4. Исследование нагруженности металлоконструкций расчетными методами

Вид материала

Содержание

1. Анализ существующих методов оценки риска.
2. Анализ аварийности, травматизма и основных дефектов при эксплуатации портальных кранов
3. Методика оценки риска эксплуатации портальных кранов
3.2 Модель качественного метода оценки риска
3.3 Модель количественного метода оценки риска
4. Исследование нагруженности металлоконструкций расчетными методами
Расчётный случай
5. Оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16
Список использованных источников

Подобный материал:

Министерство Транспорта Российской Федерации

Московская государственная академия водного транспорта

Кафедра «Портовые подъемно-транспортные машины и робототехника»

обоснование безопасноЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ портальных кранов на основе теории риска

Заведующая кафедрой ППТМиР: Леонова О.В., к.т.н., профессор

Научный руководитель: Леонова О.В., к.т.н., профессор

Ответственный исполнитель: Веретенников Е.Г., соискатель

Москва, 2011

Содержание

Введение	3
1. Анализ существующих методов оценки риска	4
2. Анализ аварийности, травматизма и основных дефектов при эксплуатации портальных кранов	6
3. Методика оценки риска эксплуатации портальных кранов	7
3.1 Общие положения	7
3.2 Модель качественного метода оценки риска	9
3.3 Модель количественного метода оценки риска	17
4. Исследование нагруженности металлоконструкций расчетными методами	21
5. Оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16	23
Список использованных источников	26
Приложение 1	31

Введение

После вступления в силу технического регламента «О безопасности машин и оборудования» изменились требования к технической и эксплуатационной документации, появилась необходимость в разработке нового документа по обоснованию безопасности машин и механизмов, который должен явиться аналогом европейского технического файла («Technical file») или файла истории продукции («Design Dossier») и включать наряду со сведениями из конструкторской, эксплуатационной, технологической документацией еще и оценку риска. В соответствии с последними требованиями оценку риска машин и механизмов должны проводить при конструировании, производстве и на всех стадиях эксплуатации.

Вопросы оценки риска затронуты во многих зарубежных стандартах: британские стандарты EN 292-1:1991, BS EN 349:1993, BS EN 982:1996; стандарты Международной электротехнической комиссии IEC (МЭК) 60300-3-9:1995, IEC (МЭК) 61882:2001, IEC (МЭК) 61025:1990, IEC (МЭК) 60812:2006; европейский стандарт NASG/B Nr6-95E prEN 1050; европейские нормы серии EN 45000; стандарты США: MIL-STD 1629А, Стандарт безопасности и охраны труда на рабочих местах 1910.119, Нормативный документ нефтегазовой фирмы АМОСО; нормативный документ Норвежского Нефтяного Директората от 4.12.1990.

Из российских нормативных документов к настоящему времени следует выделить: ГОСТ 27.310-95, стандарты серии ГОСТ 51901 по менеджменту риска, РД 03-129-96, РД 03-357-00, РД 03-418-01, СТО Газпром 2-2.3-351-2009, методическое руководство ОАО АК «ТРАНСНЕФТЬ» по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах от 30.12.1999, методика МЧС определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности от 30.06.2009.

Находящиеся в настоящее время на рассмотрении законопроекты № 443002-5, № 442978-5 касаются вопросов развития законодательства в соответствии с принятыми техническими регламентами, создания единой национальной системы аккредитации на основе международных и европейских принципов, но вопросы повышения безопасности технических систем и оценки риска затронуты не в полной мере.

В связи с изложенным в настоящей работе, возрастают требования к обеспечению промышленной безопасности технических систем, и в частности подъемных сооружений.

В данном направлении автором работы были проведены исследования по одному из видов подъемных сооружений объектов, а именно портальным кранам, результаты которых позволяют выполнять комплексную оценку вероятности безотказной работы всех элементов портального крана, включая металлоконструкцию, элементы привода и электрооборудования, и давать наиболее полную оценку уровня технического риска.

1. Анализ существующих методов оценки риска.

До вступления в силу Технического регламента [1] на территории Российской Федерации действовали более 50 нормативных документов, определяющих порядок эксплуатации и оценки надежности технических устройств [4-23, 43-47].

