ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ
ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ
ГОЛІКОВ АНТОН ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 656.614-3.073.436
ПІДВИЩЕННЯ БЕЗПЕКИ МОРЕПЛАВСТВА ПРИ ТРАНСПОРТУВАННІ НЕБЕЗПЕЧНИХ НАВАЛЮВАЛЬНИХ ВАНТАЖІВ
05.22.16 – судноводіння
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса-2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Цимбал Микола Миколайович,
Одеська національна морська академія, декан факультету
морського судноводіння, завідуючий кафедрою морських
перевезень
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гладких Ігор Іванович,
Одеська національна морська академія, декан факультету
Судноводіння на морських і внутрішніх водних шляхах,
завідуючий кафедрою гідрографії та морської геодезії
кандидат технічних наук Васьков Юрії Юрійович,
Одеський морський торговельний порт, перший заступник
начальника
Провідна установа: Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова,
Міністерства освіти і науки України, Миколаїв
Захист відбудеться 20 квітня 2006р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.
Автореферат розісланий 20 березня 2006 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Голіков В.А
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Збільшення експорту та транзиту небезпечних навалювальних вантажів (ННВ) через порти України загострює екологічну загрозу та проблему безпеки мореплавства під час перевезень. Багатогранність цієї проблеми висвітлена у працях: О.А. Щипцова, Л.Л Вагущенка, В.М. Кошового, О.Е Потьомкіна, А.С Мальцева, М.С Алексійчука, пов’язаних з навігаційною безпекою; В.Г. Сизова, Ю.Л. Воробйова, В.О. Некрасова, В.М. Бондаря, Г.В. Єгорова, В.В. Зайцева, пов’язаних з морехідною та конструктивною безпекою; М.Є. Барановського, В.М. Коробцова, В.К. Козирева, П.П. Овчиннікова, М.М. Цимбала, В.О. Чикановского, В.Д. Савчука, пов’язаних з вантажною безпекою; Л.М. Шафрана, А.М. Войтенко, В.А. Голікова, пов’язаних з еколого-санітарною безпекою.
Однак, найбільш комплексним остається негативний вплив небезпечного вантажу на усі складові безпеки мореплавства. Практична складова цієї проблеми полягає у відставанні від попиту технічних засобів запобігання аварійних ситуацій, нормативної, інструктивної та методичної документації по забезпеченню життєдіяльності людей та повної цілості вантажу. Теоретична складова проблеми пов’язана з браком та невизначеністю теоретичних результатів для прийняття рішень щодо процесів виникнення небезпечних умов з боку вантажу під час морських перевезень.
У зв’язку з наведеним, актуальність теми дисертації пов’язана з необхідністю розширення теоретичних та експериментальних досліджень по створенню умов гарантованої безпеки судна і людей з застосуванням технічних засобів для запобігання розповсюдження шкідливого і пожеженебезпечного вантажу при масовому переміщенні та транспортуванні.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася в рамках планових наукових досліджень Одеської національної морської академії, де автор був виконавцем етапів за темами:
· “Теорія і практика кондиціонування повітря на суднах” (ДР№0104U000712);
· “Удосконалення методів безпечного судноводіння у складних умовах плавання” (ДР№0103 U006406);
· “Розробка теоретичних основ управління адаптивними системами кондиціювання повітря на суднах” (ДР№0198 U001697);
· “Науково-технічне обґрунтування та авторський нагляд за виготовленням і введенням до експлуатації системи пилопоглинання у залізничних вагонах та трюмах суден при перевантаженні сірки, а також кам’яного вугілля та інших навалювальних вантажів в порту Маріуполь” (ДР№0101 U000718);
Мета та задачі дослідження. Мета дослідження - розробка комплексу організаційних, технологічних та технічних заходів по забезпеченню гарантованої вантажної безпеки при транспортуванні ННВ.
Для досягнення мети дослідження була вирішена головна задача дослідження – розробка методу поглинання дисперсної фази (пилу) вантажу при операціях перевантаження. Для цього було поставлено ряд допоміжних задач системного аналізу:
· здійснення системного аналізу ендогенних (антропогенних) екологічно небезпечних процесів у системі “трюм – вантаж - навколишнє середовище”;
· дослідження та опис процесу зміни гранулометричного складу вантажу при перевантаженні;
· дослідження та опис процесу генерації дисперсної фази вантажу у атмосфері;
· дослідження та опис процесу генерації дисперсної фази вантажу у трюмі;
· дослідження та опис процесу генерації аерозолів абсорбенту у об’ємі вантажного приміщення;
· розробка метода та засобів пилопоглинання у залізничних вагонах та трюмах судна;
· розробка заходів та практичних рекомендацій по підвищенню безпеки мореплавства при перевезенні ННВ.
Об’єкт дослідження - процеси перевантаження та морського перевезення ННВ.
Предмет дослідження – вантажна безпека мореплавства, цілість вантажу, життєдіяльність екіпажу.
Методи дослідження. У роботі використано методи системного аналізу (декомпозиції, синтезу), методи математичного моделювання, рівняння математичної фізики, методи ідентифікації, експериментальні методи, статистичні методи, чисельні методи.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вантажна безпека підтримується методом керованого впливу на концентрацію дисперсної фази ННВ у атмосфері судна і вантажних приміщеннях шляхом її абсорбції краплинами рідини, які розпилюються системою пилопоглинання з коефіцієнтом зрощення не нижче 3•10-3 відносно маси вантажу.
