Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Химический факультет
В.А. Мамонтов, Е.С. Николина
НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРИМЕНЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Издательство Московского университета
2014
УДК 681.518:66.022
ББК 30.14.я17
М22
Мамонтов В. А., Николина Е. С.
М22
Надежность и безопасность при производстве и применении по лимер ных композиционных материалов: Учебное пособие / В. А. Мамонтов, Е. С. Николина. — М.: Издательство Московского университета,
2014. — 128 с.
ISBN 978-5-19-010939-9
Учебное пособие посвящено вопросам исследований, разработки и эксплуатации инновационных материалов. Рассмотрены полимерные компози ционные материалы различного назначения с точки зрения критериев эксплуатационной надежности и экологической безопасности. Использование методов
анализа, оценки и управления техногенным и экологическим риском в жизненном цикле материала, технологии позволяет обеспечить техническое развитие с наименьшим риском.
Предназначено для студентов, аспирантов, бакалавров, магистров обучающихся по программам профессиональной подготовки по специальности «Технология органических композиционных материалов», по профилю подготовки
«Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Учебное посо-
бие может быть полезно преподавателям высших учебных заведений, специалистам промышленных предприятий и природоохранных органов.
УДК 681.518:66.022
ББК 30.14.я17
Учебное издание
М Владимир Александрович, Н Елена Семеновна
Надежность и безопасность при производстве и применении
полимерных композиционных материалов
Публикуется в авторской редакции. Оригинал-макет Е. С. Николиной.
Подписано в печать 09.04.2014. Формат 60×88/16. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 7,8. Уч. изд. л. 6,5. Тираж 100 экз. Изд.№ 10211. Заказ №
Издательство Московского университета. 125009, Москва, ул. Б. Никитская, 5.
Тел.: (495)629-50-91. Факс: (495) 697-66-71. Тел.: (495) 939-33-23 (отдел реализации).
E-mail: secretary-msu-press@yandex.ru.
Сайт Издательства МГУ: www.msu.ru/depts/MSUPubl2005
Отечатано в типографии МГУ, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.15
ISBN 978-5-19-010939-9
© Мамонтов В. А., Николина Е. С., 2014
© Издательство Московского университета, 2014
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………................6
РАЗДЕЛ I. Введение в теорию и практику анализа и оценки
техногенного и экологического риска
Глава 1. Основы анализа и оценки техногенного и
экологического риска....................................................................................8
1.1. Понятия теории безопасности и риска……………….………………...8
1.2. Основы оценки техногенной опасности…………….…….……….....11
1.3. Подходы к обеспечению безопасности техногенного объекта….......13
Контрольные вопросы………………………………………………………15
Глава 2. Техногенные аварии — реализация
потенциальной опасности техногенных объектов…………….............16
2.1. Формирование отказов………………………………………...……....17
2.2. Влияние внешних факторов среды на конструкционные
материалы………………………..………………………………….……....19
2.3. Техногенные аварии, связанные с пожарами………………………...21
2.3.1. Огнестойкость конструкций и сооружений……………………......22
Контрольные вопросы...................................................................................24
Глава 3. Применение теории надежности для оценки
безопасности технических систем……………………………….............25
3.1. Основные понятия теории надежности…………………………….....25
3.2 Связь теории надежности и теории безопасности……………….…...28
3.3. Технический риск…………………………………………….………...29
3.4. Теоретические законы распределения отказов……………….............30
3.5. Логико-графические методы анализа надежности и риска……….....32
3.6. Использование «Барьерных диаграмм» при
моделировании безопасности технических систем……………………....34
Контрольные вопросы ……………………………………………………..35
Глава 4. Основы оценки эксплуатационной надежности
технической системы……………………………………………………...36
4.1. Трение и износ деталей в технических системах………………….....37
4.2. Физико-механические свойства материалов,
обеспечивающие эксплуатационную надежность …………………….....38
4.3. Некоторые аспекты механики разрушения материалов……………..43
Контрольные вопросы………………………………………………….......45
Глава 5. Основные опасности при получении
и применении полимерных композиционных материалов…………..46
5.1. Пожарная опасность полимерных композиционных материалов…..46
4
5.2. Токсическая и экологическая опасность при получении
и применении полимерных композиционных материалов……….………49
Контрольные вопросы………………………………………………………53
Глава 6. Введение в оценку экологической безопасности при
