Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1328 вузов, 5501 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Башкирский Государственный Аграрный Университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
111
Другим механизмом государственного экономического регулирования техногенной и эколого-экономической безопасности являются штрафные санкции, налагаемые за нарушение требований регламентирующих документов (рис. III. 4.). Штрафные санкции реализуют необходимую обратную связь для эффективного функционирования системы управления риском.
Рис. III. 4. Механизм регулирования промышленной безопасности
штрафными санкциями (Акимов В.А. и др., 2004)
Система платежей, налогообложения и стимулирования долж­на быть организована таким образом, чтобы природопользователям было выгоднее изменять технологию, осваивать менее природоемкие процессы, нежели платить налоги и штрафы.
3.2. Роль страхования в управлении техногенным и экологическим риском
Страховой капитал представляет гарантированный источник денежных средств для компенсации убытков страхователя в случае, например, когда использование собственных денежных ресурсов может быть ограничено. Суть страхования как метода финансирования риска или покрытия убытка заключается в передаче ответственности за возмещение возможного ущерба другому субъекту, специализирующемуся на таких операциях, — страховой компании.
Механизм страхования опасных производственных объектов направлен на компенсацию экономического ущерба, возникающего при техногенных авариях. Использование страхования дает возможность перекрыть те риски, которые не удается или слишком дорого снизить. Именно в этом заключается роль страхования как
одного из способов экономического управления техногенным риском.
Страхование не устраняет причин возникновения негативных событий и не снижает вероятность их реализации, но позволяет заменить неопределенно большие по величине и по времени внеплановые финансовые потери из прибыли на небольшие страховые платежи, включаемые в себестоимость продукции. В целом роль страхования
112
как механизма управления техногенным риском сводится к следующему: привлечение страхового капитала для компенсации убытков предприятия; снижение неопределенности в финансовом планировании деятельности предприятия; высвобождение денежных средств для более эффективного использования; сокращение затрат на управление риском путем использования опыта страховых экспертов для оценки и управления риском.
Страхование ответственности за причинение вреда при эксплуатации опасных объектов является наиболее динамичным способом возмещения ущерба от техногенных аварий и чрезвычайных ситуаций, эффективным механизмом экономического регулирования промышленной безопасности, позволяющим реализовать мероприятия по снижению техногенных рисков. В соответствии с Законом № 225­ФЗ от 27 июля 2010г. «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте» организации, эксплуатирующие опасные производственные объекты, обязаны страховать ответственность за причинение вреда жизни, здоровью или имуществу третьих лиц и окружающей природной среде в случае аварии на опасном производственном объекте. Ввод в эксплуатацию опасного объекта не допускается в случае неисполнения владельцем опасного объекта обязанности по страхованию, установленной настоящим Федеральным законом. Страховые выплаты по договору обязательного страхования за причинение вреда жизни в случае аварии на опасном производственном объекте в соответствии с Законом № 225-ФЗ от 27 июля 2010г. «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте» устанавливаются в размере два миллиона рублей в части возмещения вреда лицам, понесшим ущерб в результате смерти каждого потерпевшего (кормильца).
Экологического страхования применяется для предотвращения и ликвидации последствий экологических и стихийных бедствий, аварий и катастроф. Экологическое страхование — страхование ответственности предприятий – источников повышенного риска за причинение убытков в связи с аварией, технологическим сбоем, стихийным бедствиям, приводящим к загрязнению окружающей среды. В первую очередь это относится к наиболее экологически опасным крупным промышленным предприятиям. Экологическое страхование, особенно при его обязательном применении, позволяет обеспечить жесткую адресацию ответственности за ущерб, наносимый окружающей природной среде.
