автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Деформирование аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с учетом свойств грунта

00305Т844 На правах рукописи

Ильин Кирилл Анатольевич У^ь&ад?

ДЕФОРМИРОВАНИЕ АППАРАТОВ КОЛОННОГО ТИПА ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ ГРУНТА

Специальность 05 26 03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2007

003057844

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Буренин Владимир Алексеевич,

кандидат технических наук Ягафаров Рустем Равилевич

Ведущая организация ГУЛ «Институт нефтехимпереработки РБ»

Защита состоится 11 мая 2007 года в 10-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций 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 Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан « ¿У » апреля 2007 года

Ученый секретарь совета

Закирничная М М

ОБЩАЯ ХАРАК1 ЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В настоящее время вопросам промышленной безопасности на нефтеперерабатывающих предприятиях уделяется повышенное внимание Это связано с растущим количеством аварий в последние годы Среди причин аварий можно отметить значительную изношенность оборудования, человеческий фактор, а также появившиеся недавно новые опасности в виде террористических, актов

Аппараты колонного типа являются одним из основных видов технолог ического оборудования установок нефтеперерабатывающих заводов Это оборудование работает в сложных условиях эксплуатации, при высоких температурах и внутреннем давлении Конструктивные особенности аппаратов колонного типа таковы, что они имеют значительную высоту и располагаются на открытых площадках К тому же аппараты колонного типа могут попасть в зону действия поражающих факторов соседнего оборудования Кроме этого, аппараты колонного типа содержат значительное количество углеводородного сырья, что в случае аварии может привести к истечению продукта с последующим образованием взрывоопасного облака В таких условиях неконтролируемые взрывы приводят к колоссальным материальным потерям, человеческим жертвам и наносят экологический вред окружающей среде На сегодняшний день остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к практическому расчету последствий аварий с учетом динамических факторов, влияющих на прочность и устойчивость конструкций под действием внешних факторов, например, при взрыве Появление и развитие новых программных комплексов, таких как АВАОиБ, а также мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении рассматриваемой проблемы с учетом многофакторного нагружения и детализации геометрии объекта

Создание и применение методики трехмерного динамического расчета с учетом многофакторного нагружения может способствовать повышению безопасности при проектировании новых и уменьшению аварийности уже существующих установок по переработке нефти

Цель работы: обеспечение безопасной эксплуатации аппаратов колонного типа в штатном режиме работы и аварийном режиме при воздействии взрывной ударной волны за счет многокритериального численного моделирования поведения конструкции

Цель достигается решением следующих задач

- анализ влияния различных факторов, таких как коррозия анкерных болтов, учет свойств грунта, количество анкерных болтов, на устойчивость колонного аппарата при воздействии ударной взрывной волны,

- моделирование разрушения колонного аппарата при падении на объекты, расположенные в зоне досягаемости

Объект исследований: ректификационная колонна, предназначенная для разделения нефти и получения дистиллятов светлых нефтепродуктов, установки первичной переработки нефти масляного профиля

Научная новизна работы:

1 С применением численных методов, смоделировано динамическое поведение колонны при воздействии ударной взрывной волны в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения

2 Дана количественная оценка основным факторам, влияющим на устойчивость колонны, таким как количество анкерных болтов, коррозия болтов, свойства фунта, свойства материала анкерного болта, и определены предельные состояния элементов конструкции

3 Получены номограммы зависимости устойчивости колонного аппарата от расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента

4 На основании численного моделирования падения колонного аппарата на емкостное оборудование, находящееся вблизи колонны, получено изменение напряженно-деформированного состояния колонного аппарата и емкостного оборудования во времени

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в разработке алгоритма для расчета статического и динамического поведения аппарата колонного типа при воздействии ударной взрывной волны Математическая модель основана на методе конечных элементов с применением метода Ныотона-Рафсона для численного решения нелинейных уравнений равновесия

Разработанные модели и алгоритмы используются в научно-исследовательской работе кафедры «Машины и аппараты химических производств» УГНТУ

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре "Проблемы аварийности и безопасности на нефтеперерабатывающих предприятиях" (г Уфа, 2006 г), научно-практических конференциях "Инженерные системы", (г Москва, 2005, 2006, 2007 гг), конференциях пользователей АВАОШ, (г Стокгольм, Швеция, 2005, г Бостон, США, 2006)

Публикации

Основное содержание работы отражено в 7 публикациях

Объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и 1 приложения Работа изложена на 123 страницах, включая 11 таблиц и 59 рисунков Список использованной литературы состоит из 63 источников

