Содержание к диссертации
стр.
Введение 5
1. Промышленная безопасность грузоподъемных машин Российской
Федерации 14
Аварийность на грузоподъемных машинах 14
Аварии мостовых кранов 14
Аварии козловых кранов 23
Аварии башенных кранов 34
Аварии стреловых кранов 44
Обобщенные сведения об авариях на грузоподъемных машинах Российской Федерации в период 1995 г. - 2005 г. 58
Анализ аварийности на грузоподъемных машинах Российской Федерации в период 1995 г. - 2005 г. 60
1.8. Выводы по Главе 1 62
2. Современные аспекты мировой практики обеспечения
промышленной безопасности 64
2.1. Анализ нормативно-правовой базы США и стран ЕС по вопросам
промышленной безопасности :. 64
Анализ нормативно^правовой базы США в области промышленной безопасности _ 64
Анализ нормативно-правовой базы Великобритании в области промышленной безопасности 70
Анализ нормативно-правовой базы Федеративной Республики Германии в области промышленной безопасности 74
2.2. Европейское законодательство в области технического
регулирования 75
Общие положения 75
Директива по общей безопасности изделий директива совета 92/59/ЕЭС от 29 июня 1992 года 82
Директивы нового подхода 83
Директива 95/16/ЕС Европейского Парламента и Совета о
лифтах 85
Директива 98/37/ЕС Европейского Парламента и Совета о безопасности машин и механизмов 91
Гармонизированные стандарты 108
Процедура оценки соответствия 109
Организации, уполномоченные проводить оценку соответствия (уполномоченные организации) 114
2.3. Предложения по принципам и направлениям гармонизации
технических регламентов Российской Федерации (Федеральных
законов) с международными и европейскими директивами 118
2.3.1. Общие положения 118
Ситуация с нормативно-правовой базой по вопросам промышленной безопасности в Российской Федерации 119
Законодательство об основах технического регулирования Российской Федерации 122
Предложения по развитию законодательства по техническому регулированию в области промышленной безопасности опасных производственных объектов 128
2.4. Концепция проекта Федерального закона - технического
регламента «О специальном техническом регламенте
«О безопасности подъемно-транспортного оборудования и
процессов его эксплуатации»» 133
2.5. Выводы по Главе 2 138
3, Методология анализа риска грузоподъемных машин 140
Общие положения 140
Определение риска в математической теории безопасности и
риска 143
Анализ известных определений риска 143
Риск как мера опасности 159
Определение «безопасности» грузоподъемных машин как опасных промышленных объектов , 169
Обоснование приемлемого риска грузоподъемных машин 181
Алгоритмы идентификации опасностей грузоподъемных машин... 184
Структура процесса идентификации опасностей грузоподъемных машин 189
Алгоритм метода экспертных оценок риска грузоподъемных
машин 194
3.7. Алгоритм управления риском аварий грузоподъемных машин 201
3.S. Принятие решений и риск 207
Оправданное и неоправданное принятие риска на основе имитационных моделей 213
Выводы по Главе 3 226
4, Концептуальная модель управления промышленной
безопасностью грузоподъемных машин 228
Общие положения. 228
Модель оценки остаточного ресурса грузоподъемных машин с истекшим сроком службы 229
Выводы по Главе 4 263
5, Оценка, прогнозирование и управление рисками грузоподъемных
машин критериями магнитного контроля 264
Общие положения 264
Физические основы магнитного контроля металлоконструкций грузоподъемных машин 265
Магнитный контроль механических свойств сталей, магнитная структуро скопия 271
Приборы для контроля структуры и механических свойств сталей
грузоподъемных машин по величине коэрцитивной силы 279
Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния
металлоконструкций при статическом нагружении 286
Магнитный контроль сопротивления разрушению при усталости и
ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин 294
Паспорт магнитного контроля грузоподъемной машины 305
Статистическая оценка параметров нагружения и остаточного
ресурса сварных металлоконструкций грузоподъемных машин 309
Магнитная диагностика металлических конструкций
грузоподъемных машин 320
Практика магнитной диагностики грузоподъемных машин 320
Магнитная диагностика мостовых кранов 321
Магнитная диагностика козловых кранов 325
Магнитная диагностика стреловых кранов 326
Магнитная диагностика лифтов 327
