Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования.. 8
1.1. Постановка вопроса 8
1.2 Анализ состояния безопасности перевозок ... 14
1 3 Зарубежный опыт по обеспечению безопасности перевозок 21
1, 4 Задачи исследования 32
Глава 2 Теоретические исследования взрывопожаро-опасных, физико-химических и реологических свойств исследуемых грузов и анализ условий перевозок 35
2.1 Исследования взрывопожароопасных, физико-химических и реологических свойств серы комовой 35
2.2 Характеристика физико-химических свойств бурого угля 42
2.3 Анализ условий перевозок рассматриваемых легковоспламеняющихся грузов 45
Глава 3 STRONG Экспериментальные и теоретические исследования процессов возгорания, горения и
способствующих факторов при железнодорожных перевозках STRONG 50
3.1 Исследование изменения гранулометрического состава комовой серы при транспортировании 50
3.2 Исследование процессов возгорания и горения серы 58
3.3. Экспериментальное исследование физико-химических и пожароопасных свойств образцов бурого угля 66
3,4 Анализ причин возгорания легковоспламеняющихся грузов и разработка моделей процес
са возгорания. 76
Глава 4 Разработка рекомендаций по совершенствованию условий перевозок легковоспламеняющихся грузов 93
4.1 Использование специализированных лотков.. 94
4.2 Техническое решение по модернизации полувагона 96
4-3 Разработка технических условий перевозки с использованием специальных покрытий
4.4 Разработка мероприятий по совершенствованию условий перевозок бурого угля 116
4.5 Технология работы комплекса по подготовке бурого угля к перевозке 127
Заключение 138
Список использованных источников 141
Приложения 152
- Анализ состояния безопасности перевозок
- Характеристика физико-химических свойств бурого угля
- Исследование процессов возгорания и горения серы
- Техническое решение по модернизации полувагона
Введение к работе
Основной задачей федерального железнодорожного транспорта является своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышение экономической эффективности его работы, обеспечение сохранности перевозимых грузов, безопасности движения, снижение отрицательного воздействия транспорта на окружающую среду.
Федеральный закон "О железнодорожном транспорте в Росссийской Федерации" /1/ ставит вопрос обеспечения безопасности движения в ранг государственной политики, так как железнодорожный транспорт, являясь основой экономических связей, влияет на функционирование всех основных отраслей народного хозяйства, включая промышленность, энергетику, сельское хозяйство, а также оборон-ный комплекс страны.
Одним из ключевых факторов, оказывающих существенное влияние на безопасность движения, устойчивую работу транспорта и, как следствие, страны в целом - является усовершенствование условий перевозок легковоспламеняющихся опасных грузов.
Железнодорожный транспорт является основным видом транспорта, перевозящим опасные грузы, доля перевозок которых в общем грузообороте страны составляет около 85%, В общем грузообороте железнодорожного транспорта нашей страны опасные грузы составляют порядка 25%. Среднегодовой объем перевозимых опасных грузов на федеральном железнодорожном транспорте составляет более 300 млн.т., грузооборот - 420 млрд, тарифных ткм. Более то-
го, в связи с постоянным развитием промышленности, внедрением новых и увеличением количества используемых взрыво-, пожаро-, биологически-, инфекционно-, радиационное и химически опасных технологий происходит постоянное увеличение номенклатуры опасных грузов, предъявляемых к перевозке железнодорожным транспортом. Одновременно с этим происходит модификация физико-химических характеристик, выявляются новые свойства известных опасных грузов.
Научно-исследовательскими институтами и организациями накоплен большой опыт по совершенствованию технологии перевозок грузов, модернизации существующих и созданию новых транспортных средств, внедрению передовых технологий в производство*
Значительный вклад в развитие транспортной науки внесли доктора технических наук В-М- Акулиничев, В.К-Бешкето, A.M. Островский, Г.П. Гриневич, С.А. Другаль, А-В, Комаров, В,И. Медведев; доктора экономических наук А.Л- Абрамов, В.И. Дмитриев; кандидаты технических наук ЭХ. Фрейман, В.М- Рудановский, Г-В. Крыжановский, А.Т. Дерибас, Б.Л. Недорчук, Ю.М. Иванов, А-В. Христолюбов, С - В, Черняков, И.О. Тесленко и многие другие. Однако проблема перевозок легковоспламеняющихся опасных грузов остается актуальной и в настоящее время.
