Введение к работе
Актуальность работы. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. предполагает увеличение добычи нефти к 2030 г. в России до 530-535 млн. тонн, что формирует существенный прирост рабочей силы в сфере нефтедобывающей промышленности. Как показывает анализ, производительность труда в отрасли с 1986 г. снизилась в 4,5 раза до 1 тыс. т/год в 2001 г. на фоне почти двукратного снижения числа аварий, а с 2002 по 2007 гг. вслед за почти трёхкратным ростом производительности труда наблюдалось увеличение смертельного травматизма с 4,2 до 10,5 человек на 100 тыс. занятых. К 2008 - 2009 гг. и далее наблюдается снижение уровня травматизма, но при этом существенно сократились объёмы наиболее важных для безопасности труда операций (разведочное и эксплуатационное бурение), а фонд эксплуатируемых скважин увеличился незначительно, то есть новые технологии добычи пришли на старые объекты в условия давно действующей системы охраны труда. Это говорит о том, что риски для человека, занятого на таком производстве, очень высоки, и каждый из них должен быть исследован для новых условий нефтедобычи, что подтверждают результаты аналитических исследований. К этим рискам относятся: непосредственный контакт с сырой нефтью, пониженные температуры и риски возгорания.
Защиту человека от каждого из перечисленных факторов обеспечивает специальная одежда, выполненная из различных материалов, сформированных в теплозащитный пакет, покрытый на отдельных участках нефтезащитными накладками. Однако практика показывает, что из-за загрязнений нефтью потеря защитных свойств специальной одежды, изготавливаемой до настоящего времени на базе установленных требований государственных стандартов 80 - х гг. 20- го века, не предусмотрена в полной мере, что требует дополнительных исследований по совершенствованию конструктивного решения специальной одежды с дополнительным уровнем защиты от попадания нефти в слои одежды.
Такое попадание нефти внутрь одежды приводит к резкому изменению теплозащиты и снижению уровня производительности труда человека. Проблемами исследования свойств и проектирования защитной одежды от холода и производственных факторов занимались и продолжают заниматься как российские, так и зарубежные учёные, такие как П.А. Колесников, Р.Ф. Афанасьева, Р.А. Дель, З.С. Чубарова, А. Barton, О. Edholm, К. Umbach, I. Holmer, И.Ю. Бринк, Л.А. Бекмурзаев, И.В. Черунова, Hakan O Nilson, Paul C Cropper, Tong Yang, Malkolm J Cook, Dusan Fiala, Rehan Yousaf и др. Однако влияние сырой нефти на теплозащитные свойства одежды до настоящего времени остаётся не достаточно исследованным направлением, требующим развития и разработки соответствующих математических моделей и методики прогнозирования параметров пакета материалов с рациональным распределением тепловой защиты.
При этом сами материалы и пакеты из них представляют собой не только источник защиты от холода, но и средство для снижения уровня горения одежды, в случае возникновения условий её воспламенения. Такую защитную функцию обеспечивают не только ткани верха, но и внутренняя структура пакета в одежде. Одним из самых устойчивых к огню являются признанные во всём мире арамидные волокна, при производстве продукции из которых существуют полезные продукты вторичных фракций и отходы самого волокна. Их ресурсы и перспективы использования представляют собой интерес для повышения термостойкости одежды путём модификации пакета её материалов, что обосновывает ряд специальных исследований свойств таких модифицированных пакетов и разработки рекомендаций для проектирования специальной нефтезащитной одежды.
Настоящая работа посвящена разработке методики расчёта усовершенствованной конструкции специальной нефтезащитной одежды на базе модифицированного пакета материалов с повышенным уровнем термостойкости и теплозащиты. Это позволит сделать шаг в решении актуальной задачи повышения индивидуальной безопасности, теплового комфорта и, соответственно, производительности труда работников нефтедобывающих предприятий.
Цель работы заключается в разработке модифицированного пакета материалов для специальной нефтезащитной одежды с повышенной термостойкостью и элементов технологии автоматизированного расчёта параметров её конструкции.
Объектом исследования является: специальная теплозащитная одежда для условий нефтедобычи.
Задачи исследования:
-
Разработать критерии совершенствования нефтезащитной одежды с учётом топографии загрязнений её нефтью и внутренней структуры пакета применяемых материалов.
-
Исследовать процессы поглощения нефти текстильными материалами и пакетами из них и её влияния на прочностные, теплозащитные, огнезащитные и деформационные свойства спецодежды.
-
Разработать математическую модель теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с учётом изменяющихся характеристик пакета материалов под воздействием нефти.
-
Разработать алгоритм и программу для ЭВМ, позволяющие автоматизировать расчёты параметров пакета материалов утепленной спецодежды с улучшенной защитой от холода и проникновения нефти.
