авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обеспечение защищенности обслуживающего персонала установок нефтеперерабатывающих предприятий от воздействия ударной волны

1

На правах рукописи

РАШИТОВ РЕНАТ ФАНУЗОВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАЩИЩЕННОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА УСТАНОВОК НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2008 2

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Хуснияров Мират Ханифович;

кандидат технических наук Ягафаров Рустем Равилевич.

Ведущая организация ГУП «Институт нефтехимпереработки» РБ.

Защита состоится «22» мая 2008 года в 15-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.5 при Уфимском государст венном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Баш кортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «22» апреля 2008 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нефтеперерабатывающие предприятия являются высокоэнергонасыщенными производственными объектами, аварии на которых имеют чрезвычайно тяжелые последствия для персонала, оборудования, зданий, сооружений и окружающей среды. Эксплуатация таких предприятий в первую очередь должна осуществляться таким образом, чтобы влияние на окружающую среду и человека было минимальным.

Существующие в настоящее время здания и сооружения, в которых нахо дится персонал, расположены на территории технологических установок. Данные технологические объекты были запроектированы и построены в 50-60-е годы XX в., когда требования нормативной документации к защите персонала были ниже.

Результаты расследования аварийных ситуаций показывают, что одним из наиболее эффективных способов защиты персонала является создание защитных устройств, способных уменьшать воздействие ударной волны. В связи с этим следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной прак тики исследование, посвященное созданию устройств, способных защитить объ екты технологических установок от влияния ударной волны на нефтеперерабаты вающих предприятиях с использованием численных методов расчета.

Цель работы – повышение защищенности обслуживающего персонала объектов технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий от воздействия ударной волны путем рационального размещения на территории специальных устройств.

Задачи исследования 1 Анализ статистической информации по влиянию ударной волны на объ екты технологических установок и обслуживающий персонал нефтеперерабаты вающих предприятий.

2 Анализ существующих методов оценки воздействия ударной волны на объекты.

3 Численное моделирование воздействия ударной волны на объекты техно логических установок с использованием программных комплексов Ansys и Abaqus.

4 Верификация математических моделей, реализованных в программных комплексах Ansys и Abaqus, для решения задач, связанных с воздействием взрыва на объекты.

5 Оценка воздействия ударной волны на объекты путем прогнозирования действия ударной волны для типовой установки нефтеперерабатывающего пред приятия.

6 Подбор защитного устройства от влияния ударной волны путем миними зации значения избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Научная новизна 1 Получены зависимости изменения величины избыточного давления на эле менты объекта во времени при нагружении ударной волной, позволяющие более точно оценить напряженно-деформированное состояние конструкций.

2 Установлено, что применение защитного устройства в виде двух последо вательно расположенных стенок перед операторным зданием типовой установки ЭЛОУ-АВТ позволяет снизить избыточное давление на элементы операторного здания в 6,5 раза, что составляет 80% от величины разрушающего значения избы точного давления.

3 Предложен алгоритм для определения соотношения конструктивных раз меров, типа конструкции и расположения защитного устройства, в котором пара метром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Практическая ценность Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке алгоритма определения оптимального устройства для защиты объектов от влия ния ударной волны. Предложена модель защитного устройства, позволяющая снизить воздействие поражающих факторов на персонал и повысить взрыво устойчивость объектов при возникновении аварии.

Усовершенствован метод прогнозирования действия ударной волны на объекты, позволяющий более точно оценить последствия аварийного взрыва, в котором оценка напряженно-деформированного состояния осуществляется с ис пользованием математических моделей динамического поведения материалов.

Результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе при выполнении практических занятий по дисциплине «Методы математического моделирования оптимального расположения оборудования технологических ус тановок» студентами специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработ ки» и направления 150400 «Технологические машины и оборудование» на кафед ре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.

Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах – статьях и тезисах докладов, помещенных в международных и межву зовских сборниках научных трудов.

