Методические аспекты предотвращения коррозионной опасности при эксплуатации стальных конструкций промышленных объектов
Методические аспекты предотвращения коррозионной опасности при эксплуатации стальных конструкций промышленных объектов
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы управления рисками технико-экономической защищённости с учетом опасности коррозионного разрушения конструкций и сооружений. Показано, что предотвращение аварийных ситуаций связано с реализацией требований конструктивной и технологической безопасности. Определены задачи развития инженерных, эксплуатационных, управленческих знаний и компетенций на основе существующей практики бизнес-процессов. Обоснован программно-целевой подход для оценки, анализа и принятия решений, устранения угроз и минимизации возможного ущерба.
Выполнена дифференциация уровня надёжности конструкций и сооружений для управления циклами развития мер защиты от коррозии. Представлены результаты системного анализа характера и интенсивности коррозионного разрушения конструкций в условиях длительной эксплуатации. Сформированы модели определительных параметров коррозионного состояния для оценки предельных состояний с учетом основных типов коррозионно-механического разрушения. Развиты положения мониторинга и риск-диагностики, систематизированы данные сценарных вариантов анализа технического состояния корродирующих конструкций.
Определено понятие потерь от коррозии, как индексного критерия принятия решений с учетом технико-технологических рисков. Раскрыты методические аспекты управления рисками технологической безопасности при эксплуатации и реконструкции промышленных объектов. Предложены практические меры по совершенствованию стратегии предотвращения коррозионного разрушения конструкций и сооружений путем концентрации ресурсов в условиях высокого риска.
1. Введение
Коррозионное разрушение является одним из основных недостатков строительных металлоконструкций для устранения которого требуются дополнительные затраты материальных ресурсов. В настоящее время около 50% металлофонда зданий и сооружений различных отраслей промышленности и сельского хозяйства работает в условиях средне- и сильноагрессивных воздействий. По данным экспертных оценок потери от коррозии составляют 10-15% всего производимого черного металла или 4-5% национального дохода , .
Проблема предотвращения коррозионного разрушения является важной составной частью комплексной задачи обеспечения технологической безопасности промышленных объектов. Кроме технических аспектов, связанных с безопасностью эксплуатации, обеспечение сохранности основных фондов имеет важный экологический характер. Аварии и разрушения металлоконструкций в результате низкого качества противокоррозионной защиты сопровождаются загрязнением среды и ухудшением экологической обстановки промышленных регионов.
В последние годы все более очевидной становится тенденция совершенствования нормативно-технических требований в области конструктивной безопасности при эксплуатации зданий и сооружений , , , , . Важным показателем механической прочности, устойчивости и экологической безопасности является уровень коррозионной опасности строительного объекта, определяющий критические интервалы снижения эксплуатационных характеристик конструкций и сооружений . Вместе с этим, рекомендации Пособия требуют актуализации в соответствии с положениями Градостроительного кодекса Российской Федерации, требованиями технических регламентов, национальных стандартов и сводов правил по поддержанию требуемого уровня надежности и механической безопасности , .
Как известно, безопасность характеризует техническое состояние, при котором объект соответствует функциональному назначению при наличии допустимого уровня риска. Нормальная эксплуатация зданий и сооружений в условиях деградационных процессов обеспечивается мерами в соответствии с принятой концепцией технического обслуживания:
· f – стратегии отказоустойчивости в течение всего жизненного цикла конструкций (fault-tolerance);
· s – стратегии обеспечения работоспособности по фактическому состоянию конструкций (survivability).
В новых экономических реалиях выбор стратегии технического обслуживания конструкций и сооружений связан с управлением эксплуатационными рисками объектов недвижимости для извлечения прибыли собственником при реализации бизнес-процессов на рынке товаров и услуг. Поэтому эффективный собственник должен иметь соответствующий инструментарий для измерения, оценки и принятия решений в соответствии целями, задачами и условиями предпринимательской деятельности и требованиями институциональных органов государственной власти. Многокритериальный подход к управлению надежностью конструкций и сооружений может быть реализован на основе программно-целевой стратегии управления технологической безопасностью промышленных объектов.
Цель статьи – совершенствование методического обоснования методов, моделей, механизма и практических рекомендаций по предотвращению коррозионной опасности на основе управления рисками технико-экономической защищенности конструкций и сооружений промышленных объектов.
