WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

«УДК 622.691.4.052.012-758.34 Заяц Богдан Степанович СНИЖЕНИЕ ШУМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ Cпециальность 05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара 2008 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический...»

«СМИРНОВ Юрий Дмитриевич ПОВЫШЕНИЕ ПЫЛЕГАЗОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫРАБОТОК ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА ОСНОВЕ ПЕНОПОРОДНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в горной промышленности) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении...»

«Байтурина Сария Рустэмовна совершенствование методов обеспечения безопасности производственных объектов нефтедобывающих предприятий Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«РАЩЕПКИН АНДРЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА КОМБИНИРОВАННЫХ ТРУБ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ Специальности: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ; 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа 2007 Работа выполнена в Государственном...»

«ПОЛУНИН ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ И БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА ОПЕРАТОРОВ МОБИЛЬНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗА СЧЕТ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 05.26.01 – ОХРАНА ТРУДА (отрасль АПК) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - Пушкин –2009 Работа выполнена на кафедре Безопасность жизнедеятельности ФГОУ ВПО Челябинский государственный агроинженерный университет Научный руководитель: доктор...»

«ГЛЕБОВА ЕЛЕНА ВИТАЛЬЕВНА Снижение риска аварийности и травматизма в нефтегазовой промышленности на основе модели профессиональной пригодности операторов Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Уфа – 2008 Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина. Научный консультант доктор технических наук, профессор...»

«ВИШНЕВСКАЯ МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ АДАПТАЦИИ У СПАСАТЕЛЕЙ И ИХ КОРРЕКЦИЯ НА САНАТОРНОМ ЭТАПЕ РЕАБИЛИТАЦИИ 05.26.02. - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (медицина катастроф) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Москва 2009 г. Работа выполнена во Всероссийском центре медицины катастроф Защита Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию Научный руководитель: доктор медицинских наук Башир-Заде...»

«Бояров Антон Николаевич МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ И ЗАЩИТА ОТ САМОВОЗГОРАНИЯ ПИРОФОРНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ (на примере ОАО Самаранефтегаз) Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа 2010 Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР) Научный руководитель доктор...»

«ЗАВАРИХИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА ЧАСТОТНОГО МЕТОДА О беспече НИЯ безопасно Й эксплуатации ЭЛЕКТРОПРИВОД ов МАШИННЫХ агрегатОВ нефтегазовых производств Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа – 2009 Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Научный руководитель доктор технических наук Баширов Мусса...»

«КАМЕНСКИЙ Александр Андреевич СНИЖЕНИЕ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ НА КАРЬЕРАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ АЭРОПЕННЫМ СПОСОБОМ Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в горной промышленности) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет....»

«КАЖАНОВ Игорь Владимирович ОБОСНОВАНИЕ ХИРУРГИЧЕСКОЙ ТАКТИКИ В ОСТРОМ ПЕРИОДЕ ТРАВМАТИЧЕСКОЙ БОЛЕЗНИ ПРИ НЕСТАБИЛЬНЫХ ТРАВМАХ ТАЗА НА ЭТАПАХ МЕДИЦИНСКОЙ ЭВАКУАЦИИ 14.01.17 – хирургия 05.26.02 – безопасность в чрезвычайных ситуациях Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Санкт-Петербург 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном казенном военном образовательном учреждении высшего профессионального образования Военно-медицинская...»

«ЗАРИПОВА СИРЕНА НАИЛЕВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРНО-АВТОМОБИЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ Специальность 05.26.01 - Охрана труда (отрасль горная) Автореферат диссертации на соискание ученой степени...»

«Громов Николай Викторович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ обеспечения взрывоустойчивости зданий при взрывах газо-паровоздушных смесей Специальность 05.26.03. “Пожарная и промышленная безопасность” (строительство) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2007 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете. Научный...»

«Лопухин Борис Михайлович ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЛИЧНОСТНЫХ РЕСУРСОВ СТРЕСС-ПРЕОДОЛЕВАЮЩЕГО ПОВЕДЕНИЯ СОТРУДНИКОВ ГПС МЧС РОССИИ В ПЕРИОД АДАПТАЦИИ К ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 05.26.03 – пожарная и промышленная безопасность Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата психологических наук Санкт-Петербург – 2013 Работа выполнена в Автономной некоммерческой образовательной организации высшего профессионального образования Институт экономики бизнеса Научный...»

«КУСТЫШЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕМОНТОВ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ И ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА Специальности: 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений; 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Уфа 2008 Работа выполнена в Тюменском государственном...»





Pages:   || 2 |

Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТЛЯШЕВА РЕЗЕДА РАФИСОВНА

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ВЗРЫВООПАСНОСТИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовая отрасль)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

У Ф А – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет» (ГОУ ВПО «УГНТУ»)

Научный консультант доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ларионов Валерий Иванович доктор технических наук, профессор Козлитин Анатолий Мефодьевич доктор технических наук Абдуллин Ленар Рафилевич
Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов»

Защита диссертации состоится ______________ года в 10.00 на заседании
диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном
техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа,
ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ.

Автореферат разослан ______________ 2011 года.

Ученый секретарь совета

доктор технических наук, профессор А.В. Лягов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Проблемы безопасности на объектах нефтегазового комплекса имеют особое значение. Они связаны с физико-химическими свойствами углеводородных веществ, приводящими к их возгоранию или взрыву в случае аварий. Авариям предприятиях нефтегазовой отрасли характерны большие объемы выброса взрывопожароопасных веществ, образующиеся облака топливно-воздушных смесей, разливы нефтепродуктов и, как следствие, крупномасштабные разрушения и повреждения высоконагруженных элементов конструкций. Практика показывает, что полностью исключить аварии и уменьшить до нуля опасность, невозможно. Поэтому техногенные аварии необходимо предупреждать или ослаблять их вредное воздействие путем перехода на новую стратегию обеспечения безопасности, основанную на принципах их прогнозирования и предупреждения.

В связи с этим особую актуальность приобретает создание научно обоснованных методов мониторинга взрывоопасности, основанных на математическом моделировании аварийных ситуаций, создание устройств, способных защитить объекты технологических установок от влияния ударной волны.

Исследованиям в области моделирования аварийных ситуаций, связанных с воздействием взрыва на объекты, посвящены работы крупных ученых: Абросимова А.А., Белова П.Г., Бесчастнова М.В., Бирбраера А.Н., Гельфанда Б.E., 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., Одишария Г.Э., Корольченко А.Я., Шаталова А.А., Ханухова Х.М., Таубкина И.С., Хусниярова М.Х. и ряда других.

Значительный вклад в развитие теории ударных и детонационных волн внесли крупные ученые и специалисты: Гриб А.А., Жуге Е., Зельдович Я.Б., Ландау Л.Д., Михельсон А.В., Орленко Л.П., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Станюкевич К.П., Харитон Ю.Б., Чепмен Д.Л.

Теория динамики железобетонных конструкций получила развитие в трудах крупных российских ученых: Бакирова Р.О., Белоброва И.К., Белова Н.Н., Жарницкого В.И., Забегаева А.В., Карпенко Н.И., Котляревского В.А., Майорова В.И., Плевкова В.С., Попова Г.И., Попова Н.Н., Расторгуева Б.С., Саргсяна А.В., Яшина А.В. и др.

Однако, на сегодняшний день, остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к моделированию аварийных ситуаций, практическому расчету последствий аварий с учетом динамических факторов, влияющих на прочность и устойчивость конструкций под действием взрыва. Появление и развитие новых программных комплексов, мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении рассматриваемой проблемы с учетом многофакторного нагружения и детализации геометрии объекта.

В связи с этим следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики создание комплексной методологии оценки взрывоопасности и взрывоустойчивости объектов нефтегазовой отрасли с применением численных методов, геоинформационных технологий и кратномасштабного вейвлет–анализа.

Актуальность и важность представленных исследований подтверждается участием автора в выполнении научно-технических программ Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», «Критические технологии Республики Башкортостан: физико-математические принципы и технические решения», «Фундаментальные проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» по направлению «Повышение уровня безопасности сложных технических систем для переработки углеводородного сырья».





Цель работы – повышение промышленной безопасности опасных производственных объектов (ОПО) и защищенности обслуживающего персонала объектов технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли от воздействия ударной волны путем развития теории и методов комплексной оценки взрывоопасности сложных технических систем на основе геоинформационных технологий, вейвлет-анализа и численных методов.

Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие основные задачи:

  • анализ современных методов прогнозирования последствий аварий со взрывами и повышения безопасности нефтегазового комплекса;
  • создать методические основы разработки специализированной географической информационной системы (ГИС) для моделирования зон потенциальной опасности при взрывах;
  • разработать методологию комплексной оценки взрывоопасности на объектах нефтегазового комплекса с применением ГИС-технологий и вейвлет-анализа, численных методов;
  • разработать методологию взрывоустойчивости объектов нефтегазового комплекса;
  • произвести подбор защитного устройства от влияния ударной волны.

Методы решения поставленных задач

В основу теоретических исследований были положены методы и концепции численных методов и вейвлет-анализа.