Вперше одержані такі наукові результати:
1. Об’єктом управління у системі “трюм – вантаж - навколишнє середовище” є трюм, параметром регулювання – концентрація дисперсної фази вантажу у атмосфері трюму, збурюючим фактором - дисперсна складова вантажу; регулюючим впливом – витрати абсорбенту.
2. У процесі перевантаження встановлене циклічне пилоутворення пожеженебезпечних концентрацій дисперсної фази ННВ (комової сірки) тривалістю біля 270с у місцях підйому та розвантаження з виникненням спалахів пилу локального характеру у атмосфері тривалістю 45 – 60 секунд та килимового характеру по поверхні вантажу з переходом до локальних осередків займання вантажу, тушіння яких триває 1,5-2 години з зупинкою вантажних операцій. Втрати комової сірки за термін перевезення складають: 0,2% - знос у навколишнє середовище; 0,03% - згоряння. Концентрація пилу комової сірки у атмосфері навколишнього середовища під час перевантаження перевищує ПДКр.з. у 100 разів, а продуктів згорання: H2S – у 35, SO2 – у 42, CO – у 57 разів відносно ПДКр.з..
3. У процесі перевантаження комової сірки грейферами гранулометричний склад вантажу змінюється з 0 до 40%, причому пилоутворююча його частина розміром до 0,063 мк збільшується з 12 до 18 %, а її питома вага експоненціальне залежить від діаметру часток.
4. Аналітичні моделі динаміки процесів генерації дисперсної фази вантажу у відкритому просторі та замкнутих об’ємах вантажних приміщень, які визначають висоту підйому часток пилу та швидкість їх унесення в момент виходу за межі трюму при падінні вантажу, а також необхідну енергію та швидкість руху часток абсорбенту для створення поглинаючого ефекту.
5. Аналітична модель, що встановлює лінійну залежність питомої дисперсної маси комової сірки у атмосфері трюмного простору в залежності від питомої маси її дисперсної складової та висоти падіння вантажу.
6. Імітаційні моделі розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі і поглинателя, які визначають взаємозв’язки між конструктивними та режимними характеристиками розпилювачів рідини і розміром часток взаємодіючих середовищ.
7. Вантажна безпека здійснюється регулюванням концентрації пилу вантажу за принципом збурення шляхом дискретної подачі поглинаючої рідині, за термін знаходження вантажного пристрою у трюмі, гідроаеродинамічними розпилювачами з загальними масовими витратами 0,5 кг/с для поглинання пилу комової сірки. Удосконалені організаційні, технологічні та технічні заходи та засоби, застосування яких гарантує безпеку мореплавства суден при перевезенні сірки.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математичні моделі, методики, алгоритми, схеми, пристрої дають можливість судноводіям, екологам, технологам перевантажувальних комплексів портів, службам санітарно-гігієнічного нагляду та особам, що приймають рішення по своєчасному забезпеченню безпеки виробництва, здійснювати екологічний контроль навколишнього середовища та оперативно реагувати за допомогою системи підтримки прийняття безпечних рішень у позаштатних та кризових ситуаціях, а суднобудівельним проектно-дослідним організаціям – створити зразки нової техніки.
Упровадження: “Система пилопоглинання пилу ННВ” ( ТОВ Укрмарінсервіс м. Одеса) – при проектуванні: математична модель розповсюдження поглинателя у атмосфері та методика конструктивного розрахунку розпилювачів рідини. “
Багатокомпонентна система пилопоглинання комової сірки та кам’яного вугілля в залізничних вагонах, транспортерах та трюмах суден” ( Маріупольський морський торговельний порт) - при випробуваннях: математичні моделі процесів генерації дисперсної фази вантажу у відкритому просторі та замкнутих об’ємах вантажних приміщень, розповсюдження дисперсної фази вантажу і поглинателя у повітряному просторі трюмів і залізничних вагонів.“
Робоча технологічна карта перевантаження” (Маріупольський морський торговельний порт).“
Карта технологічного режиму цілості перевезення ННВ” (судноплавна компанія “Укркомфлот” м. Одеса, судноплавна компанія “Nardex International Limited. 28, Irish Town, Gibraltar”, m/v “NARDEX”, ,);
“Рекомендації капітанам суден при транспортуванні ННВ”( Держфлотінспекція України, м. Київ).“
Програмне забезпечення і методика застосовуються в навчальному процесі при виконані курсових робіт, дипломних проектів курсантів і магістрів Одеської національної морської академії”.
Особистий внесок здобувача в одержані наукових результатів, викладених у дисертації, полягає у постановці цілей, формуванні задач досліджень, одержані експериментальних даних, проведені натурних виробничих і лабораторних досліджень і випробувань, побудові математичних моделей, а також участі у технічному виконанні створених на основі проведених теоретичних розробок, систем, пристроїв і приладів. В останньому випадку ступінь особистої участі автора становить 60 відсотків. У створенні зразків техніки брали участь Бажанов О.О., Деркач О.Т., к.т.н., проф. Голіков О.А.. Автор висловлює подяку д.мед.н., проф. Шафрану Л.М., к.мед.н., с.н.с. Білоброву Є.П., за консультації у процесі проведення санітарно-гігієнічних досліджень з хімічної безпеки екіпажів суден; Сидорову О.В, Кротову А.Г. за консультації з технології транспортування ННВ; д.ф-м..н., проф. Попову В.Г., к.ф-м.н., доц.. Воробйову В.Л. , д.т.н., проф. Голікову В.А. за консультації у процесі проведень досліджень з математичного моделювання.
Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень повідомлені і схвалені на наукових і науково-методичних конференціях: 54-й науковій та науково-методичній конференції професорського - викладацького складу та курсантів, м. Одеса, ОНМА, 23-26 квітня 2002р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасне судноплавство і морська освіта”, м. Одеса, ОНМА, 2004р.; Четвертій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми екології та енергозбереження у суднобудуванні”, Національний університет кораблебудування ім.. адм. Макарова, м. Миколаїв, 2005р.; Міжнародній конференції “Проблеми екологічної безпеки транспортних коридорів в чорноморському регіоні”, ОЦНТЕПИ, м. Одеса, 2003 р.
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 9 наукових працях, у тому числі в 5 статтях фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України, 4 статтях у працях міжнародних конференцій.
Структура роботи. Робота складається з вступу, п’яти розділів, чотирьох. додатків, загальний обсяг роботи 180 стор., містить36 мал., і 12 табл., список літератури 145 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.
У вступі визначено актуальність теми дисертації, мету та задачі дослідження, сформульовано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, надано відомості про апробації та публікації.
У першому розділі здійснено огляд існуючої літератури за досліджуваним напрямком минулих та новітніх досліджень. Огляду, у першу чергу, підлягали міжнародні та національні стандарти безпеки мореплавання та її різноманітні напрямки: навігаційний, морехідний, конструктивний, вантажний та санітарно-екологічний. Особлива увага в роботах О.А. Щипцова, В.М. Кошового, І.І. Гладких, С.Ю. Інфімовського, В.Г. Алексішина приділяється проблемі забезпечення навігаційної безпеки мореплавання у територіальних та внутрішніх водах України. Особливості безпеки управління судном у стислих умовах плавання присвячені роботи Ю.Л. Воробйова, Л.Л. Вагущенка, Л.А. Козиря, А.С. Мальцева, М.С. Алексійчука, в яких відмічається необхідність системного підходу до цієї проблеми. Проблеми морехідності та конструктивної безпеки найшли своє відображення в роботах В.Г. Сизова, В.В. Зайцева, Г.В. Єгорова, В.В. Козлякова, В.А. Некрасова, В.М. Бондаря направлених на забезпечення морехідної якості суден, їх поворотності та керованості. Вантажній безпеці присвячені роботи Л.Р. Аксютина, М.Є. Барановського, В.І. Снопкова, В.К. Козирева, В.М. Коробцова, А.Є. Сліцана, М.М. Цимбала, В.Д. Савчука, Л.Л. Ніколаєвої, Ю.Ю. Васькова, в яких відмічається стурбованість відносно послідовної комплексності причин аварій суден, пов’язаних з фактором небезпечності вантажу: загазованість – вибух – пожежа – втрата плавучості – розламування – перекидання.
Санітарно – екологічній безпеці мореплавання присвячені роботи О.Е. Потьомкіна, В.А. Голікова, В.О. Чикановського, А.М. Войтенко, Ю.М. Стенько, Л.М Шафрана, де визначені правові основи охорони навколишнього середовища судна, джерела його забруднення і отруєння, досліджений вплив шкідливих та небезпечних факторів, пов’язаних з особливостями впливу вантажу на флору, фауну та організм людини. Запропоновані різноманітні заходи і засоби зниження токсичності та пожежонебезпеки. Звертається увага на недостатність теоретичних розробок відносно механізмів генерації небезпек, особливо під час перевантажувальних операцій з вантажем, та відсутність універсальних технічних засобів боротьби з пилом.
Здійснений інформаційний пошук сучасних заходів, способів та засобів зниження рівня забруднення атмосфери пилом ННВ підтвердив наявність проблеми пов’язаної з нестачею системності досліджень, теоретичної бази та експериментальної статистики, не визначеністю з критеріями оцінки прийняття рішень відносно розробки засобів пилопоглинання. Комплексність проблеми, її вплив практично на усі складові безпеки мореплавства звертає увагу переважної більшості дослідників та статистиків.
У другому розділі здійснено вибір напрямку дисертації, на основі системного підходу обґрунтовано методологію наукового дослідження, наведено методи вирішення задач теоретичного та експериментального характеру з оцінкою достовірності і адекватності рішень, принцип дії і характеристики розробленої апаратури з методиками проведення вимірювань.
При виборі напрямку дослідження основна увага була направлена на комплексність управління якістю і безпекою морських перевезень ННВ з виділенням взаємозв’язаних аспектів технічного, технологічного, економічного, санітарно-екологічного характерів.
Короткий аналіз цих аспектів дозволив обґрунтувати актуальність дослідження, яка пов’язана з необхідністю створення умов морехідної безпеки, цілості вантажу і технічних рішень, попереджуючих розповсюдження хімічно шкідливих і пожеженебезпечних сипучих речовин.
Наукова новизна цієї проблеми передбачає удосконалення і подальший розвиток теорії і практики нормування вантажної та морехідної безпеки судна, вивчення та моделювання процесів розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі вантажних приміщень, а також розробку і створення ефективних заходів, способів та засобів пилопоглинання. У такій постановці проблема досліджень ставиться вперше.