Таким образом, проблема обеспечения технологической безопасности конструкций и сооружений промышленных объектов сводится к следующим аспектам:
· создания единой системы требований технико-экономической защищенности стальных конструкций в условиях коррозионных воздействий;
· формирования нормативно-технических положений конструктивной безопасности в части коррозионно-механического разрушения металлических конструкций;
· определения принципов зонирования и дифференциации определяющих параметров коррозионного состояния по уровню надежности конструкций и сооружений;
· выявления характера угроз и оценка уязвимости по данным мониторинга коррозионного состояния конструкций;
· разработки методов, критериев и процедуры выполнения риск-диагностики корродирующих конструкций для выявления остаточного ресурса;
· обоснования обобщенной структурной модели работоспособности для продления ресурса по уровню надежности в условиях коррозионной опасности;
· построения баз данных технико-экономической защищенности конструкций и сооружений промышленных объектов;
· разработки программ повышения квалификации специалистов в области обеспечения технологической безопасности промышленных объектов в основных отраслях экономики.
Постановка задач и практическая реализация стратегии технологической безопасности промышленных объектов отражает результаты работ Донбасского центра технологической безопасности (ДонЦТБ, г. Макеевка) ООО «Украинский институт стальных конструкций им. В.Н. Шимановского» . Отработка научно-методического сопровождения проблемы ресурса корродирующих металлических конструкций выполнена на более чем 500 объектах горнорудной, угольной, металлургической, машиностроительной, химической промышленности, инфраструктуры транспорта и связи Донбасса , .
2. Стратегия технологической безопасности
Поиск методологической платформы предотвращения коррозионной опасности промышленных объектов диктуется необходимостью развития требований конструктивной безопасности на основе оценки риска аварии , . Вместе с этим защищенность строительных объектов, наряду с требованиями конструктивной безопасности (пассивного барьера), определяется мерами технологической безопасности (активного барьера) . Активируемые барьеры устанавливаются на основе принципов DMAIC (Define, Measure, Analyze, Improve, Control), позволяющих выполнять мониторинг и риск-диагностику технического состояния конструкций. Управление технологической безопасностью включает обоснование, планирование, обеспечение, повышение и поддержание эксплуатационных параметров конструкций и сооружений, влияющих на выполнение производственной программы и качество продукции.
Стратегия мер технологической безопасности основана на пяти принципах DMAIC и включает:
· принятие на себя рисков мониторинга эксплуатационных параметров, технического обслуживания по фактическому состоянию конструкций и сооружений.
· перераспределения ответственности путем выполнения риск-диагностики с привлечением экспертных (специализированных) организаций.
Как следует из вышеизложенного, конструктивная безопасность регламентируется условиями надежности и живучести установленными при проектировании. В свою очередь, управление технологической безопасностью включает предотвращение коррозионной опасности с учетом приемлемого риска дополнительных мер технико-экономической защищенности. По сути понятия, технологическая безопасность представляет важную структурную составляющую безопасности предприятия, характеризующую систему мер для поддержания работоспособности, повышения эксплуатационных свойств конструкций и сооружений. Как правило, требования технологической безопасности реализуются по отношению к промышленным объектам, которые полностью или в значительной степени исчерпали свой нормативный ресурс и являются источником потенциальной опасности для функционирования, модернизации, реконструкции и продления срока эксплуатации .
Пренебрежение к нарушениям режима нормальной эксплуатации обуславливают изменения интенсивности воздействий агрессивных сред, необходимость корректировки расчетных моделей и расчетных ситуаций по признакам коррозионной опасности. Результатом игнорирования физико-химической природы коррозионного разрушения являются аварийные обрушения конструкций и сооружений, вызывающие чрезвычайные ситуации на промышленных объектах (рис. 1).
Рисунок 1 - Последствия аварий, сопровождающие коррозионные повреждения конструкций и сооружений
Примечание: а - прогрессирующее разрушение конструкций покрытия; б - разрушение коксовой батареи при взрыве, вызванном утечкой газа в трубопроводе
Рисунок 2 - Стратегия программно-целевого развития циклов коррозионной защищенности
Регулирование мер предотвращения коррозионной опасности производится на основании оценки степени риска (Ri, балл) технологической безопасности в зависимости от уровня надежности средств защиты, значимости угрозы и категории уязвимости объектов (табл. 1).
