230 С — синтетические жидкости на кремнийорганической основе. В

последние годы находят применение водно-масляные эмульсии и

синтетические негорючие жидкости на водяной основе.

Объемный гидропривод

Объемным гидроприводом называется совокупность объемных

гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и

вспомогательных устройств, предназначенная для передачи энергии и

преобразования движения посредством жидкости.

К числу гидромашин относятся насосы и гидродвигатели,

которых может быть несколько. Гидроаппаратура – это устройство

управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а

также средства защиты его от чрезмерно высоких и низких давлений

жидкости. К гидроаппаратуре относятся дроссели, клапаны разного

назначения и гидрораспределители – устройства для изменения

потока жидкости. Вспомогательными устройствами служат так

225

называемые кондиционеры рабочей жидкости, обеспечивающие ее

качество и состояние. Это различные отделители твердых частиц, в

том числе фильтры, теплообменники (нагреватели и охладители

жидкости), гидробаки, а также гидроаккумуляторы. Перечисленные

элементы связаны между собой гидролиниями, по которым движется

рабочая жидкость.

Каждый объемный гидропривод содержит источник энергии, т.е.

жидкости под давлением. По виду источника энергии гидроприводы

различают на три типа:

1. Насосный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая

жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в

состав этого гидропривода. Он применяется наиболее широко. По

характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы

разделяют на гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости

(жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую гидролинию

насоса) и гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости

(жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак).

Термин насосный гидропривод включает понятие объемная

гидропередача. Это часть насосного гидропривода, состоящая из

насоса, гидродвигателя (одного или нескольких) и связывающих их

гидролиний. Гидропередача, таким образом, это силовая часть

гидропривода, через которую протекает основной поток энергии. Для

привода насоса в насосном гидроприводе могут быть использованы

различные двигатели. В связи с этим, если в понятии насосного

гидропривода включают также приводящий двигатель, то в

зависимости от типа этого двигателя различают электрогидропривод,

турбогидропривод, дизельгидропривод, мотогидропривод и т.п.

2. Аккумуляторный гидропривод, в котором рабочая жидкость

подается в гидродвигатель от предварительно заряженного

гидроаккумулятора. Такие гидроприводы используют в системах с

кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом

циклов.

3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость

поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Напор рабочей

жидкости в гидромагистрали создается насосной станцией, состоящей

из одного или нескольких насосов и питающей несколько

гидроприводов (централизованная система питания).

Если в объемном гидроприводе отсутствует устройство для

изменения скорости выходного звена, то такой гидропривод является

нерегулируемым, а если скорость выходного звена можно изменить

по заданному закону, то регулируемым.

226

Регулирование гидропривода может быть ручным,

автоматическим и программным.

Следящим гидроприводом называют такой регулируемый

гидропривод, в котором выходное звено повторяет движения звена

управления.

Регулируемые гидроприводы широко используются в качестве

приводов станков, прокатных станов, прессового и литейного

оборудования, дорожных, строительных и грузоподъемных машин,

транспортных и сельскохозяйственных машин и т.п. вследствие ряда

преимуществ перед механическими и электрическими передачами.

Компрессоры

Компрессор – машина для повышения давления и перемещения

газа.

Компрессоры, различные по давлению, производительности,

сжимаемой среде, условиям окружающей среды, имеют большое

разнообразие конструкций и типов. Компрессоры классифицируются

по ряду характерных признаков.

По принципу действия компрессоры подразделяют на объемные

и лопастные. Под принципом действия понимают основную

особенность процесса повышения давления, зависящую от

конструкции компрессора.

Объемный компрессор – это машина, в которой процесс сжатия

происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объем

периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом

компрессора. Объемные машины по геометрической форме рабочих

органов и способу изменения объема рабочих камер можно разделить

на поршневые и роторные компрессоры. В поршневом компрессоре

сжатие газа осуществляется перемещением поршня, совершающего

возвратно-поступательное движение, а в роторном за счет

вращательного движения рабочего органа.

Лопастной компрессор – машина динамического действия, в

которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с

вращающейся и неподвижной решетками лопастей. К лопастным

компрессорам относятся радиальные (центробежные), радиально-

осевые (диагональные), осевые.

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли

производства, для которых они предназначены (химические,

энергетические, общего назначения и т.д.), по роду сжимаемого газа

(воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т.д.), по

непосредственному назначению (пускового воздуха, тормозные и

т.д.).