Економічна ефективність розробки виходить від зниження втрат вантажу на балкарах дедвейтом біля 50 тон. При спостереженнях перевантажень, наприклад комової сірки, втрати складають біля 50 тон/судно, що в грошовому еквіваленті складає близько 130 гривень на одне перевантаження. Тому термін окупності досліджень і виготовлення нових зразків техніки не буде перевищувати трьох з половиною років.
Обраний напрямок досліджень відповідає профілю наукової діяльності кафедри морських перевезень та спеціальності 05.22.16- судноводія за напрямками безпеки мореплавства і цільності перевезення вантажів.
Реалізуємість науково-прикладної проблеми забезпечується наявністю теоретичного та методичного забезпечення рівняннями математичної фізики, проведенням експериментів, статистичної обробки даних, системного аналізу для прийняття рішень структурного та управлінського характеру при розробці системи пилопоглинання.
Загальна методика наукового дослідження побудована на системному підході з використанням технологічної карти (рис.1), яка містить усі складові системного аналізу.
Розгляд ієрархічної структури системи транспортування ННВ дозволив сформувати первинну структуру схеми взаємодії інформаційних потоків у елементах системи “ трюм – вантаж – навколишнє середовище” з визначенням параметру регулювання, збурення та регулюючого впливу (рис.2).
Для вибору альтернатив і прийняття рішень для досягнення цілі дослідження проаналізовані критерії вантажної безпеки такі як: незміщаємість; нерозріденість; незагоряння та була поставлена задача вибору критеріїв цілості та економічності перевезень.
Для вивчення, опису і моделювання процесів, що характеризують інформацію про характер процесів пилоутворення (збурення) та поглинання і впливають на вказані критерії і стан атмосфери, використаний фізичний підхід з відповідними рівняннями математичної фізики, що застосовують гравітаційний ефект вільно падаючих та примусово рухаючихся матеріальних тіл. Такі методи дозволяють створити аналітичні моделі динаміки процесів. Визначення кількісних показників результатів взаємодії збурюючого і регулюючого впливів та стану атмосфери
судна і вантажних приміщень здійснювалось з застосуванням експериментальних стендів, умов виробництва, методів теорії подібності для конструювання елементів системи пилопоглинання. Апроксимація експериментальних даних емпіричними залежностями здійснювалась чисельно за методом найменших квадратів. Достовірність математичних моделей вивірялась по показникам адекватності - відносної похибки вимірювання, а чутливість до вхідних параметрів – середньоквадратичної похибки. Для визначення геометричних характеристик факелу та складу частинок поглинаючої рідини розроблений та сконструйований експериментальний стенд для випробування різного типу механічних розпилювачів, похибки визначались методами математичної статистики.
Третій розділ присвячений математичному моделюванню характеристик: збурення, пов’язаного з генерацією пилу у атмосфері: регулювання, пов’язаного зі зміною концентрацією пилу у атмосфері та регулюючого впливу, пов’язаного з генерацією абсорбенту для пилопоглинання.
Математична модель збурення відображає процес генерації пилу під час падіння вантажу з висоти Н від днища трюму, або від поверхні вантажу висотою h0 при розкритті грейферу. Падіння здійснюється тілом розмірами: а1, а2, а3 и масою m з початковою швидкістю ?0,1 м/с у трьохмірному просторі трюму. Визначається положення, швидкість тіла під час його вільного падіння вздовж осі OZ під дією сил ваги (mg) і сили опору атмосфери. В процесі падіння з тіла виділяється його дисперсна складова з частками діаметром d, яка сповільняється у русі, і починає рухатися з постійною швидкістю витання. Рівняння руху тіла - . (1)
Останній член рівняння – сила опору середовища. Рішення (1) повинно задовольняти початковим умовам (=0): ; . Після перетворень рух тіла записується формулою: . (2)
Швидкість тіла у любій точці вісі визначається формулою . (3)
Сила опору тілу з боку середовища: . (4)
Тиск на поверхню падаючого тіла: . (5)
Цей тиск сприяє визволенню дисперсної складової вантажу, створюючи дисперсну фазу. Припустимо, що надає j-ой частці масою mj початкову швидкість , яка дорівнює: . (6)
Для j-ой частці (рис. 3) диференціальне рівняння руху має вигляд:
(7)
де - положення j-ой частки; ,,- кути нахила векторів до вісей X, Y, Z. Здійснивши перехід від рівнянь руху рівнянь швидкостей і задовольнивши умови (6), визнаємо максимальну висоту підйому j-ой частці при умові :
. (8)
Швидкість частки на рівні комінгса трюму при z=0 знаходиться з трансцендентного рівняння: . (9)
Умови виходу частки за межі трюму:
.
Методика імітаційного моделювання динамічних характеристик параметру регулювання – полів рівних концентрацій пилу вантажу у повітряному просторі трюму передбачає наявність гранулометричного складу вантажу з дисперсною складовою Gdч (мг/кг). Маса пилу вантажу, яка одноразово вноситься до трюму, дорівнює Gп= Gdч•?гр•Vгр•10-3, де ?гр•Vгр – маса вантажу у грейфері (кг). Локальна об’ємна концентрація пилу визначається відносно об’єму, який займає площу горизонтальної проекції грейфера помножену на висоту падіння вантажу, а середня – об’єму повітря у трюмі.