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цеть исследования, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту

В первой главе приводится статистика по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли, описаны основные причины аварий, дана общая характеристика взрывных явлений на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии, представлена классификация взрывных процессов

На основе анализа статистической информации об авариях, связанных со взрывами на промышленных объектах нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, показано, что в случае разрушения аппаратов колонного типа такие аварии чреваты тяжелыми последствиями, связанными с поражением людей и разрушением окружающих промышленных объектов Рассмотрены различные виды взрывных процессов, даны характеристики

источников взрывов, а также приведены наиболее характерные аварийные ситуации на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях

В настоящее время назрела необходимость проведения дополнительных расчетов и исследований с применением методов математического моделирования (наряду с использованием нормативных документов) Для решения задач подобного класса наилучшим образом подходит эффективный инструмент численного анализа - метод конечных элементов (МКЭ)

Показано, что для решения задачи об ударном воздействии взрывной волны на аппараты колонного типа наиболее подходящим программным продуктом, основанном на методе конечных элементов, является ABAQUS

Во второй главе приводится анализ существующих методов исследования оценки последствий взрывов на промышленные объекты 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 физической, так и геометрической, решать контактные задачи

Из наиболее распространенных программ, основанных на методе конечных элементов, таких как ANSYS, NASTRAN, MARC, программный комплекс ABAQUS обладает несомненными преимуществами, среди которых можно выделить решение сильно нелинейных задач, включая большие деформации, множество нелинейных моделей поведения материалов, точное решение контактных задач, автоматический контроль за сходимостью решения ABAQUS ориентирован на проведение

многодисциплинариого статического и динамического анализа в рамках единого алгоритма, что позволяет решать многоцелевые задачи, сочетая преимущества явной и неявной схем конечноэлементного анализа и их комбинацию

Применение АВАСЭШ позволяет получить более точные результаты и иссчедовать процессы, которые не представляется возможным смоделировать с помощью стандартных методов расчета Например, взаимодействие колонного аппарата при его падении с объектами, расположенными в зоне досягаемости 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

В третьей ыаве дается описание численного эксперимента статического поведения колонны при штатном режиме работы и динамического поведения при воздействии ударной волны Описана теория поведения материала с разрушением, применяемая для моделирования материала анкерных ботгов Представлена теория плоского штампа, применяемая для моделирования грунта Проведена верификация явной схемы решения динамических задач АВАриБ/ЕхрЬсП на примере решения задачи о критическом давлении внутри резервуара, окружающего атомный реактор

Задачей данного исследования является создание методики расчета аппаратов колонного типа при воздействии ударной взрывной волны в трехмерной постановке и учет влияния различных факторов на устойчивость колонны на основании программного комплекса АВАС^Ш Проведена верификация модели поведения материала с разрушением Приведена математическая постановка задачи

Модель состоит из следующих элементов (рис 1) корпус 1, верхнее и нижнее сферические днища 2, опора 3, массообменные тарелки 4 Опора крепится к бетонному фундаменту с помощью анкерных болтов 5

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 ВСтЗ,

Бетонный фундамент, имеющий размеры 7x7x2 м моделировался абсолютно жестким телом.

Рис. 1. Геометрическая модель колонны: 1 - колонна; 2 - сферические днища; 3 - опора колонны; 4 - ректификационные тарелки;

5 - анкерный болт

Все элементы колонны, за исключением болтов, моделировались оболочками, поскольку толщина этих элементов существенно меньше других линейных размеров. Анкерный болт М42 моделировался объемным телом.

Для моделировании контактного взаимодействия между телами было создано несколько контактных пар: опора-фундамент и болты-опора, а также

заданы условия контактного взаимодействия в виде трения с коэффициентом р. = 0,5 В качестве модели трения была выбрана Колумбова модель

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 удетено заданию свойств материала анкерного болта

Рис 2 Модель поведения материала с разрушением о0 - предел текучести, °у - предел прочности, В - деградация модуля упругости, о - напряжения в модели поведения без разрушения, Е - модуль упругости

В отличие от обычно применяемой упругопластической модели поведения материала модель с разрушением позволяет смоделировать процесс разрыва материала при превышении критической нагрузки На рис 2 показана диаграмма зависимости напряжений от деформаций в модели с

разрушением, используемой н данной работе (модель пластичности Джонсона-Кука, ABAQUS Analysis User's Manual).

