Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие подходы к оценке безопасности и риска в транспортных системах
1.1 Анализ состояния безопасности судоходства 9
1.2 Анализ состояния безопасности в международных автомобильных перевозках
1.3 Анализ состояния безопасности в гражданской авиации 23
1.4 Анализ состояния безопасности на железнодорожном транспорте 26
1.5 Применение ценотических моделей для описания сложных транспортных систем.
2. Интегральная оценка уровня безопасности железнодорожного транспорта
2.1 Ценотическая модель безопасности движения на железно-дорожном транспорте
2.2 Интегральный показатель безопасности железнодорожного транспорта
3 Анализ статистических данных по аварийным происшествиям при движении грузовых поездов. Оценка риска
3.1 Методология оценки риска при движении грузовых поездов 51
3.2 Частотный анализ статистических данных по аварийным происшествиям при движении грузовых поездов, вызванных опасными состояниями технической системы железнодорожного транспорта
3.3 Оценка рисков возникновения аварийных ситуаций при движении грузовых поездов, вызванных опасными состояниями технической системы железнодорожного транспорта
4. Мероприятия по снижению аварийного риска при перевозках аммиака на железнодорожном транспорте
4.1 Анализ сценариев аварийных происшествий при перевозках аммиака. Максимальная авария.
4.2 Метод расчета состояния цистерны со сжиженным газом при аварийном тепловом воздействии
4.3 Расчет и выбор оптимальных технических средств защиты вагона-цистерны с аммиаком при аварийном тепловом воздействии
4.4 Рекомендации по снижению негативных последствий для окружающей среды от максимальной аварии вагона-цистерны с аммиаком
Выводы 117
Список использованных источников 120
Приложение 1 127
Приложение 2 145
- Анализ состояния безопасности в международных автомобильных перевозках
- Интегральный показатель безопасности железнодорожного транспорта
- Частотный анализ статистических данных по аварийным происшествиям при движении грузовых поездов, вызванных опасными состояниями технической системы железнодорожного транспорта
- Метод расчета состояния цистерны со сжиженным газом при аварийном тепловом воздействии
Введение к работе
Железнодорожный транспорт страны за год перевозит более 950 млн. тонн грузов, из них более 25% составляют опасные грузы, в год загружается более 3 млн. вагонов и цистерн с опасными грузами. Особо опасны взрывы и пожары с опасными грузами (на станциях и узлах). Передача в собственность компаний-операторов подвижного состава и его увеличивающийся моральный и физический износ, который в настоящее время превышает 50%, остро ставят вопрос о рисках потерь и оценках последствий при аварийных происшествиях при перевозке опасных грузов, в том числе и аммиака.. Под аварийным происшествием понимают случай схода, столкновения вагонов с опасным грузом в организованных поездах, при маневровой работе, на сортировочной горке. В зависимости от тяжести последствий он может быть квалифицирован как крушение или авария.
Факторами риска и основными причинами аварий при. перевозке на железнодорожном транспорте аммиака являются отказы технических средств и оборудования, низкое качество подготовки подвижного состава под погрузку опасных грузов, ошибки при проектировании и проведении строительных работ, неудовлетворительное состояние путевого хозяйства.
В настоящее время аммиак, широко используются в химической и нефтехимической промышленности. Это вещество имеют значительную долю в общем объеме перевозок опасных грузов. Жидкий аммиак относятся к категории опасных веществ с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды. Его особенностью является «мгновенное» испарение жидкости при разгерметизации котла цистерны и охлаждении оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении. Образующееся в этом процессе газопаровоздушное облако может воспламеняться при наличии источника зажигания.
В зависимости от степени разгерметизации цистерны СУГ и других трудно прогнозируемых условий можно выделить следующие основные сценарии развития аварий: разгерметизация цистерны АХОВ (аммиак) и химическое заражение окружающей среды; детонационный взрыв цистерны АХОВ (аммиак); взрыв цистерны АХОВ (аммиак) с образованием «огненного шара» (дефлаграционное горение); попадание цистерны СУГ и АХОВ (аммиак) в очаг пожара с последующим взрывом.