В процессе анализа, автором обобщена и уточнена схема классификации существующих методов анализа и оценки риска технических объектов, на основе которых возможно выполнить обоснования безопасности. Классификация методов приведена на рисунке 1 и, делится на:

- дедуктивные;

- качественные индуктивные;

- количественные индуктивные;

- физико-механические.

Рисунок 1 - Существующие методы идентификации опасностей и оценки риска технических объектов.

2. Анализ аварийности, травматизма и основных дефектов при эксплуатации портальных кранов

В работе произведен анализ информационных бюллетеней и экспертных заключений Ростехнадзора, проанализированы и обобщены причины аварийности и травматизма, произошедшие за последние 20 лет при эксплуатации портальных кранов, а также приведен обзор материалов по дефектам металлоконструкций, приводов механизмов, электрооборудования портальных кранов Ганц 5/6-30 тип Е, Альбрехт 10/20-32/16, Ганц 16/27,5–33/21, Альбатрос 10/20-32/16.

Установлено, что хотя бо́льшая часть случаев аварийности и травматизма для портальных кранов вызвана эксплуатационно-организационными причинами в виде неправильных приемов строповки, нахождения людей в опасной зоне и проведения работ при действии недопустимых внешних факторов, всё же достаточно высоким остаётся уровень аварийности по эксплуатационно-техническими, производственными и конструктивными причинами (17%), котрые учитываются при оценке риска (рисунок 2).

Рисунок 2 - Классификация дефектов по причине возникновения.

Также выявлено, что

1. Для элементов металлоконструкции рассмотренных портальных кранов дефекты распределяются следующим образом:

- усталостные трещины (48-79%);

- ослабление соединений в узлах (17-43%);

- коррозионные дефекты (2-26%);

- деформационные дефекты (1-11%).

2. Основными дефектами механизмов портального крана являются трещины зубчатых колёсах по корню зуба, трещины корпуса редуктора и в мест крепления редуктора к раме, разрушение выходного вала редуктора механизма поворота (для портального крана Альбатрос 10/20-32/16 1978-1985 г.в.), износ тормозных накладок, нарушение уплотнений в манжетах штока тормозного цилиндра, трещины соединительных элементов муфты.

3. Основными дефектами элементов электрооборудования портальных кранов являются подгорания и износы контактов, наличие грязи и пыли в элементах, ослабление контактных соединений и заземления элементов, снижение сопротивления изоляции двигателя.

3. Методика оценки риска эксплуатации портальных кранов

3.1 Общие положения

Наряду с конструкторской, эксплуатационной, технологической документацией, обоснование безопасности портальных кранов должно включать в себя оценку риска их эксплуатации [1].

Создание методики по оценке риска эксплуатации портальных кранов предлагает решение следующих задач:

- составление структурной схемы портального крана, представленного в виде многоуровневой структуры элементов металлоконструкции, элементов привода, электрооборудования;

- составление информационных таблиц, включающих данные анализа видов и последствий отказов элементов, отказ которых способен привести к аварийной ситуации;

- построение типовых деревьев неисправностей в целом портального крана, а также его структурных элементов (металлоконструкции, приводов механизмов, электрооборудования);

- создание математической модели оценки риска эксплуатации участков металлоконструкции с эксплуатационными повреждениями в виде усталостных трещин, коррозионных и деформационных повреждений с целью получения величин риска эксплуатации металлоконструкции;

- расчет напряженно-деформированного состояния металлоконструкции при различных вариантах работ и условиях нагружения с целью использования полученных результатов для оптимизации и сокращения времени оценки риска металлоконструкции;

- сбор и анализ статистических данных по отказам и неисправностям электрооборудования с целью получения оценки риска его эксплуатации;

- сбор и анализ статистических данных по отказам и неисправностям элементов привода, а также проведение исследований их напряженно-деформированного состояния с целью получения оценки риска их эксплуатации;

- заполнение информационных таблиц полученными данными оценки риска эксплуатации структурных элементов портального крана, представленных в виде событий дерева неисправностей;

- составление отчета оценки риска с разработкой рекомендаций по эксплуатации.

Методика оценки риска эксплуатации, предложенная в настоящей работе, применима к портальным кранам, как находящимся в эксплуатации, так и после проведения ремонта, реконструкции, технического диагностирования.