производстве и применении полимерных композиционных
материалов………………………………………………………………….54
6.1. Понятие о «жизненном цикле» химического продукта……………...55
6.2. Подходы к оценке риска здоровью от воздействия опасных
химических веществ………………………………………………………...58
Контрольные вопросы…………………………………………………........63
Глава 7. Оценка эколого-экономического ущерба..…………………..64
7.1. Экономическая оценка ущерба от загрязнения окружающей
среды…..……………………………………………………………………..64
7.2. Учет экологической составляющей в экономической
эффективности проекта……………………………………………………..65
Контрольные вопросы…………………………………………………........67
РАЗДЕЛ II. Применение полимерных композиционных материалов
для повышения надежности и безопасности технических систем
Глава 1. Характеристики эксплуатационной надежности
полимерных композиционных материалов..................……………......68
1.1. Особенности разрушения полимерных композиционных
материалов…………………………………………………………………..72
1.2. Физико-механические характеристики полимерных
композиционных материалов, обеспечивающие эксплуатационную
надежность технических систем…………………………………………...75
Контрольные вопросы……………………………………………………...80
Глава 2. Полимерные композиционные материалы для обеспечения
эксплуатационной надежности технических систем.............................81
2.1. Антифрикционные и фрикционные материалы………………...........81
2.2. Полимерные композиционные материалы для защиты
от коррозии……………………………………………………………….….84
2.2.1. Защита от коррозии оборудования нефтегазодобывающей
и нефтеперерабатывающей отрасли………….............................................86
2.2.2. Защита от коррозии химического оборудования…………………..87
Контрольные вопросы……………………………………………………...91
Глава 3. Огнезащитные и уплотнительные композиционные
материалы……………………………………………………………….….92
3.1. Огнезащита конструкций и сооружений…………….………………..92
3.2. Композиционные огнезащитные материалы………………..………..93
5
3.3. Уплотнительные графитовые материалы……………………………..97
Контрольные вопросы……………………………………………………....99
РАЗДЕЛ III. Управление эксплуатационной надежностью и
экологической безопасностью
Глава 1. Задачи управления безопасностью и риском при
получении и применении ПКМ………………………………………...100
1.1. Защитные меры обеспечения безопасности………………………...101
Контрольные вопросы………………………………………….................103
Глава 2. Механизмы государственного регулирования уровня
экологической и техногенной безопасности…………………………..104
2.1. Нормативное регулирование техногенной и экологической
безопасности……………………………………………………………….105
2.2. Стандартизация и сертификация техногенной и экологической
безопасности………………………………………………….……………107
Контрольные вопросы……………………………………………………..109
Глава 3. Экономические механизмы управления
техногенным и экологическим риском………………………....…......110
3.1. Налоговое регулирование…………………………………………….110
3.2. Роль страхования в управлении техногенным и экологическим
риском……………………………………………………………………...111
3.3.Оптимизация затрат на снижение риска......……………………........113
Контрольные вопросы…………………………………………………….114
Глава 4. Управление эксплуатационной надежностью полимерных
композиционных материалов — создание материалов с заданными
свойствами……...........................................................................................115
4.1. Управление эксплуатационной надежностью путем
конструирования композиционных материалов………………………….115
4.2. Подходы к регулированию свойств полимерных
композиционных материалов……………………………………………..116
4.3. Регулирование горючести и огнестойкости полимерных
материалов……………………………………………………………….....118
4.4. Подходы к прогнозированию и проектированию свойств
полимерных конструкционных материалов……………………………..119
Контрольные вопросы……………………………………………………..123
Список литературы………..………………………………………….........124
Словарь терминов……………………………………………………….…126
6
ВВЕДЕНИЕ
Успешное развитие многих сфер экономической и социальной
жизни во многом зависит от создания принципиально новых,
высокоэффективных экологически безопасных полимерных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения, обеспечивающих работоспособность, ресурс и надежность в
условиях эксплуатации взамен или в дополнение к традиционным
конструкционным материалам – металлам и сплавам. Полимерные
композиционные материалы в настоящее время широко используются
во всех областях техники, транспортных средствах, сельском хозяйстве, изделиях бытового, спортивного, медицинского и других назначений. Важной задачей при производстве новых материалов является
получение перспективных эксплуатационных характеристик материала — эксплуатационных свойств материала, которые позволят
надежно и эффективно его использовать, в том числе в экстремальных
условиях.