В данной работе проводится анализ аварийных происшествий при перевозке опасных грузов на основе системного подход. В работе предложена методика интегральной оценки уровня безопасности железнодорожного транспорта, а так же, методика расчета рисков (опасностей) возникновения аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте при перевозке грузов на железнодорожном транспорте. Основываясь на исследованиях проведенных учеными МИИТа, кафедрами «Вагоны и вагонное хозяйство» и «Инженерная экология» предложены мероприятия по снижению аварийного риска при перевозках аммиака на железнодорожном транспорте.
Полученные результаты позволяют оптимизировать решения в области организации и технологии железнодорожных перевозок на основе подходов, базирующихся на анализе и количественной оценке рисков и интегральной оценки уровня безопасности при перевозке опасных грузов. В тоже время результаты работы будут способствовать разработке технологий и технических средств предотвращения и снижения негативных последствий от аварийных ситуаций при перевозке опасных грузов.
Анализ состояния безопасности в международных автомобильных перевозках
При анализе безопасности в международных автомобильных перевозках современные исследователи этого вопроса оценивают риск, а так же решают вопрос о нахождении оптимального метода его снижения, так называемый антирисковый стиль поведения. Это, прежде всего, объясняется многообразием форм проявления риска в международных автомобильных перевозках и необходимостью защиты от его отрицательных последствий [2]. В качестве методологической основы решения поставленной задачи целесообразно использование элементов теории управления риском.
Управление риском, представляет собой комплекс процедур по минимизации отрицательного воздействия риска в разных сферах деятельности (экономической, научно-технической, военной, и т.д.). Управление риском может быть с успехом применено и в такой сфере экономики, как международные автомобильные грузовые перевозки.
Деятельность по управлению рисками в международных автомобильных перевозках включает следующие основные направления: - идентификация (выявление) риска; - оценка риска; - выбор метода и мер управления риском; - предотвращение и контролирование риска; - финансирование риска; - оценка результатов.
Идентификация риска относится к качественному анализу риска и позволяет выявить источники и причины рисков (опасностей), угрожающих перевозчику и способных нанести ущерб его имущественным интересам. Здесь особое значение имеет выявление и идентификация всех возможных рисков. При этом необходимо откорректировать номенклатуру рисков с учетом специфики деятельности транспортной компании.
В зависимости от вида риска источником информации о нем могут быть: - официальная статистка МВД и Министерства по чрезвычайным ситуациям; - результаты опроса (анкетирования) перевозчиков; - страховая статистика.
Несмотря на обилие рисков, выявляемых по каждому отдельно взятому предприятию международному автомобильному перевозчику, можно отметить, что в силу однотипности деятельности большинства перевозчиков, набор рисков достаточно стандартен. В то же время выбор отдельного риска (группы рисков) в качестве объекта анализа должен быть обусловлен целями, стоящими перед автотранспортным предприятием.
Так, например, при формировании базы для принятия решения о целесообразности применения страховой защиты от риска, оценке следует подвергать те риски, от которых предполагается страхование [3]. В международных автомобильных перевозках к таким рискам относятся: - риск повреждения транспортного средства в дорожно-транспортном происшествии; - риск кражи транспортного средства; - риск повреждения груза при перевозке; - риск утрата груза при перевозке; - риск нарушения таможенной процедуры. В рамках каждою из указанных рисков могут выделяться подгруппы рисков. Подгруппы позволяют более полно охарактеризовать структуру риска и сделать его последующую оценку более точной.
Оценка риска - это количественный анализ риска, заключающийся в оценке вероятности (частоте) наступления рисковых событий и их последствий, прогнозировании возможного ущерба от воздействия риска. Среди количественных методов анализа риска наиболее известными в теории управления рисками являются: статистические методы, метод статистических испытаний, анализ целесообразности затрат, метод экспертных оценок, аналитические методы (анализ чувствительности модели, анализ величины относительных рисков, метод аналогий) и ряд других. Решение проблемы оценки риска может строиться на статистическом методе оценке величины возможного ущерба, наступающего при реализации риска. Характеризуя возможный ущерб, который несет международный автомобильный перевозчик при реализации риска, важно отметить, что ею фактический размер складывается под влиянием следующих основных факторов: стоимости имущества, подверженною риску, степени повреждения, а при риске, связанном с ответственностью, еще и от степени вины перевозчика.