Комплексную оценку риска эксплуатации портального крана можно провести количественным или качественным методами.

При выборе модели проведения оценки необходимо учитывать:

- цели и характер результатов анализа;

- наличие исходных данных о текущем состоянии объекта и характере опасности;

- наличие квалифицированных исполнителей.

Целями проведения оценки риска эксплуатации являются:

при качественной оценке риска - выявление причин возникновения отказов и принятие мер для снижения последствий отказа;
при количественной оценке риска - получение исходных данных об отказах, причинах их появления для определения критичности отказов и оценки вероятности аварии.

3.2 Модель качественного метода оценки риска

Методы качественной оценки риска эксплуатации, основаны на соответствии условий эксплуатации крана действующим требованиям промышленной безопасности. При качественной оценке риска определяются последствия эксплуатации крана, проверяются отчеты по его эксплуатации и техническом обслуживании (журнал осмотров и ремонтов, вахтенных журнал, паспорт крана). Наибольшее распространение получили методы анализа видов и последствий отказов (АВПО) и метод анализа видов последствий и критичности отказов (АВПКО). Методы наиболее просты в применении и позволяют дать обширное представление исходной информации и результатах нарушений. Проведение анализа облегчается при обеспечении вспомогательными бланками и формами [8].

Для оценки риска эксплуатации предлагается портальный кран представить в виде иерархической системы, состоящей из элементов металлоконструкции, электрооборудования и приводов механизмов, для каждого из которых присвоен код и составлены основные виды отказов и причины появления отказов. Данные занесены в унифицированную таблицу 1, оптимизированную для качественной оценки риска портальных кранов, состоящую из следующих колонок:

код элемента (функции);
наименование элемента (функции);
вид (описание) отказа;
возможные причины отказа;
последствия отказа на рассматриваемом уровне;
способы и средства обнаружения отказа;
рекомендации по предупреждению (снижению) тяжести последствий отказа;
категория последствий отказа.

Для каждого критичного элемента необходимо определить категорию последствий отказа на основании данных переводных таблиц (приложение 1 – справочное) и произвести распределение элементов в зависимости от важности и весомости. После чего, необходимо определить эксплуатационные или конструктивные меры по уменьшению риска отказов и снижению последствий отказов элемента или группы элементов, представляемые владельцу портального крана.

Таблица 1 - Форма рабочего листа качественной оценки риска эксплуатации портального крана методом АВПО