С целью верификации модели поведения материала с разрушением было проведено сравнение результатов эксперимента на сгиб и сжатие двухсекционного алюминиевого профиля С численной моделью. Расхождение с экспериментом составило меньше 5%.

и

Рщг, 3. Верификация упругоггластичёской модели Джонсона-Кука поведения материала с разрушением: а эксперимент; б — расчет; в - сравнение расчета с экспериментом.

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.

Моделирование фунта осуществлялось с применением теории плоского штампа, и которой фундаментная плита считается абсолютно жестким телом, а грунт моделируется с помощью элемента типа "connector", позволяющего учесть свойства грунта. Данный элемент расположен в геометрическом цен I ре фундаментной плиты и обладает определенными жссткостными и демпфирующими характеристиками по всем шести степеням свободы.

Значения эмпирических коэффициентов р, и Рф1, используемых в формулах для определения жесткостей и демпферов элемента connector, находятся из диаграммы, изображенной на рис 4

Рх или Р

з.о

0.0 _i__l_I_I ■ ...... <_1 ■ I_i.l i I t I 0.0

0.1 0.2 0.1| 0.6 1.0 2.0 íi.O 6.0 8.010.0

L/B

Рис 4 Диаграмма для определения коэффициентов Рх, Pw, Pz в зависимости от соотношения L/B

В расчете использовались свойства мягкого грунта как оказывающего наибольшее влияние на устойчивость колонны коэффициент Пуассона v = 0,47, плотность р = 2 т/м3, скорость распространения поперечных волн V = 25 м/с

Посчитанные коэффициенты жесткости и демпфирования приписывались элементу CONN3D2 типа "connector", расположенному в центре фундаментной плиты CONN3D2 - трехмерный, двухузловой элемент, один узел которого ассоциируется с грунтом и закреплен по всем шести степеням свободы, а другой жестко связан с опорной точкой фундаментной плиты Элемент имеет коэффициенты жесткости и демпфирования для каждой из шести степеней свободы

Поскольку анкерные болты считаются жестко заделанными в бетонный фундамент и, следовательно, должны перемещаться вместе с ним, нижняя грань болтов жестко крепилась к опорной точке фундаментной плиты с помощью связи coupling constraint. Связь coupling constraint связывает два узла по веем шести степеням свободы. Для задания массы и моментов инерции фундаментом плиты применялись элементы типа MASS и ROTARYI.

При создании сетки конечных элементов всей модели использовались четырехузловые оболочечные элементы типа S4RT для колонны и вое ьм «узловые объемные элементы C3D8RT для анкерных болтов. S4RT -редуцированный чет ырехузловой конечный элемент, обладающий температурной степенью свободы и имеющий одну точку интегрирования в плоскости элемента и пять точек интефирования по толщине, позволяющих учесть такие свойства, как изгибпую и продольную жесткость. C3D8RT -восьмиузловон элемент редуцированного интегрирования, имеющий температурную степень свободы. Общее количество элементов в модели составило 26926.

Фундамент-Опорная точка

Connector: демпферы и жесткости

Связи coupling con straint

Рис, 5, Дискретизация модели

Фрагмент опоры колонны с сеткой конечных элементов покатан на рис, 5.

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 с учетом таких факторов, как температура, внутреннее давление, собственный вес и гидростатическое давление жидкости, находящейся на тарелках и в нижней части колонны.

Схема нагружения и граничных условий, а также условий контактного взаимодействия показана па рис 6.

в задаче статического нагружения

Статическая задача считалась при следующих нагрузках:

- собственный вес конструкции;

- гидростатическое давление столба кубовой жидкости, находящейся в нижией части колонны. Высота столба жидкости 1,5 м;

гидростатическое давление слоя жидкости высотой 50 мм, действующее на каждую тарелку;

- внутреннее давление в колонне 0,3 МПа,

- температура верха колонны 125 °С,

- температура низа колонны 340 °С Температура на границе каждого отсека колонны задается по высоте согласно линейному закону,

- температура окружающей среды 20 °С

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 (рис 7) 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 нагрузь и Ркрит, при превышении которой колонна опрокидывается

С целью определения влияния различных параметров на критическую нагрузку были проведены исследования для пяти случаев

- базовая модель с учетом грунта и моделью разрушения материала анкерного болта (12 расчетов),

- без учета грунта с моделью разрушения материала анкерного болта (14 расчетов),

- с учетом грунта с упругопластической моделью поведения материала анкерного болта (12 расчетов),

