Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли (04.04.2011)

Автор: Тляшева Резеда Рафисовна

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

В ходе проведения численных экспериментов по распространению ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания, используемые в расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния конструкций. В соответствии с работами Бесчастного М.В., Бирраера А.Н., отрицательная фаза ударной волны не учитывалась. Построение зависимости изменения величины избыточного давления во времени производилось по рекомендациям, приведенным Бейкером У.

По результатам численного анализа распространения продуктов взрыва были сформулированы следующие выводы:

- установлено, что первоначально распространение ударной волны происходит со скоростями, превышающими скорость распространения звука в воздухе; в дальнейшем скорость падает и при огибании фронтальной стены здания составляет около 50…60 м/с;

- в распространяющейся ударной волне преобладают средние температуры, при огибании ударной волны абсолютная температура воздуха незначительно возрастает, достигая значений 320…322 К;

- скачки давления во фронте ударной волны, возникшие в процессе торможения потока продуктов взрыва, являются достаточными для слабых разрушений операторного здания. В связи с этим необходимо определить напряженно-деформированное состояние конструкций здания с целью точной оценки возникающих разрушений при возможной аварийной ситуации с принятием последующих мер по обеспечению взывоустойчивости здания.

Одним из способов повышения безопасности является установка дополнительного сооружения на производственной площадке, позволяющего уменьшать воздействие поражающих факторов взрыва. В качестве такого сооружения для защиты операторного здания на первом этапе рассматривается 4 типа конструкции устройств (рисунок 26), устанавливаемых по пути движения ударной волны.

тип 1 тип 2 тип 3 тип 4

Рисунок 26 – Типы конструкции устройств (размеры указаны в мм)

Для каждой объемной модели было подобрано оптимальное количество элементов, которое составило приблизительно 143000 элементов.

Для каждого варианта численным анализом было определено максимальное значение давления во фронте ударной волны во времени перед фронтальной стеной, на крыше и за тыльной стеной объекта в зависимости от типа конструкции и расположения устройства. Установлено, что применение защитного устройства в виде двух последовательно 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 избыточного давления. Определено соотношение конструктивных размеров, типа конструкции и расположения защитного устройства по предложенному алгоритму, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Полученные зависимости изменения величины избыточного давления на элементы объекта во времени при нагружении ударной волной, определяющие напряженно-деформированное состояние конструкций, принимались как динамическая нагрузка на элементы конструкции в виде изменяющегося во времени давления.

Для последующего определения напряженно-деформированного состояния конструкций при действии ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания при установке защитного устройства.

При оценке напряженно-деформированного состояния конструкций операторного здания и защитного устройства в случае возникновения аварийной ситуации при разгерметизации блока колонны было получено, что арматура железобетона работает в упругой стадии. Возможно образование неопасных трещин в растянутой зоне бетона. Таким образом, установка устройства обеспечивает взрывоустойчивость здания, и применения дополнительных мер по обеспечению взрывоустойчивости не требуется. Нахождение обслуживающего персонала в операторном здании при установке защитного устройства является безопасным.

Для построения картины напряженно-деформированного состояния конструкций устройства при возникновении аварийной ситуации произведем численное моделирование при помощи метода конечных элементов. В исследовании рассмотрим только первую стенку устройства в связи с тем, что она подвергается большему нагружению.

Для моделирования бетона использовался 8-узловой конечный элемент C3D8R. Армирование моделировалось 3-узловым балочным элементом B32. Было определено оптимальное количество элементов, которое составило приблизительно 44100.

Был произведен ряд численных экспериментов, в результате которых были получены оптимальные размеры устройства из условия прочности. Геометрическая модель устройства и динамика изменения контурного графика величины DAMAGET для бетона изображены на рисунке 27.

Рисунок 27 – Геометрическая модель устройства (размеры указаны в мм). Контурный график величины DAMAGET на моменты времени 0,071 с (а), 0,0101 и 0,0221 с (б) после начала инициирования взрыва

Анализ результатов показал, что образуется ряд локальных трещин в растянутой зоне бетона, что приводит к частичному разрушению верхней поверхности бетона; значение эквивалентных напряжений рабочей арматуры во времени в растянутой зоне бетона не превышает предела текучести стали, то есть стальная арматура работает в упругой стадии и прочность сечения обеспечена; в сжатой зоне бетона конструкция работает в упругой стадии.

Таким образом, разрушение конструкции при нагружении ударной волной не произойдет и прочность конструкции обеспечена.

Дополнительно произведем расчет конструкции по деформациям из условия, по которому прогибы конструкции от действия нагрузки не должны превышать предельно допустимого значения прогиба. При расчете методом конечных элементов была построена динамика изменения контурного графика перемещения. Предельно допустимое значение прогиба в данном случае составляет 1/100 вылета консоли, то есть 0,04 м. Максимальный прогиб конструкции составил 0,02324 м. Условие прочности конструкции при расчете по деформациям выполняется.

Прогнозирование аварийной ситуации с образованием взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ с использованием численных методов расчета позволило минимизировать последствия от взрыва путем установки защитного устройства по пути движения ударной волны. Кроме того, защита при установке устройства производится также и при других сценариях возникновения аварийной ситуации, например при реализации пожара пролива, огненного шара, при разлете осколков и обломков оборудования.

Таким образом, установка защитного устройства позволяет уменьшать расстояние от потенциально опасных аппаратов и оборудования до производственных зданий с обеспечением требований промышленной безопасности и, как следствие, снижать площадь установок.

Далее было изучено влияние месторасположения источника взрыва на расположение защитного устройства с оптимальным типом конструкции.

для каждого случая расположения источника взрыва.

В ходе проведения численного исследования в соответствии с алгоритмом определения оптимального типа конструкции и расположения защитного устройства получена диаграмма (рисунок 28), позволяющая по высоте центра взрыва и расстоянию от центра взрыва до здания определить оптимальное расположение защитного устройства.

равна 1,5 м;

равна 1,0 м

Рисунок 28 – Диаграмма оптимального расположения защитного устройства

в зависимости от расположения источника взрыва

В результате численных исследований напряженно-деформированного состояния конструкций устройства в виде двух последовательно расположенных стенок с использованием метода конечных элементов определены его оптимальные габаритные размеры. Показано, что при установке защитного устройства разрушения конструкций операторного здания не произойдет.

Основные выводы

1. Проведенный анализ методических подходов к оценке последствий аварий показал, что показал в в известных ведомственных методических документах, работах отечественных и зарубежных ученых, содержащих рекомендации и зависимости по прогнозированию последствий ЧС и оценке отдельных опасностей техногенного характера, не содержится единого методического подхода к обеспечению защищенности объектов.


загрузка...