227

По конечному давлению различают:

вакуум – компрессоры, которые отсасывают газ из пространства с

давлением ниже атмосферного или выше; компрессоры низкого

давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15

до 1,2МПа, среднего – от 1,2 до 10МПа, высокого – от 10 до 100МПа и

сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше

100МПа.

Компрессоры называются дожимающими, если давление

всасываемого газа существенно превышает атмосферное.

Производительность компрессоров обычно выражают в единицах

объема газа, приведенного к нормальным условиям.

По способу отвода теплоты – с водяным и воздушным

охлаждением.

По типу приводного двигателя – с приводом от

электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или

газовой турбины.

Расчет, конструирование и эксплуатация компрессора ведутся с

учетом свойств газа, для сжатия которого предназначен данный

компрессор.

Свойства сжимаемого газа определяют размеры и конструкцию

главных узлов и деталей компрессора: например, при сжатии

пожароопасных газов (кислород, углеводородные газы и др.)

необходимо обеспечение повышенной герметичности компрессора и

взрывобезопасности двигателя, систем защиты и управления. При

сжатии газов, отличающихся токсичностью (оксид углерода, хлор и

др.) и повышенной текучестью, главное требование – герметичность

компрессора. При сжатии газов с коррозийными свойствами

(сероводород, хлор и др.), необходимо применение специальных

материалов для деталей газового тракта двигателя.

Некоторые активные газы вступают в химическую реакцию с

минеральным маслом (например, кислород), растворяют минеральное

масло или смывают его с трущихся поверхностей узлов компрессора

(например, углеводородные газы и их смеси), поэтому необходимо

применение специальной смазки или выполнение конструкции

компрессора, не требующей смазки.

Наибольшее распространение в криогенной технике

(температур ниже 120 К) получили воздушные, кислородные,

азотоводородные, водородные, гелиевые компрессоры.

Наиболее распространены и многообразны по конструктивному

выполнению, схемам и компоновкам поршневые компрессоры,

которые по объемной производительности классифицируются на

микрокомпрессоры с производительностью до 0,6м3/мин; малой

228

производительности – от 0,6 до 6м3/мин, средней – 6 до 60м

3/мин;

большей свыше 60м3/мин.

В области средних и больших производительностей, низких и

средних давлений значительное развитие получили винтовые

компрессоры с производительностью до 50м3/мин, давлением до

4МПа, со сроком службы до 100тыс.ч., способные сжимать

двухфазные среды (газ+жидкость).

На предприятиях нефтеперерабатывающей, нефтехимической и

химической промышленности кроме компрессоров применяют

нагнетатели (до 0,3МПа), газодувки (до 0,1МПа), и насосы двух

классов – лопастные и объемные.

Работа насосов характеризуется следующими основными

параметрами: производительностью, напором, мощностью привода,

коэффициентом полезного действия, числом оборотов или ходов,

допустимой высотой всасывания.

Производительность (подача) насоса – количество жидкости,

подаваемое в единицу времени, выражается в объемных (Q) или

массовых (G) единицах, которые связаны соотношением

G = Q× , (8.6)

где – плотность перекачиваемой жидкости.

Напор создается приращением энергии, получаемым

жидкостью, проходящей через насос. Напор определяется по

следующей формуле:

H = (Pн – Pв )/g× + (V2 н – V

2 в )/2×g hман hвак (8.7)

где Рн ; Рв – давление на выходе (Рн ) из насоса и на входе (Рв ) в

него, Па; Vн ; Vв – скорость в напорном и всасывающем патрубках

насоса, м/с;

hман ; hвак - пьезометрические поправки па положение прибора,

м; знаки зависят от положения приборов относительно оси насоса.

Напоры центробежных нефтяных насосов составляют 40 – 750м

Эксплуатация компрессоров и насосов осуществляется в

соответствии с требованиями СНИП, правил устройства и

безопасности эксплуатации компрессоров, в том числе работающих с

взрывопожароопасными и токсическими продуктами, а также

инструкции и руководств.

229

8.7. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАДЕЖНОСТИ МАШИН

Вследствие физического материального износа узлов и деталей

машины аппараты перестают удовлетворять требованиям,

предъявляемым к данному агрегату. Физический износ возникает и

при эксплуатации оборудования (износ первого ряда), и просто с

течением времени (износ второго рода).

Основной причиной физического износа многих видов техники

является механический износ ее деталей, обусловленный силами

трения. Механический износ зависит не только от конструкции и

качества выполнения машин, но и от их технического обслуживания.