Использование мер анализа уровня надежности по признакам коррозионной опасности (КI-КV), согласно процедуре HAZOP и норм менеджмента рисков IEC/ISO 31010, снижает влияние «человеческого фактора» и позволяет принимать решения по регулированию коррозионной защищенности (ZI-ZIV) исходя из приемлемых вариантов защиты.
Таблица 1 - Степень риска технологической безопасности
Уровень надежности средств защиты | Значимость угрозы (категория технического состояния) | |||||||||||||||
Низкая (I) | Ограниченная (II) | Средняя (III) | Высокая (IV) | Предельная (V) | ||||||||||||
Категория уязвимости (ответственности) | ||||||||||||||||
В | Б | А | В | Б | А | В | Б | А | В | Б | А | В | Б | А | ||
ZI | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | |
ZII | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | |
ZIII | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | |
ZIV | 2 | 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | |
КI | 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | |
КII | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | 9 | |
КIII | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | 9 | 9 | |
КIV | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | 9 | 9 | 10 | |
КV | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | 9 | 9 | 10 | 10 |
3. Системный анализ конструктивной безопасности
В государственных программах на 1981 – 1985 годы и на период до 1990 года значительное внимание уделялось вопросам повышения долговечности и износостойкости, выявлению остаточной несущей способности и пригодности конструкций и сооружений к дальнейшей эксплуатации, выполнению мер по обеспечению расчетного срока службы в процессе реконструкции или восстановления зданий и сооружений предприятий черной металлургии, а также зданий и сооружений ведущих отраслей экономики (машиностроение, энергетика и др.) . Благодаря концентрации усилий при решении отраслевой научно-технической проблемы 0.55.16.101 «Разработать и внедрить эффективные методы и средства антикоррозионной защиты строительных конструкций» была выполнена систематизация экспериментальных данных исследований: степени агрессивности воздействий, коррозионной стойкости конструкций и их защитных покрытий, эффективности новых материалов и технологий защиты от коррозии. Кроме разработки новых норм СНиП 2.03.11-85, вопросы контроля коррозионного состояния и восстановления защиты от коррозии нашли отражение в Пособии , подготовленном ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова.
Важность создания долговечных и экономичных конструкций, способных длительное время сохранять работоспособность при установленных физико-химических воздействиях, обоснована в работах ведущих научных школ в области металлостроительства .
Предотвращение коррозионной опасности промышленных объектов выдвигает на первый план определение угроз и источников агрессивных воздействий, а также выявления видов коррозионных повреждений. Вместе с этим принципиальным вопросом определения конструктивной безопасности является оценка степени коррозионного повреждения, характеризующая утрату первоначальных технико-эксплуатационных свойств (прочности, устойчивости, надежности и пр.) в результате влияния природно-техногенных факторов. К сожалению, рекомендации Пособия не раскрывают процедуру управления надежностью корродирующих конструкций с учетом положений метода предельных состояний.
Как известно, основные требования EN 1990 по обеспечению качества и надежности конструкций предусматривают выполнение расчета с использованием частных коэффициентов безопасности, представленных в EN 1990, и сочетаний нагрузок EN 1991. Обеспечение конструктивной безопасности осуществляется по правилам, установленным в EN 1993. Таким образом, управление надежностью и безопасностью достигается путем задания расчетных требований и соответствующих методов технического обслуживания конструкций и сооружений.
Рисунок 3 - Схема управления технологической безопасностью объектов
Таблица 2 - Определительные параметры коррозионного состояния
Шкала стойкости металлов и покрытий | Категория отвественности конструкций | Коэффициенты надежности | ||||
Группа стойкости по ГОСТ 13819 | Оценка стой-кости, балл | Глубина поражения,мм/год | Класс первичной и вторичной защиты по СП 28.1330.2017 | |||
Первичной защиты, gzк | Вторичной защиты, gzn | |||||
Нестойкие (IV) | 8 7 | 1–5 0,5–1 | I | C4 | От 0,80 до 0,85 | От 0,85 до 0,90 |
Пониженно-стойкие (III) | 6 5 | 0,1–0,5 0,05–0,1 | II | С3 | » 0,85 » 0,90 | » 0,90 » 0,95 |
Удовлетворительно стойкие (II) | 4 3 | 0,01–0,05 0,005–0,01 | III | С2 | » 0,90 » 0,95 | » 0,95 » 0,99 |
Стойкие (I) | 2
1 | 0,001–0,005 Менее 0,001 | IV | С1 | » 0,95 » 0,99 | » 0,99 »1,00 |
Таким образом, сбор и систематизация данных, характеризующих изменчивость агрессивных воздействий, свойств материалов и условий работы конструкций и сооружений, для управления технологической безопасностью (см. рис. 3), позволяет использовать методические подходы и требования управления надежностью EN 1990, EN 1991 и EN 1993.