Для визначення геометричних характеристик зони розповсюдження пилу у атмосфері в залежності від фізичних, геометричних, аеродинамічних параметрів в дисперсної фазі вантажу здійснене імітаційне моделювання процесу розповсюдження хмари пилу у атмосферному просторі за часом.
Змістовна модель процесу аналогічна моделі генерації пилу, але від першої її відрізняє визначеність коефіцієнту опору , який в залежності від швидкості витання частки, її діаметру dч та в’язкості атмосферного середовища визначається відомими рівняннями:
k2=24/Re при Re <2,
k2 =18.5/ Re0.6при 2 < Re < 500, (10)
k2 = 0.44=const при Re >500.
де , а швидкість витання: (11)
де ?ч, ?в – густина матеріалу частки та атмосфери; - в’язкість повітря.
Зокрема, для комової сірки і параметрів повітря: Рб=1,013 бар; tв=20°С; ?=60%:
. (12)
Динамічні характеристики регулюючого впливу на зниження концентрації пилу у атмосфері трюму шляхом формування факелу розпилу абсорбенту базуються на законах вимушеного руху матеріальних тіл у просторі для збільшення маси часток пилу за рахунок змушеної коагуляції з частками рідини.
Припустимо, що пристрій, який генерує факел абсорбенту, знаходиться у трюмі судна - точці М0 з координатами (x0, y0, z0). Розпил здійснюється у напрямку вектора , який складає кути з осями . Розпилювач надає часткам рідини початкову швидкість з кутом розпилу ? (рис. 4). Визначаються зона розпилу та швидкість часток у кожній точці цієї зони.
У будь-якій точці М((), y(), z()) на частку речовини масою m будуть діяти сили інерції, опору повітря і сила ваги. Диференціальні рівняння проекцій сил на вісі координат наступні:
(13)
де - максимальні площі часток речовини у перетинах плоскостей, ортогональних осям OX, OY, OZ.
Рівняння (13) повинні задовольняти таким початковим умовам:
(14)
Відносно швидкостей часток у кожній точці рівняння (14) запишуться:
(15)
Рішення цих рівнянь таке: ;
Для визначення зони розпилу приймаємо, що у крайніх точках швидкості , де ?>0. Тоді умови зустрічі часток пилу з краплинами рідини наступні:
Абсолютне значення швидкості розпилювальної рідини у кожній точці розпилення: . (16)
Енергія змочування рідини, яка осаджує пил: (17)
В результаті теоретичного дослідження встановлені та аналітично описані необхідні енергії та швидкість руху рідині для ефекту осадження.
Подальші розрахунки стосуються їх практичного застосування для визначення конструктивних та режимних характеристик механічних розпилювачів рідини, які формують факели розпилу. Рівняння траєкторій руху краплинок на площині XY:, де , .
Геометричний об’єм, котрий займається факелом: , а ефективність зрошення: , де - фактичний об’єм факелу, який визначається експериментально.
Для приблизного визначення діаметру краплин рідини у факелі розпилу скористуємося критеріальною залежністю: де п – умовна товщина плівки рідини у вершини конуса розпилу; п =o·cos(0,5·?), де o – ширина кільцевого перерізу сопла форсунки, а - критерій Онедорге, де - поверхневе натягання рідини.
У четвертому розділі здійснені експериментальні випробування по визначенню гранулометричного складу вантажу, статичних та розгінних характеристик об’єкту управління у системі “трюм – вантаж - навколишнє середовище”, кількісних даних по фізико-хімічним складовим атмосфери трюмів під час пожеж та наявності пилу у атмосфері судна, гідродинамічних характеристик розпилювачів та їх ефективності при поглинанні пилу під час вантажних операцій при завантаженні комової сірки на балкер “Ion” (типа Panamax) у порту Маріуполь по варіанту “залізничний полувагон – трюм судна” при метеоумовах: температура (tв ) - 20,2 °С±0,3 °С; барометричний тиск – (Рб ) 1,0 ± 1*10-5 бар; відносна вологість ( ?в) - 80±5%; швидкість вітру - 5±0,5 м/с.
Визначення гранулометричного складу комової сірки здійснювалось у наступній послідовності. По дві проби з 10-ти вагонів до завантаження і 20-ть проб після завантаження у трюм відбирались і просіювались ситовим методом, ситами з розміром вічка від 0,04 мм до 20 мм. Дисперсність часток сірки розміром менш 0,04 мм визначалась рахунковим методом під мікроскопом. Результати вимірів показали зміну дисперсного складу комової сірки після перевантаження на 0-40%, а апроксимація даних емпіричними залежностями встановила питому кількість дисперсної складової комової сірки: до завантаження - G1dч= 271(e56,23dч – 1) (мг/кг) та після завантаження - G2dч= 416(e51dч -1) (мг/кг) при dч[0,0; 0,063 мк].
Для комової сірки аналітична залежність розгінної характеристики об’єкту управління:
, (17)
де - об’єм сірки у грейферу; - об’єм трюму; - питома платність вантажу; n – кількість підйомів грейферу. Тут dч=0,153(h/T)0,5,де Т-період з початку падіння вантажу, с.
Циклічність процесу завантаження формує збурюючі впливи на атмосферу трюму, характер зміни концентрації пилу визначалось при випробуваннях. Результати заміру концентрації пилу комової сірки ваговим методом наведені у табл.1., які характеризують адекватність та високу чутливість параметру регулювання до збурення за термін одного підйому, який склав 270 секунд.
