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

Автор: Тляшева Резеда Рафисовна

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


загрузка...