Лекция № 13. Повышение устойчивости функционирования объектов железнодорожного транспорта в чрезвычайных ситуациях

I. Основные понятия. Факторы, влияющие на устойчивость функционирования объекта в ЧС.

II. Оценка устойчивости функционирования объекта к воз­действию поражающих факторов.

III. Основные требования к проектированию новых и реконст­рукции действующих железных дорог нормальной колеи.

Первый вопрос. Повышение устойчивости функционирования объекта (ПУФО) в ЧС мирного и военного времени является одной из центральных обязан­ностей руководителей любого ранга. Это вытекает из требований За­конов «О ГО» и «О защите населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера».

Под устойчивостью функционирования (работы) объекта в ЧС понимается способность объекта бесперебойно выполнять производствен­ную (перевозочную для ЖДТ) и иную деятельность в условиях воздейст­вия поражающих факторов источников ЧС и применения ССП в военное время, а также приспособленность этого объекта к быстрому восстанов­лению своей деятельности в случае нанесенных повреждений (разруше­ний) и иных потерь.

Устойчивость характеризует живучесть объекта в любых ЧС мир­ного и военного времени, т.е. его способность:

а) предупреждать возникновение местной ЧС;

б) противостоять воздействию поражающих факторов;

в) снижать возможный материальный урон от ЧС;

г) защищать обслуживающий персонал от поражающих воздейст­вий;

д) восстанавливать в короткие сроки свою деятельность (производ­ственную, перевозочную, учебную и др.).

Различают статическую (физическую) и технологическую устой­чивость. Мы в большей части рассматриваем физическую устойчивость. Вопросы технологической устойчивости обширны, специфичны и требу­ют отдельного рассмотрения.

Говоря об устойчивости объекта в ЧС, выделяют в первую очередь устойчивость инженерно - технического комплекса (ИТК) объекта. Под ИТК объекта понимают ведущие элементы, от которых в решающей степени зависит производственный (перевозочный) процесс, а под его устой­чивостью - способность его элементов противостоять воздействию пора­жающих факторов различных источников. Так, на промышленных объек­тах устойчивость основных цехов будет определять устойчивость всего объекта, а на ЖДТ - устойчивость тех элементов, от которых зависит ра­бота объекта по назначению. Допустим, для обгонного пункта главным элементом является путь, а для участковой станции - устройства локомо­тивного и вагонного хозяйства, при выходе из строя которых она теряет функции участковой, но может работать как промежуточная станция при условии сохранения путей. Так как обеспечить абсолютную устойчивость объекта ко всем поражающим факторам невозможно, то выбирают один из ведущих поражающих факторов. Чаще всего им является ударная вол­на как основной фактор разрушения. Правомочность такого выбора обос­новывается тем, что если здание (сооружение, оборудование) получает полное или сильное разрушение, то отпадает необходимость оценки воз­действия теплового и др. поражающих факторов.

За критерий оценки ИТК принимают избыточное давление на фронте ударной волны ΔРф. За предел устойчивости ИТК объекта ∆Рфпр принимают такую величину давления, при которой объект еще способен функционировать, но (что особо важно подчеркнуть) восстановление его работы возможно без капитальных затрат в случае потери устойчивости. Напомним, что в случае получения полных или сильных разрушений объект подлежит списанию. В таких случаях говорят, что «легче постро­ить новый, чем восстанавливать старый».

Таким образом, за предел устойчивости ИТК ∆РФпр объекта может быть принята средняя величина табличных данных ΔРф, соответствую­щих для средних разрушений. При таком значении ΔРф объект получит разрушения не более чем средние, при которых восстановление работы возможно без больших капитальных затрат.

Как правило, предел устойчивости объекта ΔРФпр задается выше­стоящим органом, но может быть определен и на местах.

Вопросы ПУФО должны систематически исследоваться на любом объекте. Это требования указанных выше Законов. Помимо требования данных Законов необходимость проведения систематических исследова­ний по вопросам ПУФО (ПУРО) диктуется:

старением и заменой аппаратуры и оборудования; строительством новых объектов (или их элементов); текущими изменениями в кадрах объекта;

появлением новых отрицательных факторов, способных воздействовать на обслуживающий персонал и оборудование;

совершенствованием и изменением технологии производства (перевозок) и др. причинами.