Результати заміру та розрахунку концентрації пилу комової сірки ваговим методом. Таблиця .1
?, с30 | 90 | 150 | 210 | 270
h=1,5м
Сср.е./Сср.р мг/м3126,1±5,6
121,2 | 59,3±2,4
57,8 | 36,8±1,44
34,7 | 22,3±1
24,8 | 18,1±0,7
18,5
h=5м
Сср.е./Сср.р мг/м3410,1±19,7
403,9 | 198±8,3
192,8 | 110,1±4,08
115,6 | 85,2±3,5
82,6 | 58,4±2,6
61,0
h=10м
Сср.е./Сср.р . мг/м3772,3±34,7
807,7 | 380,1±16,3
385,56 | 235,2±8,9
231,36 | 160,1±6,3
165,20 | 125,4±6,02
123,24
h=15м
Сср.е./Сср.р мг/м31200,2±42,1
1211 | 618,3±27,8
616,9 | 368,2±14,3
370,14 | 260,9±9,9
264,42 | 199,3±7,8
197,52
* (чисельник – експеримент; знаменник – розрахунок)
Виробничі випробування показали, що рівень забруднення атмосфери судна в робочих зонах перевищує ПДКр.з. (6 мг/м3) у десятки разів, у атмосфері надбудови цей показник вдесятеро нижче. Під час короткочасного (1хв) та тривалого (1,5 – 2,5 години) горіння сірки у трюмах у атмосферу виділялись хімічні речовини у вигляді газів: H2S, SO2, СО у кількості, які також у десятки разів перевищують ПДКр.з..
Лабораторні дослідження семи типів розпилювачів дозволили визначити їх гідродинамічні характеристики у виробничих умовах – ефективність пилопоглинання (?р.в.) у вагонах, що склала 70 – 95%, та трюмі судна, що склала 77 – 93%. Слід відмітити, що чим менше діаметр краплинок абсорбенту, тим вище ефективність поглинання. Найбільш перспективні – розпилювачі, які використовують принцип створення “сухого туману”.
Таким чином, в результаті експериментальних досліджень уточнені методики їх проведення, вивірена адекватність математичних моделей визначення характеристик елементів системи пилопоглинання та здійснений вибір конструкцій найбільш ефективних розпилювачів.
П’ятий розділ присвячений розробці критеріїв оцінки рішень технічного, технологічного та організаційного характеру по забезпеченню вантажної та морехідної безпеки мореплавання балкарів при перевезенні ННВ.
Для цього розроблені технічно-експлуатаційні вимоги до функціонування, конструювання та експлуатації систем пилопоглинання. Наведені схеми та конструктивні рішення багатофункціональної системи МСП-1, яка уже біля п’яти років експлуатується у порту Маріуполь та комбінованої суднової системи пилопоглинання для балкерів типа PANAMAX (рис.5).
Рис.5. Комбінована суднова система пилопоглинання для балкерів типа PANAMAX
Позначення: 1,15 – регулятор тиску води; 2,4,14,18 – соленоїдний клапан; 3- змішувач; 5 –піноствіл; 6- конвеєрна смуга; 7- датчик наявності вантажу; 8 – розпилювач рідини; 9 – насос-дозатор; 10 – ємність; 11,16 – незворотні клапани; 12 – водяний насос; 13 – компресор повітря; 17 – золотниковий клапан; 19 – генератор “сухого туману”.
Кількісна оцінка вантажної безпеки запропонована по критерію отриманому на основі експериментальних досліджень:
, (18)
а також по критерію цілості вантажу:
, (19)
де Ма, Мг, Мп – вагові втрати вантажу від унісу повітрям, просипу, горіння; Мв – вага вантажу.
Для комової сірки: =40/Сф., а ?г=99,9978% - до впровадження системи і ?г=99,9996% - після її впровадження. Тобто втрати зменшилися у 5,5 разів.
Розрахунок економічної ефективності розробок показав, що термін їх окупності складає 2,2 роки. Результати наукового дослідження дозволили реалізувати організаційні заходи у вигляді “Рекомендації капітанам суден при транспортуванні ННВ”, і технологічні заходи “Робоча технологічна карта перевантаження комової сірки”, КТР ЦП, що привело до нового вирішення усіх задач поставлених у науково-прикладному дослідженні.
ВИСНОВКИ.
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове рішення проблеми забезпечення безпеки мореплавства при перевезенні ННВ, що виявляється в необхідності удосконалення і подальшого розвитку теорії і практики нормування вантажної і морехідної безпеки, вивчення і моделювання збурюючих процесів розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі трюмів, а також розробки і створення ефективних заходів, способів і засобів пилопоглинання.
У роботі отримано такі наукові та практичні результати.
1. Об’єктом управління у системі “трюм – вантаж - навколишнє середовище” є трюм, параметром регулювання – концентрація дисперсної фази вантажу у атмосфері трюму, збурюючим фактором - дисперсна складова вантажу; регулюючим впливом – витрати абсорбенту.