Для деталей машин, работающих в условиях знакопеременной

нагрузки, важное значение имеют влияния усталости, которые могут

приводить к поломкам.

Мерой физического износа какой-либо детали машины под

воздействием трения может служить величина изношенного слоя (в

МКМ) рабочей поверхности этой детали. Поэтому при изучении

закономерностей физического износа отдельной детали исследуют

зависимость этой величины от продолжительности эксплуатации при

изменении различных факторов (материала детали, качества

обработки поверхностей, рода смазки и т.п.). Многочисленные

исследования показали, что для физического износа отдельных

деталей (узлов) машин под воздействием трения характерны три

последовательные стадии: интенсивный износ в период приработки,

более медленное нарастание износа в период нормальной работы,

прогрессирующее нарастание износа после того, как он достигает

определенной величины. Значительно меньше изучены

закономерности физического износа деталей, разрушения которых

происходит не под воздействием трения, а по различным другим

причинам, например, вследствие усталости. Еще меньше изучены

закономерности физического износа машин в целом; эта задача

является более сложной.

Износ машины приводит к появлению неисправностей узлов и

механизмов, к снижению мощности и производительности машины,

расходу эксплуатационных материалов. Наступает момент, когда

дальнейшая эксплуатация машины становится экономически

нецелесообразной. При достаточно большом физическом износе

машина либо вообще перестает работать, либо появляется опасность

аварии.

Неисправности машин могут быть видимыми, ощущаемыми,

слышимыми. Видимые неисправности обычно обнаруживаются на

глаз даже без пуска машины. К ощущаемым неисправностям

230

относятся вибрация машины и чрезмерное нагревание отдельных

частей, слышимые неисправности (шум) обнаруживается

прослушиванием машины с помощью специального стетоскопа.

Причинами возникновения шума могут быть нарушения в

соединениях деталей машин, износ подшипников, попадание

инородного тела, нарушение режима смазки.

К числу важнейших характеристик машин, приборов и

аппаратов относится их надежность, которая проявляется в

непрерывности и длительности работы машины без ремонта.

Надежной считается конструкция, обеспечивающая бесперебойную

работу машины в течение определенного, довольно длительного срока

ее эксплуатации. Вероятность выхода такой техники из строя в

течение этого периода времени очень мала. Такое общее определение

надежности нуждается в конкретизации применительно к различным

условиям работы техники. В одних случаях под надежностью машины

понимают стабильность ее параметров и минимальное ухудшение

эксплуатационных характеристик за определенный период времени.

Необходимо найти такие показатели надежности машины, которые

отражали бы частоту внезапных выходов ее из строя и степень

ухудшения характеристик работы во времени.

Наиболее показательным обобщающим фактором,

характеризующим надежность работы компрессорного оборудования,

является коэффициент использования этого оборудования –

отношение фактических часов работы в течение года к общему

количеству часов в году. На предприятиях азотной промышленности

коэффициент использования крупных компрессоров составляет 0,94 –

0,945. Лучшие зарубежные фирмы рекламируют компрессоры с

коэффициентом использования 0,98.

Одним из основных показателей надежности является

долговечность, под которой понимают срок службы машины до

предельного физического износа. Долговечность – это весь срок

существования изделия, включая периоды надежной работы и

простоев по любым причинам. Долговечность машины нужно

отличать от срока службы машины до очередного ремонта (текущего

или капитального). Долговечность следует отличать также и от

полного срока службы машины, определяемого числом лет, в течение

которых она находилась в эксплуатации. Он зависит не только от

физического износа частей машины, но и от темпов технического

прогресса. В то же время полный срок службы машины связан с ее

долговечностью: чем выше долговечность машины, тем больше

полный срок службы ее (при прочих равных условиях). Полный срок

службы машины связан также с ее эксплуатационной надежностью,

231

которая обуславливает срок службы до очередного ремонта, так как

связана с производительность и с другими важнейшими технико-

экономическими показателями машины. Чем выше эксплуатационная

надежность, тем выше качество конструкции, тем меньше затраты на

ремонт, тем лучше все экономические показатели машины и,

следовательно тем дольше она будет служить.

Наряду с надежностью машины или агрегата существует понятие

надежности отдельных деталей и узлов. Надежность деталей

определяется длительностью межремонтного срока их службы: чем

выше гарантийный межремонтный срок службы деталей, тем выше их

надежность и, как правило, тем выше долговечность машины в целом.