Код элемента (функции)	Наименование элемента (функции)	Вид (описание) отказа	Возможные причины отказа	Последствия отказа на рассматриваемом уровне	Способы и средства обнаружения отказа	Рекомендации по предупреждению (снижению) тяжести последствий отказа	Категория последствий отказа*
1	2	3	4	5	6	7	8
М1	Металлоконструкция стрелы	Разрушение	Работа с грузом, превышающим допустимый уровень. Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М1	Металлоконструкция стрелы	Разрушение	Приложение недопустимых внешних нагрузок (ветровых, сейсмических, снеговых)	Разрушение крана	Мониторинг внешних нагрузок	1. Предупредить всех работающих об опасности. 2. Приступить к ликвидации последствий.
М2	Металлоконструкция рычага противовеса	Разрушение	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М3	Металлоконструкция оттяжки	Разрушение	Работа с грузом, превышающим допустимый уровень. Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М3	Металлоконструкция оттяжки	Разрушение	Приложение недопустимых внешних нагрузок (ветровых, сейсмических, снеговых)	Разрушение крана	Мониторинг внешних нагрузок	1. Предупредить всех работающих об опасности. 2. Приступить к ликвидации последствий.
М4	Металлоконструкция колонны (верхнего строения)	Разрушение	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Немедленно подать сигнал крановщику на остановку грузоподъемной машины, предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М5	Металлоконструкция хобота	Разрушение	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М5	Металлоконструкция хобота	Разрушение	Приложение недопустимых внешних нагрузок (ветровых, сейсмических, снеговых)	Разрушение крана	Мониторинг внешних нагрузок	1. Предупредить всех работающих об опасности. 2. Приступить к ликвидации последствий.
М6	Металлоконструкция тяги противовеса	Разрушение	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
М7	Металлоконструкция портала	Разрушение	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/разрушение крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Немедленно подать сигнал крановщику на остановку грузоподъемной машины, предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
Э1	Электрооборудование механизма подъема	Подгорания и износы контактов, наличие грязи и пыли в элементах, снижение сопротивления изоляции	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
Э2	Электрооборудование механизма поворота	Подгорания и износы контактов, наличие грязи и пыли в элементах, снижение сопротивления изоляции	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
Э3	Электрооборудование механизма передвижения	Подгорания и износы контактов, наличие грязи и пыли в элементах, снижение сопротивления изоляции	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
Э4	Электрооборудование механизма изменения вылета стрелы	Подгорания и износы контактов, наличие грязи и пыли в элементах, снижение сопротивления изоляции	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
П1	Привода механизма подъема	Трещины зубчатых колёсах по корню зуба, трещины мест крепления редуктора к раме, износ тормозных накладок, трещины соединительных элементов муфты, обрыв сердечника и проволок грузового каната	Работа с грузом, превышающим допустимый уровень. Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/ остановка крана Падение предметов сверху	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Немедленно подать сигнал крановщику на остановку грузоподъемной машины, предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.
П2	Привод механизма поворота	Трещины зубчатых колёсах по корню зуба, трещины мест крепления редуктора к раме, разрушение вала редуктора, износ тормозных накладок, трещины соединительных элементов муфты	Эксплуатация с недопустимым дефектом	Остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
П3	Привод механизма передвижения	Трещины зубчатых колёсах по корню зуба, трещины мест крепления редуктора к раме, износ тормозных накладок, трещины соединительных элементов муфты	Эксплуатация с недопустимым дефектом		ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Сообщить непосредственному руководителю работ. 2. Приступить к устранению причины отказа
П4	Привод механизма изменения вылета стрелы	Трещины зубчатых колёсах по корню зуба, трещины мест крепления редуктора к раме, износ тормозных накладок, трещины соединительных элементов муфты	Работа с грузом, превышающим допустимый уровень. Эксплуатация с недопустимым дефектом	Возможность получения травмы/ смертельный исход/ остановка крана	ЧТО, ПТО, ЭПБ	1. Немедленно подать сигнал крановщику на остановку грузоподъемной машины, предупредить всех работающих об опасности и не допускать никого в опасную зону. 2. Сообщить непосредственному руководителю работ. 3. Оградить опасную зону. 4. Вызвать врача и оказать первую медицинскую помощь. 5. Приступить к ликвидации последствий.

*заполняется в соответствии с переводными таблицами (приложение 1 - справочное).

ЧТО – частичное техническое освидетельствование;

ПТО – полное техническое освидетельствование;

ЭПБ – экспертиза промышленной безопасности.

3.3 Модель количественного метода оценки риска

Для проведения количественной оценки риска портального крана, автором разработан комбинированный метод оценки с применением различных методов анализа для различных элементов оборудования. По данному методу портальный кран представлялся в виде иерархической системы, состоящей из элементов металлоконструкции, электрооборудования и приводов механизмов.

Количественные характеристики для оценки риска возможно получить в результате оценки вероятности возникновения аварии либо расчетным путём обработки статистических данных об отказах, либо расчётным путём построения для отдельных узлов и деталей графиков, связывающих вероятность безотказной работы со временем эксплуатации.

Оценку риска эксплуатации портального крана предлагается проводить при помощи модели технической системы, изменяющей своё состояние во времени и находящейся в разное время в различных состояниях. Модель включает следующие элементы: металлоконструкцию, электрооборудование, механизмы крана. Оценка риска проводится методом дерева неисправностей (дерева отказов), который основывается на информации об исходных событиях (отказах элементов механизмов и электрооборудования и несущих элементов металлоконструкции).