3.3.Оптимизация затрат на снижение риска
При выборе варианта стратегии обеспечения безопасности производства и снижения ущерба для окружающей среды от послед­ствий техногенных аварий, предприятие сопоставляет возможные ва­рианты ущербов и прибыли при их реализации. Кроме того, необходи­мо иметь критерий, чтобы решать, какой проект, программа или на­правление лучше. Возникает вопрос о достаточности возможных мер для предупреждения техногенных аварий и уменьшения их последст­вий.
Выбор вариантов снижения риска происходит, как правило, в условиях ограниченных (денежных) ресурсов выборе мер безопасности необходимо учитывать критерий допусти­мого или приемлемого уровня риска снизить существующий риск. Возникает проблема установления неко­торого баланса между средствами, которые затрачиваются на меры безопасности, и уровнем снижения риска (повышения безопасности), обусловленного реализацией этих мер. Реализуемые меры обеспечения безопасности должны обеспе­чивать настолько малый риск для опасного производственного объек­та, насколько это практически разумно («принцип разумной достаточ- ности»). В качестве единой меры измерения затрат на обеспечение безопасности и измерения выгод, которые могут быть получены в результате повышения безопас­ности, устанавливается стоимост­ная (денежная) мера. Практичес­кий опыт эксплуатации различ­ного оборудования показывает зависимость между уровнем на­дежности оборудования и затра­тами на создание технического объекта (рис. III.5).
На оси абсцисс показана величина, отвечающая уровню надежности изделия (например, в часах наработки до отказа) или вероятность безотказной работы за определенное время; на оси ординат показаны стоимостные показатели, отражающие затраты на изделие. При увеличении уровня надежности снижаются затраты на ремонт (кривая А), однако затраты на создание оборудования с повышенным уровнем надежности увеличиваются (кривая В). Зави­симость суммарных затрат показывает, что существует некоторая оптимальная надежность, отвечающая минимальным суммарным затратам, то есть соответствует наивысшей эффективности.
113
, до которого необходимо
)(
R
lim
. Кроме того, при
)(
C
lim
С увеличением времени эксплуатации изменяется величина затрат на оборудование (рис. III.6.): происходит уменьшение амор­тизационных отчислений (кривая D).
При этом происходит увеличение затрат на ремонт (кри­вая Е). Минимум на кривой F суммарных затрат отвечает мини­мальным затратам на эксплуатацию оборудования и определяет опти­мальный срок (Т) эксплуатации объекта. Приведенные зависимости иллюстрируют единый подход к обеспечению надежности и безо­пасности в условиях ограниченных денежных ресурсов.
Интегральным критериием
принятия решений по мерам снижения риска на основе анализа «затраты-выгода» служит миниму обобщенных приведенных затрат
:
),(iiYCQ
)min( ),(min
YCYCQ +=
iiii
при условии неотрицательности чистого экономического эффекта
(рис.III.7.).
0≥D
Анализ «затраты-выгода»
проводится только для оптимиза­ции дополнительных затрат. Обязательные затраты не подлежат оптимизации. Обязательные затра­ты призваны обеспечивать защиту населения в таких пределах, чтобы ущерб здоровью любого человека не превышал значения, устанавли-
м
для населения.
Контрольные вопросы
1. Задачи экономических механизмов в управлении техногенной и экологической безопасностью
2. Что лежит в основе определения платы за лимитированное и сверхлимитное загрязнение окружающей среды
3. В чем заключается роль страхования как одного из способов экономического управления техногенным риском
4. Как применяется метод «затраты-выгода» при определении оптимальных затрат на оборудование и его надежности
114
115
ГЛАВА 4
УПРАВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ —
СОЗДАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Управление эксплуатационной надежностью и 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. Особенности композиционных материалов позволяют объединить схожие или разно­родные компоненты для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками; возникает возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкрет­ной области применения.