Научная новизна результатов работы

1. Научно обоснован алгоритм формирования взрывоопасных облаков, основанный на системе трехмерного параметрического моделирования и методе конечных объемов, учитывающий зоны скопления взрывоопасных веществ, характер движения атмосферных потоков, рельеф местности, взаиморасположение аппаратов. Для этого введены объемные (поверхностные) коэффициенты зоны застоя, характеризующие отношение значения объема зон застоя в рабочей зоне к разнице общего объема рабочей зоны и объема оборудования, зданий и сооружений, находящихся в ней для заданного направления ветра и получены их количественные показатели для промышленного объекта.

2. Впервые разработан метод оценки зон потенциальной взрывоопасности объектов с использованием геоинформационной системы и метода кратномасштабного вейвлет-анализа. С учетом предложенных критериев выбора масштаба вейвлет-анализа, складывающихся из количества незначащих опасных областей, критериев оценки результатов вейвлет-анализа, складывающихся из количества наложений зон опасности, определяется на вейвлет-преобразованном изображении область опасности соответствующего цвета, что позволяет оптимально расположить технологическое оборудование и обеспечить защищенность оборудования.

3. Разработан метод оценки взрывоустойчивости многоэлементных сложных технических систем, таких как аппараты колонного типа, технологические трубопроводы в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения, и динамического поведения от воздействия фронта ударной волны.

Впервые дана количественная оценка основным факторам, влияющим на устойчивость аппаратов колонного типа, определены предельные состояния элементов конструкции и получено изменение критических параметров в зависимости от динамического воздействия взрывной волны с учетом свойств грунта. Построены номограммы зависимости устойчивости колонного аппарата от расстояния до эпицентра взрыва и значения тротилового эквивалента.4. Методами имитационного моделирования поведения действующих трубопроводов в поле ударной волны показано влияние направления удара на характер деформирования и произведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню напряженно-деформированного состояния (НДС) в опасных сечениях.

В результате моделирования выявлено, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, при этом в зависимости от конкретной конфигурации трубопровода можно идентифицировать наиболее вероятные зоны разрушения

5. Разработаны способ защиты объектов, мест сосредоточения обслуживающего персонала с помощью защитных устройств (патент № 2307312) и конструктивные параметры, типы конструкции и расположения защитного устройства. Создана конечно-элементная модель взаимодействия взрывной волны с защитным устройством, при этом критерием оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

На защиту выносятся:

1. Концепция и методы комплексной оценки взрывоопасности сложных технических систем, разработанные с учетом специфики опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли;

2. Конечно-элементная математическая модель и метод идентификации взрывоопасности объектов нефтегазового комплекса;

3. Метод формирования и рассеивания взрывоопасных облаков с использованием конечно-разностного метода,;

4. Метод оценки зон опасностей оборудования установки, с использованием геоинформационных технологии и вейвлет-анализа;

5. Метод оценки взрывоустойчивости технологического оборудования, пространственные железобетонные конструкции к действию ударной волны (динамических нагрузок) с использованием кончно-элементного анализа;

6. Метод оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний.

Практическая ценность результатов работы:

  1. Разработано устройство для защиты конструкций от ударной волны, позволяющее снизить воздействие поражающих факторов на персонал и повысить взрывоустойчивость объектов при возникновении аварии (патент № 2326342.).
  2. Методология оценки взрывоустойчивости аппаратов колонного типа, технологических трубопроводов предприятий нефтегазовой отрасли при возникновении аварийных ситуаций используется в работе инжиниринговой компании «ТЕСИС» для разработки новых систем проектирования и инженерного анализа.
  3. Модель оценки напряженно-деформированного состояния аппаратов колонного типа с трубопроводной обвязкой при возникновении аварийных ситуаций используется в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» для разработки проектной документации на расширение, реконструкцию, техническое перевооружение сосудов и аппаратов, работающих под давлением, а также для инженерного анализа их напряженно-деформированного состояния.
  4. Методология комплексной оценки взрывоопасности на объектах нефтегазового комплекса с применением ГИС-технологий, вейвлет-анализа и численных методов использовались в ООО «Техпроект» при разработке деклараций промышленной безопасности, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, паспортов безопасности для количественной оценки взрывоопасности объектов предприятий нефтегазовой отрасли.
  5. Предложенный «Метод расчета динамического поведения объекта с применением программного комплекса ABAQUS» используется при проведении занятий в УГНТУ по дисциплине «Принципы и методы конструирования и проектирования оборудования» для магистрантов направления 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551830 «Теоретические основы проектирования оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств» с целью формирования базы знаний по разработке проектно-конструкторской документации (ПКД) на различные виды промышленного строительства установок предприятий нефтегазовой отрасли.

Достоверность проведенных исследований обеспечивается: используемой в ней нормативной базы; соответствием результатов расчета изначально наложенным ограничениям; обоснованными современными расчетными методами. Вычислительные эксперименты прекращались при достижении заранее заданной точности.

Достоверность результатов основана на применении хорошо зарекомендовавших себя методов исследования, а также высокой степени соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов. Программный комплекс ABAQUS удовлетворяет международным стандартам качества ISO-9001 и NQA (Nuclear Quality Assurance). Программный комплекс FlowVision сертифицирован на соответствие Госстандарту России N POCC RU.ME20.H01223 как система для моделирования жидкости и газа.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских, региональных, вузовских научно-технических конференциях и тематических семинарах, в том числе Республиканской научно-технической конференции «Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса» (г. Уфа, 1995 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность» (г. Уфа, 1996 г.); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 47-ой –1996 г., 49-ой – 1998 г.; 50-ой – 1999 г., 55-ой – 2004г., 56-ой – 2005 г.); V-ой Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-V-99)» (г. Уфа, 1999 г.); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Уфа, 2002 г.); Второй всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (г. Уфа, 2003 г.); IX международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2005 г.); II Межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и соцгуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 2005 г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2005 г.); Третьей всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (г. Уфа, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия-2005» (г. Уфа, 2005 г.); VI Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (г. Москва, 2005 г.); Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2006 г.); II Научно-практической конференции Научного промышленного союза «Риском» «Техническое регулирование. Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг» (г. Москва, 2006 г.); научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации «Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2007 г.); 4-ой Международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2010» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 54 научных трудах, в том числе в 1 монографии и 21 статьях ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 2 патента и 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 232 наименования, четырех приложений. Работа изложена на 432 страницах, содержит 88 таблиц, 142 рисунка.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы. Проведен обзор опубликованных работ по известным методам оценки и обоснования промышленной безопасности опасных производственных объектов.

В первой главе приведены оценка состояния промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли, анализ причин возникновения аварий, статистическая информация по техногенным авариям, характерные особенности взрывных явлений, классификация взрывных процессов, оценка устойчивости объекта к воздействию ударной волны, показаны нагрузки на здания, сооружения, технологическое оборудование от степени воздействия волны и закон ее изменения во времени.

Описано фактическое состояние объектов нефтегазовой отрасли и дальнейшие перспективы его развития.

Приведенная статистическая информация по авариям, произошедшим на объектах нефтегазового комплекса, свидетельствует о том, что количество аварийных ситуаций имеет стабильную динамику и нередко сопровождается травматизмом со смертельным исходом.

Показано, что состояние основных фондов предприятий нефтегазового комплекса в сочетании с веществами, участвующими в технологических процессах, свойственными для таких предприятий, может привести к возникновению аварийных ситуаций, основными опасностями которых являются пожары, взрывы и токсическое заражение территории объектов.

Как известно, около 80 % производственного оборудования и технологических аппаратов располагаются на открытых технологических площадках, незначительно удалены друг от друга и часто имеют значительную высоту. Разрушение или потеря устойчивости аппаратов, особенно высотных (таких как дымовые печные трубы, колонные аппараты) или расположенных на некоторой высоте, может повлечь за собой каскадое развитие аварии. Отечественный и зарубежный опыт расследования крупных аварий показывает, что основной особенностью развития аварии является каскадный механизм, так называемый «эффект домино». В случае с аппаратами колонного типа это осложняется еще и тем, что в них находятся большие массы взрывопожароопасных веществ, что может привести к катастрофическому развитию аварии.

Исходя из актуальности проблемы, в работе исследуется воздействие приземного взрыва газопаровоздушной смеси в дальней зоне на аппараты колонного типа на примере ректификационной колонны, входящей в состав установки вторичной перегонки бензина топливного производства.

Проведенный анализ методических подходов к оценке потенциальной взрывоопасности в известных ведомственных методических документах, работах отечественных, зарубежных ученых показал, что в них не содержится единого методического подхода к прогнозированию потенциальной взрывоопасности.Большой объем исходной информации и сложность современных методических подходов при оценке последствий аварий обуславливают необходимость разработки единой методической базы для оценки последствий аварий с использованием современных геоинформационных технологий.

Выполнен анализ общих теоретических принципов и основных положений современной концепции промышленной безопасности техносферы, изложены подходы автора к разрабатываемым в диссертации методам количественной оценки взрывоопасности, взрывоустойчивости и обоснованию инженерных решений, направленных на повышение промышленной безопасности в нефтегазовой отрасли, на основании чего предложена система мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли, на основании чего предложена система мониторинга взрывоопасности производственных объектов, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Мониторинг взрывоопасности производственных объектов

нефтегазовой отрасли

Исходя из проведенного во второй главе анализа существующих методик, применяемых с целью прогнозирования аварийной загазованности, оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей, методов оценки основных опасностей технологических установок, существующих методических подходов к оценке реализации аварийных ситуаций на опасных производственных объектах и их последствий показано, что они основаны на упрощенных представлениях о процессах образования взрывоопасных облаков, не позволяющих получить точного результата с учетом реального положения объекта.