Главное дерево неисправностей портального крана в общем виде представлено на рисунке 3, где используются следующие обозначения:

Е – вершина событий - аварийный случай, возникший в ходе эксплуатации по причине отказа элементов электрооборудования, приводов механизмов или металлоконструкции (полный отказ системы);
Э, П, М – входящие события – аварийные случаи, возникшие при отказе соответственно электрооборудования, привода механизма, элементов металлоконструкции портального крана;
М1 - отказ металлоконструкции стрелы;
М2 - отказ металлоконструкции рычага противовеса;

М3 - отказ металлоконструкции оттяжки;
М4 - отказ металлоконструкции колонны (верхнего строения);
М5 - отказ металлоконструкции хобота;
М6 - отказ металлоконструкции тяги противовеса;
М7 - отказ металлоконструкции портала;
Ппод - отказ привода механизма подъема;

Ппов - отказ привода механизма поворота;
Ппер - отказ привода механизма передвижения (при оценке риска не рассматривается);
Пив - отказ привода механизма изменения вылета стрелы;

Эпод - отказ электрооборудования механизма подъема;
Эпов - отказ электрооборудования механизма поворота;
Эпер - отказ электрооборудования механизма передвижения (при оценке риска не рассматривается);
Эив - отказ электрооборудования механизма изменения вылета стрелы.

На начальном этапе оценки риска выявлялись все источники опасности (идентификация опасностей). Вершина событий последовательно расширялась для каждого логического оператора (структурного элемента) таким образом, чтобы на нижнем уровне схемы находились элементарные исходные события. После чего составлялся алгоритм сочетаний различных случайных событий, способных привести к аварийной ситуации. Не попавшие в алгоритм элементарные исходные события далее не рассматривались. В зависимости от условий работы, типа портального крана, конструктивных особенностей, данных о проведенных ремонтах и модернизации, дерево неисправностей корректируется для получения более качественных результатов.

Рисунок 3 – а).Обозначение обытий; б).Главное дерево неисправностей портального крана (в общем виде)

В соответствии с рисунком 3,б риск аварии портального крана, вызванного отказами элементов или группы элементов металлоконструкции, приводов механизмов, электрооборудования, определяется по формулам:

;	(1)
;	(2)
;	(3)
.	(4)

Далее ограничимся рассмотрением ветки

	(5)
	(6)
- определяется в другой ветви дерева	(7)
	(8)
, где	(9)

интенсивности исходных событий.

, где

(10)

- риск того, машинист крана не нажал кнопку аварийного выключения при возникновении аварийной ситуации ("человеческий фактор").

Дерево неисправностей сопровождается информационной таблицей с данными по видам оборудования, типам отказов, интенсивностям отказов и вероятностям наступления случайных событий, которые определяются либо по статистическим данным, либо с применением физико-механических методов.

Последние из указанных методов предполагают построение зависимостей вероятности безотказной работы (Р, %) от величины дефекта (а). Данные зависимости использованы для оценки безопасной эксплуатации металлоконструкции при заданной наработке. При прогнозировании безопасной эксплуатации на предполагаемую наработку необходимо использование зависимости величины дефекта (а) от времени развития (t).

Построение вышеназванных зависимостей возможно при наличии данных по напряженно-деформированному состоянию участков конструкции с эксплуатационными дефектами, что оценивается расчетным или экспериментальным путем.

4. Исследование нагруженности металлоконструкций расчетными методами

Для исследования нагруженности металлоконструкции портальных кранов методом конечных элементов в рамках данной работы созданы стержневые, пластинчатые, твердотельные (модели из solid-элементов), комбинированные 3D модели портальных кранов и элементов металлоконструкции кранов, наиболее подверженные дефектам.

Для оценки общего уровня напряжений в местах образования усталостных трещин, указанных в РД 10-112-4-98 [45], были созданы комбинированные конечно-элементные модели портальных кранов Ганц 5/6-30 тип Е, Альбрехт 10/20-32/16. Построения выполнены для варианта работ судно-склад при максимальном вылете стрелы и максимальной грузоподъемности.

Расчет стержневых моделей портальных кранов Ганц 16/27,5-33/21 и Альбатрос 10/20-32/16 производился с целью определения наиболее нагруженных участков при различных положениях стреловой системы и различных вариантах работы:

а). при крайних положениях стреловой системы крана:

максимальный вылет стрелы;
средний вылет стрелы;
минимальный вылет стрелы;

б). при различных углах поворота стреловой системы:

ориентация стрелы вдоль крановых путей (вариант судно-вагон);
ориентация стрелы под углом 45 к крановым путям;
ориентация стрелы под углом 90 к крановым путям (вариант судно-склад).

Всего создано 18 стержневых моделей (по 9 для каждого крана).

Варианты схем выбирались на основании анализа аварийности и травматизма в зависимости от выполняемой технологической операции. Все модели были построены для вариантов судно-склад или судно-вагон.