В условиях увеличения напряженности перевозочного процесса в некоторой степени ослабло внимание к соблюдению условий перевозок опасных грузов, длительное время не совершенствовались основополагающие нормативные документы, регламентирующие перевозку опасных грузов в Российской Федерации. Все это как в совокупности, так и
6 б раздельности приводит к возникновению аварийных ситуаций, которые в свою очередь оказывают негативное воздействие на окружающую среду, приводят к значительному материальному ущербу, а б некоторых случаях и к человеческим жертвам.
Значительная номенклатура опасных грузов допускается к перевозке по железным дорогам на основе приравнивания к грузам, поименованных в Правилах перевозок /2/, без достаточного для этого научного обоснования. При этом складывается такое положение, при котором лица, участвующие в перевозочном процессе, не знают опасных свойств перевозимого груза и не могут выполнять безопасные условия его перевозки, а также принимать эффективные меры в случае аварийной ситуации.
Недостаточно изучено влияние транспортных факторов, на опасные легковоспламеняющиеся грузы в процессе перевозки и, как следствие, отсутствуют научно обоснованные требования к размещению их в вагонах, а также требования к самим транспортным средствам при таких перевозках.
Несмотря на проводящиеся исследования по изучению свойств легковоспламеняющихся грузов специализированными исследовательскими институтами и организациями, вопросам исследования транспортной опасности с учетом тех условий, в которых находится груз б процессе перевозки, уделяется недостаточно внимания,
В настоящей диссертации исследованы основные причины, вызывающие возгорание легковоспламеняющихся грузов в пути следования. С их учетом разработан комплекс ме-
роприятии, направленных на безопасную перевозку таких грузов.
На основании теоретических и экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе, разработаны с участием автора и переданы в заинтересо-ванные министерства, ведомства и организации условия перевозок новых опасных грузов для дальнейшего утверждения и ввода их б действие.
Таким образом, в диссертационной работе разработаны усовершенствованные условия перевозок легковоспламеняющихся грузов, которые внедрены в производство и позволили решить важную проблему создания безопасных условий перевозки опасных грузов.
Анализ состояния безопасности перевозок
Обеспечение безопасности движения поездов является главной задачей работников железнодорожного транспорта, а состояние безопасности движения поездов - важнейшим качественным показателем работы железнодорожного транс-порта- На основании Федерального закона «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» /12/ решение вопросов предупреждения аварийности остается в числе главных приоритетных задач транспортных организаций и лиц, участвующих в перевозочном процессе.
Ежегодно публикующиеся официальные данные в «Государственном докладе МЧС России о состоянии защиты населения и территорий РФ от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» /13/ и «Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах России» /14 -17/, а так же статистические данные о нарушениях безопасности движения на железных дорогах позволяют сделать вывод, что в последние годы железнодорожный транспорт добился значительных положительных результатов в области обеспечения безопасности движения поездов. Рост грузопборота в 2005 году по сравнению с 2004 годок составил бол&е 11%. Ирм указанном увеличении объема работы железнодорожного транспарта удалось стабилизировать уровень аварийности, прожде всего крушений и аварий, а ло Солее массовым нарушениям безопасности - бракам в работа сократить их тесело на 10.
Особое место занимает проблема обеспечения пожарной безопасности на подвижном составе, которая остается актуальной. Анализ статистических данных /18, 19/ показывает, что 45,2 всех пожаров отрасли приходится на подвижной состав и составляет 87,1% всех материальных потерь - Так, в 2003 году на объектах и подвижном составе железнодорожного транспорта общего пользования произошло 282 пожара, в результате чего нанесен ущерб в сумме 29,9 млн. рублей. На пожарах погибло 37 и травмировано 12 человек. По сравнению с 2002 годом общее количество пожаров увеличилось на 3,7%, материальный ущерб вырос на 17,6 млн. рублей, количество людей, погибших на пожарах, увеличилось на 11 человек. Многие пожары сопровождались не только уничтожением объектов, подвижного состава и перевозимых грузов, но и сбоями в движении поездов. Так задержки из-за пожаров для 248 грузовых поездов составили 511,3 часа /18 - 21/.