В целях создания комплексной оценки формирования взрывоопасных облаков и оценки потенциальной опасности разработана методология оценки взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли.

Обоснована необходимость оценки последствий аварий на ОПО с применением географических информационных систем. Для решения вопросов информационного обеспечения взрывопожаробезопасности технологических установок ОПО и анализа последствий реализации аварийных ситуаций предлагается использовать геоинформационную систему «ИнГЕО» и разработанный автором алгоритм кратномасштабного анализа зон потенциальной опасности опасных объектов.

Создан метод прогнозирования образования и рассеивания взрывоопасных облаков с учетом рельефа местности, реальной застройки промышленного объекта, направления атмосферных потоков, изменения скорости ветра по высотам, параметров истечения взрывопожароопасного вещества, ориентации и месторасположения источника выброса. Предполагается, что в образовании взрывоопасного облака может участвовать газообразное горючее вещество одного вида или смеси нескольких горючих веществ.

Метод предназначен: для исследования процессов протекания гипотетических и проектных аварий на промышленных объектах, вызванных образованием взрывоопасных облаков; для определения структуры атмосферных потоков и выявления застойных зон (вероятных мест скопления взрывопожароопасных веществ); для определения взрывоопасной зоны, воспламеняемого объема и площади, покрываемой взрывоопасным облаком, формы и траектории движения воспламеняемой части облака в результате аварийной разгерметизации от точечных, линейных и площадных источников; для определения рационального размещения промышленных объектов и (или) схемы рационального взаимного расположения объектов на площадке предприятия; для определения оптимального размещения газоанализаторов на территории промышленного объекта; определения основных и дополнительных характеристик взрыва дрейфующих взрывоопасных облаков.

Схема этапов предлагаемого метода представлена на рисунке 2.

Для идентификация опасности были применены объектно-ориентированный подход и графические модели представления технологических схем опасного производственного объекта.

При прогнозировании образования и рассеивания взрывоопасных облаков был применен 9-уровневый диапазон струйного выброса (от 0,25 до 96 кг/с) и использованы 7 категорий взрывоопасных облаков (4 %-ный, 7 %-ный, 15 %-ный, 22 %-ный, 36 %-ный, 50 %-ный и 100 %-ный объемы облака от объема взрывоопасных веществ, находящихся в аппарате), в соответствии с рекомендациями по прогнозированию масштабов аварий нефтяными компаниями («Статойл» и «НорскГидро»). Время моделирования образования и рассеивания взрывоопасного облака было принято, на основании статистических данных и нормативно-технической документации, равного не более 300 с.

Для определения схемы рационального взаимного расположения объектов на площадке предприятия предложены коэффициенты зон застоя для каждой возможной схемы и принимается схема с минимальными значениями данных коэффициентов.

Рисунок 2 – Схема этапов прогнозирования образования и рассеивания

взрывоопасных облаков

Объемный коэффициент рабочей зоны застоя () определяется из отношения объема застоя в рабочей зоне к разнице общего объема рабочей зоны и объема оборудования, зданий и сооружений, находящихся в ней:

, (1)




где – объем застоя в рабочей зоне (определяется с использованием CFD пакета), м3;

– общий объем рабочей зоны, м3;

– объем оборудования, зданий и сооружений, находящихся в рабочей зоне, м3.

Поверхностный коэффициент зоны застоя определяется из отношения площади зоны застоя на высоте до 2,8 м от нулевой отметки технологической площадки к разнице общей площади рабочей зоны и площади оборудования, зданий и сооружений, находящихся в ней:

, (2)

где – площадь застоя в рабочей зоне (определяется с использованием CFD пакета), м3;

– общая площадь рабочей зоны, м3;

– площадь оборудования, зданий и сооружений, м3.

Для оптимального размещения газоанализаторов на территории промышленного объекта необходимо задать условия прогнозирования (как разместить газоанализаторы, чтобы за время t обнаружить k уровень от нижнего концентрационного предела воспламенения) или условия анализа (определить, за какое время n газоанализаторов обнаружат i аварий). Рекомендуемые уровни обнаружения концентрационного предела воспламенения составляют 20 % и 50 % от НКПВ (при задании уровня обнаружения следует учитывать характеристики используемых газоанализаторов). Задаются параметры газоанализаторов (радиус действия). Для задачи прогнозирования необходимо выполнить полное покрытие территории промышленного объекта газоанализаторами, а для задачи анализа установить газоанализаторы в соответствии с проектом; смоделировать гипотетические и проектные аварии с выбросом взрывоопасных веществ для разных направлений и преобладающих скоростей атмосферных потоков; выполнить анализ графиков изменения уровня концентрации для каждого газоанализатора; выбрать газоанализаторы, удовлетворяющие условиям прогнозирования.

В качестве математической модели для решения задач прогнозирования зон загазованности предлагается использовать стандартную k- модель турбулентности для течения вязкого газа с небольшими изменениями плотности при малых и больших числах Рейнольдса. В стандартную k- модель входят уравнения Навье-Стокса, энергии и конвективно-диффузионного переноса концентрации примеси. Учитывая, что численные эксперименты требуют много машинного времени даже на самых мощных компьютерах, был сделан ряд допущений: расчеты движения атмосферных потоков и образования облаков ТВС рассматривались без учета процессов теплообмена и химических реакций; изменение концентрации у компонент смеси происходит за счет диффузии опасного вещества. Эти предположения физически соответствуют условиям рассматриваемой задачи, но позволяют упростить её физико-математическую постановку.

При проведении численных экспериментов моделирования движения атмосферных потоков на территории промышленного объекта установлено, что застойные зоны могут частично совпадать при наложении друг на друга при разных направлениях ветра (юг, север, запад, восток) вследствие высокой насыщенности оборудованием. Данный факт предлагается использовать в классификации территории промышленного объекта (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация территории промышленных объектов

Зона Признак зоны Характеристика зоны
А Мертвая зона Территория промышленного объекта, в которой образуется зона застоя при основных направлениях ветра
Б Плохопроветриваемая зона Территория промышленного объекта, в которой образуется зона застоя, сформированная тремя наибольшими зонами застоя
В Среднепроветриваемая зона Территория промышленного объекта, в которой образуется зона застоя, сформированная двумя наибольшими зонами застоя
Г Слабопроветриваемая зона Территория зоны застоя, сформированная при одном направлении ветра
Д Проветриваемая зона Территория объекта, в которой отсутствуют зоны застоя при любом направлении ветра

Предложенная классификация территории промышленных объектов может быть использована при определении очередности покрытия территории вероятных застойных зон на объекте газоанализаторами, как этого требуют Ту-газ-86 и
РД БТ 39-0147171-003.

Особенности ГИС «ИнГЕО» позволяют создать подсистему визуализации зон потенциальных опасностей ОПО, что является одним из звеньев в решении поставленных задач. Для реализации подсистемы необходим выбор методов расчета и отображения этих зон. В этих целях проведен анализ существующих методов отображения зон опасностей опасных производственных объектов, и в качестве основного выбран способ ареалов, который и реализован в подсистеме. В качестве метода расчета зон выбран метод расчета зон опасностей на основе данных о предельном количестве вещества, содержащегося в оборудовании ОПО.

Анализ графической и семантической информации при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО» визуализации зон опасностей позволяет локализовать пространственно зоны потенциальной опасности оборудования (аппаратов) установок. Однако с увеличением количества аппаратов на территории установки общий анализ опасных зон становится трудновыполнимым: на экране отображается слишком много перекрывающихся зон, что не позволяет адекватно воспринимать предоставляемую системой информацию.

Для решения указанной проблемы предлагается провести кратномасштабный анализ графического изображения зон опасностей, предполагающий последовательное вейвлет-преобразование сигнала с использованием фильтров Добеши.

В качестве набора сигналов выступает графическое представление зон опасностей. Пример таких сигналов приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Тестовый образ и примеры сигналов, соответствующие горизонтальным

линиям изображения

Алгоритм вейвлет-преобразования следующий.

Рассматривается изображение (рисунок 3) как матрица, размеры которой определены его высотой и шириной. Элементы матрицы были приняты как целые значения в диапазоне [0; 255]. Исходная матрица представляется в виде набора векторов; каждый элемент этого набора имеет длину, совпадающую с шириной изображения, а элементы векторов принимают целочисленные значения в диапазоне от 0 до 255. На рисунке 3 показан пример трех сигналов, соответствующих различным областям тестового изображения. Таким образом, анализируются функции I(x) интенсивности пикселей, аргумент x – это горизонтальная координата точки на изображении.

Функции интенсивности подвергаются вейвлет-преобразованию при фиксированном значении масштабного коэффициента a. В результате вновь получается одномерный вектор

, (3)

число элементов N которого равно ширине изображения. Индекс элемента вектора совпадает с величиной смещения b вейвлета.