Таблица 2 - Пример стержневых моделей портального крана Ганц 16/27,5–33/21 при различных расчетных случаях

Расчётный случай:

минимальный вылет стрелы, под углом 90° к крановым путям, приложен максимальный вес груза + ветровая нагрузка

Расчётный случай:

максимальный вылет стрелы, ориентация стрелы под углом 90° к крановым путям, приложен максимальный вес груза с учётом динамической составляющей

Проведён детальный анализ напряжённо-деформированного состояния участков металлоконструкции наиболее подверженных эксплуатационным дефектам для портальных кранов Альбрехт 10/20-32/16, Альбатрос 10/20-32/16 (рисунок 3), Ганц 16/27,5–33/21.

В работе произведено сравнение значений результатов тензометрических испытаний элементов металлоконструкции кранов Альбатрос 10/20-32/16 и Ганц 16/27,5–33/21, с результатами расчета пластинчатых конечно-элементных моделей участков при схожих условиях нагружений, расхождение результатов получилось в пределах 10%.

Рисунок 3 - Пример карты напряженного состояния участка металлоконструкции пластинчатой конечно-элементной модели кронштейнов крепления стрелы портального крана Альбатрос 10/20-32/16.

5. Оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16

С учетом направления исследований портальных кранов на кафедре ППТМиР МГАВТ, а также в соответствии с результатами исследования эксплуатационных дефектов портальных кранов, для обоснования безопасной эксплуатации выбран портальный кран Альбатрос 10/20-32/16. 1978 года выпуска отличающиеся ферменным порталом и изменением конструкции стреловой тяги, рычага противовеса и внутреннего набора стрелы. В частности рассмотрен портальный кран Альбатрос 10/20-32/16 зав. №9905, экспл. №ПАЛ 57, 1978 г.в., принадлежащему ОАО «Северный речной порт»

Исходные данные для оценки риска:

данные экспертизы промышленной безопасности;
данные по наработкам на отказ элементов электрооборудования и механизмов крана;

данные тензометрических испытаний выходного вала редуктора;
данные напряженно-деформированного состояния металлоконструкции.

Математическая модель оценки риска реализована в расчетной программной среде MathCAD 15. Главное дерево неисправностей оптимизировано применительно к портальному крану Альбатрос 10/20-32/16, на нижнем уровне которого элементарные события представлялись в виде значений вероятности наступления исходных событий или надежности элементов.

Вероятность наступления аварийного события электрооборудования и механической части привода оценивалась при помощи формул классической вероятности как комбинация совместных и несовместных событий. Данные интенсивностей отказов электрооборудования были взяты из справочных материалов.

Ввиду отсутствия статистической информации по отказам для элементов привода, оценка проводилась для группы элементов на основании данных по надежности элемента наиболее подверженному разрушению. Применительно к портальному крану Альбатрос 10/20-32/16 до 1987 года выпуска таковым является выходной вал редуктора механизма поворота. Для оценки взяты экспериментальные данные напряженно-деформированного состояния выходного вала редуктора, приведенные на рисунке 4.

Оценка риска отказа участков металлоконструкции проводилась на основании индуктивного количественного метода Monte Carlo, основанного на статистическом моделировании случайных величин.

П

Л

71 МПа

68 МПа

5 сек

Рисунок 4 - Осцилограммы крутящего момента на валах левого (Л) и правого (П) вертикальных редукторов.

Вероятность безотказной работы элементов металлокоснтрукции в ависимости от величин деектов определялись из аналитических зависимосте, аппроксимируемых функциями:

для усталостных трещин;
для деформационных повреждений;
для коррозионных повреждений.