К исследованиям вопросов ПУФО привлекаются ведущие специалисты и все службы объекта. Работы по ПУФО отдаются приказом по объекту, в котором указываются цели и основные задачи исследований, состав привлекаемых лиц, ответственные исполнители, сроки проводимых работ.

При исследовании устойчивости объекта должны быть решены следующие основные задачи: всесторонне проанализированы условия работы объекта в ЧС и выявлены уязвимые места, которые в решающей степени влияют на производственный процесс; проведена оценка устой­чивости важнейших элементов объекта к воздействию всех возможных поражающих факторов в ЧС; выявлен предел устойчивости ИТК ∆РФпр объекта; разработан сводный план организационно - технических меро­приятий (ОТМ) и инженерно - технических мероприятий (ИТМ), которые направлены на ПУФО в ЧС.

К ОТМ можно отнести такие мероприятия, как изменение технологических процессов; разработка различных инструкций персоналу по дей­ствиям при угрозе и возникновении ЧС; усиление режима охраны, проти­вопожарной и иной защиты; порядок и сроки приведения в полную готов­ность всех сил и средств к ведению АСДНР и др.

ИТМ направлены на инженерную подготовку объекта к работе в ЧС. К ним относят строительство защитных сооружений, обходов круп­ных узлов, усиление зданий и др. мероприятия. Проведение ИТМ регла­ментируются «СНиП 2.01.51 - 90» и отраслевыми директивными доку­ментами. В дальнейшем для краткости мы будем называть их просто «Нормами». «Нормы» охватывают широкий спектр требований к: проектированию новых и реконструкции действующих железных дорог; элек­трификации железных дорог; станциям и узлам; локомотивному и вагон­ному хозяйству; конструкциям искусственных сооружений; тоннелям; метрополитенам; системе связи; коммунально-энергетическим системам и др. Они подробно излагаются в III вопросе лекции.

ИТМ включают в соответствующие проекты по реконструкции и расширению предприятий и выполняют их в ходе реализации этих проек­тов. На действующих объектах, не подлежащих реконструкции или расширению, ИТМ внедряют с учетом возможностей по самостоятельным проектам.

Конечно, идеальный вариант будет достигнут тогда, когда ИТМ реализуются в новом строительстве.

Мероприятия, которые не могут быть выполнены силами и средст­вами объекта, направляются для рассмотрения в вышестоящие инстанции.

Основные факторы, влияющие на устойчивость объекта в ЧС.

1. Степень защищенности обслуживающего персонала (обеспеченность ЗС, СИЗ; наличие планов эвакуации и системы оповеще­ния; подготовка загородной зоны и др. вопросы).

2. Район расположения объекта (география; гидрография; наличие соседних опасных производств; возможность затопления, зара­жения, загрязнения, сейсмоопасности и др.).

3. ИТК объекта (здания и сооружения, оборудование, особенность их конструкций и устойчивость к поражающим факторам; огнестойкость; производственная емкость; возможность экранизации и затенения зданий, оборудования и др. вопросы).

4. Внутренняя планировка объекта (степень защищенности от вторичных поражающих факторов; наличие на объекте ГСМ, АХОВ; плотность застройки; состояние инженерных сетей и коммуникаций и т.д.).

5. Технологический процесс (степень автоматизации процессов; возможность автономной работы участков; возможность дублирования электрической тяги автономными видами тяги; наличие обходных и соединительных путей, работы с опасными грузами и др.).

6. Система энергоснабжения и ее устойчивость.

7. Система управления на объекте (наличие планов работы в ЧС и плана работы на военное время; система взаимозаменяемости; пополнение обслуживающего персонала; запасные пункты управления и др. вопросы).

8. Система материально - технического снабжения.

9. Подготовленность объекта к восстановлению деятельности в случае ее нарушения.

10. Степень соответствия объекта инженерно - техническим нормам размещения и безопасности производства.

Оценивая устойчивость работы объекта в ЧС, необходимо и целесообразно проанализировать и оценить в первую очередь перечисленный круг вопросов.

Второй вопрос. Оценить устойчивость работы объекта в ЧС - значит проверить способность его ведущих элементов (а по сути ИТК) противостоять воз­действию поражающих факторов, вызванных ЧС и применением ССП во время войны, а также способность восстановить в кратчайшие сроки про­изводственный (перевозочный) процесс при получении слабых и частично средних разрушений, частичном заражении (загрязнении) объекта. Глав­ной целью такой оценки должно стать выявление слабых систем (уст­ройств, элементов) объекта и изыскание путей, направлений и способов повышения их живучести в экстремальных условиях.

На этой базе должны быть приняты обоснованные решения по ПУФО.

При оценке устойчивости работы объекта в ЧС должны быть ре­шены следующие основные задачи:

1. Определены степень защищенности обслуживающего персо­нала и порядок его работы в ЧС.

2. Определен или уточнен предел устойчивости ИТК объекта (∆Рф пр , если он не задан вышестоящим органом и не определялся или не уточнялся ранее).

3. Найдены способы усиления прочностных характеристик отдельных элементов (сооружений, устройств и т.д.), а также способы по­вышения пожароустойчивости объекта.

4. Выбран оптимальный технологический процесс ведения работ вЧС.

5. Изысканы способы повышения безопасности размещения отдельных элементов на объекте.

6. Найдены способы восстановления в кратчайшие сроки нарушенного перевозочного процесса.

7. Намечены меры по устойчивости работы систем управления, материально - технического снабжения и коммунально-энергетических сетей и др. задачи.

Оценка устойчивости работы объекта производится по всем пора­жающим и вторичным факторам, которые возможны при возникновении любой ЧС мирного и военного времени.

2.1. Оценка устойчивости объекта к воздействию ударной волны.

Основным критерием оценки является величина избыточного дав­ления ΔРф. Дополнительными критериями могут быть скоростной напор ΔРск, удельный импульс J.В зависимости от величины ΔРф сооружения (устройства, элементы) объекта могут получать различные степени раз­рушений: полные, сильные, средние и слабые (см. учебное пособие).

За предел устойчивости объекта в целом к воздействию ударной волны принимается предел устойчивости ИТК объекта - ΔРф пр. Напом­ним, что ΔРфпр задается свыше или определяется специальным исследова­нием на объекте. И что величина ΔРф пр чаще всего соответствует средним значениям табличных данных ΔРф для степени средних разрушений.

 

2.1.1. Оценка устойчивости открыто расположенного оборудования к воздействию ударной волны

Выход из строя оборудования, имеющего небольшие геометрические размеры (релейные шкафы, трансформаторы, опоры, станки и т.п.), и в силу этого быстро обтекаемые ударной волной, может быть вызван одним из следующих факторов:

• смещением оборудования относительно основания (фундамента) или его отбрасыванием;

• опрокидыванием оборудования;

• мгновенным инерционным разрушением отдельных элементов оборудования, вызванных ударными перегрузками.

Смещение и опрокидывание оборудования возможно в основном под действием скоростного напора ∆РСК, так как подобное оборудование обтекается ударной волной и избыточное давление ∆Рф быстро выравни­вается.

Инерционное разрушение отдельных чувствительных элементов оборудования будет определяться лобовым давлением ΔРло6, т.е. суммар­ным воздействием избыточного давления ΔРф и скоростного напора ΔРск.

Таблица 13.1. Сводная таблица оценки устойчивости элементов ст. К к воздествию воздушной ударной волны.

Элементы станции Значения DРф, кПа
Пассажирское здание                            
Убежище с 2-мя реж. Вентиляц. не разрушаются
Ж.д. пути не разрушаются
Депо:                            
  здание                            
  станки средние                            
  станки легкие                            
  блоки ЧПУ                            
  крановое оборудование                            
Вводы энергетических коммуникаций в здания наземные                            
Котельная                            
Коммунально-энергетические сети подземные не разрушаются
Остекление                            
--------------------------------------                            

 

  слабые разрушения
  средние разрушения
  сильные разрушения
  полные разрушения

Основным критерием оценки является величина избыточного давления DРф. Дополнительными критериями могут быть скоростной напор DРск, удельный импульс I(J). В зависимости от величины DРф сооружения (устройства, элементы) объекта могут получать различные степени разрушений: полные, сильные, средние и слабые (см. учебное пособие).

За предел устойчивости объекта в целом к воздействию ударной волны принимается предел устойчивости ИТК объекта - DРф пр. Напомним, что DРфпр задается свыше или определяется специальным исследованием на объекте. И что величина DРфпр чаще всего соответствует средним значениям табличных данных DРф для степени средних разрушений.

Смещение оборудования (рис.13.1).

Условие смещения

(∆Pск≥∆Pск доп или ∆Pф≥∆Pф доп ( ∆Pф пр)),

где - смещающая сила (приложена в центре давления – ЦД);

- суммарное усилие болтов крепления, работающих на срез;

- сила трения.

В приведенных зависимостях:

(∆Pск доп)- допустимое значение давления, при котором изделие еще устоит;

- предел устойчивости ИТК объекта.

DРск – давление скоростного напора , кПа (зависимость DРск от DРф приведена в табл. 8.2 учебного пособия);

Сх – коэффициент аэродинамического сопротивления (значения коэффициента для тел различной формы приведены в табл. 8.4, там же);

S – площадь миделя (площадь обдуваемой поверхности), м2;

- допускаемое напряжение на срез болта ;

- предел текучести материала болта, Па (механические свойства сталей приведены в табл. 8.5, там же);

d – диаметр болта, мм;

G – сила тяжести, Н;

n – число болтов;

- коэффициент трения (значения коэффициента трения приведены в табл. 8.3);

m – масса оборудования, кг.

Допустимое значение скоростного напора при котором оборудование еще устоит, определяется из соотношения

= (+)/(СхS).

По значению (аналитически, по графику или по данным табл. 8.2) определяется соответствующее ему , которое сравнивается с пределом устойчивости . По их соотношению делается соответствующий вывод. Изделие устойчиво, если ∆Pскдоп>∆Pск или ∆Pф доп >∆Pф ( ∆Pф пр ЧКТ объекта).

Если изделие неустойчиво, то намечается ряд инженерно – технических мероприятий по усилению устойчивости. Ими могут быть: улучшение обтекаемости оборудования (уменьшение Сх); уменьшение парусности (за счет уменьшения геометрических размеров оборудования или его заглубления); усиление крепежа оборудования (за счет изменения материала болтов крепления и их числа); другие мероприятия.

Опрокидывание оборудования (рис.13.2)

Условие опрокидывания

( ∆ Pск>∆Pскдоп ) ,

где - опрокидывающий момент;

- стабилизирующий момент.

В приведенных зависимостях:

- суммарное усилие половины (части) болтов, работающих на растяжение (при условии равнопрочности резьбы на срез и тела болта на разрыв);

- допускаемое напряжение на растяжение, Па =/. Здесь допускаемый коэффициент запаса прочности;

d – внутренний диаметр резьбы болта, мм;

G – сила тяжести, Н;

h, l – плечи действия сил, м.

Допустимое значение скоростного напора, при котором оборудование еще устойчиво

.

По определяется соответствующее ему . Последнее сравнивается с и делаются соответствующие выводы. Изделие устойчиво, если ∆ Pскдоп>∆Pск или ∆Pф доп >∆Pф .

Инерционное разрушение элементов оборудования, вызванное ударными перегрузками.

Условия разрушения

,

где получаемое элементом ускорение (перегрузка, );

- допустимое ускорение (перегрузка) для элемента (дается в паспорте или технической документации на любое выпускаемое изделие).

Известно, что сила инерции равна сумме сил и реакций связи, т.е.

.

Получаемое ускорение элементом

a=((∆Pф+∆Pск)S-Fтр)/m=((∆Pф+∆Pск)S/m (пренебрегая силой трения).

Расчетное значение ускорения сравнивается с допустимым ускорением (перегрузкой) и делается соответствующий вывод.

Допущения при расчете:

1. Изделие, выбранное для оценки, принимается как одно жесткое тело.

2. Принимается, что любой элемент, входящий в состав оцениваемого изделия, получает такое же ускорение, как и изделие в целом. При этом расчет необходимо вести по элементам (элементу), имеющим наименьшее допустимое ускорение (перегрузку).

 

Вариант 2. Если задаться допустимым ускорением, тогда:

; .

Расчетное допустимое сравнивается с предельным лобовым давлением - и делаются соответствующие выводы. Разрушения нет, если >ИТК объекта.

2.1.2 Оценка устойчивости объекта в целом к воздействию ударной волны

Рассмотрим вариант оценки устойчивости на примере участковой станции, имеющей локомотивное депо.

Предел устойчивости ИТК ΔРфпр участковой станции будет опре­деляться устойчивостью локомотивного депо, т.е. ИТК депо. При выходе из строя локомотивного депо станция теряет свои функции участковой, может работать как промежуточная станция при условии если сохранились пути.

Для выявления целесообразного ΔРфпр рекомендуется на основе расчетов составить сводную таблицу (см. табл. 13.1) устойчивости эле­ментов объекта к воздействию ударной волны (в табл.13.1 указаны лишь некоторые элементы станции, включая депо). Реально таблицы могут быть разработаны по подразделениям (локомотивное депо и т.д.) или от­дельно по зданиям, оборудованию, инженерным сетям и т.п.

Из табл.13.1 видно, что элементы станции выходят из строя при ΔРф, кПа, равных: здание депо - 35; станки средние - 30; станки легкие -17; блоки с ЧПУ - 12; крановое оборудование - 35; вводы энергетических сетей в здания - 22; котельная - 20; пассажирское здание - 20; остекление - 5. Убежище, путь, коммунально - энергетические сети в пределах указанных в таблице значений ΔРф не разрушаются.

В депо слабыми элементами являются станки легкие, блоки с ЧПУ, вводы энергетических сетей в здание, котельная. Целесообразным пределом повышения устойчивости указанных элементов можно считать ΔРфпр = 35 кПа, при превышении которого выходят из строя здание депо и крановое оборудование.

Выводы.

1. Пределом устойчивости участковой станции К к воздействию воздушной ударной волны может быть принято значение ΔРфпр = 35 кПа.

2. Пределы устойчивости к воздействию светового и теплового излучений и др. поражающих факторов должны соответствовать пределу устойчивости по ударной волне как основного фактора .

3. Целесообразно различными ИТМ и ОТМ по повыше­ниюустойчивости объекта в ЧС в ходе очередного ремонта, реконструкции или переоборудовании объекта повысить устойчивость отдельных элементов, которые имеют ее ниже предельного значения, т.е. до величины ΔРфпр = 35 кПа.

Возможные мероприятия по повышению устойчивости депо до ΔРфпр = 35 кПа изложены в учебном пособии кафедры.

 

2.2. Оценка устойчивости элементов объектов к воздействию теплового излучения

Критерием оценки может служить тепловой импульс (тепловая до­за) Q, кДж/м2. По величине теплового импульса, определенного расчет­ным путем для интересующих расстояний, и табличным данным, характе­ризующих теплостойкость (возгораемость) различных материалов, можно ориентировочно судить путем сравнения этих величин о возможности возгорания (обугливания, тления) различных материалов (элементов). По­вышение устойчивости отдельных элементов объекта можно добиться пу­тем замены легковоспламеняющихся материалов другими, более стойки­ми к тепловому воздействию. Но повышение устойчивости в целом всего объекта является сложной задачей. Решение подобной задачи усложняется тем, что на железнодорожной станции всегда имеются деревянные вагоны,платформы, грузы из сгораемых материалов, не говоря уже о ЛВЖ и взрывоопасных грузах. Помимо этого, на устойчивость объекта будут влиять и такие факторы как: плотность застройки объекта; степень разру­шения зданий и сооружений ударной волной; огнестойкость зданий и со­оружений; наличие соседних пожароопасных производств; категория промышленных зданий; метеоусловия; наличие сгораемых материалов на объекте. Как видим, оценка противопожарной устойчивости объекта сложна. Речь можно вести только лишь о вероятно­сти возникновения пожара на объекте.