Но не следует отождествлять долговечность машин и срок службы ее

отдельных деталей и узлов.

Повышение надежности и сроков службы машин до ремонта

является важным источником экономии средств в результате

уменьшения затрат на ремонт, сокращения потерь, связанных с

простоем оборудования в ремонте, а также экономии материалов

вследствие уменьшения расхода запасных частей.

Вопросы надежности и долговечности должны решаться в

комплексе с вопросами экономичности, так как повышение

надежности и долговечности достигается мероприятиями, которые

удорожают машину и ее обслуживание. Под экономичностью в

данном случае понимают затраты, необходимые на все ремонты во

время всего срока службы изделия по отношению к стоимости самого

изделия.

Основная причина ненадежной и неэкономичной работы машины

заключается в отсутствии закономерной связи в сроках службы

отдельных деталей.

Важным средством повышения надежности машины является

улучшение технологичности ее ремонта. Максимальные интервалы

между плановыми ремонтами компрессоров: текущими – 1500,

средними – 3000, капитальными – 26000 ч. Конструкция каждой

машины должна допускать возможность быстрого и качественного

ремонта в процессе эксплуатации. Большое значение для повышения

технологичности ремонта машины имеет обеспечение максимально

удобного доступа к отдельным узлам, деталям и агрегатам для их

осмотра и замены, а также легкость замены (снятие, установки и

крепления) агрегатов и узлов. Важным требованием к размещению

узлов машины является их замкнутость, т.е. возможно меньшая

связанность с другими узлами, исключение даже частичной разборки

при установке и снятии.

232

8.7.1. Виды дефектов Дефектом называется каждое отдельное несоответствие

продукции требованиям, установленным нормативной документацией

(ГОСТ 17102-71). Дефекты подразделяются на явные и скрытные.

Явные поверхностные дефекты обнаруживают глазом, а скрытые

(внутренние) и поверхностные, неразличимые глазом, выделяют с

помощью специальных средств.

В зависимости от возможного влияния на служебные свойства

детали, выявленные дефекты могут быть критическими,

значительными и малозначительными. Критическим называется

дефект, при наличии которого использование продукции по

назначению невозможно ввиду несоответствия требованиям

безопасности или надежности; значительным – дефект, который

существенно влияет на использование продукции по назначению или

на ее долговечность, но не является критическим; малозначительный

– дефект, который не оказывает такого влияния.

По происхождению дефекты подразделяют на

производственные и эксплуатационные. Производственные делятся на

металлургические, возникающие при отливке и прокатке (горячие и

холодные трещины, раковины, рванины, трещины, неметаллические

включения и др.) и технологические, возникающие при изготовлении

деталей (сварке, пайке, склеивании гальванических покрытий и др.).

Эксплуатационные дефекты возникают после некоторой наработки

изделия в результате усталости материала деталей, коррозии,

изнашивания и т.д., а также неправильного технического

обслуживания и ремонта.

Одной из задач теории надежности является разработка методов

прогнозирования поломок машин. Эти методы основаны на

использовании теории вероятностей и методов статистики.

Использование теории вероятностей позволяет отвлечься от

рассмотрения большого числа факторов, определяющих

продолжительность исправного функционирования конкретного

устройства и характер его поломки. В то же время статистические

методы существенно ограничивают область применения результатов

теории надежности при решении практических задач. Ни один

показатель надежности, устанавливаемый теорией, не содержит

каких-либо указаний о моменте поломки той или иной машины, т.е.

по существу они не характеризуют надежности конкретного

устройства. Показатели надежности, являющиеся усредненными

величинами, полученными в результате обработки данных о поломках

определенной совокупности машин, характеризуют всю

233

совокупность, и применение их для оценки надежности единичного

экземпляра не имеет смысла.

В связи с этим одной из важнейших задач эксплуатации

компрессорных и насосных установок становится диагностика их

технического состояния. Под диагностикой технического состояния

агрегатов следует понимать совокупность методов и средств контроля

возникающих в процессе эксплуатации нарушений, вызывающих

снижение работоспособности агрегата, а также анализ причин

нарушений и своевременное предотвращение их.

Для того, чтобы более четко определить область, охватываемую

технической диагностикой, рассмотрим три типа задач по

определению технического состояния объектов.