Апробация работы Основное содержание работы

докладывалось и обсуждалось на XI Между народной научно-технической конференции при XI специализированной выстав ке «Строительство. Коммунальное хозяйство-2007» (Уфа, 2007), VIII Междуна родной молодежной научной конференции «Севергеотех-2007» (Ухта, 2007).

Структура и объем работы Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, общие выводы и список использованных источников из 83 наименований. Содержание диссер тации изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 68 рисун ков, 15 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной ра боты, сформулированы цели и основные задачи исследований, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.

Исследованиям в области моделирования аварийных ситуаций, связанных с воздействием взрыва на объекты, посвящены работы крупных ученых: Аброси мова А.А., Белова П.Г., Бесчастнова М.В., Бирбраера А.Н., Гельфанда Б.E., Доло матова М.Ю., Едигарова А.С., Каца М.И., Козлитина А.М., Котляревского В.А., Кузеева И.Р., Ларионова В.И., Лисанова М.В., Садовского М.А., Сафонова В.С., Таубкина И.С., Хусниярова М.Х. и ряда других крупных специалистов. Значи тельный вклад в развитие теории ударных и детонационных волн внесли крупные ученые и специалисты: Гриб А.А., Жуге Е., Зельдович Я.Б., Ландау Л.Д., Ми хельсон А.В., Орленко Л.П., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Станюкевич К.П., Харитон Ю.Б., Чепмен Д.Л. Теория динамики железобетонных конструкций по лучила развитие в трудах крупных российских ученых: Бакирова Р.О., Белоброва И.К., Белова Н.Н., Жарницкого В.И., Забегаева А.В., Карпенко Н.И., Котлярев ского В.А., Майорова В.И., Плевкова В.С., Попова Г.И., Попова Н.Н., Расторгуе ва Б.С., Саргсяна А.В., Яшина А.В.и др.

В первой главе приведены сведения об основных опасностях технологиче ских установок нефтеперерабатывающего предприятия. Рассмотренные результа ты расследования аварий на опасных производственных объектах нефтеперераба тывающей и нефтехимической промышленности показывают, что аварии, сопро вождающиеся взрывными превращениями, влекут за собой наиболее тяжелые по следствия для обслуживающего персонала и технологических сооружений.

Приведены основные поражающие факторы и источники их возникновения при реализации аварий. Рассмотрена специфика аварийных взрывов на нефтепе рерабатывающих производствах. Выявлено, что взрывы газопаровоздушной и топливовоздушных смесей являются объемными, при их реализации образуются длинные ударные волны, в зоне воздействия которых могут оказаться промыш ленные сооружения и обслуживающий персонал. Согласно Козлитину А.М., наи более существенным фактором при объемных взрывах, определяющим разруше ние оборудования, элементов зданий и сооружений, является избыточное давле ние во фронте ударной волны.

Приведен анализ стандартных методов, применяемых для оценки воздейст вия ударных волн на объекты, показавший, что в основном они разработаны на результатах натурных экспериментальных исследований. Имеющиеся в данное время средства численного моделирования с использованием математических моделей, адекватно отражающих распространение продуктов взрыва и ударных волн, позволяют более точно оценить последствия аварийного взрыва с учетом реальной застройки промышленного объекта.

Анализ методов повышения безопасности, направленных на предупрежде ние возникновения взрывов, показывает, что применяемые меры не позволяют исключить аварии на производстве, поэтому необходима защита от воздействия ударной волны. Для обеспечения взрывоустойчивости существующих зданий в основном применяются легкосбрасываемые и легкоразрушаемые конструкции, позволяющие снизить избыточное давление за счет образовавшихся проемов. Для более эффективного повышения взрывоустойчивости предложена установка пе ред объектом защитного устройства.

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу объекта исследования. Для исследования была выбрана типовая комбинированная установка ЭЛОУ-АВТ (установка атмо сферно-вакуумной перегонки нефти с предварительным ее обессоливанием).