Описанная последовательность действий приводит к набору векторов, содержащих вейвлет-образы строк матрицы исходного изображения. Объединяя набор преобразованных векторов, можно получить вейвлет-преобразованное изображение исходного.

Последовательность повторяется (с уменьшением масштаба) до тех пор, пока не выявятся области потенциальной опасности.

Кратномасштабный анализ предполагает в итоге получение вейвлет-преобразованных данных для N масштабов: для каждого из масштабов формируется набор данных из аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов. Возникает необходимость определения критерия применимости аппроксимирующих коэффициентов для оценки исходных данных.

С уменьшением масштаба преобразованные данные все меньше соответствуют исходным, так как убираются детализирующие данные. Ими в данном случае выступают области опасностей, которые являются бесконечно малыми по отношению к исходным зонам опасностей. Это означает, что в результате вейвлет-преобразования исходного изображения появляется множество мелких областей равной опасности, которые, в принципе, при анализе можно не учитывать, так как они создают дополнительный шум и препятствуют быстрому визуальному анализу полученных данных.

Область опасности будем считать незначащей, если выполняется соотношение

Dj Smin, (4)

где Dj – площадь тестируемой области, – площадь j-ой тестируемой области, К – количество тестируемых областей; – минимальная площадь, занимаемая
i-ым аппаратом на территории установки (проекция аппарата на поверхность земли), N – количество аппаратов установки.

Таким образом, площадь тестируемой области Dj не должна превышать площадь, занимаемую самым малогабаритным аппаратом (в проекции на земную поверхность), представляющим потенциальную опасность.

Далее определяется критерий выбора масштаба вейвлет-преобразования.

В ходе экспериментального вейвлет-исследования зон полных разрушений оборудования установки ЭЛОУ-АВТ была выявлена следующая зависимость: вплоть до 10-11 масштабов наблюдается убывающая, без скачков, последовательность количества незначащих областей (рисунок 4).

Рисунок 4 – Общий вид зависимости количества незначащих областей (К)
от величины масштаба (М)

На 16 масштабе (рисунок 5) возникает скачок, при котором количество незначащих областей увеличивается. Это означает увеличение шума, то есть масштаб 15 является более приемлемым для анализа по сравнению с 16-ым. Однако к 18-ому масштабу число незначащих областей падает до нуля, но при этом данные будут являться весьма приближенными к исходным (так как отбрасывается сравнительно большое количество детализирующих данных), что будет накладывать погрешность на определение критических областей.

Поэтому наиболее оптимальным для анализа в данном случае предлагается выбрать масштаб 15.

Рисунок 5 – Вид зависимости количества незначащих областей (К)
от величины масштаба (М) от 10 до 32

Оценку областей предлагается производить из следующих соображений. Максимально темные (насыщенные) цвета соответствуют наибольшему количеству наложенных друг на друга зон полных разрушений объектов установки. Значит, наиболее темная (насыщенная) область является наиболее опасной для функционирования оборудования установки с точки зрения вероятности возникновения аварийной ситуации. Такие области будем называть критическими областями потенциальной опасности.

Алгоритм разработанного метода вейвлет-анализа в виде блок-схемы приведен на рисунке 6, а.

Если общая площадь критических областей потенциальной опасности превышает 5 % от площади установки, то необходимо оптимизировать пространственное расположение оборудования установки с целью снижения вероятности возникновения аварийной ситуации на территории установки.

Для этого в работе была поставлена и решена задача оптимального расположения оборудования установки с минимизацией длины трубопроводов, соединяющих аппараты:

(5)

где n – количество аппаратов; – координаты центров аппаратов (в проекции на земную поверхность); – координаты начала системы трубопроводов; – множество точек плоскости, определяющее территорию установки; – система ограничений, ответственных за безопасные расстояния аппаратов друг от друга; – функция длины трубопроводов, подлежащая минимизации.

Задача решается методом штрафных функций. Для этого рассматривается вспомогательная целевая функция. В качестве такой функции взята

, (6)

где. (7)

В результате решения задачи (3) выявляются минимальное значение функции и набор координат безопасно расположенных аппаратов установки с минимальной длиной соединяющих трубопроводов. С использованием этих координат составляется обновленная цифровая модель территории установки, которая далее подвергается вейвлет-анализу. Алгоритм решения задачи оптимизации приведен на рисунке 6, б.

На основе предложенных алгоритмов автором спроектирована и создана подсистема ГИС «ИнГЕО» (А.с. об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612414. Модуль расширения ГИС «ИнГЕО»: система визуализации зон опасностей ОПО), решающая задачи выявления и отображения в электронной модели местности критических областей потенциальной опасности на основе составленной тематической карты зон опасностей с использованием вейвлет-преобразований полученных зон.

Подсистема позволяет динамически отображать зоны опасности аппаратов на поверхности рисования электронной карты на основе заданных настроек, осуществлять вейвлет-анализ зон опасностей ОПО на основе заданных пользователем настроек, привязывать результаты вейвлет-анализа в ГИС в качестве растровой подложки.

А Б
Рисунок 6 – Блок-схема метода вейвлет-анализа зон полных разрушений (а), блок-схема решения задачи оптимального расположения оборудования установки (б)

Для оценки взрывоустойчивости сложных технических систем нефтегазового комплекса в третьей главе приводится анализ существующих методов исследования оценки последствий взрывов на промышленных объектах. В результате выявлены недостатки существующих методик и преимущества современных численных методов, на основании чего в качестве инструмента проведения исследований выбран программный комплекс ABAQUS.

Существующие методы исследования поведения колонных аппаратов при действии взрывной волны, как правило, основаны на упрощенном представлении колонного аппарата в виде консольного стержня, жестко защемленного у основания. Метод конечных элементов в силу своей универсальности особенно эффективен, поскольку позволяет решать задачи в трехмерной постановке с любой детализацией объекта исследования и любыми типами прилагаемых нагрузок как статических, так и динамических, а также позволяет применять реальные модели поведения материалов, в которых свойства материала зависят от температуры, скорости деформаций и пр. Метод позволяет учесть все виды нелинейности, как физическую, так и геометрическую, решать контактные задачи.

Проведение точного численного эксперимента способно существенно повысить безопасность объекта и сильно сэкономить время и ресурсы на проведении натурных экспериментов при проектировании новых объектов, а также уменьшить аварийность существующих объектов.

Практическое использование результатов моделирования процессов деформирования и разрушения связано с необходимостью верификации полученных зависимостей.

Для того чтобы проверить достоверность численных результатов, получаемых с использованием ПК Abaqus, при решении задачи о величине критической деформации, которая приводит к необратимым пластическим деформациям, был проведен лабораторный эксперимент.

Для проведения эксперимента были созданы лабораторная установка и численная модель лабораторной установки, которые моделирует участок трубопровода.

Расхождения между численным и натурным экспериментами составили 6…15 %. Верификация показала хорошее совпадение с экспериментом, следовательно, данные, полученные в ПК ABAQUS, можно считать адекватными.

Алгоритм метода оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок приведен на рисунке 7.

Энергетический потенциал взрывоопасности i-ого аппарата Еi (кДж), согласно
ПБ 09-540-03, определяется полной энергией сгорания парогазовой фазы, находящейся в блоке, с учетом величины работы ее адиабатического расширения, а также величины энергии полного сгорания испарившейся жидкости с максимально возможной площади ее пролива.

Для оценки уровня воздействия взрыва может быть принят тротиловый эквивалент W. Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны Р, и, соответственно, безразмерным коэффициентом К (ПБ 09-540-03).

По данным ПБ 09-540-03 в диапазоне от полных до слабых разрушений определена функциональная связь K = f(Р), для Р > 14 кПа (1):

K(Р) = Р /(a + b Р + c Р2), (8)

где a = – 1,3277; b = 0,1103; c = 0,0014.

Зависимость K = f(Р) показана на рисунке 8.

По формуле 8 и данным Рачевского Б.С. (воздействие ударной волны на технологическое оборудование) определяется величина безразмерного коэффициента К0, характеризующего неустойчивость аппарата к повреждению при воздействии ударной волны.

где Rij0 – безопасные расстояния для всех аппаратов друг от друга i = 1,n-1; j = i,n;

ri, rj – радиусы проекций на земную поверхность i-ого и j-ого аппаратов, м;

Rijмонт. – монтажное расстояние (расстояние между аппаратами, необходимое для их монтажа и дальнейшего обслуживания при эксплуатации, в качестве Ri,jmin принимается меньшее значение из Rijмонт или Rij0;

xi, xj, yi, yj – координаты аппаратов;

n – число аппаратов;

m – число неравенств;

Lij – весов связей;

– вес связи для технологически не связанных аппаратов;.

Рисунок 7 – Алгоритм метода оптимизации безопасного расположения оборудования

технологических установок

Рисунок 8 – Зависимость K = f(Р)

Для исследования пространственных железобетонных конструкций на действие ударной волны предлагается метод прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок, учитывающий реальную застройку и месторасположение источника взрыва.

Прогнозирование действия ударной волны на объекты выполняется в три последовательных этапа. Алгоритм прогнозирования представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Алгоритм прогнозирования действия ударной волны на объекты

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

На втором этапе производится моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн на производственной площадке технологической установки. Второй этап реализуется с использованием методов вычислительной газодинамики.