2. У процесі перевантаження встановлене циклічне пилоутворення пожеженебезпечних концентрації дисперсної фази ННВ (комової сірки) тривалістю біля 270с у місцях підйому та розвантаження з виникненням спалахів пилу локального характеру у атмосфері тривалістю 45 – 60 секунд та килимового характеру по поверхні вантажу з переходом до локальних осередків займання вантажу, тушіння яких триває 1,5-2 години з зупинкою вантажних операцій. Втрати комової сірки за термін перевезення складають: 0,2% - знос у навколишнє середовище; 0,03% - згоряння. Концентрація пилу комової сірки у атмосфері навколишнього середовища під час перевантаження перевищує ПДКр.з. у 100 разів, а продуктів згорання: H2S – у 35, SO2 – у 42, CO – у 57 разів відносно ПДКр.з..
3. У процесі перевантаження комової сірки грейферами гранулометричний склад вантажу змінюється з 0 до 40%, причому пилоутворююча його частина розміром до 0,063 мк збільшується з 12 до 18 %, а її питома вага експоненціальне залежить від діаметру часток.
4. Аналітичні моделі динаміки процесів генерації дисперсної фази вантажу у відкритому просторі та замкнутих об’ємах вантажних приміщень, які визначають висоту підйому часток пилу та швидкість їх унесення в момент виходу за межі трюму при падінні вантажу, а також необхідну енергію та швидкість руху часток абсорбенту для створення поглинаючого ефекту.
5. Аналітична модель, що встановлює лінійну залежність питомої дисперсної маси комової сірки у атмосфері трюмного простору в залежності від питомої маси її дисперсної складової та висоти падіння вантажу.
6. Імітаційні моделі розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі і поглинателя, які визначають взаємозв’язки між конструктивними та режимними характеристиками розпилювачів рідини і розміром часток взаємодіючих середовищ.
7. Вантажна безпека здійснюється регулюванням концентрації пилу вантажу за принципом збурення шляхом дискретної подачі поглинаючої рідині, за термін знаходження вантажного пристрою у трюмі, гідроаеродинамічними розпилювачами з загальними масовими витратами 0,5 кг/с для поглинання пилу комової сірки. Удосконалені організаційні, технологічні та технічні заходи та засоби, застосування яких гарантує безпеку мореплавства суден при перевезенні сірки.
8. Упровадження: “Система пилопоглинання пилу ННВ” ( ТОВ Укрмарінсервіс м. Одеса) – при проектуванні: математична модель розповсюдження поглинателя у атмосфері та методика конструктивного розрахунку розпилювачів рідини. “
Багатокомпонентна система пилопоглинання комової сірки та кам’яного вугілля в залізничних вагонах, транспортерах та трюмах суден” ( Маріупольський морський торговельний порт) - при випробуваннях: математичні моделі процесів генерації дисперсної фази вантажу у відкритому просторі та замкнутих об’ємах вантажних приміщень, розповсюдження дисперсної фази вантажу і поглинателя у повітряному просторі трюмів і залізничних вагонів.“
Робоча технологічна карта перевантаження” (Маріупольський морський торговельний порт).“
Карта технологічного режиму цілості перевезення ННВ” (судноплавна компанія “Укркомфлот” м. Одеса, судноплавна компанія “Nardex International Limited. 28, Irish Town, Gibraltar”, m/v “NARDEX”, ,);
“Рекомендації капітанам суден при транспортуванні ННВ”( Держфлотінспекція України, м. Київ).“
Програмне забезпечення і методика застосовуються в навчальному процесі при виконані курсових робіт, дипломних проектів курсантів і магістрів Одеської національної морської академії”.
Список опублікованих праць за темою дисертації.
1. Голиков А.А., Цымбал Н.Н. Обоснование комплексного подхода к пылеподавлению при транспортировке серы // Судовождение: сб. науч. тр./ ОНМА. – Вып.7 – Одесса: Феникс, 2004. – С. 15-22.
Здобувачем запропоновано: методи та заходи пилопоглинання при перевезені небезпечних навалювальних вантажів морем.
2. Голиков А.А. Методы определения пылеобразования при погрузочно-разгрузочных работах с массовыми навалочными и насыпными грузами// Судовождение: сборник научных трудов/ ОНМА. – Вып.9 – Одесса: Феникс, 2005. – С. 20-24.
3. Голиков А.А. Разработка судовой комбинированной системы пылеподавления// Сборник научных трудов НУК.- Николаев: НУК, 2005. - №4. – С.99-105.
4. Голиков А.А. Моделирование процессов в судовых гидродинамических системах пылеподавления балкеров в процессе грузовых операций// Судовые энергетические установки: научно-технический сборник. Одесса: ОНМА, 2005. – Вып.12 – С. 85-93.
5. Голиков А.А., Сидоров А.В., Белобров Е.П. Способы борьбы с пылью совершенствуются // Судоходство №3-6 – Одесса, 2005 – С. 37-38.
Здобувачем запропоновано: теоретичний розрахунок комбінованої системи пилопоглинання.
6. Е.П. Белобров, А.А. Голиков Изучение условий перевозки опасных массовых грузов серы и orimulsion на балкерах и судах “ОВО” в трансокеанских рейсах как показатель совершенствования судовых грузовых операций // Проблемы экологической безопасности транспортных коридоров в черноморском регионе: сборник научных статей / ОЦНТЭПИ. – Одесса, 2003. – С. 3-6.
Здобувачем запропоновано: технологічні режими перевезення вантажів.
7. Голиков А.А. Влияние навигационных и технологических методов эксплуатации судна на его окупаемость и текущую стоимость // Матер. 54 наук. та наук. метод. конф. проф.-виклад. складу та курсантів ОНМА. – Одеса: ОНМА, 2002 - С. 23-25.