Возникновение опасности на установке ЭЛОУ-АВТ возможно по следую щим причинам:

высокая плотность размещения оборудования;

наличие воспламеняющихся веществ;

наличие источников воспламенения (открытый огонь печей).

Рассмотрена принципиальная схема установки, в которой атмосферная пе регонка осуществляется по схеме двукратного испарения, вакуумная – по схеме однократного испарения.

Анализ распределения опасных веществ, обращающихся на установке, по казал, что потенциальная опасность установки обусловлена наличием больших масс жидких и парогазовых сред при высоких температурах и давлениях. Также серьезной опасности подвергается обслуживающий персонал, находящийся внутри операторного здания.

Результаты расчета количества опасного вещества, обращаемого на уста новке, и анализ расположения оборудования установки свидетельствуют о том, что наибольшую опасность для операторного здания представляет аварийная раз герметизация блока вакуумной колонны К-5. Поэтому оценка возможных по следствий аварийного взрыва была произведена для случая разгерметизации бло ка вакуумной колонны.

С использованием методики Бирбраера А.Н. был построен график зависи мости избыточного давления во фронте ударной волны от расстояния, на основе которого были определены зоны разрушений. Результаты расчета последствий аварийного взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ показали, что реализация аварийной ситуации приведет к разрушению операторного здания, не обладаю щего достаточной взрывоустойчивостью. В связи с этим, с целью обеспечения безопасности находящегося в здании персонала и сохранности объектов установ ки, необходимо использование защитных устройств, позволяющих снижать влияние поражающих факторов.

Третья глава посвящена исследованию пространственных железобетон ных конструкций на действие ударной волны. Предложен метод прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок, учитывающий реальную застройку объекта и месторасположение источника взрыва. Этапы предлагаемого метода представлены на рисунке 1.

На первом этапе осуществляется сбор и анализ необходимой информации по объекту для проведения численного моделирования.

На втором этапе производится численное моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн на производственной площадке технологиче ской установки. Второй этап реализуется с использованием методов вычисли тельной газодинамики.

На третьем этапе выполняется анализ напряженно-деформированного со стояния конструкций объекта с применением метода конечных элементов, при этом на элементы объекта прикладывается поле давления, переменное во време ни, полученное на втором этапе.

Рассмотрим моделирование на втором этапе. В качестве начальных условий при моделировании принимается, что начальная температура в расчетной области равна температуре окружающей среды. По боковым поверхностям расчетной об ласти задаются граничные условия «выхода», предполагается непроницаемость земной поверхности.

Этап Исходные данные:

планировка местности протекания аварии объекта;

сведения об опасных веществах, обращаемых на объекте Этап Численное моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн Этап Численное моделирование механического действия ударных волн Рисунок 1 – Этапы метода прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок Моделирование производилось в трехмерной постановке. Для описания процесса распространения ударной волны используются представления механики сплошных сред. Определение параметров среды за фронтом ударной волны опре деляются по условию Ренкина-Гюгонио.

Процесс распространения детонации основан на теории детонации Зельдо вича-Неймана-Деринга. Применяемое в расчетном комплексе термодинамическое моделирование детонационного процесса реализуется с использованием уравне ния состояния Джонсона-Уилкинса-Ли (JWL), позволяющего с высокой точно стью описывать распространение продуктов взрыва. При этом определение пара метров детонационной волны осуществляется по условию Чепмена-Жуге.

Сравнительный анализ результатов численных решений задачи отражения воздушной ударной волны от жесткой поверхности с результатами использова ния аналитических зависимостей, полученных Станюковичем К.П., показывает, что погрешность вычислений не превышает 9 %.

Верификация, проводимая для усовершенствованного метода прогнозиро вания, заключалась в проверке его при оценке возможных последствий аварийно го взрыва для предлагаемого Ковалевым Е. М. плана расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (рисунок 2).