4.1. Управление эксплуатационной надежностью путем конструирования композиционных материалов
Композиционные полимерные материалы можно рассматри­вать как самостоятельные конструкции, поэтому процесс их создания называют конструированием. Основная цель конструирования компо­зиционного материала — создание материала, обладающего такими свойствами, которые обеспечат надежную работу изделия в заданных условиях. При конструировании изделий из композиционных поли­мерных материалов следует сформулировать технические требования к ним, после чего сопоставить эти требования с реальными возмож­ностями материала. При этом необходимо особое внимание обратить на свойства композитов, которые существенно отличаются от характе­ристик традиционно используемых для этих целей материалов, а так­же обеспечивают надежность и безопасность их эксплуатации. Процесс конструирования композиционных материалов можно разделить на два этапа — расчетно-аналитический и экспериментально-технологический. Первый этап включает анализ заданных условий нагружения и определения способа конструи­рования пластика с необходимыми свойствами. На этом этапе используются представления и расчетные формулы, взятые из механики композиционных материалов. Это позволяет прогнозировать зависимость характеристик композиционных материалов от размеров частиц наполнителя, механических свойств компонентов, их объемного содержания и т.д. При конструировании композита особенно важно:
• с учетом требуемых свойств композита определить требуемые и наиболее подходящие материалы для их реализации;
116
• обеспечить совместимость компонентов композита (физическую,
E
V
E
V
химическую, механическую и др.) при любых условиях работы;
• соблюдать определенную геометрию расположения компонентов композита;
• выбрать наиболее эффективную и экономичную технологию изго­товления композита. Возможно конструировать армированные композиционные пластики, изменяя их состав и структуру. Правильный выбор схемы армирования с учетом условий эксплуатации изделия и вектора прила­гаемой нагрузки позволяет многократно увеличить его эксплуатаци­онную долговечность. Особенности армированных композиционных материалов предполагают совмещение двух важнейших процессов: производства самого материала и производства изделия из него. Поэтому на стадии выбора материала необходимо сконструировать его с учетом требований, предъявляемых к изделию условиями экс­плуатации. Например, наибольшее различие свойств проявляется в однонаправленных армированных материалах. Так, для стеклоплас­тиков прочность вдоль волокон составляет 2000 МПа, в то время как в перпендикулярном направлении всего 40 МПа, т.е. в 50 раз меньше.
Один из способов оптимизации конструкционных свойств ком­позиционных материалов – оптимальный объем фазы наполнителя, в ВПКМ – объем волокон, который изменяется в широких пределах в зависимости от типов упаковки волокон в матрице ( шение быть реализовано при использовании профильных волокон. Основная сложность заключается не в сборке отдельных ком­понентов композита, а в образовании между ними прочного и специ­фического соединения. При этом большую роль играет предваритель­ный анализ граничных процессов, происходящих в системе. Межфаз­ное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи ком­понентов, возможность химических реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики композита, как термостой­кость, устойчивость к действию агрессивных сред, прочность и другие важные эксплуатационные характеристики нового материала.