Таблица 3 - Частные коэффициенты предельных состояний по коррозионной опасности
Основные переменные коррозионной опасности | Частные коэффициенты надежности | ||||
Условия EN 1990 | Условия выявления коррозионной опасности | ||||
Наименование | Обозначение | Наименование | Обозначение | ||
Воздействия | Коэффициент надежности по воздействиям | gf | Коэффициент надежности по агрессивным воздействиям | gfk | |
Материалы, покрытия | Коэффициент надежности свойств материала | gm | Коэффициент надежности по коррозионной стойкости материала | gmk | |
Коэффициенты надежности первичной защиты | gzк | ||||
Коэффициенты надежности вторичной защиты | gzn | ||||
Эффекты воздействий | Коэффициент учета эффекта воздействий | gSd | Коэффициент коррозионного состояния | gzf |
Системные задачи мониторинга и риск-диагностики конструктивной безопасности рассматриваются на основе зонирования факторов коррозионных воздействий и формирования однородных групп конструктивных элементов по параметрам средств защиты . При этом формирование выборок данных коррозионно-механического разрушения для оценивания частных коэффициентов производится по объектно-функциональным признакам конструкций и сооружений с помощью расчетных зависимостей основных моделей ОПКС (табл. 4).
Статистический контроль эксплуатационных характеристик конструкций и сооружений обеспечивает фиксацию пространственно-временных интервалов коррозионной опасности промышленных объектов, обоснование превентивных мер по рекомендациям квалиметричного мониторинга (протокол службы технической эксплуатации объекта) и риск-диагностики корродирующих конструкций (заключение экспертной организации).
Таблица 4 - Модели ОПКС для формирования выборок данных коррозионного разрушения
Рисунок 4 - Результаты оценки интенсивности коррозионных воздействий
Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма назначения ресурса (Tnγ, год) по заданным условиям технического обслуживания
4. Технико-экономические регуляторы безопасности
Рисунок 6 - Процессный подход к предотвращению коррозионной опасности при эксплуатации промышленных объектов
Экономический ущерб предприятию в связи с коррозионным разрушением основных фондов включает следующие слагаемые:
· потери прибыли вследствие недополучения продукции при внеплановых простоях оборудования;
· дополнительные расходы на проведение текущих и капитальных ремонтов, вызванные сокращением межремонтных периодов и увеличением трудоемкости и материалоемкости;
· потери предприятия от недоамортизации зданий и сооружений в связи с сокращением сроков их службы;
· сопутствующие дополнительные расходы, обусловленные предупреждением повышенного износа основных фондов или компенсацией возникающих при этом затрат на противокоррозионную защиту.
В советский период объективный анализ экономической эффективности средств защиты по отраслям экономики выполнялся путем учета потерь от коррозии и затрат на противокоррозионную защиту по форме статистической отчетности № 1-кор. Условия рыночной экономики диктуют необходимость использования интегральных критериев (индексов) на основе методов риск-анализа циклов развития технико-экономической защищенности промышленных объектов.
Функционирование организационно-экономического механизма предотвращения коррозионной опасности зависит от признаков рискпонижающих моделей, реализуемых при технической эксплуатации конструкций и сооружений:
· модель антикризисного управления отражает состояние деградации и разрушения промышленных объектов;
· модель затратного инерционного развития характеризует отсутствие экономических условий стимулирования и роста показателей эффективности функционирования предприятий, отсутствие инновационных проектов и программ развития, сдерживание модернизации и технологического обновления основных фондов;
· стимулирующая модель приобретает значение при частичном отказе от ограничений инерционного развития и необходимости реализации конкурентного потенциала;
· модель инновационно-инвестиционного развития находит применение для преобразования инновационных факторов в основной источник экономического роста.