Размер максимальной ответственности перевозчика за причинение вреда третьим лицам соизмерим со стоимостью имущества третьих лиц, подверженного риску повреждения или гибели в ДТП, а также уровнем материальных затрат на медицинское обслуживание и социальное обеспечение лиц, пострадавших в ДТП. Фактический размер ответственности зависит от тяжести последствий ДТП и степени вины его участников.
Величина максимального ущерба отражает наихудший из возможных исходов воздействия риска. Вероятностный характер большинства социально-экономических и технологических процессов приводит к тому, что один и тот же вид риска может проявляться по разному, изменяя величину фактического ущерба. Выявление закономерностей формирования величины ущерба от рисковых обстоятельств, является на наш взгляд одной из ключевых задач в изучении риска, позволяющих дать его количественную оценку. Объединение схожих по происхождению происшествий, можно определить удельный вес каждой из причин, влекущих за собой их появление.
Интегральный показатель безопасности железнодорожного транспорта
Для выявления более глубоких внутренних закономерностей, связанных с наличием причинно-следственных связей между видами НБД, из классов НБД по повторяемости а,, в каждом из которых содержится «,. = ni{ai) видов, образуем отделы НБД Ък =а, ,k = i, z—1,2,3,...,іУ(рис. 2.4 - 2.5 и Приложение 2).
Относительное распределение отрядов НБД, виды НБД в которых встречаются не менее Ъ раз (2006 г.) видов НБД, т.е. в каждом отделе Ьк представлены такие виды НБД, которые встречаются не менее Ьк раз. Другими словами, в отделе Ъх = 1 представлены все виды НБД, в b2 = 2 представлены виды НБД, кроме тех, которые встречаются один раз, в Ь3=3 представлены виды НБД, кроме тех, которые встречаются один и два раза и т.д.
Для девяти лет (1998-2006гг.) по фактическим данным были построены статистические зависимости Qk =f(bk). Эти зависимости можно рассматривать как сообщения, которые несут информацию о состоянии реальной системы «безопасности движения на железных дорогах». Математическая обработка этих сообщений методом максимального правдоподобия с использованием критерия согласия х2 показала наличие устойчивой закономерности в распределении относительной частоты появления отделов НБД.
Вычислительные эксперименты показали, что уменьшение числа редких видов НБД (крушений, аварий, сходов и столкновений поездов и т.п.) или увеличение числа массовых видов НБД (неисправность локомотива, вызвавшая задержку поезда более 1 часа, отцепка вагона от грузового поезда из-за неисправности роликовых букс и т.п.) при сохранении числа классов и отрядов НБД приводит к росту величины Н - информативности сообщения. И наоборот, увеличение числа редких видов НБД или уменьшение числа массовых видов НБД при сохранении числа классов и отрядов НБД приводит к падению величины Н. К росту величины Н приводит также увеличение числа видов, классов и отделов НБД, т.е. информативность сообщения возрастает при увеличении степени детализации при выявлении НБД.
Также для статистических и теоретических зависимостей был вычислен показатель выравненное информационного сообщения /0 = , который является количественной оценкой уровня организованности безопасности движения на железных дорогах, причем тах/0=1 (рисунок 2.6) [74]. Коэффициент выравненное безопасности движения на железных дорогах России
Количественная оценка уровня безопасности движения на железных дорогах зависит от совокупности административно-организационных мер и технических средств по управлению движением поездов, капитальных затрат на новую технику и эксплуатационных затрат на ремонт и техническое содержание подвижного состава и инфраструктуры железных дорог.
Дня нахождения обобщенного показателя - интегрального показателя безопасности на железнодорожном транспорте (индекса уровня безопасности движения) UЕД будем исходить из следующих эвристических предположений:
Индекс уровня безопасности движения на железнодорожном транспорте зависит от приведенной грузонапряженности Гпр (млрд т-км брутто в год на 1 км эксплуатационной длины железных дорог), т.к. приведенная продукция железнодорожного транспорта при всех прочих равных условиях линейно связана с эксплуатационной длиной железных дорог и показателя выравненности /0, причем иБД = 0 при Гпр = 0 и I0 = 0.