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

В четвертой главе на примере типовой площадки абсорбционно-газофракционирующей установки (АГФУ) газокаталитического производства выполнена апробация метода прогнозирования образования и рассеивания облаков ТВС. Возникновение опасности на АГФУ возможно из-за высокой плотности размещения технологического оборудования, наличия большого количества воспламеняющих веществ, наличия источников воспламенения (открытый огонь печей).

На рисунке 10 представлена предварительная ориентация типовой планировки наружной площадки АГФУ относительно розы ветров и указаны места потенциальных аварий струйного и мгновенного выбросов взрывоопасных веществ.

Статистические погодные данные для г. Уфы и его окрестностей, собранные за 2004 и 2005 гг., указывают на три преобладающих направления атмосферных потоков: южное (40,05 %), западное (13,97 %) и северное (13,94 %). По силе ветра преобладают ветра с силой, равной 2 баллам (42,03 %), 3 баллам (22,57 %) и 1 баллу (15,66 %) по шкале Бофорта.

Для прогнозирования возможных и ожидаемых масштабов аварийных выбросов и планирования мероприятий по обнаружению аварийной загазованности на территории установки были выполнены расчеты движения атмосферных потоков и получены линии токов. Полученные поля скоростей атмосферных потоков представляют весьма сложную картину, изобилующую циркуляционными зонами и сменами направления течения атмосферных потоков.

Рисунок 10 – Предварительная ориентация типовой наружной площадки АГФУ

Результаты расчетов коэффициентов зоны застоя на наружной площадке АГФУ для основных направлений и преобладающих скоростей атмосферных потоков сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Значения коэффициентов зоны застоя АГФУ

Север Восток Юг Запад
Поверхностный коэффициент зоны застоя на отметке h = 2 м от нуля установки
0,419632 0,205437 0,328529 0,270757
0,270745 0,117877 0,206921 0,119063
Объемный коэффициент зоны застоя на отметке h = 2 м от нуля установки
0,486047 0,249121 0,395070 0,323713
0,318865 0,118190 0,233252 0,156591
Примечание: 2,5 и 4,5 – это скорости атмосферных потоков (м/с) на высоте 10 м.

При анализе результатов расчета коэффициентов зон застоя, полученных для разных направлений атмосферных потоков и розы ветров г.Уфы и его окрестностей, установлено, что для рационального размещения наружной площадки АГФУ необходимо её переориентировать, повернув по часовой стрелке на 90 относительно предварительного размещения. Это в 15 раз уменьшит количество дней в году, при которых образуются максимальные зоны застоя для преобладающего направления атмосферных потоков.

Для подтверждения рациональной ориентации и изучения влияния формирования воспламеняющейся части облаков ТВС, образованных в результате мгновенного выброса взрывоопасных веществ, был проведен ряд численных экспериментов проектных аварий.

В ходе проведения численных экспериментов проектных аварий для преобладающей скорости атмосферных потоков (объем облаков ТВС равен 157 м3, облако состоит из 20 % пропанобутановой смеси и 80 % воздуха) получены зависимости изменения объема воспламеняющейся части облаков ТВС с момента их выброса для рационального размещения. Установлено, что процесс рассеивания облаков ТВС для доминирующего направления атмосферных потоков преобладает по сравнению с другими направлениями, это подтверждает правильность выбора рационального размещения наружной площадки АГФУ.

Применение разработанного метода оптимального размещения газоанализаторов на территории промышленного объекта позволило расчетным путем определить необходимое количество газоанализаторов и места их размещения. Первоначальная схема покрытия газоанализаторами территории наружной площадки АГФУ приведена на рисунке 11 (всего 28 газоанализаторов).

Рисунок 11 – Частота обнаружения аварийной загазованности газоанализаторами (а), первоначальная схема покрытия территории АГФУ газоанализаторами (б)

Условие размещения газоанализаторов на территории – определение минимального количества газоанализаторов для обнаружения трех проектных аварий (20 % уровня от нижнего концентрационного предела воспламеняемости пропанобутановой смеси) в независимости от направления атмосферных потоков, при этом каждый газоанализатор должен определить две из трех аварий в течение 15 секунд после их возникновения.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению облаков ТВС (трех прогнозируемых аварий), образованных в результате мгновенных выбросов, с учетом основных направлений и преобладающей скорости (v0 =2,5 м/с) атмосферных потоков (34=12 сценариев) установлено, что для наружной площадки АГФУ, согласно условию размещения, можно снизить количество газоанализаторов с 28 до 3, это газоанализаторы под номерами 11 (или 10), 17, 20 (или 21).

Для определения эффективности первоначального размещения систем газоанализаторов получены данные по частоте обнаружения аварийной загазованности всеми газоанализаторами в течение 60 секунд, с момента мгновенного выброса (рисунок 11). Результаты расчетов показали, что для своевременного обнаружения проектных аварий нет необходимости в полном покрытии газоанализаторами территории промышленного объекта.

В ходе проведения численных экспериментов по образованию и рассеиванию облаков ТВС, образующихся в результате струйного выброса (пропанобутановой смеси с массовой скоростью 6 кг/с) из колонного аппарата (рисунок 11), при преобладающей скорости (v0 =2,5 м/с) атмосферных потоков (высота расположения источника выброса 2 метра от приземного слоя АГФУ), получены потенциальные зоны дрейфа воспламеняющейся части облаков ТВС, с учетом разных направлений ветра. Установлено, что соприкосновение воспламеняющейся части облака ТВС в результате рассматриваемого струйного выброса с поверхностью печи возможно с учетом рационального размещения наружной площадки при западном направлении ветра. Следовательно, рациональное размещение наружной площадки в 15 раз уменьшит количество дней в году, при которых возможно возникновение аварийной ситуации, а также снизит вероятные зоны разрушения, т.к. снижается значение объема воспламеняющейся части облака ТВС.

На рисунке 12 приведены результаты исследования формирования воспламеняющей части облака ТВС на территории наружной площадки АГФУ при наиболее повторяемом направлении и преобладающей скорости ветра.

Согласно РД 03-409-01 или ПБ 09-540-03 и на основании значений объема воспламеняющейся части выполнены расчеты приближенной оценки различных параметров воздушных ударных волн и вероятной степени повреждения зданий на АГФУ при авариях, сопровождающихся взрывами облаков ТВС.

На рисунке 13 приведены скорректированные вероятные зоны воздействия поражающих факторов при взрыве облака ТВС при максимальном значении воспламеняемого объема при предварительной и рациональной ориентациях наружной площадки АГФУ.

В результате определения рационального расположения площадки АГФУ минимизированы последствия от взрывов дрейфующего облака ТВС при наиболее повторяемом направлении и преобладающей скорости атмосферных потоков, а также выполнена корректировка расчета площади вероятных зон разрушения, изложенного в ПБ 09-540-03.

Рисунок 12 – Формирование воспламеняющейся части облака ТВС на территории наружной

площадки АГФУ, при наиболее повторяемом направлении атмосферных

потоков и преобладающей скорости ветра (массовая скорость выброса 6 кг/с,

mвыбр = 418 кг)

Рисунок 13 – Максимальные области полных разрушений в результате

воспламенения облака ТВС, образованного при наиболее повторяемом

направлении и преобладающей скорости атмосферных потоков (направление

выброса северное, массовая скорость выброса 6 кг/с, mвыбр = 418 кг)

В пятой главе на примере установки ЭЛОУ-АВТ была проведена апробация метода оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний. Стандартный план данной установки с радиусами зон полных разрушений (избыточное давление более 100 кПа) для основного оборудования приведен на рисунке 14.

Рисунок 14 – Стандартный план расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ

На рисунке 15, а приведен возможный план расположения оборудования рассматриваемой установки ЭЛОУ-АВТ с учетом весов связей между аппаратами. Оптимизация расположения будет произведена таким образом, что все аппараты будут находиться вне зоны полных разрушений друг от друга.

Неблагоприятной была принята ориентация наибольшей стены по нормали к направлению распространения ударной волны (К1 1,1 – коэффициент ориентации объекта на центр возможного взрыва), благоприятной – при расположении стен под углом 45о, (К1 0,8); для промежуточных положений объекта (нейтральных) принимают К1 = 1.

Для уменьшения коэффициента К1 при проектировании или реконструкции установок нефтеперерабатывающих заводов необходимо определить ориентацию объекта к источнику наибольшей опасности взрыва для зданий и сооружений, а также оборудования, имеющего различные коэффициенты аэродинамического сопротивления по различным направлениям. Для этого введем понятие «центр энергопотенциалов». Координаты «центра энергопотенциалов» хцэ, уцэ определяются по:

(7)

где Ei – энергопотенциал i-ого аппарата, кДж;

xi, yi – координаты i-ого аппарата, м.

«Центр энергопотенциалов» установки ЭЛОУ-АВТ с радиусами полных разрушений всех аппаратов показан на рисунке 15, а.

Направления векторов, равных сумме векторов избыточного давления во фронте ударной волны Рф от всех аппаратов, в различных точках пространства показаны на рисунке 15, б.