Рассмотрение технико-экономических факторов сценарных вариантов по циклам развития средств защиты (см. рис. 2) предлагается выполнять с учетом индекса предотвращения коррозии (ИПК) в виде:
где КСПК – компенсационная составляющая потерь от коррозии, р.;
ЗСЗК – затраты системы защиты от коррозии, р.
Показатель ЗСЗК учитывает вариабельность затрат на меры первичной (ССПЗ) и вторичной (ССВЗ) защиты:
где ССПЗ – стоимость средств первичной защиты, р.;
ССВЗ – стоимость средств первичной защиты, р.
Норма доходности (НД) инноваций циклов развития средств защиты имеет вид:
где ЭЭСЗ – экономическая эффективность средств защиты, р.
Показатель интегральной эффективности (ИЭ, р/м2год) определяется на основе зависимости:
где РПП – развернутая площадь поверхности, м2;
СЗК – срок защиты от коррозии, год.
Следует отметить, что компенсационная составляющая коррозионных потерь (КСПК, р.) рассчитывается по средней закупочной стоимости металлолома на момент выполнения мониторинга коррозионной опасности, согласно установленным данным о степени агрессивности воздействий (см. рис. 4) и развернутой поверхностью конструкций. Таким образом, индексные технико-экономические регуляторы (ИПК, НД, ИЭ) обеспечивают сравнительный анализ сценарных вариантов технико-экономической защищенности независимо от рыночных колебаний стоимости материалов и услуг по защите от коррозии конструкций и сооружений. Применение сбалансированной системы индексов технико-экономической защищенности отражает принципы «бережливого хозяйствования» концепции Lean Six Sigma.
5. Заключение
Эффективность выявления, анализа и предупреждения коррозионной опасности на основе мер конструктивной и технологической безопасности может быть обеспечена при реализации программно-целевого подхода к управлению с учетом приемлемых рисков. Разумные компромиссы, связанные с проявлением негативных факторов (убытками) и возможностями циклов развития средств защиты от коррозии, определяются на производственных объектах путем обоснования данных технико-экономической защищенности конструкций и сооружений.
Проблемы и трудности, сопровождающие коррозионное разрушение стальных конструкций, диктуют необходимость дифференциации уровней надежности противокоррозионной защиты. В значительной степени угрозы аварийных ситуаций, утрата работоспособности конструкций вызваны неопределенностью параметров технического состояния, отсутствием регламентных процедур и расчетных моделей оценки коррозионной опасности по критериям предельных состояний.
Знания и осведомленность в области коррозии и противокоррозионной защиты необходимо трансформировать, принимая во внимание современные практики регулирования надежности и предупреждения техногенных рисков. Основные положения и требования контроля и восстановления эксплуатационных параметров работоспособности Пособия следует привести в соответствие с критериями методики оценки предельных состояний . Кроме формализации нормативно-методического сопровождения вопросов мониторинга и риск-диагностики корродирующих конструкций, требуется существенно улучшить деятельность служб менеджмента при постановке и регламентации задач программно-целевого развития на протяжении жизненного цикла производственных объектов.
Политика руководства в области постоянного улучшения качества и безопасности, декларирование уровней ответственности, вовлечение эксплуатационного персонала в процессы предотвращения рисков коррозионного разрушения конструкций являются неотъемлемыми элементами стратегии обеспечения технологической безопасности (см. рис. 6). Удовлетворенность собственника показателями превентивного управления связана с достижением заявленных целей технического обслуживания конструкций и сооружений при минимизации рисков технико-экономической защищенности. Важная роль в интеграции положений конструктивной и технологической безопасности принадлежит цифровизации знаний и повышению квалификации персонала, задействованного по направлениям предотвращения аварийных ситуаций промышленных объектов.
Положения нормирования уровня надёжности нашли отражение при разработке стандарта по защите от коррозии металлических конструкций . Разработанная стратегия получила опыт применения на объектах ПАО «Донецксталь»-металлургический завод», ПАО «Металлургический комбинат «Азовсталь» (г. Мариуполь) в 2008-2015 гг. .