8. Голиков А.А. Методы определения пылеобразования при погрузочно-разгрузочных работах с массовыми навалочным и насыпными грузами // Матер. міжнарод. наук.-техн. конф. „Сучасне судноплавство і морська освіта” Ч. І. –Одеса: ОНМА, 2004. – С.143-145.
9. Голиков А.А. Экологические проблемы в процессе судовых грузовых операций при транспортировке пылящих навалочных грузов.// Материалы 4-й международной научно-технической конференции “Проблемы экологии и энергосбережения в судостроении” - Николаев: НУК, 2005. – с. 73 -75.
АНОТАЦІЇ
Голіков А.О. Підвищення безпеки мореплавства при транспортуванні небезпечних навалювальних вантажів. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.16 – судноводіння. – Одеська національна морська академія, Одеса, 2006.
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове рішення проблеми забезпечення безпеки мореплавства при перевезенні ННВ, що виявляється в необхідності удосконалення і подальшого розвитку теорії і практики нормування вантажної і морехідної безпеки, вивчення і моделювання збурюючих процесів розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі трюмів, а також розробки і створення ефективних способів і засобів пилопоглинання.
У дисертації проблема вирішена методами системного аналізу, що дозволило дослідити інформаційні потоки у системі “ трюм – вантаж – навколишнє середовище” під час завантаження, розвантаження судна та транспортуванні ННВ.
Математичне моделювання процесів пилоутворення та пилопоглинання , розробка критеріїв оцінки прийняття рішень дозволили дослідити і розробити новий метод забезпечення безпеки людей, судна і вантажу, а потім створити, сконструювати і побудувати нову систему пилопоглинання та розробити ряд практичних організаційних і технологічних заходів.
Розроблені аналітичні моделі динаміки процесів генерації дисперсної фази вантажу у відкритому просторі та замкнутих об’ємах вантажних приміщень, які визначають висоту підйому часток пилу та швидкість їх унесення в момент виходу за межі трюму при падінні вантажу, а також необхідну енергію та швидкість руху часток абсорбенту для створення поглинаючого ефекту. Розроблені імітаційні моделі розповсюдження дисперсної фази вантажу у повітряному просторі і поглинателя, які визначають взаємозв’язок між конструктивними та режимними характеристиками розпилювачів рідини і розміром часток взаємодіючих середовищ. Розроблена емпірична модель динаміки накопичення пилу комової сірки у атмосфері трюмного простору в залежності від висоти падіння вантажу. Виробничі дослідження процесів перевантаження та транспортування комової сірки та перевірка адекватності та чутливості математичних моделей.
Загальні слова: безпека мореплавства, небезпечні навалювальні вантажі, вантажна безпека, пилопоглинання, процес перевезення, комова сірка, пожеженебезбечність, абсорбція, математичні моделі.
Anton A. Golikov. Improvement of marine safety during the transportation of dangerous bulk cargoes. – Manuscript. Thesis is submitted for the candidate of science degree (technical sciences) in specialty 05.22.16 – navigation – Odessa national maritime academy, Odessa, 2006.
In the dissertation the problem is solved by methods of the system analysis which has allowed to investigate information nowadays streams in system “ hold - a cargo - an environment” during cargo operations of a vessel and transportation of DBC (dangerous bulk cargoes).
Dust formation and dust suppression development of criteria of an estimation of decision-making the new method of a safety of people, a vessel and a cargo have allowed to investigate and develop Mathematical modeling processes, and then to create, design and construct new dust suppression system and to develop a number of practical organizational and technological actions.
The developed analytical models of dynamics of processes of generation of a disperse phase of a cargo in the open space and the closed volumes of cargo premises which define height of rise of particles of a dust and speed of their entering into the moment of an output for borders of hold at falling a cargo, and also necessary energy and speed of movement of particles of an absorbent for creation of absorbing effect. The developed imitating models of distribution of a disperse phase of a cargo in air spacious and absorbent which define interrelation between constructive and regime characteristics of sprays of a liquid and the size of particles of cooperating environments. The developed empirical model of dynamics of accumulation of a dust sulfurs in an atmosphere трюмного spaces depending on height of falling of a cargo.
The general words: marine safety, dangerous bulk cargoes, cargo safety, dust suppression, process of transportation, sulphur, fire safety, absorption, mathematical models.
Голиков А. А. Повышение безопасности мореплавания при транспортировке опасных навалочных грузов. - Рукопись. Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.16 - Судовождение. - Одесская национальная морская академия, Одесса, 2006
В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение проблемы обеспечения безопасности мореходства при перевозке ОНГ, что определяет необходимость усовершенствования и дальнейшего развития теории и практики нормирования грузовой и мореходной безопасности, изучение и моделирование процессов распространения дисперсной фазы груза в воздушном пространстве трюмов, а также разработки и создание эффективных способов и средств пылеподавления.
В первом разделе осуществлен обзор существующей литературы по исследуемым направлениям прошлых и новейших исследований. Обзору, в первую очередь, подлежали международные и национальные стандарты безопасности мореплавания и ее разнообразных направлений: навигационной, мореходной, конструктивной, грузовой и санитарно-экологической.
Во втором разделе осуществлен выбор направления темы диссертации на основе системного подхода, обоснована методология научного исследования, приведены методы решения задач