а б

Рисунок 15 – Направления суммарных векторов Рф от всех аппаратов (а);
возможный план расположения оборудования и операторной с учетом весов связей между аппаратами при К0 = 3,8 (б)

Из рисунка 15 видно, что для точек пространства, не лежащих в зонах полных разрушений, линия, соединяющая данную точку пространства с «центром энергопотенциалов», практически совпадает с направлением суммарного вектора Рф.

Таким образом, можно определить наиболее безопасную ориентацию объекта, находящегося вне зоны полных разрушений. Такой ориентацией буден расположение стен объекта под углом 45о к «центру энергопотенциалов».

На рисунке 15 приведен возможный план расположения оборудования рассматриваемой установки ЭЛОУ-АВТ с учетом веса связей между аппаратами и «центра энергопотенциалов» при определении ориентации операторной. Коэффициент К0 принят равным 3,8 для каждого аппарата, т.е. оптимизация расположения произведена таким образом, что все аппараты будут находиться вне зоны полных разрушений друг от друга.

Для уменьшения площади территории технологической установки с обеспечением прежнего уровня безопасности необходимы мероприятия по снижению взрывоопасности оборудования либо снижению воздействия ударной волны на соседнее оборудование и повышению его устойчивости к воздействию поражающих факторов.

После проведения этих мероприятий возможно изменить местоположение крайних аппаратов (на рисунке 16 измененное местоположение показано пунктирной линией), результатом будет снижение площади территории в 3,47 раза, после этого площадь установки при оптимизированном безопасном расположении превышает в 1,2 раза площадь установки ЭЛОУ-АВТ при стандартном плане расположения.

Далее был проведен анализ последствий аварийных ситуаций на установках нефтегазового комплекса с применением метода оценки зон опасностей оборудования установки с использованием ГИС-технологий и вейвлет-анализа.

Рисунок 16 – Оптимизированный план расположения оборудования
и операторной установки ЭЛОУ-АВТ

Были рассчитаны радиусы зон полных разрушений этих аппаратов и внесены в виде семантической информации объектов в ГИС. Подсистема ГИС «ИнГЕО» визуализации зон опасностей опасных производственных объектов отобразила зоны полных разрушений оборудования установки (рисунок 17). Далее при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО», вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей опасных производственных объектов были выделены и проанализированы зоны полных разрушений оборудования установки. Результаты вейвлет-анализа были наложены на карту в виде растровой подложки.

Вейвлет-анализ зон потенциальных опасностей оборудования установки ЭЛОУ-АВТ показал, что практически вся территория установки покрывается зонами полных разрушений аппаратов, содержащих опасные вещества.

Это представляет большую угрозу для функционирования установки в целом, так как авария на одном аппарате приведет к неизбежному разрушению других, находящихся в его зоне полных разрушений; дальше – эффект «домино». Кроме того, по результатам анализа можно однозначно определить наиболее опасное место на территории установки – критическую область потенциальной опасности: местоположение печей П-1 и П-2 (наиболее тёмная область на рисунке 17).

Итак, анализ произвольно взятых технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли показывает, что типовое расположение оборудования установок не удовлетворяет требованиям безопасности. В связи с этим необходимо скорректировать расположение аппаратов на территории установки, так как, согласно п.1 статьи 9 ФЗ №116 от 20.06.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», организация, эксплуатирующая опасные производственные объекты, должна принимать меры по защите жизни и здоровья сотрудников.

Исходя из этого в четвертой главе рассматривается еще одно типовое расположение установки ЭЛОУ-АВТ и производится расстановка оборудования с использованием предложенного в работе метода оптимизации безопасного расположения оборудования.

а б

Рисунок 17 – Зоны полных разрушений в окне ГИС «ИнГЕО» (а)

и результат вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей аппаратов (б)

На примере типовой установки ЭЛОУ-АВТ в ГИС «ИнГЕО» была построена электронная модель пространственного расположения элементов установки (рисунок 18)

а б

Рисунок 18 – Расположение зон полных разрушений оборудования установки ЭЛОУ-АВТ на электронной карте ГИС «ИнГЕО» (М1:95) (а), критические области потенциальной опасности при типовом расположении оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (М1:95) (б)

Анализ этих зон при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО», вейвлет-анализа показывает, что территория установки практически представляет собой одну очень большую область потенциальной опасности – выделены наиболее насыщенными градациями цвета. Это означает, что такое расположение элементов установки не является безопасным для ее функционирования.

На основе предложенного в работе метода была проведена оптимизация безопасного расположения оборудования установки, а также произведена соответствующая расстановка оборудования рассматриваемой установки на электронной карте (рисунок 19).

Вейвлет-анализ зон опасностей оптимизированного расположения оборудования показал, что в этом случае число критических областей стремится к минимуму, то есть повышается уровень безопасности установки.

При такой оптимизации линейные размеры самой установки остались на прежнем уровне.

а б

Рисунок 19 – Оптимизированное расположение оборудования установки ЭЛОУ-АВТ на электронной карте ГИС «ИнГЕО» (М1:95) (а), Критические области потенциальной опасности при оптимизированном расположении оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (М1:95) (б)

В шестой главе на примере модели ректификационной колонны методом оценки взрывоустойчивости технологического оборудования к действию ударной волны (динамических нагрузок) с использованием метода конечных элементов (МКЭ) определено НДС колонны от воздействия ударной волны. К поражающим факторам взрыва можно отнести тепловой удар, детонационное и дефлаграционное воздействия. На практике было установлено, что детонационное воздействие не оказывает значительного влияния на трубопроводные системы. Время воздействия детонационного эффекта ничтожно мало, оно сопровождается значительными колебаниями давления на фронте взрывной волны и поэтому рассматривается как акустический эффект.

Время действия эффекта дефлаграции велико по сравнению с детонацией, поэтому на практике моделирование дефлаграционного воздействия близко к статическому. Основным из поражающих факторов при дефлаграции является давление на фронте ударной волны. Модель такого воздействия может быть рассмотрена как воздействие ветровой нагрузки на поверхность в течение промежутка времени. Наибольшую опасность представляет фаза повышения давления до значения р+мах за время t+мах, в этот период трубопровод испытывает наибольшие нагрузки.

Геометрическая модель колонны, схема нагружения и граничных условий, а также условий контактного взаимодействия показаны на рисунке 20. Основные конструктивные параметры модели: диаметр колонны 3,8 м, общая высота конструкции 27 м, количество тарелок 38, толщина тарелки 15 мм, толщина стенки колонны 18 мм, толщина стенки основания 15 мм, количество анкерных болтов 16, диаметр анкерного болта 42 мм, материал всех деталей модели – сталь марки ВСт3.

Бетонный фундамент, имеющий размеры 7 x 7 x 2 м моделировался абсолютно жестким телом.

1 – колонна; 2 – обвязка колонны; 3 – крепление колонны к фундаменту;
4 – ректификационные тарелки; 5 – анкерный болт

Рисунок 20 – Геометрическая и расчетная модель колонны

Для решения статической задачи для материала анкерных болтов применялась упругопластическая модель поведения, для решения динамической задачи использовалась модель поведения материала с разрушением и деградацией модуля упругости.

Известно, что одним из основных факторов, удерживающих колонный аппарат от падения, являются анкерные болты, при помощи которых колонна крепится к бетонному основанию. К тому же при ударном воздействии, когда скорость деформации материала велика, важно учитывать тот факт, что пластические свойства материала зависят от скорости деформаций. В связи с этим в работе особое внимание уделено заданию свойств материала анкерного болта.

В отличие от обычно применяемой упругопластической модели поведения материала модель с разрушением позволяет смоделировать процесс разрыва материала при превышении критической нагрузки (модель с разрушением, используемой в данной работе, модель пластичности Джонсона-Кука, ABAQUS Analysis User’s Manual).

При исследовании влияния атмосферной коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны при действии взрывной нагрузки в качестве примера принималась модель болта с утоньшением в середине. Считалось, что все анкерные болты были подвержены коррозии.

Исследование воздействия ударной волны на колонну предполагает, что до момента взрыва аппарат работает в штатном режиме, поэтому исследование проводилось в несколько этапов.

Первый шаг состоял в решении задачи о статическом нагружении колонны при штатном режиме эксплуатации.

На втором шаге, с учетом преднагруженного состояния, полученного на первом шаге, на колонну прилагалась распределенная нагрузка от действия ударной волны, действующая на половину колонны с определенной амплитудой (рисунок 20). Такой способ моделирования ударной волны позволяет задать не только давление на фронте ударной волны, но и импульс, который оказывает существенное влияние на устойчивость аппарата.

Следуя такой схеме, проводилось исследование на нахождение критической нагрузки Pкрит, при превышении которой колонна опрокидывается.

С целью определения влияния различных параметров на критическую нагрузку были проведены исследования для базовой модели с учетом грунта и модели разрушения материала анкерного болта; без учета грунта и модели разрушения материала анкерного болта; с учетом грунта и упругопластической модели поведения материала анкерного болта; модели с болтами, подверженными коррозии, с учетом грунта и модели поведения материала анкерного болта с разрушением; модели с 8 болтами.

Также решалась задача о падении колонны на соседнее оборудование, расположенное в 12 метрах от колонны. Для этого была создана модель для расчета действия ударной волны, но с добавлением пустотелой емкости. При решении этой задачи толщина стенки аппарата в виде пустотелой емкости и опор принималась равной 15 мм, диаметр аппарата 3 м, длина 5 м.