Результаты расчета количества опасного вещества, обращаемого на уста новке, и анализ плана расположения оборудования установки свидетельствуют о том, что наибольшую опасность для операторного здания представляет аварийная разгерметизация блока основной атмосферной колонны К-2, в связи с этим вери фикация проводилась на примере операторного здания. В качестве воспламе няющегося вещества принята парогазовая фаза, образованная при аварийной раз герметизации блока колонны К-2 на высоте 4,2 м от нулевой отметки фундамен та.

На рисунке 3 приведена расчетная область, построенная на основе плана расположения оборудования;

размеры расчетной области составили 110,5x14,3x 20,2 м. Течение воздуха и продуктов взрыва моделируется на Эйлеровой сетке ме тодами многокомпонентной газодинамики. Моделирование стен и перекрытия од ноэтажного операторного здания осуществляется лагранжевыми элементами, ма териалом которых в данной постановке задачи исследования принят бетон.

Месторасположение источника взрыва К-1 – отбензинивающая колонна;

К-2 – основная атмосферная колонна;

К-3 – отпарная колонна;

К-4 – стабилизационная колонна;

К-5 – вакуумная колонна;

К-6 – абсорбер;

П-1, П-2 – печи;

Е-1, Е-2, Е-3, Е-4, Е-5, Е-6 – газосепараторы;

Х-1, Х -2, Х -3 –конденсаторы-холодильники Рисунок 2 – План расположения оборудования, предлагаемый Ковалевым Е. М.

1 1 – источник взрыва;

2 – воздух;

3 – операторное здание Рисунок 3 – Расчетная область (размеры указаны в мм) Методом последовательного перебора было определено оптимальное раз биение расчетной области. Размерность модели составила около 434000 элементов.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания (рисунок 4), используемые в рас четах при оценке напряженно-деформированного состояния конструкций. На ри сунке 4 момент времени 0 с соответствует моменту времени начала воздействия ударной волны на здание, при этом момент времени 0,054 с на рисунке 4 соответ ствует моменту времени 0,240 с с начала инициирования взрыва.

а б в а – фронтальная стена;

б – боковые стены и крыша;

в – тыльная стена Рисунок 4 –Зависимость от времени избыточного давления на элементы операторного здания при обтекании ударной волной На третьем этапе производится оценка напряженно-деформированного со стояния конструкций. Использованы модели динамического поведения материа лов, так как при кратковременном действии нагрузки происходит изменение прочностных характеристик бетона и арматуры по сравнению со статическим на гружением. Моделирование свойств железобетона осуществлено суперпозицией модели бетона и модели арматурной стали.

Описание поведения бетона осуществлено при помощи модели, предло женной Люблинером Ю., на основе дифференциальных уравнений теории тече ния материала, ключевыми элементами которой являются уравнения предельных поверхностей (текучести, разрушения, пластического потенциала), закона тече ния и схемы упрочнения. Для описания эффекта влияния скорости деформаций использована гипотеза существования единой динамической поверхности разру шения, которая заключается в том, что для каждого случая деформирования бе тона может быть определена некоторая средняя скорость деформаций, в зависи мости от которой вычисляются динамические пределы прочности.

Моделирование свойств стали производилось с применением упругопла стической модели, в которой учитывается упругая стадия, динамический предел текучести, скоростные эффекты в пластической стадии и деформационное уп рочнение.

В программном комплексе Abaqus для оценки степени разрушения бетона используются параметры поврежденности DAMAGET и DAMAGEC, равные ну лю для неповрежденного материала и единице для полностью разрушенного ма териала при растяжении и сжатии соответственно. В расчете железобетонных конструкций принимается, что разрушение сечения наступает при достижении предела текучести напряжения в арматуре растянутой зоны или при достижении предела прочности на сжатие напряжения в сжатой зоне бетона (в этом случае параметр DAMAGEC равен единице).