необходимая основа эксплуатационной надежности и безопасности
технической системы в целом.
В то же время на протяжении всего жизненного цикла
инвестиционного проекта производство и эксплуатация продукта
должны удовлетворять критериям безопасности для технологического
оборудования, персонала предприятия, качества природной окружающей среды, третьих лиц, в том числе населения, непосредственно не
вовлеченного в процесс производства. Оценка надежности,
безопасности и эффективности производства нового полимерного
композиционного материала должно проводиться на всех этапах
жизненного цикла проекта: разработки и конструирования материала;
получения материала и изделий (конструкций) из него; применения
полученных изделий (конструкций); утилизации или ликвидации
изделия (материала) (рис. 1). Основой анализа и оценки безопасности
и рисков, сопряженных с реализацией проекта, является методология
анализа, оценки и управления техногенным и экологическим риском.
Настоящее учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов эксплуатационной надежности и экологической безопасности при
производстве и использовании полимерных композиционных материалов (ПКМ). Предметом анализа безопасности является рассмотрение
конструкционных особенностей материалов, их физико-химических,
физико-механических, токсических свойств, обеспечивающих эксплуатационную надежность и экологическую безопасность технических
изделий.
Безотказность узлов и деталей технической системы —
7
Рис.1. Соотношение вопросов безопасности, надежности и эффективности
при производстве и применении полимерных композиционных
материалов.
Управление эксплуатационной надежностью и экологической
безопасностью конструкций из полимерных композиционных материалов в большой мере основано на разработке способов конструирования
ПКМ, регулирования, прогнозирования и проектирования свойств
материалов, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства
и безопасность на протяжении всего жизненного цикла полимерного
композиционного материала в различных режимах их эксплуатации и в
соответствии с действующим в нашей стране законодательством.
Эффективность принимаемых технических, технологических и управленческих решений по снижению уровня риска будет определяться
экономической обоснованностью выбираемой системы мер с учетом
ограниченных материальных и экономических ресурсов.
8
РАЗДЕЛ I
ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ И ПРАКТИКУ АНАЛИЗА
И ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ И РИСКА
ГЛАВА 1
ОСНОВЫ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО И
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА
Целью промышленной безопасности является исключение аварий и техногенных катастроф, а также предотвращение загрязнения
биосферы и ухудшения качества окружающей среды за счет создания
безопасных для человека и окружающей среды промышленных технологий и производств, внедрения новых современных материалов. «Безопасность», «надежность», «опасность», «риск», ― основные понятия, используемые в сфере обеспечения промышленной безопасности.
1.1. Понятия теории безопасности и риска
Закон Российской федерации «О безопасности» от 25 марта
1992г. № 2446-1 ФЗ, 1992г. трактует понятие безопасности как «состояние защищенности жизненно-важных интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз». Определения
понятия безопасность, приводимые в нормативных документах в
области техногенной безопасности, позволяют трактовать безопас-
ность как состояние защищенности человека и окружающей среды,
так и как свойство техногенного объекта, причем должны созда-
ваться такие объекты и технологии, чтобы состояние защищенности
как человека и окружающей среды, так и техногенного объекта
сохранялось при любых режимах эксплуатации.
Эксплуатация технических систем потенциально опасна, так
как связана с различными процессами, а последние ― с использованием (выработкой, транспортировкой, хранением и преобразованием) химической, электрической и других видов энергии, накопленной в оборудовании и материалах, непосредственно в человеке и окружающей среде. Опасность техногенного характера рассматривается
как состояние, внутренне присущее технической системе, промышленному или транспортному объекту, реализуемое в виде поражающих воздействий на человека и окружающую среду. Федеральным
законом «О промышленной безопасности опасных производственных
объектов», №116 ФЗ от 21.07.97 г., введено понятие опасного
9
производственного объекта (ОПО), как предмета представляющего
угрозу, прежде всего, жизни и здоровью людей, аварии на которых
могут вызвать тяжелые последствия техногенного характера.
Реализация опасности приводит к прямым или косвенным потерям,
поражениям, ущербам, убыткам и другим негативным последствиям.
Ущерб объектам экономики возникает также в результате потери
устойчивости его функционирования, что приводит к потерям в
выработке продукции и потерям в бизнесе. Под устойчивостью
технологической (технической) системы понимается возможность
сохранения ее работоспособности при чрезвычайной ситуации.