Аппарат моделировался оболочечными элементами типа S4R. Элемент типа S4R является четырехузловым оболочечным элементом с одной точкой интегрирования в плоскости элемента и пятью точками интегрирования по толщине, позволяющими учесть такие свойства, как изгибную и продольную жесткости, а также большие деформации. Свойства материала емкости были аналогичны свойствам материала колонны.

Также представлены результаты расчетов и проведен анализ результатов.

Решение статической задачи, моделирующей штатный режим работы колонного аппарата, показало, что все элементы колонны работают в упругой зоне деформаций, то есть максимальные напряжения в конструкции не превышают предела текучести материала.

Первая задача о воздействии ударной волны состояла в нахождении критического значения давления Pмакс, при превышении которого колонна теряет устойчивость и опрокидывается.

При решении этой задачи менялось только значение давления, а время прохождения фронта ударной волны через колонну (время фазы сжатия) оставалось постоянным.

Путем проведения вычислительных экспериментов была найдена критическая величина давления, которая составила Pкрит = 295 КПа. Такие параметры ударной волны соответствуют взрыву парогазовоздушного облака массой 19,3 т в тротиловом эквиваленте на расстоянии 20 м от колонны.

В процессе движения колонны наблюдалась местная потеря устойчивости оболочки опоры. Максимальное напряжение в опоре составило 280 MПa. В данном расчете 9 болтов разрушились, то есть разорвались с образованием шейки.

Целью следующего расчета было определение влияния грунта на критическую нагрузку ударной волны.

Для того чтобы сделать предварительную оценку влияния грунта на поведение конструкции, был произведен поиск первых пятидесяти собственных форм и частот для двух вариантов, с учетом грунта и без него.

В таблице 3 показаны наиболее отличающиеся частоты при исследовании влияния свойств грунта.

Таблица 3 – Собственные частоты форм

№ частоты 1 2 3 41 42 43
Частота для варианта
с учетом грунта, Гц
2,94 2,95 10,07 13,84 13,92 17,75
Частота для варианта
без учета грунта, Гц
3,37 3,38 10,25 17,46 17,94 18,14
Разница, % 14,66 14,65 1,75 26,16 28,80 2,24

Наибольшее различие составило до 30 %. Исходя из анализа собственных форм видно, что в динамике конструкция ведет себя в соответствии с первым тоном колебаний, из чего можно сделать вывод, что грунт может существенно повлиять на поведение конструкции в динамике, особенно если время фазы сжатия ударной волны будет сравнимо с 1/4 периода основного тона колебания колонны.

Также проведено исследование по влиянию коррозии анкерного болта на величину критической нагрузки при воздействии взрывной волны.

В результате серии из тринадцати расчетов на критическую нагрузку конструкции оказалось, что разница в критической нагрузке между вариантами с болтами, подверженными коррозии, и болтами, не подверженными коррозии, составила 35 %.

Чтобы выяснить влияние количества болтов на динамическую устойчивость колонны сделан расчет с 8, 12 и 16 болтами. Сравнение расчетов с 8, 12 и 16 болтами показало различие в критической нагрузке в 42 %. Модель разрушения материала, применяемая в расчетах, показала разницу в критической нагрузке в 15% по сравнению с моделью, в которой применялась упруго-пластическая модель поведения материала болта.

По результатам численного эксперимента были построены номограммы зависимости устойчивости колонны в терминах тротилового эквивалента взрыва и расстояния до эпицентра. Номограмма для базового варианта с учетом грунта, 16 анкерными болтами и моделью разрушения материала болта представлена на рисунке 21. Для определения параметров взрыва была использована теория М.В. Садовского.

Особую опасность представляет ситуация, при которой колонна от действия ударной волны теряет устойчивость и опрокидывается, падая при этом на расположенные рядом объекты.

Рисунок 21 – Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны

Это может привести к их полному или частичному разрушению с разливом нефтепродуктов и возникновению дополнительных очагов пожара. Во время контакта колонны с пустотелой емкостью происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны.

Также проведен сравнительный анализ результатов расчета напряженного состояния в трубопроводных системах с помощью различных программных комплексов. Одна и та же трубопроводная система рассчитывалась в программном комплексе «Старт», который основан на стандартных методах расчета, и в программном комплексе ABAQUS. В расчете учитывались пространственная конфигурация трубопровода, диаметр и толщина стенки, вес среды и изоляции, условия закрепления на опорах.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния в программном комплексе ABAQUS были построены трехмерные твердотельные модели трубопроводов с учетом толщины стенки и закрепления. Конфигурация опор выполнена таким образом, что трубопровод имеет ограниченную степень свободы в поперечных направлениях.

При анализе картины напряженно-деформированного состояния трубопроводов обнаруживается, что результаты, полученные в программном комплексе ABAQUS, ниже, чем результаты, полученные в программном комплексе СТАРТ, при идентичности общей картины распределения напряжений.

Количественно расхождения результатов объясняются тем, что программные комплексы используют различные подходы к определению напряжений в трубопроводах. Модель расчета, используемая в программном комплексе СТАРТ, рассматривает трубопровод поэлементно. Основанием для выбора узловых точек, в которых фиксируются значения напряженно-деформированного состояния, служат элементы конструкции: опоры, запорная арматура, переходы, тройники. Недостатком такого подхода является то, что не представляется возможным оценить напряженно-деформированное состояние в пролетах между опорами. Закрепление на опорах также не отражает реальной картины поведения трубопровода при взаимодействии с ними. Для моделирования реального состояния трубопровода используются обобщенные коэффициенты, дающие некоторую погрешность в расчетах.

В связи с этим метод конечных элементов имеет ряд преимуществ. При расчетах было выявлено, что максимальное значение напряжения на фоне общей картины напряженно-деформированного состояния может возникнуть не только в местах закрепления, арматуре или отводах, но и в пролетах между опорами. Важно также отметить, что расчет методом конечных элементов был проведен не для статической модели, а для динамической, что позволило проследить картину изменения напряжений во времени.

На начальной стадии нагружения возникают максимальные напряжения, которые в дальнейшем уменьшаются за счет возможности перемещения трубопровода на опорах. В дальнейшем, при прекращении перемещений, возникают зоны локальных концентраций напряжений.

Таким образом, выявлены две особенности при сравнительном анализе методов расчета:

- стандартный метод расчета в узловых точках дает завышенные значения эквивалентных напряжений по сравнению с расчетом по методу конечных элементов;

- в пролетах трубопроводных конструкций по стандартному методу рассчитываются номинальные напряжения по безмоментной теории тонких оболочек, при этом не учитывается влияние сложной пространственной конфигурации трубопровода, которая приводит к возникновению экстремальных распределений напряжений, превышающих номинальные.

Анализ проведенных численных экспериментов о воздействии поражающих факторов взрывной волны на моделях горизонтального и вертикального участков труб диаметром 219 миллиметров с толщиной стенки 8 миллиметров и длиной 15 метров, консольно закрепленных с торца за фланцевое соединение, позволил оценить зависимость напряженно-деформированного состояния трубопровода в зависимости от величины избыточного давления на фронте ударной волны. Анализ результатов величин эквивалентных напряжений, возникающих в узловых точках, показал, что распределение напряжений носит полиэкстремальный характер.

Но воздействие взрывной волны с эпицентром, лежащим в одной плоскости с осью трубы, параллельной поверхности земли, – лишь частный случай ситуации, возникающей в реальных условиях. Для обобщения результатов был проведен анализ поведения трубопровода при воздействии наземного и воздушного взрывов с различными углами направления вектора воздействия к горизонту.

Расчеты показали, что под действием воздушного взрыва при увеличении угла между вектором направления и горизонтом вынос трубопровода с опор происходит при больших значениях давления на фронте ударной волны. Картина напряженно-деформированного состояния также изменяется, при этом разрушение трубопровода может произойти непосредственно на опорах.

Действие воздушного взрыва при увеличении высоты опор вызывает вынос при меньших значениях давления на фронте.

Очевидно, что НДС трубопровода зависит от размера поверхности, воспринимающей давление взрывной волны. Но при увеличении диаметра жесткость трубопровода увеличивается, НДС также изменяется. При малых отношениях длины к диаметру поведение трубопровода схоже с поведением балочной конструкции.

Критерием категорирования трубопроводов по степени опасности может служить напряжение, возникающее в трубопроводе при воздействии на него взрывной волны. Предполагается, что при значениях напряжений ниже допускаемых трубопровод пригоден для дальнейшей эксплуатации, то есть при 0 < < [] трубопроводу присваивается категория I.

При значениях напряжений выше допускаемых и ниже предела текучести, то есть при [] < < т, в трубопроводе возникает ситуация, когда разрушение может возникнуть вследствие наличия дефектов основного металла, состояние трубопровода неустойчивое, присваивается категория II.

При значениях напряжений выше предела текучести, то есть при т <, в трубопроводе возникает предел текучести, а при достижении предела прочности возможно разрушение трубопровода, состояние трубопровода критическое, присваивается категория III.

Состояние трубопровода с заданным диаметром и известным давлением на фронте ударной волны определяется по графикам, представленным на рисунке 22.