Сравнительный анализ результатов численных решений задачи нагружения балки равномерно распределенной нагрузкой с результатами аналитического ре шения по СНиП 52-01-2003 показывает, что погрешность вычислений не превы шает 0,4 %.

В качестве конечного элемента для бетона использован 8-узловой струк турный объемный конечный элемент C3D8R. Армирование в горизонтальном и вертикальном направлениях смоделировано путем встраивания в элементы бето на 3-узловых балочных элементов B32 со свойствами армирующего материала.

Было применено регулярное разбиение объемов, размерность модели составила приблизительно 56000 элементов.

Динамическая нагрузка на элементы здания принята по рисунку 4.

В ходе проведения численного исследования получены контурные графики величины DAMAGET (рисунок 5, а) и величины DAMAGEC (рисунок 5, б) для бетона, распределение эквивалентных напряжений арматурной стали по теории Мизеса (рисунок 6). На рисунках 5 и 6 условно обозначено: x – длина, y – высота z – ширина. Численные исследования показали, что максимальное значение эк вивалентных напряжений для стали во времени составило 3,42 МПа. Конструк ции здания работают в упругой стадии, т.е. пластические деформации не образу ются. Поэтому применение дополнительных мер по обеспечению взрывоустой чивости не требуется.

а) б) Рисунок 5 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,240 с после начала инициирования взрыва Рисунок 6 – Распределение эквивалентных напряжений для стали по теории Мизеса (в Па) на момент времени 0,240 с после начала инициирования взрыва Таким образом, результаты вычисленных экспериментов, полученные с применением метода прогнозирования действия ударной волны на объекты тех нологических установок, иллюстрируют адекватность предлагаемого метода.

В четвертой главе выполнено прогнозирование действия ударной волны на операторное здание с помощью предлагаемого метода для плана расположе ния типовой установки ЭЛОУ-АВТ, приведенного на рисунке 7.

Месторасположение источника взрыва Рисунок 7 – План расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ Наибольшую опасность для операторного здания, как было отмечено в гла ве 2, представляет авария в результате разгерметизации блока вакуумной колон ны К-5.

На основании плана расположения оборудования была построена расчетная область (рисунок 8);

размеры расчетной области составили 35,1x18,9x18,9 м.

Количество элементов, определенное при использовании оптимальной сет ки разбиения расчетной области, составило около 434000 элементов.

В ходе проведения численного моделирования для рассматриваемого плана расположения получено значение избыточного давления перед фронтальной сте ной здания, которое составило 1181,8 кПа. Такой уровень избыточного давления является опасным для здания и приведет к разрушению. В связи с этим необхо дима защита здания от разрушения в случае возникновения аварии.

1 2 1 – источник взрыва;

2 – воздух;

3 – операторное здание Рисунок 8 – Расчетная область (размеры указаны в мм) Одним из способов повышения безопасности является установка дополни тельного сооружения на производственной площадке, позволяющего уменьшать воздействие поражающих факторов взрыва. В качестве такого сооружения для защиты операторного здания на первом этапе рассматривается 4 типа конструк ций устройств (рисунок 9), устанавливаемых по пути движения ударной волны.

а) б) в) г) тип 1 тип 2 тип 3 тип Рисунок 9 – Типы конструкции устройств (размеры указаны в мм) Определение соотношения конструктивных размеров, типа конструкции и расположения защитного устройства осуществлено по предложенному алгорит му, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избы точного давления во фронте ударной волны перед фронтальной стеной здания.

При проведении расчетов осуществлялось варьирование величины расстоя ния от центра взрыва, принятое равным 6 – 9 м с шагом 0,5 м (рисунок 10).

Моделирование устройств было осуществлено лагранжевыми элементами;

для типа конструкции 1, 3, 4 принят материал бетон, для типа конструкции 2 – сталь. Количество элементов составило приблизительно 143000.