до 95 (и даже 99) % об. (предельное армирование) может
,% об.). Повы-
4.2. Подходы к регулированию свойств полимерных композиционных материалов
Одним из важнейших преимуществ композиционных матери­алов по сравнению с металлами, является возможность регулирования их свойств в процессе изготовления изделия. Для всех классов компо­зитов важным является модифицирование и оптимизация структуры, регулирование кинетики структурообразования, улучшение свойств межфазовых границ, изменение концентрации и распределение дефек­тов, фазовых составляющих и т.д. В частности, повышение теплостой-
117
кости композитов, которая характеризуется способностью материала сохранять структуру при нагревании, достигается использованием по­лимеров с высокой жесткостью цепей и оптимальным с точки зрения переработки межмолекулярным взаимодействием. Термостойкость, т.е. способность материала сохранять химическую структуру при нагревании, достигается при использовании полимеров с прочными химическими связями. Требования к физико-механическим свойствам связующих определяются условиями эксплуатации изделий из композитов и их технологическими свойствами, от которых зависит возможность про­изводства композиционного материала. В результате, требования к свойствам связующих, используемых для формования матриц много­образны, а порой и противоречивы. Например, снижению хрупкости материала способствует повышение пластичности матрицы. В то же время высокая пластичность матрицы не только отрицательно влияет на прочностные свойства композита, но и снижает теплостойкость и другие характеристики материала. Поэтому связующее должно обла­дать не просто высокой или низкой пластичностью, а иметь значение этого показателя в узких, оптимальных для конкретного композици­онного материала, пределах. Таким образом, важна оптимизация свойств полимерного связующего. Введением добавок можно изменять физико-механические, теплофизические, оптические, электрические, фрикционные и другие эксплуатационные характеристики исходного (базового) полимера. Выбор тех или иных добавок для создания композиции, отвечающей требованиям, связан с их влиянием на ее свойства. Введением в ком­позиты наполнителей можно повысить теплостойкость, снизить горю­честь, изменить твердость и прочность, повлиять на другие свойства материала. Содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его пере­работки, поскольку с его увеличением растет вязкость материала, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются. На рис. III.8. показано, как изменяется прочность различных термопластов при их наполнении дисперсным стеклянным волокном. Из приведенных данных видно, что для полимеров существует предельное содержание наполнителя, превышение которого приводит к снижению прочностных свойств композита. Обычно оно не превышает 50 % по массе. Большую роль в формировании свойств композиционного материала, обеспечивающих эксплуатационную надежность, играет межфазный слой на границе раздела матрицы и армирующей фазы. Регулирование структуры межфазного слоя всегда направлено на
118
увеличение адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз и, в конечном счете, на повышение физико-механических свойств композиционного материа­ла. Добиться этого доста­точно сложно, поскольку такое взаимодействие зави­сит от многих факторов и, в частности, от состава свя­зующего, строения волок­на, технологии изготовле­ния композиционного мате­риала. Одним из способов производства армирован­ных пластиков с заданными свойствами является целе­направленное регулирова­ние структур и объема гра­ничного слоя путем пра­вильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связую­щего. Аппреты — веще- ства, влияющие на струк­туру, свойства и протя­женность межфазного слоя, способствующие улучшению взаимодей­ствия волокна со связующим. Роль аппретов в формировании межфазного слоя велика: они многократно увеличивают площадь контакта волокнистого наполнителя со связующим.
4.3. Регулирование горючести и огнестойкости полимерных материалов
Примером регулирования заданных свойства полимерных материалов является повышение их огнестойкости. С этой целью используют специальные полимеры, устойчивые к термоокислитель­ной деструкции, совершенствуют структуру готового материала, исключая пористость и рыхлость, вводят в полимерную композицию различные замедлители горения — антипирены. При введении в материал огнезащитных добавок (антипи­ренов) изменяется состав и структура материала, что приводит к снижению горючести. Антипирены способствуют снижению горючес­ти различным образом: ингибируют реакцию горения; уменьшают долю возвращенной теплоты горения; приводят к получению менее горючих продуктов пиролиза к фронту пламени; приводят к получе-
119
нию менее горючих продуктов пиролиза. Особое место в ряду извест­ных антипиренов занимают фосфорорганические реакционно­способные антипирены с акил-фосфор связью. Наличие в них связи фосфор-углерод, устойчивой к гидролизу и окислению, усиливает ингибирующее влияние на процессы пиролиза полимеров. Они химически связываются с полимерами как на стадии получения, так и на стадии модификации последних. Даже при малом введении в поли­мер, антипирены, содержащие большое количество фосфора, придают ему огнезащитные свойства, не оказывая при этом существенного воз­действия на его физико-механические особенности. При горении анти­пирены не выделяют токсичных газов, поэтому не слишком опасны для человека. На практике нередко используют первичные антипи­рены в сочетании с синергистами, стабилизаторами антипиренов и другими добавками. Широко известен синергизм соединений, содер­жащих сурьму и галоген, а также фосфор и галоген. Так, например, для придания полимеру свойства самозатухаемости необходимо ввести в него не менее 5% фосфора, 10% брома и 35% хлора. К снижению горючести приводит применение наполнителей (газообразных, порошкообразных, волокон, нитей и др.). На горючесть наполненных полимерных материалов оказывает влияние не только природа наполнителя, но и его дисперсность, а также прочность сцепления наполнителя и связующего.