На грузовом подвижном составе количество пожаров, по сравнению с 2002 годом, увеличилось на 34,6%. По-прежнему, больше половины пожаров на грузовом подвижном составе произошло из-за самовозгорания перевозимой серы. Так, в 2003 году имели место 46 случаев (71,9% от общего количества пожаров на грузовом подвижном составе), из них на: Приволжской - 32 случая, Северо-Кавказской -10, Южно-Уральской - 3 и Юго-Восточной железных дорогах - 1 случай. При этом ущерб от возгораний серы, связанный с вызовом пожарных команд, тушением загораний и задержками поездов, составляет в среднем около 600 рублей на загоревшийся вагон без учета проведения природоохранных мероприятий. Возгорания обнаруживаются, как правило, на станциях, пожар ликвидируют с применением подручных огнетушащих средств. Убыль груза и уменьшение его коммерческой стоимости не фиксируется. Оценочная величина ущерба складывается главным образом из затрат грузовладельца по оплате услуг специализированных противопожарных подразделений.
Однако в некоторых случаях ущерб от пожаров бывает достаточно значительный. Так, в результате загорания маршрута с серой в составе 44 полувагонов 10 июля 2002 года на ст. 15-й км М. Горького Приволжской железной дороги было повреждено 15 полувагонов, в результате чего была произведена замена 24 колесных пар, 11 автосцепок, 14 боковин тележки, 9 надрессорных балок, 7 наруж ных пружин и один надрессорныи брус. Стоимость ремонта подвижного состава (по расчету вагонного депо им- М. Горького, ст. Серепа) составила 157652,17 рублей. При этом, в соответствии со справкой отправителя, повреждения и утраты груза нет /22/. Причина пожарар указанная в акте - самовозгорание серы. По заключению комиссии ответственность за возникновение пожара должен нести грузоотправитель.
Характеристика физико-химических свойств бурого угля
Бурый уголь - горючее твердое вещество коричневого цвета. Имеет высшую удельную теплоту сгорания беззольной массы менее 23865 кДж/кг. В его состав входит значительное количество минеральных примесей, влаги и серы-Температура воспламенения бурого угля составляет 410С, температура самонагревания - 50-г65С, температура тле-ния - 150 250 С. Он склонен к самовозгоранию/ горит длинным коптящим пламенем /38/,
На пожароопасность угля существенное влияние оказывают физические свойства и петрографический состав. Высокая влажность и пористость угля, преобладание в нем фюзенита способствуют быстрому разрушению угля с образованием большого количества тонкодисперсной сажистой пыли, способной легко возгораться от воздействия внешних тепловых источников /39/. Существует зависимость количества возникающих пожаров от метеорологических факторов (влажности воздуха, осадков, давления), Особое место в пожароопасности занимает скорость движения поездов . При высокой скорости достаточно одного из перечисленных внешних тепловых источников, чтобы поджечь и распространить открытый огонь.
Химические процессы, происходящие в углях, также оказывают влияние на пожароопасность- Превалирующим фактором является тепловое возгорание за счет окисления угля. При контакте угля с воздухом под действием атмо сферной влаги и кислорода уголь претерпевает ряд необратимых изменений, теряет блеск, раскалывается на куски, затем становится рыхлым и приобретает бурый цвет за счет образования гуминовых кислот. В результате снижается теплота сгорания, растет влажность, ухудшается спекаемость. Такой уголь называется окисленным. В элементном составе окисленного угля падает содержание углерода и водорода с одновременным возрастанием доли кислорода. Высокая экзотермичность реакций может вызвать разогрев окисляющейся массы угля до температур, при которых последний загорается. Такое явление называется самовозгоранием.
Интенсивный, самоускоряющийся и протекающий в течение сравнительно короткого времени процесс возгорания подготавливается более длительным процессом самонагревания, поэтому влияние физических условий сказывается прежде всего на процессе самонагревания. Физические условия самонагревания включают в себя доступ кислорода к углю и распространение теплоты, образующейся в результате его окисления. Интенсивность проникновения в уголь кислорода определяется степенью пористости структуры углей Реакция окисления кислородом воздуха является гетерогенной химической реакцией на границе раздела между твердой поверхностью и газом, которая проходит через ряд последующих стадий: - диффузию кислорода к поверхности раздела фаз, где протекает реакция; - адсорбцию кислорода на этой поверхности; - химическую реакцию, начинающуюся с поверхности слоя; - десорбцию частиц продуктов реакции, образовавшихся в пограничном слое; - диффузию частиц из реакционной зоны в глубь массива угля.