Анализ графиков изменения давления во фронте ударной волны перед фронтальной стеной здания для рассмотренных типов конструкции показал:

- наилучшим с точки зрения защиты объекта от ударной волны является расположение устройств на расстоянии 7,5 м от центра взрыва для типа конст рукции 1, 2, 3 и 6,5 м от центра взрыва для типа конструкции 4;

- оптимальным является тип конструкции 4 при расположении на расстоя нии 6,5 м от центра взрыва. Установлено, что в этом случае снижение избыточно го давления во фронте ударной волны происходит приблизительно в 2,07 раза.

1 6000- 1 – источник взрыва;

2 – защитное устройство;

3 – операторное здание Рисунок 10 – Расположение защитного устройства (размер указан в мм) Для более эффективной защиты объекта на втором этапе исследовано раз нообразное сочетание устройств. Установлено, что для защиты операторного здания типовой установки ЭЛОУ-АВТ оптимальным является устройство, со стоящее из двух последовательно расположенных стенок (рисунок 11). Снижение избыточного давления во фронте ударной волны при установке оптимального устройства происходит в 6,5 раза.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению удар ной волны были получены зависимости изменения величины избыточного дав ления во времени (рисунок 12), действующего на элементы здания при установке защитного устройства, используемые в расчетах при оценке напряженно деформированного состояния конструкций. На рисунке 12 момент времени 0 с соответствует моменту времени начала воздействия ударной волны на здание, при этом момент времени 0,042 с на рисунке 12 соответствует моменту времени 0,0528 с с начала инициирования взрыва.

1 4500 5000 а а – расстояние от задней стенки устройства до здания;

1 – источник взрыва;

2 – защитное устройство;

3 – операторное здание Рисунок 11 – Расположение защитного устройства (размеры указаны в мм) а б в а – фронтальная стена;

б – боковые стены и крыша;

в – тыльная стена Рисунок 12 – Зависимость от времени избыточного давления на элементы операторного здания при обтекании ударной волной На рисунках 13, 14 приведены результаты численного исследования на пряженно-деформированного состояния конструкций здания. На рисунке 13 по казаны контурные графики величины DAMAGET и величины DAMAGEC для бетона. Распределение эквивалентных напряжений арматурной стали по теории Мизеса изображено на рисунке 14.

Анализ динамики распределения эквивалентных напряжений стальной ар матуры по теории Мизеса показывает, что максимальное значение эквивалентных напряжений для стали во времени составляет около 23,5 МПа.

Как показывают результаты расчетов, в процессе нагружения арматура же лезобетона работает в упругой стадии. Возможно образование неопасных трещин в растянутой зоне бетона.

а) б) Рисунок 13 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,0528 с после начала инициирования взрыва Рисунок 14 – Распределение эквивалентных напряжений для стали по теории Мизеса (в Па) на момент времени 0,0528 с после начала инициирования взрыва Установка устройства обеспечивает взрывоустойчивость здания и приме нения дополнительных мер по обеспечению взрывоустойчивости не требуется.

Нахождение обслуживающего персонала в операторном здании при установке защитного устройства является безопасным. Кроме того, защита при установке устройства производится также и при других сценариях возникновения аварий ной ситуации, например при реализации пожара пролива, огненного шара, при разлете осколков и обломков оборудования.

Таким образом, установка защитного устройства позволяет уменьшать рас стояния от потенциально опасных аппаратов и оборудования до производствен ных зданий с обеспечением требований промышленной безопасности и, как след ствие, снижать площадь установок.

Для построения картины напряженно-деформированного состояния конст рукций устройства при возникновении аварийной ситуации произведено числен ное моделирование методом конечных элементов. В исследовании была рассмот рена только первая стенка устройства в связи с тем, что она подвергается боль шему нагружению. Был произведен ряд численных экспериментов, в результате которых были получены оптимальные размеры устройства из условия прочности.