Для портального крана Альбатрос 10/20-32/16 зав. №9905, экспл. №ПАЛ 57, 1978 г.в., принадлежащего ОАО «Северный речной порт» получена величина риска аварии ~ 2,1*10^-5. Данное значение риска не превышает допустимого значения риска эксплуатации для подъемных сооружений (3,8*10^-5) и для портальных кранов (2*10^-4), что является обоснованием дальнейшей безопасной эксплуатации рассматриваемого портального крана.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

Технический регламент «О безопасности машин и оборудования» (утвержден постановлением Правительства РФ N 753 от 15 сентября 2009 г.)
Федеральный закон №225 от 15.07.2010 «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельца опасного производственного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте» (принят Государственной Думой 16 июля 2010 года, одобрен Советом Федерации 19 июля 2010 года)
Федеральный закон №116 от 21.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
ПБ 10-382-00 «Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов»
ПБ 03-246-98 «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности»
РД 03-129-96 «Порядок разработки декларации безопасности промышленного объекта Российской Федерации»
РД 03-418-01 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов» (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 10 июля 2001 г. N 30)
ГОСТ 27.310-95 «Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения»
ГОСТ 51901.1-2002 «Менеджмент риска. Анализ риска технологических систем»
ГОСТ Р 51901.2-2005 «Менеджмент риска. Системы менеджмента надежности»
ГОСТ Р 51901.3-2007 «Менеджмент риска. Руководство по менеджменту надежности»
ГОСТ Р 51901.4-2005 «Менеджмент риска. Руководство по применению при проектировании»
ГОСТ Р 51901.5-2005 «Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности»
ГОСТ Р 51901.6-2005 «Менеджмент риска. Программа повышения надежности»
ГОСТ P 51901.11-2005 «Менеджмент риска. Исследование опасности и работоспособности. Прикладное руководство»
ГОСТ Р 51901.12-2007 «Менеджмент риска. Метод анализа видов и последствий отказов»
ГОСТ Р 51901.13-2005 «Менеджмент риска. Анализ дерева неисправностей»
ГОСТ Р 51901.16-2005 «Менеджмент риска. Повышение надежности. Статистические критерии и методы оценки»
Порядок проведения технического расследования причин аварий и инцидентов на объектах, поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (утвержден приказом N 191 Минприроды России от 30.06.2009)
«Методические рекомендации по внедрению обязательного страхования, ответственности за причинение вреда при эксплуатации опасных производственных объектов» (утверждены Госгортехнадзором России, МЧС, Минфином России 31.03.1998 г.)
Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности (утверждена приказом МЧС №382 от 30 июня 2009 г.)
Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах (утверждено приказом N 152 ОАО АК «Транснефть» от 30.12.1999)
СТО Газпром 2-2.3-351-2009 «Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов газотранспортных предприятий ОАО “Газпром” ( утвержден распоряжением ОАО «Газпром» №83 от 30 марта 2009 г.)
ГОСТ 11.009-79. ПС. «Правила определения оценок и доверительных границ для параметров логарифмически нормального распределения»
Михайлов Б.Н., Селектор С.Л. и др. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии; Учебное пособие.– Иркутск: Издательство Иркутского университета, 1997, – 176 с.
Панасенко Н.Н., Котельников В.С. Безопасность подъемных сооружений. –М.; Астрахань: Издательство НТЦ КВАН, 2004 г. – 600 с.
Андрейкив А.Е. Пространственные задачи теории трещин. Киев: Наукова думка, 1982. – 348 с.
Сиратори М., Миёси Т., Мацусита Х. Вычислительная механика разрушения. Москва: Мир, 1986. – 334 с.
Романив О.Н. О закономерностях роста трещин при коррозионной усталости сталей. ФХММ. 1985. №3.
Романив О.Н., Никифорчин Г.Н., Вольдемаров А.В. Коррозионно-циклическая трещиностойкость: закономерности формирования порогов и ресурсные возможности различных конструкционных сплавов. ФХММ. 1985. № 3.
Восиковски О. Рост усталостной трещины в трубопроводной стали Х65 при испытаниях с низкой частотой циклов в соленой и пресной воде. Теор. основы инженерных расчетов. №4. 1975. – 97 с.
Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. О некоторых задачах исследования циклической трещиностойкости материалов в жидких средах. ФХММ. 1982. №6.
Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. Определение циклической трещиностойкости конструкционных материалов в коррозионной среде. Доклад АН СССР. 1983. – 269 с.
Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. Циклическая трещиностойкость металлов в коррозионных средах. 1984. №3. – 79 с.
Ленец Ю.Н. Прогнозирование циклической трещиностойкости и оптимизация структуры конструкционных сталей на основе концепции закрытия трещин: Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. Киев. 1987. – 18 с.
Фрактография и атлас фрактограмм: Справочник/Под ред. М.Л. Бернштейна. Москва.: Металлургия, 1982. – 489 с.
Роль остаточных напряжений и деформированного упрочнения в изменении коррозионно-циклической трещиностойкости корпусных сталей// О.Н. Романив, Г.Н. Никифорчин, А.В. Вольдемаров, В.Е. Литвинов// ФХММ. 1986. №4
Овчинникова Г.Н. Расчет сложных стержневых конструкций с учетом кинетики развития распределенных и локальных коррозионных повреждений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени КТН. Волгоград. 1996. – 18с.
Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. Москва: Машиностроение, 1985. – 232 с.
Остаточный ресурс грузоподъемных кранов// Котельников В.С., Зарецкий А.А., Анисимов В.С.// Безопасность труда в промышленности. 1998. №2.
Оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса крановых конструкций с учетом усталостных повреждений//Коротких Ю.Г., Городов Г.Ф., Панов В.А. и др.// Безопасность труда в промышленности. 2002. №12.
РД 10-112-96. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Общие положения, 1996 г.
РД 10-112-95 Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России, 1995 г.
РД 10-112-3-97 Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-манипуляторы, 1997 г.
РД 10-112-4-98 Методические указания по проведению обследования портальных кранов с целью определения возможности их дальнейшей эксплуатации, 1998 г.
СТО-24.09-5821-01-93 Краны грузоподъемные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций. ВНИИПТМАШ, 1993 г.
РТМ Минтяжмаш КОДАС «Расчет и испытания на прочность. Методы расчета на трещиностойкость металлоконструкций мостовых кранов при статическом и циклическом нагружении», 1990 г.
Круль К. Оценка работоспособности металлоконструкций строительных машин с дефектами. Дисс. на соискание уч. ст. д.т.н. МГСУ. 1999.