К первому типу относятся задачи определения технического

состояния объекта проверки в настоящий момент времени. Это задачи

диагноза (диагнозис – распознавание, определение). Ко второму типу

относятся задачи по предсказанию технического состояния объекта в

будущем. Это задачи прогноза (прогнозис – предвидение,

предсказание). Наконец, к третьему типу относятся задачи

определения технического состояния, в котором объект проверки

находился в некоторый момент в прошлом. Это задачи генеза (генезис

– происхождение, возникновение, процесс образования).

Задачи технической генетики возникают, например, в связи с

расследованием аварий и их причин, когда настоящее (доступное

проверке) техническое состояние объекта отличается от состояния, в

которое он перешел в результате появления первоначальной причины,

вызывающей аварию. Эти задачи решаются путем определения

возможных или вероятных предысторий, приводящих к настоящему

техническому состоянию объекта проверки. К задачам технического

прогнозирования относятся, например, задачи, связанные с

определением срока службы объекта проверки или с указанием

периодичности его профилактических проверок или ремонтов. Эти

задачи решаются путем определения возможных или вероятных

эволюций объекта проверки, начинающихся его текущим

техническим состоянием.

Таким образом, знание текущего состояния объекта проверки

является обязательным как для генеза, так и для прогноза.

В зависимости от решаемой задачи можно выделить следующие

классы диагностических систем (ГОСТ 20427 – 75).

1. Системы для разработки механизмов. С их помощью

различают только два класса возможных состояний механизма –

―исправное‖ и ―неисправное‖.

234

2. Системы для аттестации механизмов. При этом решается

более общая задача диагностики: по принятому от механизма сигналу

нужно определить класс, к которому относится состояние механизма.

3. Системы для измерения скрытых параметров механизма без

его разборки. Задача таких систем заключается в определении

параметров X1,X2,……Xn, принятых для описания состояния

механизма, по параметрам сигнала S1,S2…..Sn.

4. Система прогнозирования состояния механизма. По

известным состояниям механизма в предшествующие моменты

времени и по его текущему состоянию система диагностики должна

определить состояние, в которое перейдет механизм после часов

работы. Именно такая система диагностики представляет интерес для

насосно-компрессорного оборудования. Задачами такой диагностики

являются: определение работоспособности агрегатов, установление

признаков неисправностей и их обнаружение; прогнозирование

состояния агрегатов; разработка технических средств для определения

работоспособности, обнаружения неисправности и прогнозирования

состояния агрегатов; разработка рекомендаций, которые следует

учитывать при проектировании новых агрегатов для облегчения их

диагностики; разработка оптимального комплекса мероприятий для

реализации результатов диагностики с целью поддержания

работоспособности агрегатов.

Одним из определяющих показателей технического состояния

компрессоров и насосов является производительность; в зависимости

от нее должны объективно определяться целесообразность и объем

проведения восстановительного ремонта. Другой определяющий

показатель технического состояния – надежность – может либо

постепенно меняться, что определяется процессом естественного

износа, либо изменяться резко, что связано с внезапными

(случайными) повреждениями элементов, как правило,

исключающими дальнейшую эксплуатацию агрегата без вскрытия

причины и проведения восстановительного ремонта. Число

параметров, определяющих техническое состояние или остаточный

ресурс машины, бесконечно, но среди них есть основные, которыми

необходимо оперировать при проведении технической диагностики.

Среди множества методов технической диагностики

(термическая индикация, рентгенография, виброакустическая

диагностика, радиоволновая, диагностика по спектральному анализу

масла и газов, радиоактивных изотопов, по угару масла и др.) в

тепловых двигателях, к которым принадлежат и компрессоры, в

первую очередь нашли применение виброакустическая диагностика и

235

диагностика по спектральному анализу масла и наличию в нем

металлических частиц.

Выбор вибрационных явлений в качестве источника

информации о техническом состоянии машин обусловлен

следующими причинами: вибрации отражают наиболее существенные

физические процессы, проходящие внутри машин, такие как

деформация и напряжение в деталях; вибрация машины

свидетельствует о процессах взаимодействия деталей, причем ее

параметры характеризуют как общие свойства машины, так и

свойства отдельных узлов; вибрация обладает широким спектром

частот, значительной скоростью распространения и в качестве

носителя информации – большой емкостью, она регистрируется в

естественных условиях работы машины.

236

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Закончилась книга посвященная техногенным опасностям.

Дальше Вам предстоит работать в направлении связанном с

безопасностью технологических процессов и производств, то есть

предстоит самостоятельно пополнять знания связанные в том числе и

с опасностями. Поэтому в конце книги мне хотелось бы остановиться

на общем алгоритме самостоятельного анализа опасностей.