Для объективной оценки уровня безопасности движения рассчитаем индекс при базовой грузонапряженности равной теоретически возможной.
Для определения теоретически возможной грузонапряженности сделаем следующие предположения: железные дороги представляют сеть двухпутных линий общего пользования с грузовым сообщением; на всей протяженности действует система СЦБ. Все допущения приняты в запас расчета.
Вычисленный индекс уровня безопасности движения при базовом значении грузонапряженности, равном грузонапряженности 2000 г. показывает, как изменяется безопасность движения относительно 2000 года, т.е. для сопоставления уровня безопасности движения текущего года по отношению к предыдущим годам.
Проводя анализ полученных результатов, делаем вывод, что индекс безопасности движения рассчитанный при базовом значении грузонапряженности равной теоретическому пределу, дает информацию о потенциале возможного увеличения интенсивности движения и, как следствие, повышении объема грузоперевозок. Значение этого индекса также может служить информативным показателем всей проводимой работы ОАО «РЖД» в области обеспечения безопасности на железной дороге.
Полученные результаты демонстрируют, что, после 2000 г., темп роста UБд замедляется, а в 2001 г. падает по сравнению с 2000 г., несмотря на ежегодное постоянное снижение общего числа НБД. Этот вывод подтверждается результатами работы [11], в которой отмечается падение темпа роста эксплуатационных расходов с 2000 г. Более того, указывается, что сократилось число депо, удлинились плечи обращения локомотивов и гарантийные участки ПТО, что в известной мере повлияло на увеличение числа сходов в грузовых и пассажирских поездах в 2001 г., то есть привело к снижению уровня безопасности движения на железных дорогах России.
В дальнейшем реализация мероприятий ежегодной Программы ОАО «РЖД» по повышению безопасности движения, позволила сначала стабилизировать, а затем обеспечить постоянный рост уровня безопасности движения поездов, эта тенденция подтверждается проведенным прогнозом.
Таким образом, можно утверждать, что индекс уровня безопасности движения Uщ позволяет определять отклик реальной системы «Безопасности движения на железных дорогах» после принятия и реализации управленческого решения. С другой стороны, проводя вычислительные эксперименты, можно для различных управленческих решений осуществлять прогноз индекса уровня безопасности движения Uщ, что должно позволить выбирать наиболее эффективное управленческое решение в области безопасности движения.
Частотный анализ статистических данных по аварийным происшествиям при движении грузовых поездов, вызванных опасными состояниями технической системы железнодорожного транспорта
Анализ возникновения аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте в грузовом движении осуществляется за период с 1998 года по 2006год с использованием данных, представленных отчетами Департамента безопасности движения и экологии МПС РФ за 1998-2006 года [14-21], а также статистических данных о работе железнодорожного транспорта [22].
Частотный анализ статистических данных по аварийным происшествиям при движении грузовых поездов на железнодорожном транспорте (см. таблицу 3.1) показывает, что все опасные состояния технической системы железнодорожного транспорта, приводящие к сходам и столкновениям грузовых поездов с другими грузовыми или пассажирскими поездами, могут быть сведены к отказам трех классов объектов железнодорожного транспорта: отказы железнодорожного пути, отказы подвижного состава, отказы системы управления поездом.
Для всех классов отказов технической системы железнодорожного транспорта, приводящих к сходам и столкновениям грузовых поездов с другими грузовыми или пассажирскими поездами, относительная частота появления сходов (столкновений) грузового поезда, не имевших последствием крушение или аварию (особый брак в работе), имевших последствием крушение либо аварию является репрезентативной (Приложение 1).
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при оценке риска возникновения аварийных ситуаций при перевозке опасных грузов вызванных опасными состояниями технической системы железнодорожного транспорта, необходимо учитывать три типа аварийных происшествий: - сходы (столкновения) грузового поезда, не имевшие последствием крушение или аварию; - сходы (столкновения) грузового поезда, имевшие последствием аварию; - сходы (столкновения) грузового поезда, имевшие последствием крушение. Причем все опасные состояния технической системы железнодорожного транспорта, приводящие к сходам и столкновениям грузовых поездов с другими грузовыми или пассажирскими поездами, могут быть сведены к отказам трех классов объектов железнодорожного транспорта: - отказы железнодорожного пути; - отказы подвижного состава, - отказы системы управления поездом.