Геометрическая модель устройства изображена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Геометрическая модель устройства (размеры указаны в мм) На рисунке 16 приведена динамика изменения контурного графика величи ны DAMAGET и величины DAMAGEC для бетона. Анализ рисунка 16 показыва ет, что образуется ряд локальных трещин в растянутой зоне бетона, что приводит к частичному разрушению верхней поверхности бетона. Анализ распределения эквивалентных напряжений стальной арматуры по теории Мизеса показывает, что значения эквивалентных напряжений во времени в растянутой зоне бетона не превышает предела текучести стали, то есть стальная арматура работает в упру гой стадии.

Результаты исследования показывают, что в сжатой зоне бетона конструк ции работают в упругой стадии. Таким образом, разрушение конструкции при на гружении ударной волной не произойдет и прочность конструкции обеспечена.

а) б) Рисунок 16 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,0221 с после начала инициирования взрыва Дополнительно был произведен расчет железобетонного элемента по де формациям из условия, по которому прогибы конструкции от действия нагрузки не должны превышать предельно допустимого значения прогиба. Максимальный прогиб конструкции при расчете методом конечных элементов составил 0,02324 м. Предельно допустимое значение прогиба в данном случае составляет 1/100 вылета консоли, то есть 0,04 м. Условие прочности конструкции при расче те по деформациям выполняется.

Таким образом, прогнозирование аварийной ситуации с образованием взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ с использованием численных методов расчета позволило минимизировать последствия от взрыва путем установки за щитного устройства по пути движения ударной волны.

Далее было изучено влияние месторасположения источника взрыва на рас положение защитного устройства с оптимальным типом конструкции, изобра женного на рисунке 11, где величина а – расстояние от задней стенки устройства до здания. В исследовании было принято, что высота центра взрыва варьируется от 0 до 9 м и расстояние от центра взрыва до здания изменяется от 11,7 до 25 м.

Находилось оптимальное значение величины а для каждого случая расположе ния источника взрыва.

В ходе проведения численного исследования в соответствии с алгоритмом определения оптимального типа конструкции и расположения защитного устрой ства получена диаграмма (рисунок 17), позволяющая по высоте центра взрыва и расстоянию от центра взрыва до здания определить наилучшее расположение за щитного устройства.

III I IV II Высота центра взрыва, м Расстояние от центра взрыва до здания, м область I – величина а равна 1,7 м;

область II – величина а равна 1,5 м;

область III – величина а равна 1,3 м;

область IV – величина а равна 1,0 м Рисунок 17 – Диаграмма оптимального расположения защитного устройства в зависимости от расположения источника взрыва ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1 Анализ результатов расследования аварий на опасных производственных объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности показы вает, что аварии, сопровождающиеся взрывными превращениями, влекут за со бой наиболее тяжелые последствия для обслуживающего персонала и технологи ческих сооружений.

2 Стандартные методики оценки воздействия ударной волны на объекты были разработаны, когда отсутствовали высокопроизводительные компьютеры, и основаны на результатах натурных экспериментальных исследований. Имеющие ся в данное время средства численного моделирования с использованием матема тических моделей, адекватно отражающих распространение продуктов взрыва и ударных волн, позволяют более точно оценить последствия аварийного взрыва.

3 Сформулирована и решена задача воздействия ударной волны на объекты технологических установок с использованием численных методов расчета. Для оценки реальной опасности объектов установок предложен метод прогнозирова ния действия ударной волны, учитывающий реальную застройку и местораспо ложение источника взрыва.

4 Результаты решения численными методами тестовых задач, связанных с воздействием взрыва на объекты, хорошо согласуются с результатами, получен ными при использовании аналитических зависимостей, что иллюстрирует адек ватность применяемых математических моделей.

5 Получены зависимости изменения величины избыточного давления на элементы объекта во времени при нагружении ударной волной, определяющие на пряженно-деформированное состояние конструкций.