1. При изучении новых опасностей обязательно добавляйте в

понятийный ряд в области промышленной безопасности все новые

термины. Чем полнее понятийный ряд, тем меньше путаницы в

голове.

2. Законодательная база в нашей стране еще не устоялась, в

дополнениях к законам связанным с промышленной безопасностью, в

систему стандартов безопасности, в санитарные нормы и правила

могут быть внесены кардинальные изменения. Следите за

нормотворчеством в области промышленной безопасности,

учитывайте в своей профессиональной деятельности все изменения.

3. Оценка любой опасности включает следующие элементы:

— классификацию опасности и набор статистики по рискам;

— определение основных поражающих факторов и параметров

поражения и выбор методов их расчета;

— установление критериев поражения и расчет параметров

риска;

— формулирование выводов о степени опасности.

Мы дали вам алгоритм действий, Ваша задача реализовать его на

опасном производственном объекте или в проектном бюро.

237

ЛИТЕРАТУРА

1.Воробьев Ю.А. и др. Катастрофы и человек. – М.: АСТ-ЛТД,

1997. – 256 с.

2. Кулаков В.А. Опасные технологии и производства. – СПб.:

СПбГПУ, 2002.

3. Агапитов В.Ю. и др. Техногенные опасности. – СПб.: СПбГТУ,

2000. – 51 с.

4. Кожара В.И., Кулаков В.А. Научно-методические основы

прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного

характера. Методическая разработка. – СПб.: СПбГТУ, 2000. – 103 с.

5. Цаубулин В.А. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. –

СПб.: СПбГТУ, 1999.

6. Федеральный закон от 21. 07. 97 г. №116-ФЗ «О

промышленной безопасности опасных производственных объектов».

7. Маршалл В. Основные опасности химических производств: –

М.: Мир. 1989.

8. Федеральный закон от 21. 12. 94 г. №68-ФЗ «О защите

населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и

техногенного характера».

9. Сафонов В. С. и др. Теория и практика анализа риска в газовой

промышленности. – М.: НУМЦ Минприроды России, 1996. – 228 с.

10. Яковлев В.В. и др. Последствия аварийных взрывов

газовоздушных смесей. – СПб.: СПбГТУ, 2000. – 60 с.

11. Васильев В.И. и др. Пожары. Поражающее действие и

обеспечение безопасности. Учебное пособие. – СПб.: СПбГТУ, 2002.

– 71 с.

12. Храмов Г.Н. Техногенные взрывы. Учебное пособие. – СПб.:

СПбГПУ – 2002.

13. Пособие по оценке опасности, связанной с возможными

авариями при производстве, хранении, использовании и

транспортировке больших количеств пожароопасных, взрывоопасных

и токсичных веществ. – М.: Минприрода РФ, 1992. – 37 с.

14. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные

чрезвычайные ситуации. Взрывы. Термины и определения. ГОСТ Р

22.2.08-96.

15. Кожара В.И. Защита от аварийно химически опасных веществ.

Учебное пособие. – СПб.: «Нестор» СПбГТУ, 2001. – 79 с.

16. Тарасевич Ю.В., Измалков В.И. Экологическая безопасность

деятельности вооруженных сил. Москва: ВАГШ, 2001.-304с.

17. Предупреждение крупных аварий. Практическое руководство.

(Международное бюро труда Женева, Московский НИИ охраны

труда). -М.: "Рагог", 1992г.-256с.

238

18. Сводки Госгортехнадзора России.

19. Методика прогнозирования масштабов заражения СДЯВ при

авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте.

РД 52.04.253-90. Госгидромет, 1991 г.

20. Федеральный закон от 9 января 1996 г. № 3-ФЗ «О

радиационной безопасности населения»

21. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. – М:

Энергоатомиздат, 1987. – 192 с.

22. Машкович В.П. и др. Основы радиационной безопасности.

Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 176 с.

23. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические

нормативы. – М.: Центр санитарно-эпидемиологического

нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава

России, 1999. – 116 с.

24. Кожара В.И. и др. Оценка радиационной обстановки при

авариях на атомных электростанциях. Учебное пособие. – СПб.:

СПбГТУ, 1997. – 60 с.

25. Методические указания по проведению анализа риска опасных

промышленных объектов. РД 08-120-96 – М.: НТЦ «Промышленная

безопасность», 1996. – 15 с.