В период самонагревания происходит процесс выпаривания влаги, который можно разделить на две стадии. Первая стадия связана с потерей внешней влаги углем за счет разности между упругостью паров воды над поверхностью угля и давлением окружающего воздуха. Вторая стадия сушки связана с удалением гигроскопической влаги, которая происходит при температурах выше 100С. В связи с тем, что процесс связан с фазовым переходом воды, рост температуры очага самонагревания на этой стадии может резко замедлиться, а при определенных условиях температура его может даже падать.
После достижения критической температуры в очаге нагретого угля при достаточном доступе воздуха скорость окисления начинает увеличиваться. Тепло, выделяемое при окислении угля, при благоприятных внешних условиях приводит к его возгоранию. Интенсивность тепловыделения определяется химической активностью угля, а накопление тепла и разогрев угля зависят от характера теплообмена с окружающей средой. Кроме того, следует учитывать, что процесс самонагревания происходит при очень незначительных расходах кислорода.
На интенсивность самовозгорания бурого угля оказывают также влияние размеры кусков (в состоянии мелкого измельчения опасность наибольшая), внутренняя влажность, "свежесть" добытого, климатические условия, технология добычи, время года, внешние источники тепла, размер штабеля, состояние вентиляции штабеля, тип и химический состав угля.
Бурый уголь марки 2Б рядовой Харанорского разреза имеет самую высокую степень пожароопасности по сравнению с бурыми углями, добываемыми на других разрезах страны. Если уголь Харанорского разреза имеет степень пожароопасности П0=185, то у углей других месторождений она находится в пределах от 73 до 108.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что бурые угли из-за физико-химических свойств склонны к самовозгоранию и являются легковоспламеняющимся грузом. Особенно это касается бурых углей Харанорского месторождения, имеющих очень высокую степень пожароопасности.
Исследование процессов возгорания и горения серы
Таким образом, значимые факторы перевозки, влияющие на частоту возгорания, являются переменными (изменяющимися) величинами: дисперсный состав или твердость гранул; состояние противопожарного оборудования тепловоза; техническое состояние вагона, электровоза и т.д..
Известно, что температура воспламенения веществ снижается с уменьшением диаметра частиц, это обусловлено отношением поверхности частиц к её объему. С учетом соотношения между поверхностью и объемом сферической частицы площадь восприятия тепла единицей объема мелкодисперсной фракцией серы гораздо больше, чем для более крупной фракции аналогичного объема. Поэтому, по показателям взрыво-пожароопасности наибольшей опасностью обладает мелкодисперсная фракция, особенно в смеси с воздухом (пылевоздушная смесь - аэрозоль). При попадании в аэрозольное облако серной пыли низкоэнергетического источника зажигания, он может являться "запалом", и способствовать возгоранию серы.
Газовая сера, получаемая при переработке сероводорода методом Клауса, в большей мере подвержена возгораниям, чем природная сера. Это объясняется высокой чистотой серы. Чем чище сера, тем ниже температура ее воспламенения от источника зажигания. С целью определения влияния примесей и оценки влияния внешних факторов были поведены сравнительные опыты по зажиганию порошкообразных насыпок и расплавленных слоев серы комовой {отобранные образцы Астраханского и Оренбургского газоперерабаывающих заводов - сорт 9990) и серы элементарной марки ОСЧ. В опытах по зажиганию порошкообразных насыпок использовались порошки с размером частиц меньше 200 мк массой приблизительно 2-3 г каждого сорта серы.