Выводы по Главе 5 330
Заключение 332
Список литературы 334
Приложение I Проект Федерального закона «О специальном техническом регламенте «О безопасности подъемно-транспортного
оборудования и процессов его эксплуатации»» 355
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях интенсификации промышленного производства возникает проблема поддержания технологического оборудования в технически исправном состоянии, обусловленная как экономическими, так и социальными факторами. Грузоподъемные машины являются узловым звеном в цепи транспортных технологий современных промышленных предприятий, от их технического состояния зависит нормальное функционирование технологических процессов. По данным Рос-технадзора на территории Российской Федерации находятся в эксплуатации около 300 тысяч регистрируемых грузоподъемных машин, из которых практически 85% отработали нормативный срок службы. Быстрой замены оборудования ожидать не приходится. Отсюда возникает проблема ранжирования и выбраковки устаревшего оборудования по его техническому состоянию.
Как правило, аварии происходят на объектах с предельными сроками эксплуатации, для которых, в соответствии с нормативными документами Ростехнадзора, необходима оценка их технического состояния, риска и остаточного ресурса.
Проблема управления безопасной эксплуатацией грузоподъемных машин с истекшим сроком службы связана с решением крайне сложных взаимосвязанных задач путем проведения комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на установление фактического риска и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации. Важнейшим условием при этом становится проведение экспертизы промышленной безопасности и технического диагностирования, результаты которых позволяют установить реальное состояние грузоподъемных машин в текущий момент времени.
Для грузоподъемных машин накоплен обширный эмпирический материал о состоянии металлоконструкций, деталей, узлов, электрооборудования, гидрооборудования, приборов и устройств безопасности в процессе эксплуатации. Однако, при решении задач управления безопасной эксплуатацией возникает необходимость разработки различных моделей текущего состояния металлоконструкций, деталей и узлов на различных этапах их
жизненного цикла. Такие модели в ряде случаев вообще отсутствуют, либо, в лучшем случае, фиксируют «застывший» результат, отражающий состояние машины в момент контроля.
Безопасность грузоподъемных машин, в том числе после истечения нормативного срока службы (назначенного ресурса), связана с конструктивными особенностями, качеством изготовления, монтажа, режимами их эксплуатации и рядом других факторов. Однако для тяжело нагруженных грузоподъемных машин основным техническим препятствием для безопасной эксплуатации становится усталость металла. Широко используемые в настоящие время методы неразрушающего контроля - ультразвуковой, рентгеноскопия, капиллярный и др., к сожалению, не позволяют дать количественную оценку структурных изменений в металле и определить степень напряженно-деформированного состояния металлоконструкций. Эти методы решают задачу обнаружения уже сформировавшихся в процессе изготовления или эксплуатации локальных дефектов. При этом ограниченно используются методы механики разрушения, устанавливающие размеры допустимых неразвивающихся дефектов и определяющие параметры риска разрушения материалов с трещинами.
Все процессы образования и развития дефектов носят вероятностный характер. Дефекты в конструкциях грузоподъемных машин часто наследуются при изготовлении металлоконструкции или появляются на стадии сборки и монтажа. При эксплуатации - это следствие нарушений паспортных режимов и неквалифицированный ремонт несущих элементов. Строго говоря, бездефектных металлоконструкций вообще не бывает, а наличие дефектов далеко не всегда приводит к аварии. Несмотря на то, что по статистике Ростехнадзора аварии чаще всего случаются по причинам проявления человеческого фактора, все же наиболее тяжелые случаи аварий связанны с усталостным разрушением металлоконструкций. Одной из главных причин препятствующих предотвращению технических аварий и несчастных случаев на грузоподъемных машинах является недостаточный уровень развития существующих методов оценки, прогнозирования и управления их безопасностью.