4.4. Подходы к прогнозированию и проектированию свойств полимерных конструкционных материалов
Задача теории создания композиционных материалов состоит в предсказании связи свойств композита со свойствами его состав­ляющих по известным параметрам матрицы, наполнителя и их компоновке, размеру и форме изделия, удовлетворяющим требуемым условиям работы. Получаемые материалы обладают уникальными прогнозируемыми свойствами. Под параметрами понимают прочность и жесткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, коэффициент Пуассона и др., формирование которых является основ­ной задачей при разработке композита. Для надежной, устойчивой и безопасной работы конструкций из полимерных композиционных материалов необходимо иметь методы прогнозирования, позволяющие оценить зоны наиболее ве­роятного разрушения и определить управляющие параметры, для которых требуется особенно тщательный контроль при изготовлении и эксплуатации изделий. При расчете композитов пользуются как микро-, так и макро-подходами. При микроподходе композит разделя­ют на матрицу и армирующий материал и, исходя из особенностей соединения матрицы и армирующего материала, рассматривают механику поведения композита. В случае макроподхода наполнитель и
120
связующий материал рассматривают как одно целое. Этот подход
km
σ
)(
221 EEMMkm
VKVKK ⋅⋅+⋅⋅=
σσσ
1
K
2
K
является наиболее общим, т.е. использующим минимум допущений относительно поведения композита. Квазиоднородный подход, не обеспечивая глубокого понимания поведения композита, но позволяет учесть ряд его особенностей. Например, композиты могут проявлять свойство ползучести при отсутствии каких-либо нагрузок в направ­лении армирования. Коэффициенты термического расширения компо­зитов зависят в ряде случаев от времени и температуры, хотя состав­ляющие их компоненты такими свойствами и не обладают. Появление и развитие системы микротрещины во всем объеме связующего, в основном связано с проявлением неупругих свойств, что характерно для композитов с хрупкой полимерной матрицей. Для подобного типа полимерных композитных материалов обосновыва­ется структурно-феноменологическая модель деформирования. Задача прогнозирования неупругого поведения композита с учетом структур­ного разрушения сводится к задаче о деформировании материала с переменными объемными долями компонентов как с исходными меха­ническими свойствами, так и с измененными в соответствии с рас­сматриваемыми механизмами потери несущей способности. При математическом моделировании процессов в некоторых композиционных материалах часто используется концепция микроне­однородной среды, позволяющая учитывать существование отчетли­вых границ между элементами структуры с различными свойствами. Нестабильность параметров технологических процессов изготовления изделий из ПКМ приводит к тому, что их деформационно­прочностные свойства являются не строго детерминированными, а в значительной мере случайными величинами. Модельные методы, позволяют удовлетворительно решить ряд вопросов, связанных с ускоренной оценкой пригодности тех или иных компонентов композиционного материала на ранних стадиях его создания, дают возможность обосновать предпосылки для оптимального выбора поли­мерного связующего, типа и дисперсности наполнителей, их распре­деления и т.д. Точное теоретическое предсказание того, насколько прочной будет та или иная конструкция из ПКМ, практически невозможно, даже если известны прочностные характеристики материала, получен­ные на стандартных образцах при стандартных испытаниях.
При прогнозировании прочности
и модуля упругости
ПКМ (и многих других свойств) используют правило аддитивности:
,
где:
композиционного материала;
– комплексный коэффициент, характеризующий особенности
– коэффициент, характеризующий
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности