Управление Ростехнадзора по Калужской области

Эксплуатация взрывопожароопасных объектов в условиях сейсмических рисков


В сейсмическом исполнении

Безаварийность работы любой технологической системы зависит от надежности ее отдельных элементов и требует от них равнопрочных характеристик. В этой связи правомерен вопрос определения «условного равного уровня безопасности» для каждой отдельной производственной единицы. В противном случае усиление одного звена технологической цепи без соответствующего усиления других не сделает систему безопасной в целом, более того, с экономической точки зрения такое решение будет являться в высшей степени нерациональным.

В свою очередь, «условный равный уровень безопасности» технологического оборудования требует высокого уровня прочности конструктивных элементов зданий и сооружений, а также технологического и электротехнического оборудования и электронных средств управления производством. Несмотря на всю очевидность, в такой постановке задача никогда не решалась. Отсюда возникает правомерный вопрос: если здание не разрушается при силе землетрясения в 6 баллов, а технологическое оборудование или коммуникационные устройства имеют значительно меньший пороговый уровень прочности, будет ли система физически устойчивой и работоспособной? Безусловно, нет.

Вопросами прочности и устойчивости зданий и сооружений при землетрясениях наука занимается давно. Среди многих причин, сопутствующих развитию этого направления защиты, одна из главных –сохранение жизни людей. В 1997 году был разработан комплект карт ОСР-97, указывающих расчетную сейсмическую интенсивность для средних грунтовых условий. В список населенных пунктов, расположенных в сейсмически опасных районах, вошли многие области Урала и Поволжья: Свердловская, Волгоградская, Саратовская, Челябинская области, а также республики Башкортостан, Татарстан и Пермский край – регионы, которые ранее к рисковым не относились. Это означает, что взрывопожароопасные предприятия на этих территориях подвержены высокому риску.

Главный документ СНиП II-7-81 «Сейсмостойкое строительство» предусматривает необходимость разработки сейсмостойких конструктивных мероприятий при сейсмических воздействиях выше 6 баллов. Одновременно с этим анализ последствий землетрясений, имевших место в нашей стране и за рубежом, говорит о том, что землетрясения интенсивностью 6– баллов и ниже выводят из строя более чувствительные элементы технических систем. Примером тому может служить Джамбульское землетрясение интенсивностью 7 баллов (май 1971 года). Характерно, что тогда остались практически неповрежденными строительные конструкции, но на многих подстанциях были разрушены выключатели, разрядники, изоляторы и маслонаполненные вводы с соответствующим выходом из строя всех систем энергообеспечения.

Сейсмические воздействия даже малой интенсивности способны поставить сложные задачи. Это выражается в том, что на объектах газовой, химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, где используется разнообразное электротехническое оборудование, имеющее различные динамические характеристики и несейсмически исполненное, при землетрясениях последуют нарушение в обеспечении электроэнергией и потеря управляемости производством. Не случайно на таких опасных объектах, как атомные электростанции, рекомендуется учитывать сейсмические воздействия начиная с 4 баллов, а все электротехническое оборудование должно поставляться в сейсмостойком исполнении.

Методология определения уровней сейсмостойкости различных видов оборудования разработана достаточно хорошо. Одним из определяющих документов является ГОСТ 17516.1-90 «Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам». В этом документе определены требования к сейсмостойкости (устойчивости и прочности) при синусоидальной вибрации в течение 1 минуты. ГОСТ 30546.1-98 «Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости» устанавливает классификацию технических изделий и уровни сейсмических нагрузок на эти изделия в зависимости от интенсивности землетрясений и места их размещения. Это имеет важное значение, поскольку с увеличением отметок установки изделий над нулевыми отметками уровень ускорений возрастает в несколько раз. ГОСТ 30546.3-98 регламентирует методы определения сейсмостойкости машин, приборов и других технических изделий, установленных на местах эксплуатации, и порядок их аттестации и сертификации на сейсмическую безопасность. Разработаны методы индикации резонансных частот конструкций (ГОСТ 20.57.406-81) и определения низших резонансных частот и другие.

Несмотря на достаточно глубокую проработку этих вопросов, на опасных производственных объектах газовой, нефтяной, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности оборудование, аттестованное на сейсмостойкость, практически не встречается. Не имеют о нем представления и ведущие специалисты.

Известно, что наибольшую опасность для зданий и сооружений представляют низкочастотные землетрясения с частотой до 10 Гц. При этом с уменьшением жесткости, то есть с увеличением периодов свободных колебаний зданий или сооружений, расчетная сейсмическая нагрузка может снижаться почти в 4 раза. А с учетом того, что землетрясения могут иметь интенсивность от 7 до 9 баллов, расчетные нагрузки могут различаться в 12 – 14 раз. И еще следует заметить, что спектры сейсмической реакции зданий или сооружений имеют максимальное значение у тех объектов, у которых периоды собственных колебаний близки к преобладающим периодам колебаний грунта.

Для электротехнического оборудования и различных приборов и устройств автоматики и систем управления технологическими процессами высокочастотные резонансные колебания являются наиболее опасными. А с учетом того, что декременты (убывание) колебаний таких устройств значительно меньше декрементов колебаний строительных конструкций, резонансные колебания могут приводить к ускорениям, в десятки раз превышающим ускорения оснований, на которых установлены эти устройства. К тому же на верхних этажах (ярусах), где размещается оборудование, сейсмический эффект может возрастать на 1 – 2 балла. Именно по этой причине известны многочисленные факты, когда строительные конструкции остаются неповрежденными, а выходят из строя, прежде всего, фрагменты оборудования, особенно те, в составе которых имеются детали, обладающие высокой хрупкостью.

Основные правила защиты сводятся к нескольким формулам, в том числе:

■ силовые щиты должны иметь прочность из условия многократного превышения статической нагрузки;

■ нельзя допускать консольное крепление внутренних устройств;

■ для крепления комплектующих элементов необходимо принимать более четырех точек;

■ необходимо ограничивать применение хрупких конструкционных материалов, таких как стекло, керамика, фарфор, силумин, пластмассовые корпусные детали и так далее.

Известны решения, при которых секции шкафов преобразователей усиливаются дополнительными рамами жесткости, при этом болтовым соединениям дается предпочтение по сравнению со сварными.

Однако наиболее приемлемым вариантом является применение податливых креплений (местной амортизации). Сюда можно отнести резину в виде прокладок в узлах крепления, высокоуглеродистые пружинные стали, воздух в пневматических амортизаторах, жидкость в гидравлических амортизаторах и прочее. При этом считается, что амортизаторами могут быть любые упругие элементы, жесткость которых значительно меньше жесткости защищаемых элементов. На наш взгляд, наибольшего эффекта в данном случае можно добиться, применяя упругопластические амортизаторы (элементы крепления защищаемых объектов), которые в обычных условиях, без сейсмических воздействий, работают в упругой стадии, а в случае ударных нагрузок, в том числе кинематических, вызываемых землетрясениями, работают в стадии пластического деформирования. Известно, где имеются пластические деформации, там отсутствуют колебания.

Безусловно, рассчитывать на гармонические воздействия в условиях землетрясений не приходится. Как правило, колебательные процессы оснований являются непериодическими с переменными амплитудами и периодами, в том числе они могут быть импульсивными, носят случайный характер. Таким образом, для решения нашей задачи необходимо иметь акселерограммы сейсмического движения грунта, зарегистрированные в конкретном районе. А если учитывать, что многие виды оборудования размещаются непосредственно на конструкциях зданий или сооружений, которые, в свою очередь, имеют индивидуальные динамические характеристики, то задача становится еще сложней. Для этого кроме акселерограмм сейсмического движения грунта необходимо иметь еще амплитудно-частотные характеристики конструкций зданий.

Эту проблему можно решить методом регистрации землетрясений малых энергий или с помощью специальной организации промышленных взрывов. Известный метод сейсмических жесткостей позволяет определять приращение сейсмической интенсивности за счет различия сейсмической жесткости грунтов на изучаемых и эталонных участках. С помощью этого метода возможен прогноз резонансных явлений, возникающих в особых условиях сочетаний грунтовых пластов.

Для многих видов оборудования, имеющего небольшие массы, хорошо подходят стержневые амортизаторы в виде криволинейных элементов, работающих на изгиб, сжатие, растяжение, кручение или на сочетание этих деформаций. Эти элементы преобразуют кинетическую энергию удара в работу упругопластической деформации и работают в упругом и пластическом режимах. При этом вид характеристики «усилие-перемещение» определяется конструкцией и размером упругопластических элементов, их количеством, механическими свойствами материала и формой очагов деформации (пластических шарниров).

Использование упругопластических амортизаторов позволяет защищать действующее электротехническое оборудование, приборы и устройства, предназначенные для управления производством, без их замены на новые сейсмостойкие системы и элементы. Одновременно большая энергоемкость, низкая материалоемкость, простота изготовления и практически неограниченный ресурс использования, не требующий регламентного обслуживания, делают ее экономически привлекательной и целесообразной.