Сходы (столкновения) поезда при поездной работе можно подразделить на: сходы (столкновения) поезда, вызванные отказами железнодорожного пути, сходы (столкновения) поезда, вызванные отказами подвижного состава и сходы (столкновения) поезда, вызванные отказами системы управления поездом. Каждое из выше перечисленных событий может иметь различные последствия: либо крушение, либо аварию, либо просто сход (столкновение) поезда (особый брак в работе).
При разработке методической части оценки риска для грузовых поездов используются следующие обозначения: А - событие, представляющее собой сход (столкновение) поезда при поездной работе; А] -сход (столкновение) поезда, вызванный отказом железнодорожного пути при поездной работе; А2 -сход (столкновение) поезда, вызванный отказом подвижного состава при поездной работе; А3 -сход (столкновение) поезда, вызванный отказом системы управления поездом при поездной работе; В - событие, последовавшее после схода или столкновения поезда при поездной работе и имевшее различные последствия; Bj - событие, последовавшее после схода или столкновения грузового поезда при поездной работе и не имевшее последствием крушение или аварию (особый брак в работе); В2 — событие, последовавшее после схода или столкновения грузового поезда при поездной работе и имевшее последствием аварию; B3 - событие, последовавшее после схода или столкновения грузового поезда при поездной работе и имевшее последствием крушение; Сходы и столкновения грузового поезда при поездной работе (события Ah А2, Аз) может порождать следующие события: особый брак в работе (события В] \ Ah Bj\A2, В] А3,), либо аварии грузового поезда (события В2\А], В2\А2, В2\А3), либо крушения грузового поезда (событие В31 Аь В3 \ А2, В3 \ А3). Y(BJ\AJ) - эколого-экономический ущерб от схода или столкновения грузового поезда, не имевшего последствием крушение или аварию, j=l,2,3; Y(B21 Aj) - эколого-экономический ущерб от аварии, последовавшего после схода или столкновения грузового поезда, j=1,2,3; Y(B31 Aj)- эколого-экономический ущерб от крушения, последовавшего после схода или столкновения грузового поезда,/=/Д 5.
Метод расчета состояния цистерны со сжиженным газом при аварийном тепловом воздействии
В математической модели рассматривается металлический резервуар с аммиаком, на внешней поверхности которого может находиться теплоизоляционный слой, состоящий из слоя негорючего, пористого материала (типа минеральной ваты) или внешняя поверхность цистерны может быть покрыта вспенивающейся огнезащитной краской. Возможна ситуация одновременного использования тепловой изоляции обоих типов. При наличии на стенках цистерны огнезащитного покрытия под действием теплового потока происходит его квазимгновенное вспенивание с образованием теплоизоляционного слоя толщиной бВсп, зависящей от начальной толщины слоя покрытия и его свойств. Предполагается, что в момент времени т=0 температура аммиака и температура слоев двухслойной стенки цистерны равны температуре окружающего воздуха Тв, а на определенную часть внешней поверхности цистерны F0 (теплоизоляционного слоя, если он есть) начинает воздействовать внешний поверхностный источник теплоты мощностью q (очаг пожара). Допускается, что температуры стенок цистерны, а также температура и давление аммиака не зависят от координат, температура окружающей среды считается постоянной. Теплофизические свойства металла стенок цистерны, теплоизоляционного слоя и слоя вспенивающего огнезащитного покрытия принимаются постоянными. Учитывается конвективный и радиационный теплообмен на внешней поверхности цистерны с окружающим воздухом температурой Тв. В зависимости от сочетания режимных параметров аммиака возможны следующие режимы теплоотдачи от внутренней поверхности котла цистерны к сжиженному газу: поверхностное, пузырьковое или пленочное кипение жидкости; естественная конвекция жидкости или газа в большом объеме. При открытии предохранительного клапана происходит критическое истечение аммиака в окружающее пространство.
В функционале (4.7) Л, с, р, q, а, в- кусочно-непрерывные функции координат и времени. Нестационарное температурное поле в многослойной стенке цистерны определяется из минимума исходного функционала (4.7). При осуществлении минимизации величины —, q, а, в считаются инвариантными. В формуле (4.7) анприведенный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности цистерны; ав -коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности цистерны; X - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость; р - плотность; q -поверхностный тепловой источник; dV — элемент объема стенки; dF — элемент поверхности; Тв — температура окружающего воздуха; Т- температура стенки.
Будем рассматривать двухслойную стенку цистерны, внутренним слоем которой является стальная стенка котла цистерны толщиной 5ст, а наружный слой частично состоит из слоя тепловой изоляции толщиной 8ти и слоя квазимгновенно вспенивающейся огнезащитной краски толщиной 8ок. Будем считать, что распределение температуры внутри каждого слоя линейно. Это допущение справедливо при Scm«R, 8mu«R, 80K«R, где R - радиус котла цистерны.
Здесь Ті, Т2, Т3 — температуры на внутренней, внешней поверхности котла цистерны и на наружной поверхности двухслойной стенки соответственно; F6iK , FH_K- площадь внутренней и внешней поверхности котла цистерны; Fmu - площадь наружной поверхности двухслойной стенки цистерны, приходящаяся на тепловую изоляцию; FH — площадь наружной поверхности двухслойной стенки цистерны; F0 - площадь поверхности двухслойной стенки цистерны, находящейся в зоне огневого воздействия. Индексы: cm - стенка котла цистерны; ти — тепловая изоляция; ок — огнезащитная краска.
Система нелинейных, обыкновенных дифференциальных уравнений (4.8), (4.11), (4.13) при соответствующих начальных условиях совместно с уравнениями состояния P=f(Ts), і =f(Ts), і =f(T$), р =/(!$), р =f(T$) для двухфазной области СГ и P = f(p,T), i = f(p,T) для однофазной и сверхкритической области СГ решалась численным итерационным методом по неявной конечно-разностной схеме с погрешностью аппроксимации О(Лт).Уравнения состояния Р=/(Т$), і =f(T$, і =f(Ts), р=/(Т$), p =f(T$) для двухфазной области и Р = f(p,T), i = f(p,T) для однофазной и сверхкритической области задавались в виде таблиц. Текущие значения Р, і, і, р, р для двухфазной области и Р, і для однофазной и сверхкритической области находились с помощью интерполяционных методов.
На основе предложенной методики расчета поведения железнодорожной цистерны со сжиженным газом в очаге пожара профессором В.Г. Поповым был разработан программный комплекс «Fobot». Он представляет собой комплекс баз данных, который может содержать необходимые для расчета данные для любых видов железнодорожных цистерн, сжиженных газов, предохранительных клапанов, теплоизоляционных материалов и огнезащитных покрытий, а также программных интерполяционных и других вспомогательных модулей, модулей теплообмена и численного решения системы дифференциальных уравнений.
Когда цистерна с аммиаком находится в зоне аварийного теплового воздействия, то нагревание стенок котла приводит к повышению давления аммиака. Вследствие повышения давления аммиака выше допустимого, а также неравномерного прогрева частей боковой поверхности котла, возможен разрыв котла цистерны. Взрыв резервуара с перегретой жидкостью в очаге пожара получил название BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion - взрыв при расширении паров вскипающей жидкости) [39]. Если содержимое цистерны является горючим веществом, например пропаном, то в результате BLEVE возникает «огненный шар» - крупномасштабное диффузионное пламя с интенсивным тепловым излучением, а в момент взрыва образуются волны с достаточно большой разрушающей силой. Аварии, протекающие по сценарию BLEVE, характеризуются серьезными повреждениями и человеческими жертвами. Использование технических средств защиты цистерн с аммиаком при аварийном тепловом воздействии должно как минимум не допустить развитие аварии по сценарию BLEVE за время, необходимое для развертывания аварийно-спасательного подразделения (1час — станция; 4 часа — перегон [28-30]), а по максимуму исключить такой сценарий [40-44].