6 Оценка последствий аварийного взрыва для типовой установки ЭЛОУ АВТ показала, что реализация аварийной ситуации приведет к разрушению опе раторного здания, не обладающего достаточной взрывоустойчивостью. Поэтому с целью обеспечения безопасности находящегося в здании персонала и сохранно сти объектов установки необходимо использование защитных устройств, позво ляющих снижать влияние поражающих факторов.

7 Установлено, что применение защитного устройства в виде двух последо вательно расположенных стенок перед операторным зданием типовой установки ЭЛОУ-АВТ позволяет снизить избыточное давление на элементы операторного здания в 6,5 раза, что составляет 80% от величины разрушающего значения избы точного давления. Определено соотношение конструктивных размеров, тип кон струкции и расположение защитного устройства по предложенному алгоритму, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

8 Результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе при чтении курса по дисциплине «Методы математического моделирования опти мального расположения оборудования технологических установок» по специаль ности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки» и направлению «Технологические машины и оборудование», а также рекомендуются к примене нию для оценки последствий воздействия ударных волн при взрывах, когда тре буется реалистичное прогнозирование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ опубликовано в сле дующих научных трудах:

1 Рашитов Р.Ф. Разработка системы защиты оборудования и сооружений при возникновении аварийных ситуаций / Р.Ф. Рашитов, Р.Р. Тляшева, А.П. Де мин, И.Р. Кузеев // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования: сб. науч. тр.

– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. – №1. – С. 104-109.

2 Рашитов Р.Ф. Анализ напряженно-деформированного состояния техноло гических трубопроводов под воздействием рабочих условий и нагрузок, возни кающих при нештатных ситуациях / Р.Ф. Рашитов, Р.Р. Тляшева, А.П. Демин, А.А. Решетников // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования: сб. науч. тр.

– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. – №1. – С. 81-86.

3 Рашитов Р.Ф. Применение компьютерного анализа для оценки влияния ударных волн на операторные здания / Р.Ф. Рашитов, Р.Р. Тляшева // Нефтегазо вое дело. – 2006. – http://www.ogbus.ru/authors/Rashitov/Rashitov_1.pdf. –15 с.

4 Рашитов Р.Ф. К вопросу о проектировании операторных зданий на дейст вие взрывных нагрузок / Р.Ф. Рашитов, Р.Р. Тляшева // Мировое сообщество: про блемы и пути решения: сб. науч. ст. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. – №20. – С. 37-47.

5 Рашитов Р.Ф. Моделирование кратковременных динамических нагрузок на здания и сооружения / Р.Ф. Рашитов, И.Р. Кузеев / Севергеотех-2007: VIII Ме ждународная молодежная научная конференция. В 3 ч. Ч.1. – Ухта: УГТУ, 2007. – С. 229-232.

6 Рашитов Р.Ф. Применение компьютерного анализа к оценке влияния кратковременных динамических нагрузок на здания и сооружения / Р.Ф. Раши тов, И.Р. Кузеев // Проблемы строительного комплекса России: материалы XI Междунар. науч.-техн. конф. при XI специализированной выставке «Строитель ство. Коммунальное хозяйство - 2007». – Уфа, 2007. – С. 62-64.

7 Рашитов Р.Ф. Повышение взрывоустойчивости зданий и сооружений / Р.Ф. Рашитов, И.Р. Кузеев, Р.Р. Тляшева // Нефтегазовое дело. – 2008. – http://www.ogbus.ru/authors/Rashitov/Rashitov_2.pdf. –15 с.

8 Рашитов Р.Ф. Моделирование последствий взрывного превращения топ ливовоздушных смесей / Р.Ф. Рашитов, Р.Р. Тляшева, И.Р. Кузеев // Нефтегазовое дело. – 2008. – Т.6, №1. – С. 232-240.

Соискатель выражает благодарность Тляшевой Р.Р., кафедре «Машины и аппараты химических производств» ГОУ ВПО «УГНТУ» за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.