Суть опытов по зажиганию заключалось в следующем. Обе конусообразные насыпки помешались на керамическую и металлическую (сталь Ст 3) основу. Их зажигание осуществлялось за одинаковое время (около одной минуты нагрева пламенем}. В обеих насыпках появлению пламени от горящей серы предшествовало плавление нескольких частиц серы. После удаления пламени лучины над участком с расплавом серы устанавливалось слабо видимое голубоватое пламя. С течением времени зона расплава постепенно увеличивалась, и пламя охватывало всю поверхность расплава серы. С увеличением поверхности горения размеры голубоватого факела заметно не выросли. В обоих случаях пламя оставалось слабо видимым и имело небольшую высоту около 5 мм. После охвата пламенем всей поверхности расплава расплавленная сера обоих сортов постепенно темнела. Пламя по расплаву серы сорта 9990 распространяется быстрее, чем по расплаву серы марки ОСЧ. Кроме того, обнаружено, что расплав серы сорта 9990 сравнительно быстро растекается по поверхности керамической подложки в отличие от расплава серы марки ОСЧ, которой практически сохраняет свой первоначальный размер. Опыты по поджиганию расплава серы проводили на тех же сортах серы с массой образцов около 5 г. Расплавы получали в металлических емкостях с диаметром 45 мм и высотой стенок 10 мм. Обе металлические емкости нагревали на поверхности электрической плитки одновременно. Было обнаружено, что расплав серы марки 9990 более мутен и содержит на поверхности несколько беловатых хлопьеобразных частиц, в отличие от расплава серы марки ОСЧ, который был прозрачен и не содержал каких-либо включений. Зажигание паров серы проводили пламенем горящей деревянной лучинки. Существенных отличий в зажигании обоих сортов серы не обнаружено. Горение слоев расплавов обоих сортов сопровождается слабо видимым голубоватым пламенем небольшой (не более 5 мм) высоты, как и в эксперименте с горением порошка серы.
Анализ опытов позволил сделать вывод о наличии примесей пирофорных сульфидов металлов, которые образуются при контакте серы с металлом кузова полувагона.
После предварительных опытов, в соответствии с разработанной автором методикой, направленной на исследование процессов возгорания комовой серы при воздействии различных факторов перевозки, была создана установка, схема которой представлена на рисунке 3.4.
Техническое решение по модернизации полувагона
Для предотвращения влияния факторов, способствующих возгоранию груза, а так же для обеспечения безопасности и защиты здоровья работников железнодорожного транспорта, населения прилегающих территорий и охрану окружающей среды предложено техническое решение раздвижной крыши модифицированного полувагона, предусматривающее использование полувагона модели 12-119 для перевозки сыпучих (комовых) грузов.
Для обеспечения безопасной перевозки комовой серы к подвижному составу предъявляются следующие требования: сохранность груза при перевозке (предотвращение просыпания и выветривания); разгрузка груза при минимальном использовании средств механизации; простота при подготовке вагона к перевозке,
В качестве базового вагона взят полувагон модели 12-119 без торцевых дверей /68/, как наиболее отвечающий требованиям, предъявляемым при перевозке комовой серы. Требования, предъявляемые к крыше модифицированного полувагона: - защита перевозимого груза от атмосферных воздействий; - возможность вертикальной загрузки вагона (съемная или раздвижная крыша); - снижение использования механизации для погрузки и разгрузки вагона при открытии и закрытии крыши; - незначительное увеличение массы брутто вагона; - минимальные затраты на эксплуатацию и ремонтную базу;
На основании выше указанных требований предлагается техническое решение /70/ суть, которого заключается в следующем.
Крыша разделена на шесть секций, две из них закреплены стационарно по торцам кузова вагона, промежуточные установлены на ролики, причем секции крыши, расположенные в середине вагона, имеют возможность надвигаться на секции по торцам вагона. При внутренней длине кузова в свету 12700 мм длина секций крыши составит 2117 мм. Сущность технического решения показана на рисунке 4,2,
Перемещение подвижных секций оборудованный роликами производился по спаиигдлькым желобам, установленным на верхнем обвязочном поясе вдоль боковых Оортов кузова (рисунок 4,3).
Перемещение подвижных секций коьшш производитея при помоши ценной п р да и, закрепленной на боковой поверхности верхнего обвязочного пояса кузова.
Поворотное колосс 1 жестко кртттся к ведущей ввез до ке 2f в овощ очередь соединенной вертикальной цепью 3 с ведомой звездочкой 4. Ша концах вала 5 жестко насажены іюішрно звездочки: ведомая 4 и передаточная . Бал 4 закреплен с немощью кронштейнов 7 у верхнего об-вя;чочнотю пояса со сторонкг торчовш; бортов снаружи кузова.