- модель с болтами, подверженными коррозии с учетом грунта и с моделью поведения материала анкерного болта с разрушением (13 расчетов),

- модель в 8 болтами (11 расчетов)

Также решалась ¡адача о падении колонны на соседнее оборудование, расположенное в 12 метрах от колонны Для этого была создана модель, повторяющая модель для расчета действия ударной волны, но с добавлением пустотелой емкости (рис 7) 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 обол очечными элементами типа Й4К, Элемент типа является четырехузловым оболочечным элементом с одной точкой интегрирования в плоскости элемента и пятью точками интегрирования по толщине, позволяющими учесть такие свойства, как иагибную и продольную жесткость, а также большие деформации. Свойства материала емкости были аналогичны свойствам мат ериала колонны.

! рафик давления во фронте ударной волны в зависимости от времени

Рф, К11а

^маки

а Ударная волна

Вид сверху

I, сек

Пустотелая емкость

Рис. 7. Модель колонны и пустотелой емкости. Амплитуда и схема действия

ударной волны

В четвертой главе представлены результаты расчетов и проведен анализ результатов.

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

На рис. 8 показано распределение напряжений по третьей теории прочности по образующей колонны при штатном режиме работы аппарата.

Первая задача о воздействии ударной волны состояла в нахождении критического значения давления Рщкс> при превышении которого колонна т еряет устойчивость и опрокидывается.

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

Образующая

s -

%

к G,

зо.оо

25.ОО ZO.OO 15.ОО 1 ООО S.OO

о.оо

о.оо ю.оо

Расстояние от верхней точки

20.00 ЗО.ОО

колонны вдоль образующей, м

Рис, 8. Эквивалентные напряжения по III теории прочности по образующей от верхней точки колонны ло фундамента

Локальная потеря устойчивости оболочки опоры

3,р Mi в ев

I+i.OSOe+di +;,74Qe+0} +З.Ше+0в +3.362e+0S +2.723e+03 »+2.38*8+0» -■+2,045^+05 -■+1.705e+0S a +l.Sie+08 - .+1.027*1» -■+6.S75&+07 -■+5.Ше+67 U+9,559*05

S™b,-280 МПа

Рис. 9. Распределение напряжений по Ш теории прочности колонны в момент времени t = 1,6 с

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

На рис 9 показано напряженно-деформированное состояние колонны в момент наибольшего отклонения от вертикального положения I = 1,6 с

В процессе движения колонны наблюдалась местная потеря устойчивости оболочки опоры Максимальные напряжения в опоре составили 280 МПа 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 показаны наиболее отличающиеся частоты при исследовании влияния свойств фунта

№ частоты 1 2 3 41 42 43

Частота для варианта с грунтом, Гц 2,94 2,95 10,07 13,84 13,92 17,75

Частота для варианта без фунта, 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 около 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 колебаний 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 с болтами, подверженными атмосферной коррозии, оказалось, что разница в критической нагрузке между вариантами с болтами, подверженными коррозии, и нормальными болтами составила 35%

Чтобы выяснить влияние количества болтов на динамическую устойчивость колонны сделан расчет с 8 и 12 болтами Сравнение расчетов с 8, 12 и 16 болтами показало отличие в критической нагрузке в 42%

Я, м

Рис 10 Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров

ударной волны

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 рис 10 Для определения параметров взрыва была использована теория М В Садовского

С, т

- - - - (

/ _ X У

• / у /

- - ----- -- —- - " У А У

■ ■ - ** л? -

И / -

- " " — " -

-- г ■ ■ —— - - _ ---- - -

15 20 25 30 35 40 45 50

Л, м

Рис 11 Номограмма зависимости устойчивости колоты от параметров ударной волны в моделях материала с разрушением и без него (С — тротиловый эквивалент, Я - расстояние до эпицентра взрыва)

- модель поведения материала болта с разрушением

_ _ . упругопластическая модель поведения материала болта

На рис 11-14 показаны номограммы зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны с учетом различных факторов

С, т

- и -

¿У у

- ! - у^ ' У У у -

у ** X ^ — /

- - - -

■

1 --- - "1 "

15 20 25 30 35 40 45 50

Я, м

Рис 12 Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны в моделях с учетом свойств грунта и без учета (С -тротиловый эквивалент, Я — расстояние до эпицентра взрыва) - с учетом грунта, ---без учета грунта