Применение системного подхода и критериев магнитного контроля могут явиться ключом к решению рассматриваемой проблемы. Магнитный контроль по коэрцитивной силе расширяет возможности неразрушающего контроля металлоконструкций, так как обеспечивает определение момента накопления рассеянных повреждений и перехода металла в упруго-пластическое состояние. Использование данных о текущем состоянии несущих элементов металлоконструкций позволяет решать задачи управления промышленной безопасностью грузоподъемных машин на основе оценки риска.
Разработкой методов оценки, прогнозирования и управления техническим состоянием сложных механических систем занимались выдающиеся ученые: Н.А. Махутов, В.В. Болотин, К.В.Фролов, Ю.Н. Работнов, СВ. Серенсен, В.П. Когаев, В.В.Москвичев, А. М. Лепихин и др. Применительно к грузоподъемным машинам - М.М. Гохберг, С.А. Казак, В.И. Брауде, А.В. Вершинский, М.Н. Хальфин, В.И. Бережинский, С.А. Соколов, Ю.Г. Матвиенко, А.П. Кобзев, В.И. Сероштан, A.M. Маковский и др. Вопросы безопасности в промышленности с учетом параметров риска рассмотрены в работах X. Кумамото, В. Маршала, Э.Д. Хенли, В.И. Сидорова, Н.Н. Панасенко, А.А. Короткого и др.
Анализ работ по безопасности сложных технических систем свидетельствует о недостаточной изученности вопроса влияния различных факторов на уровень эксплуатационной надежности машин. Отсутствие системного подхода к проблеме обеспечения безопасности металлоконструкций грузоподъемных машин, отработавших нормативный срок службы, объясняется сложностью взаимосвязей между характером изменения действующих нагрузок, деградацией несущей способности объекта и возникающим при этом риском аварийности. Новыми и малоизученными представляются принципы управления безопасностью технических объектов на основе риска и проведения комплексной экспертизы.
Цель работы. Разработать методы, направленные на повышение безопасности металлоконструкций грузоподъемных машин в процессе их эксплуатация путем управления рисками с использованием концептуального моделирования и магнитной диагностики.
Идея работы. Управление безопасностью на основе комплексного использования риск-анализа, концептуального моделирования, данных магнитной диагностики и выработки технических решений повышает уровень безаварийной эксплуатации металлоконструкций грузоподъемных машин в течение всего жизненного цикла, в том числе отработавших нормативный срок службы.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использовались методы и положения теории риска, технической диагностики, принятия решений, строительной механики, надежности и прогнозирования. При экспериментальных исследованиях проводились лабораторные, опытно-промышленные и сертификационные испытания, а также техническое диагностирование с использованием метода магнитометрии и компьютерного моделирования.