Событие или ситуация, явление, процесс или объект, которые
могут потенциально привести к негативным последствиям (ущербам,
убыткам), называют «источником опасности». Под «фактором опас-
ности» («опасным фактором») понимают определенную составляющую какого-либо опасного процесса или явления, вызванную источником опасности. Фактор опасности (опасный фактор) характеризуется
физическими, химическими, физико-химическими, биологическими,
экономическими, социальными и другими параметрами, которые при
определенных уровнях и условиях их проявления могут привести к негативным воздействиям для здоровья человека и окружающей среды
(например, токсичные примеси в воздухе и т.п.).
Неблагоприятные последствия для персонала и населения могут иметь место как из-за неблагоприятных эффектов в результате
действия вредных факторов, сопровождающих нормальную эксплуатацию объекта или формирующихся в результате загрязнения окружающей природной среды. Вредные факторы (воздействия) приводят к
ухудшению самочувствия или заболеванию человека при длительном
их действии. Как правило, вредные факторы характеризуются низкими уровнями, а действуют продолжительное время. К ним относят,
например, воздействия токсичных веществ, содержащихся в атмосфере, воде, продуктах питания, повышение и понижение температуры
воздуха и т.д. В случае аварий, как правило, формируются поражаю-
щие факторы. Поражающие факторы приводят к травмам, ранениям
или гибели людей при их однократном действии. Действие поражающих факторов характеризуется случайным моментом возникновения,
кратковременностью и значительным уровнем воздействия.
Возможность поражения людей и разрушения зданий и соружений зависит от характеристик ситуации и объекта воздействия, от
которых в большой мере зависит величина риска. Важнейшими из них
являются подверженность объекта риску (воздействие со стороны источника опасности), и уязвимость (стойкость) объекта. Подвержен-
ность риску представляет собой характеристику ситуации, из–за кото-
рой может возникнуть ущерб, или другие формы реализации опасности. Уязвимость — это определенный уровень подверженности
10
объекта (технический объект, человек, экологический объект и др.)
)(U
кр
U
кркр
uu ≡
′
E
k
)(W
)(P
WPR ⋅=
той или иной угрозе. Уязвимость характеризует чувствительность
объекта к определенным опасным факторам. В широком смысле под
уязвимостью понимают свойство материального объекта утрачивать
способность к выполнению функций в результате внешних воздействий
Один из методов оценки уязвимости основан на понятии
.
критической нагрузки
наступает разрушение, равна
характеризует стойкость (например, сейсмостойкость) объекта к
внешним воздействиям. Стойкость – это свойство объекта сохранять
свои параметры в пределах установленных допусков и выполнять свои
функции во время и после действия внешних нагрузок.
Важное свойство объектов воздействия, от которого в большой степени зависит их уязвимость — это «защищенность». Защи-
щенность ― это способность объекта противостоять поражающим
воздействиям, ослабляя их интенсивность. Защищенность обычно характеризуется коэффициентом ослабления внешних воздействий. Количественно степень защищенности оценивают на основании коэф-
фициентов защиты (
величины потока энергии (то есть отношения потока энергии при
отсутствии защитного устройства к потоку энергии при наличии
защитного устройства, либо на входе в защитное устройство и выходе
из него). Уменьшая вероятность осуществления угроз, уровень уязвимости (или увеличивая уровень стойкости), повышая защищенность
можно значительно снизить величину возможного ущерба.
Интегральным (исчерпывающим) критерием для оценки опасности и основным показателем опасности является риск. Являясь мерой актуализированной опасности, риск отражает, с одной стороны,
степень опасности ситуации, а, с другой стороны, позволяет судить о
безопасности защищаемого объекта. Риски, связанные с опасностями,
исходящими от технических объектов, называют «техногенными рис-
ками». В области обеспечения техногенной (промышленной) безопасности понятие «риск» определяется как мера количественного изме-
рения опасности, представляющая собой многокомпонентную величину, определенную на основе статистических данных, теоретико-вероятностных методов, логико-вероятностных и имитационных моделей. Оценка риска включает количественные показатели ущерба
от воздействия того или иного опасного фактора, вероятности (час-
тоты)
фактора, а также неопределенности в величинах ущерба и вероятности. В случае аварий вектор техногенного риска
возникновения ущерба от рассматриваемого опасного
. Критическая нагрузка, начиная с которой
. Критическая нагрузка
), определяемых на основании изменения
заключает
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]