Рисунок 22 – График для определения категории опасности трубопровода D = 57 мм

Анализ графиков позволяет ввести предельные значения давления на фронте ударной волны для трубопроводов различных диаметров (таблицы 4,5).

Таблица 4 – Категорирование трубопроводов по степени опасности

Диаметр, мм 57 89 108 159 219 273 325 426
Категория Давление на фронте ударной волны, кПа
I 0-17 0-21 0-29 0-36 0-43 0-45 0-58 0-26
II 17-65 21-60 29-80 36-80 43-90 45-100 58-120 26-140
III 65> 60> 80> 80> 90> 100> 120> 140>

Таблица 5 – Категорирование опор трубопроводов по степени опасности

Диаметр, мм 57 89 108 159 219 273 325 426
Категория Давление на фронте ударной волны, кПа
I 0-18 0-22 0-45 0-47 0-55 0-56 0-57 0-46
II 18-60 22-65 45-75 47-75 55-95 56-98 57-100 46-120
III 60> 65> 75> 75> 95> 98> 100> 120>

На примере реальных трубопроводов были проведены численные эксперименты по оценке НДС при внешнем воздействии типа «взрыв». В расчетах был использован трубопровод установки вакуумной перегонки мазута.

Моделирование производилось аналогично моделированию при расчете нагрузок, возникающих в условиях эксплуатации, кроме того было приложено давление на фронте ударной волны Рф = 50 кПа, так как для трубопровода диаметром 219 мм это значение соответствует II категории опасности. По результатам расчета была построена эпюра эквивалентных напряжений по длине трубопровода.

Анализ численных экспериментов показал, что максимальные эквивалентные напряжения близки пределу текучести. Это свидетельствует о том, что трубопровод имеет II категорию опасности, что соответствует условиям постановки задачи.

В силу того, что трубопровод имеет сложную пространственную конфигурацию, неодинаковые условия закрепления на опорах и различные длины участков, его характеристики в различных направлениях неодинаковы, поэтому при различных направлениях действия взрывной волны с одинаковым значением скоростного напора критическое состояние в трубопроводе может не быть достигнуто. И, наоборот, при меньших значениях скоростного напора может возникнуть критическое состояние трубопровода. Также картина напряженно-деформированного состояния трубопровода будет меняться, будет происходить смещение опасных участков, либо их возникновение.

Для решения поставленной задачи было выбрано 8 направлений возможного действия взрывной волны. Расчеты производились для значения ветровой нагрузки 50 кПа, время действия взрывной волны – 0,01 секунда. Результаты расчета представлены в таблице 6.

Было выявлено, что наиболее опасная зона расположена в том месте, где трубопровод имеет жесткое закрепление, в данном случае в месте входа трубопровода в стену, в остальных случаях это может быть фланцевое соединение, либо любое другое условие, ограничивающее свободное перемещение трубопровода.

Таблица 6 – Результаты расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при различных направлениях действия взрывной волны

Направ-ление Давление на фронте взрывной волны, кПа
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Ю 38,0 65,9 94,3 114,8 138,9 163,0 188,4 193,0 175,6 150,0
Ю-З 38,5 70,6 104,5 123,8 157,1 187,7 219,9 233,8 228,2 219,7
З 30,7 54,1 82,5 106,2 125,2 149,2 167,7 182,3 196,6 213,5
С-З 40,1 70,11 102,1 145,0 182,9 212,9 244,4 254,9 250,4 243,9
С 36,3 60,0 85,0 119,8 149,0 172,3 199,9 206,5 189,1 166,5
С-В 40,1 70,1 102,1 143,2 174,0 205,0 236,5 251,3 246,8 241,9
В 36,1 52,3 83,7 109,1 129,3 150,5 169,1 186,2 195,4 210,9
Ю-В 38,5 70,6 104,5 127,1 158,6 191,5 222,5 237,9 232,6 226,0

Далее была создана математическая модель динамического поведения колонного аппарата с трубопроводной обвязкой при воздействии взрывной ударной волны с применением численного метода.

Для моделирования предполагалось, что колонна представляет единое тело без сварных швов, а трубопроводная обвязка – единую трубу без учета сварных соединений.

В качестве типа контакта был выбран «жесткий» контакт с трением. Коэффициент трения = 0,5.

При расчете считалось, что фундаментные болты жестко заделаны в фундамент. При решении динамической задачи фундамент задавался неподвижным, а нижняя грань каждого болта жестко закреплялась к фундаменту.

При моделировании крепления обвязки к колонне использовалось условие «coupling kinematic constrain», задающее совместное перемещение колонны и трубопроводов в зонах крепления. При создании сетки конечных элементов всей модели использовались четырехузловые оболочечные элементы типа S4RT для колонны и двухузловые объемные элементы B31 для трубопроводов, и для моделирования анкерных болтов – C3D8R – восьмиузловой элемент. Сетка создавалась для каждой детали, имеющейся в модели, за исключением фундамента, созданного в виде аналитической поверхности, не требующей разбиения. Общее количество элементов в модели составило 24252.

Исследование воздействия ударной волны на колонну с трубопроводной обвязкой предполагает, что до момента взрыва оборудование работает в штатном режиме.

С учетом преднагруженного состояния модели на колонну с трубопроводной обвязкой прилагалась распределенная нагрузка от действия ударной волны, действующая с определенной амплитудой (рисунок 20).

Нагрузки на трубопроводы задавались с учетом подверженности трубопроводной обвязки воздействию взрывной волны в зависимости от направления действия взрывной волны. Аэродинамическая тень от колонны в зависимости от направления действия взрывной волны показана на рисунке 23. Соответственно участки трубопроводов, попадающие в аэродинамическую тень колонны, в расчёте не учитывались.

Следуя такой схеме, проводилось исследование влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонного аппарата при взрывном воздействии ударной волны, а также влияние на устойчивость колонны направления действия взрывной ударной волны.

Рисунок 24 – Аэродинамическая тень от колонны в зависимости от направления действия взрывной волны

Представлены результаты расчетов и проведен анализ результатов.

Задача о влиянии трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии ударной волны состояла в построении геометрических моделей: модель колонного аппарата без учета трубопроводной обвязки и с ее учетом.

Для исследования влияния направления действия взрывной волны на колонну было выбрано четыре ортогональных направления: х; -х; z; -z (рисунок 23).

Значение давления на фронте взрывной волны для всех расчетных случаев задавалось как равномерное и принималось равным 100 КПа.

Для оценки влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии взрывной ударной волны, а также для наглядности исследования проводились в различных условиях с учетом аэродинамической тени.

Результаты численных экспериментов представлены на рисунках 24, 25 и в таблице 7.

Рисунок 24 – Перемещение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр – секунда)

Рисунок 25 – Ускорение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр/секунда2 – секунда)

Для обеспечение защищенности обслуживающего персонала установок предприятий нефтегазового комплекса от воздействия ударной волны была проведена оценка масштаба действия ударной волны.

Для оценки масштаба действия взрывной волны в случае аварийной ситуации и планирования мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости были выполнены расчеты распространения продуктов взрыва.

Таблица 6 – Численные значения результатов исследования колонны

Расчетный случай Максимальное перемещение вершины колонны Максимальное ускорение вершины колонны Количество болтов, получивших эквивалентные пластические деформации >0.01 Максимальные эквивалентные пластические деформации в болтах Максимальные эквивалентные пластические деформации в фланце Максимальные пластические деформации в трубопроводах
1 Колонна без обвязки трубопроводов, взрывная волна действует в направлении Z 0,509013 398,757 9 0,2314 0,9949 -
2 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении Z 0,535253 359,195 9 0,8673 0,9795 0,0901
3 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении X 0,850111 780,152 11 1,007 0,9655 0,1456
4 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении –Z 0,758749 574,006 11 0,8486 1,013 0,4642
5 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении –X 0.824315 1044.34 11 1.040 0.5698 0.6314


Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Белов Петр Григорьевич Теоретические основы менеджмента техногенного риска 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (по химической технологии) Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2007 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского. Официальные оппоненты: доктор технических наук...»

«Кондратьева Ольга Евгеньевна РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ Специальность - 05.26.01 Охрана труда (энергетика, электроэнергетика) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2008 Работа выполнена на кафедре инженерной экологии и охраны труда Московского энергетического института (Технического университета) Научный руководитель: доктор биологических наук, кандидат технических наук...»

«Аграфенин Сергей Иванович Совершенствование методов проектирования не ф тегазопроводов на основе нормативного вероятностного подхода Специальности 25.00.19 Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ; 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа 2009 Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Институт проблем...»

«Козлов Егор Валериевич ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ ВОДИТЕЛЕЙ Специальность: 05.26.02 - безопасность в чрезвычайных ситуациях (медицина катастроф) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук г. Москва 2012г. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении Всероссийский центр медицины катастроф Защита Министерства здравоохранения и социального развития Российской...»

«Александров АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ Особенности внутригрупповых процессов в учебных группах вуза МЧС России 05.26.03 – пожарная и промышленная безопасность Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата психологических наук Санкт-Петербург 2013 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России



наверх

 
<<  ГЛАВНАЯ   |    КОНТАКТЫ
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты 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.