Приложение 1 (справочное)

Таблица П1.1 – Пример шкалы для установления категории тяжести последствий отказов

Категория тяжести последствий отказов	Характеристика тяжести последствий отказов
IV	Отказ, который быстро и с высокой вероятностью может повлечь за собой значительный ущерб для самого объекта и/или окружающей среды, гибель или тяжелые травмы людей, срыв выполнения поставленной задачи
III	Отказ, который быстро и с высокой вероятностью может повлечь за собой значительный ущерб для самого объекта и/или для окружающей среды, срыв выполняемой задачи, но создает пренебрежимо малую угрозу жизни и здоровью людей
II	Отказ, который может повлечь задержку выполнения задачи, снижение готовности и эффективности объекта, но не представляет опасности для окружающей среды, самого объекта и здоровья людей
I	Отказ, который может повлечь снижение качества функционирования объекта, но не представляет опасности для окружающей среды, самого объекта и здоровья людей

Таблица П1.2 – Качественные оценки частоты отказов

Виды отказов по частоте	Качественное описание частоты для:
Виды отказов по частоте	индивидуального изделия	совокупности изделий
Частый отказ	Вероятно частое возникновение	Наблюдается постоянно
Вероятный отказ	Будет наблюдаться несколько раз за срок службы изделия	Вероятно частое возникновение
Возможный отказ	Возможно одно наблюдение данного отказа за срок службы	Наблюдается несколько раз
Редкий отказ	Отказ маловероятен, но возможен хотя бы раз за срок службы	Вполне возможен хотя бы один раз
Практически невероятный отказ	Отказ настолько маловероятен, что вряд ли будет наблюдаться даже один раз за срок службы	Отказ маловероятен, но возможен хотя бы один раз

Таблица П1.3 – Пример матрицы «вероятность отказа – тяжесть последствий» для ранжирования отказов

Тяжесть последствий
Ожидаемая частота возникновения	Катастрофический отказ (категория IV)	Критический отказ (категория III)	Некритичес-кий отказ (категория II)	Отказ с пренеб-режимо малыми последствиями (категория I)
Частый отказ	А	А	А	С
Вероятный отказ	А	А	В	С
Возможный отказ	А	В	В	D
Редкий отказ	А	В	С	D
Практически невероятный отказ	В	С	С	D

Ранги отказов:

А - обязателен углубленный количественный анализ критичности,

В - желателен количественный анализ критичности,

С - можно ограничиться качественным анализом,

D - анализ не требуется.

Blog