Пожары возможны только в сохранившихся зданиях и сооружени­ях, получивших слабые или средние разрушения. В завалах полностью или сильно разрушенных зданий и сооружений возможны отдельные оча­ги тления и горения сгораемых материалов, к которым имеется доступ воздуха. Поэтому ориентировочно можно считать, что пожары могут воз­никать на тех расстояниях от центра взрыва, на которых величина ΔРф находится в пределах: для зданий I, II и III степени огнестойкости от 30 до 50 кПа, а для зданий IV и V степеней - до 20 кПа.

Плотность застройки объекта определяют в процентах как отноше­ние застроенной площади к общей площади объекта. Чем выше плотность застройки, тем благоприятнее условия для распространения пожара (см. таблицу).

Расстояние между зданиями, м
Вероятность распро­странения пожара, %

При плотности застройки территории объекта до 7% пожары прак­тически не распространяются, т.к. большие расстояния между зданиями исключают загорание соседних зданий из - за теплового излучения от го­рящих зданий. При плотности застройки от 7 до 20% могут распростра­няться отдельные пожары, а свыше 20% - вероятно возникновение сплошных пожаров.

Плотность застройки территории станции мала, но наличие под­вижного состава увеличивает опасность распространения огня.

Обеспечить абсолютную теплостойкость зданий и сооружений не­возможно. Поэтому следует стремиться увеличить теплостойкость сго­раемых материалов, имеющихся в здании, до какого - то рационального предела. Этим пределом может быть величина Q на таком расстоянии от центра взрыва, на котором ΔРф равно пределу устойчивости данного здания (сооружения) по ударной волне. То - есть, теплостойкость здания (сооружения) должна быть «согласована» с его ударной стойкостью. Нецеле­сообразно, например, повышать теплостойкость здания там, где оно может получить сильное или полное разрушение от ударной волны.

Взаимосвязь Q и ΔРф можно оценить зависимостью:

∆Рф, кПа
Q, кДж/м2 (МДж/ м2) 160 (0,16) (0,4) 800 (0,8) (1,2) 1600 (1,6) 2000 (2,0) 2800 (2,8)

 

Эта зависимость приведена для воздушного ЯВ для ясной погоды.

Вообще, с тепловым импульсом надо обращаться осторожно. Для строгой оценки необходимо учитывать не только величину теплового им­пульса, но и коэффициент поглощения материалов, коэффициенты тепло­проводности, температуропроводности, теплоемкость и плотность мате­риалов. Эти данные в лекции, как и строгая методика оценки температур­ного нагрева отдельных изделий ввиду ее сложности, не приводятся. Подобная методика излагается в технической литературе.

Кроме этого, надо учитывать и ориентацию объекта (изделия, эле­мента) к тепловому потоку, т.е. угол ά падения потока на изделие. Реаль­но величина теплового потока может уменьшаться в

cosά, q = qQ COS ά'.

Прогнозирование пожарной обстановки на объекте с учетом рас­смотренных факторов ведут в такой последовательности.

1. Устанавливают степень огнестойкости зданий и сооружений и категорию пожароопасности производства.

2. С учетом ожидаемого взрыва и удаления строений от его цен­тра определяют величину ∆Рф и по ней степень разрушения зданий и сооружений.

3. Для неразрушаемых зданий и сооружений, а также тех, которые получают получают слабые и средние разрушения, определяют вероятность их загорания по определенному тепловому импульсу с учетом их удаления от центра взрыва и их огнестойкости.

4. С учетом плотности застройки объекта прогнозируют вероятность распространения огня и пожарную обстановку на различное время после взрыва.

6. Намечают противопожарные мероприятия.

7. Определяют потребность сил и средств для тушения пожаров.

Пожарное отделение на автоцистерне способно вести борьбу с пожаром на фронте до 50 м.

Основные противопожарные мероприятия, проводимые на объекте, подробно изложены в учебном пособии ( часть вторая).