Научные положения, выносимые на защиту, обладающие научной новизной, полученные лично соискателем:
интегральным показателем безопасности металлоконструкций грузоподъемных машин, наиболее полно отражающим вероятность возникновения аварии является риск, определяемый методом риск-анализа, с использованием концептуального моделирования, данных магнитной диагностики и статистических данных по аварийности (выборка 300 тысяч эксплуатируемых объектов в течение 15 лет наблюдений) на территории Российской Федерации;
управление безопасностью металлоконструкций грузоподъемных машин по критерию фактического риска, определяемого методом концептуального моделирования, представляющего собой совокупность правил и процедур, отображающих функциональную структуру объекта, производимые им действия и выявление недостающих информационных взаимосвязей между этими действиями по результатам экспертного диагностирования, в конечном итоге повышает достоверность оценки риска при более низкой трудоемкости;
наиболее достоверная и оперативная оценка риска разрушения (вероятности аварии) металлоконструкций грузоподъемных машин может быть получена с помощью метода, устанавливающего связь величины ко-
эрцитивной силы от числа циклов нагружения, с учетом режима работы по ISO 4301, исходя из корреляционных уравнений связи механических и магнитных характеристик марок сталей, используемых при их производстве;
переход от эксплуатации грузоподъемных машин «на отказ» к рабо
те с «прогнозируемым риском» обеспечивается организацией систематиче
ского коэрцитиметрического контроля металлоконструкций и установления
реальных корреляционных связей коэрцитивной силы и накопленных в ме
талле усталостных повреждений с учетом конструктивных особенностей,
марки стали, условий нагружения, места расположения и характера дефек
та.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований; большим массивом статистических данных (300 тыс. единиц кранов за 15 лет наблюдений); введением корректных допущений при разработке расчетных схем и математических моделей; использованием математических методов планирования экспериментальных исследований и статистических методов обработки результатов; применением измерительных приборов и комплексов высокого класса точности; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научное значение работы состоит в разработке принципов управления безопасностью металлоконструкций грузоподъемных машин в течение всего жизненного цикла, в том числе отработавших нормативный срок службы на основе риск-анализа, что является существенным вкладом в развитие теории рисков сложных технических систем, включая;
обоснование интегрального показателя безопасности металлоконструкций грузоподъемных машин, наиболее полно отражающего вероятность возникновения аварии (риска), основанного на комплексном использовании результатов концептуального моделирования, данных магнитной диагностики и статистических данных по аварийности;
определение фактического риска разрушения металлоконструкций конкретной грузоподъемной машины на основе риск-анализ с учетом фак-
тически действующих нагрузок и несущей способности, возможной деградации объекта в период нормативного срока службы, определяемых как вероятность возможного наступления события (аварии) по области взаимного влияния их плотностей распределения;
построение концептуальной модели управления безопасной эксплуатацией металлоконструкций грузоподъемных машин, представляющей собой совокупность методов, правил и процедур, отображающих функциональную структуру объекта, производимые им действия и связи между этими действиями по результатам экспертного диагностирования;
установление корреляционных уравнений связей механических (предела прочности - <тв, предела текучести - ar, относительного удлинения - &) и магнитных (коэрцитивной силы - Нс) характеристик, а также зависимости величины коэрцитивной силы Нс (А/см) от числа циклов на-
гружения N и построение номограммы для магнитного контроля остаточного ресурса металлоконструкций для ряда марок сталей, наиболее часто используемых при производстве грузоподъемных машин с учетом режима работы по ISO 4301;
получение зависимости ресурса и технического риска разрушения
для грузоподъемных машин от коэрцитивной силы, позволяющей выявлять
начальные стадии зарождения дефектов и предупреждать их развития до
критических размеров, а также, при систематическом коэрцитиметриче-
ском контроле, перейти от эксплуатации «на отказ» к работе с «прогнози
руемым риском» и управлению промышленной безопасности грузоподъ
емных машин.
Практическое значение работы:
обобщены результаты анализа статистических данных (выборка из 300 тысяч эксплуатируемых объектов в течение 15 лет наблюдений на территории Российской Федерации) по аварийности грузоподъемных машин, величине ущербов и социально-экономической значимости. Эти объекты отнесены к потенциально опасным, что нашло отражение в Федеральном законе «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
разработана программа экспертного обследования (диагностирова-
ниє), построенной на принципах концептуальной модели управления безопасной эксплуатацией грузоподъемных машин, выполненной в формализованном виде и отражающей реальное состояние объекта. При этом декомпозиция концептуальной модели и детализация ее описания позволяют сформировать недостающие связи и закономерности для управления рисками;
разработана методика магнитного контроля металлических конструкций грузоподъемных машин по коэрцитивной силе с выявлением начальных стадий зарождения и предупреждением развития дефектов до критических размеров, позволяющая перейти от эксплуатации «на отказ» к работе с «прогнозируемым риском» и управлению промышленной безопасности грузоподъемных машин;
разработаны предложения по совершенствованию законодательства по безопасности грузоподъемных машин путем создания технических регламентов с учетом международных, национальных стандартов, процедур подтверждения соответствия, аккредитации, экспертизы, контроля и надзора, реализация которых на практике приведет к необходимому уровню безопасности.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования применяются в надзорной и контрольной работе за безопасностью грузоподъемных машин, а также в организациях и предприятиях, занимающихся проектированием, экспертизой и эксплуатацией грузоподъемных машин, а именно:
РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнад-зору России./ B.C. Котельников, Е.А. Малов, Н.А. Махутов, В.Ф. Марты-НЮК.-М., 1995.-27 с.
РД 10-112-96. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 1. Общие положения. / B.C. Котельников, Л.А. Невзоров, А.С. Липатов, В.В. Зарудный, А.А. Короткий и др.- М., 1996.-30 с.
РД 10-112-3-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стре-
ловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики. / B.C. Котельников, Е.М. Невзоров, Л.И. Инденбаум, В.Г, Жуков, и др.- ML: СКТБ БК, 1997.-76 с.
РД 10-112-5-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 5. Краны мостовые и козловые. /B.C. Котельников, А.С. Липатов, В.Г. Жуков и др.- М.: ОАО «ВНИИПТМаш», 1997.-54 с.
Федеральный закон №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
ПБ 10-382-00. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. / B.C. Котельников, Н.А. Шишков, А.С. Липатов, Л.А. Невзоров, В.Г. Жуков, и др. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2000.-248 с.
Методические указания «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности)», согласованы Госгортехнадзо-ром России, 13.04.2004 г. № 12-07/360;
Проект Федерального закона «О специальном техническом регламенте «О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации», прошедший общественные слушания в Минпром-энерго России.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались: на научно-практических конференциях «Проблемы надежности и безопасной эксплуатации подъемных сооружений» (Сочи, 1996г., 1997г.); на научно-практическом семинаре по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности Госгортехнадзора России (Владимир, 2000г,); на научных семинарах кафедры ПТМиР ЮРГТУ (НИИ) (Новочеркасск, 2000-2005г.).
Всероссийских научно-практических конференциях по безопасности объектов котлонадзора и подъемных сооружений (г. Люберцы 1996, г. Суздаль 1999, 2002); Всероссийской научно-практической конференции по совершенствованию Системы неразрушающего контроля (г, Самара 2001);
Всероссийском семинаре Сварка 2002 (г. Адлер 2002); 6-ом всероссийском практикуме «Подъемно транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады (Москва, 2003); 3-й международной конференции Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности (Москва, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Промышленной безопасности» (Москва, 2004); 4-ой международной конференции Неразрушающий контроль и технической диагностики в промышленности (Москва 2005); Научно-практической конференция по проблемам безопасности промышленных опасных объектов государственного значения на территории Северо-Западного федерального округа (С-Петербург, 2005).
Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Оценка, прогноз и повышение производственной и экологической безопасности жизнедеятельности», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) 25.04.2001, по госбюджетной теме кафедры ПТМиР ЮРГТУ (НПИ) ПЗ-842 «Экспертиза подъемно-транспортных машин повышенной опасности».
Публикации. По научному направлению, связанному с безопасностью опасных производственных объектов опубликовано 111, по теме диссертации 53 печатных работ, в том числе 3 монографии.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в постановке темы, выборе основных направлений исследования, методов решения конкретных задач и обработке результатов исследований. При его непосредственном участии проведены эксперименты, теоретические исследования, составлены алгоритмы компьютерных программ, осуществлено внедрение результатов работы в промышленность. Автору принадлежит теоретическое обобщение результатов, опубликованных в работах в соавторстве и использованных в диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и одного приложения, изложенных на 374 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунка, 39 таблиц, список литературы из 312 наименований.