-
Разработать модифицированный пакет материалов из синтетического утеплителя с повышенной термостойкостью, основы технологии модификации и конструкцию специального нефтезащитного костюма с модифицированным пакетом материалов.
-
Оценить экспериментально равномерность температурного поля, обеспеченного модифицированным теплозащитным пакетом материалов в костюме, подверженном загрязнениям нефтью.
Методы исследования.
В работе использованы положения системного подхода к проектированию швейных изделий специального назначения, методы экспертных оценок, математического анализа, положения теории теплопередачи, планирования эксперимента, интерполяции и аппроксимации, математической статистики, антропометрии, математического моделирования, метод конечных разностей, методы решения систем дифференциальных уравнений. При проведении исследований использованы контактные и бесконтактные методы измерений и фиксации результатов, методы исследований и положения теории акустики.
Работа выполнена с применением программных продуктов Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD, Corel Draw, Visio, САПР «Novo-cut», STATISTICA, A-Line 32D (PCI-8) версия 4,93B.
Достоверность научных положений, полученных выводов и рекомендаций основывается на действующих научных законах, результатах научных экспериментов и подтверждена актами производственной апробации результатов работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен критерий для оценки совершенствования теплозащиты одежды – равномерность теплового поля;
- установлена зависимость теплопроводности синтетического объёмного утеплителя от массовой доли нефти и доли термостойкого наполнителя;
- предложен способ акустико-эмиссионного анализа динамики поглощения нефти и ее накопления в пакете материалов теплозащитной одежды;
- разработана математическая модель распределения температурного поля в слоях «Человек-Одежда-Среда», учитывающая установленные в работе зависимости деформации теплофизических и геометрических характеристик системы в процессе проникновения сырой нефти в пакет материалов одежды, в том числе установленный эффект деформации толщины теплозащитного пакета при его пропитке нефтью.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- научно обоснован выбор эффективных материалов для применения в пакете нефтезащитного утеплённого костюма и необходимость использования продуктов вторичного арамидного сырья для добавления в теплоизолирующий пакет с целью увеличения его термостойкости;
- для реализации технологии модификации синтетического утеплителя разработана принципиальная схема усовершенствованного автоматизированного раскройного оборудования;
- разработан алгоритм и программа расчета параметров системы «Человек-Одежда-Среда» для автоматизированного проектирования теплозащитной одежды, учитывающие изменения геометрических и теплофизических характеристик материалов в результате воздействия нефти;
- разработана модельная конструкция специального утепленного нефтезащитного костюма, отличающаяся от типовых решений повышенным уровнем тепло-, нефте-, огнезащиты за счет применения модифицированного пакета материалов и усовершенствованных зон нефтезащитного покрытия, позволивших снизить площадь участков неустойчивой защиты; изготовленный образец при сравнительных испытаниях с базовым (типовым) вариантом подтвердил качество предложенных решений.
Апробация и внедрение результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку:
- на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии», ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты, 2010 г.;
- Международной научно-практической конференции «Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2009», РТИСТ, г. Ростов-на-Дону, 2009 г.;
- Международной научно-практической конференции «Текстиль-одежда-обувь-средства индивидуальной защиты-21 век», ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты, 2010 г.
- Второй всероссийской научно-практической конференции «Инновации и наукоёмкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности опасных производственных объектов (БЕЗОПАСНОСТЬ-2009)» - Уфа: УГНТУ, 2009 г.;
- Международной научно-практической конференции «Текстиль-одежда-обувь-средства индивидуальной защиты-21 век»; ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты, 2011 г.;
- Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии», ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты, 2011 г.;
- Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании- 2011». – Одесса: Черноморье, 2011 г.;
- Международной научно-практической конференции «Текстиль-одежда-обувь-средства индивидуальной защиты-21 век»; ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты, 2012 г.;
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ООО «БВН инжениринг» (г .Новочеркасск), ООО «Баффин.ру» (г. Москва), ООО ООО "Крайний Север" (г. Северодвинск), а также в учебном процессе на кафедре «Моделирование, конструирование и дизайн» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (г. Шахты) при подготовке студентов по направлению «Конструирование изделий лёгкой промышленности».
Публикации. Основные положения проведённых исследований опубликованы в 16 печатных работах, 4 из которых опубликованы в журналах, входящих в список, утверждённый Высшей аттестационной комиссией, в том числе 1 патент и 1 свидетельство на программу для ЭВМ.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объём диссертации составляет 146 страниц текста, включающие 48 рисунков и 20 таблиц. Список использованной литературы содержит 156 источников. Приложения представлены на 34 страницах.
Похожие диссертации на Разработка и исследование специальной нефтезащитной одежды с модифицированным пакетом материалов