15 20 25 30 35 40 45 50

Я, м

Рис 13 Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны в моделях с 16, 12, и 8 анкерными болтами (С -тротиловый эквивалент, Я - расстояние до эпицентра взрыва) - 16 болтов, — — - 12 болтов, ....... 8 болтов

С, т

15 20 25 30 35 40 45 50

К, м

Рис 14 Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны в моделях с болтами, подверженными и не подверженными коррозии (С - тротиловый эквивалент, Я - расстояние до эпицентра взрыва) - болты не подвержены коррозии,---болты подвержены коррозии

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

1=1,62 с 1-1,75 с

Рис. 15, Деформированное состояние модели

Это может привести к их полному или частичному разрушению с разливом нефтепродуктов и возникновению дополнительных очагов пожара. На рис. 15 показано деформированное состояние модели в различные моменты времени.

Во время контакта колонны с пустотелой емкостью происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны.

Основные выводы

!. Создана методика расчета е полной трехмерной постановке статического состояния и динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением программного комплекса АВАОи5, которая позволяет с высокой степенью детализации и точности определить:

а) НДС колонны при штатном режиме работы с учетом вссх технологических нагрузок, включая температурные. При этом учитывалась зависимость свойств материалов от температуры;

б) поведение в динамике и полную картину 1ЩС во времени колонны при воздействии внешнего приземного взрыва в дальней зоне и влияние различных факторов на устойчивость колонны;

в) поведение в динамике и полную картину НДС во времени при соударении колонны и теплообменного аппарата в процессе падения колонны от действия взрывной волны

2 По результатам применения данной методики

а) определено, что при штатном режиме материал колонного аппарата не испытывает пластических деформаций Максимальные напряжения 115 МПа достигаются в нижней точке опоры колонны,

б) построены номограммы зависимости устойчивости колонны ог параметров ударной волны, в терминах расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента,

в) определено, что применение упругопластической модели поведения материала анкерного болта дает консервативную оценку по устойчивости колонны, причем разница в тротиловом эквиваленте достигает 15%,

г) выявлено, что неучет свойств грунта в расчетах на устойчивость колонны при действии внешнего взрыва даст заниженную оценку тротилового эквивалента взрыва при одном и том же расстоянии до эпицентра Разница в значениях тротилового эквивалента взрыва достигает 13%,

д) определена зависимость устойчивости колонны при воздействии взрывной волны от количества анкерных болтов Проведены расчеты для трех вариантов количества анкерных болтов 8,12 и 16 Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с 8 и 16 болтами составила 42%, а между вариантами с 12 и 16 болтами 20%,

е) выявлено влияние коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны при воздействии взрывной волны Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с нормальными болтами и подверженными коррозии составляет 33%,

ж) расчет падения колонны на пустотелую емкость позволил получить полную картину НДС поведения конструкции в динамике Во время контакта колонны с емкостью происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны Дальнейшая эксплуатация колонного аппарата и пустотелой емкости невозможна

Определено, что наиболее существенным фактором, влияющим на

устойчивость колонны, является количество анкерных болтов, второй по

значимости фактор - коррозия болтов Учет свойств грунта и применение модели поведения материала болтов с разрушением являются примерно равнозначными факторами, которые также необходимо учитывать в расчетах

Созданная методика расчетов может применяться при проектировании новых установок, модернизации уже существующих, а также для прогнозирования возможных аварийных ситуаций и их последствий Тем самым применение данной методики может способствовать повышению безопасности и снижению аварийности объектов нефтеперерабатывающей промышленности

По результатам диссертации опубликовано 7 работ, из которых 2 помещены п изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, выпускаемых в Российской федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ

1 Тляшева Р Р , Рыжов С А, Ильин К А, и др Комплексный подход к исследованию поведения конструкций нефтяной промышленности с использованием программного комплекса ABAQUS и приборов неразрушающего контроля// САПР и графика -2006 -№5 -С 32-36

2 Рыжов С А, Ильин К А Обзор возможностей программного комплекса ABAQUS применительно к задачам нефтегазовой промышленности// Мировое сообщество проблемы и пути решения -2005 - №18 -С 13-18

3 Korotkov V, Kapustm D, Ihn К, etc Analysis of Floor Response Spectra in Reactor Building of NP// ABAQUS Users' Conference -Stockholm -Sweden -May 18-20 -2005 -C 241-259

4 Korotkov V , Kapustm D, Ryzhov S, and К Ihn Methods of Response Spectra Analysis for NPP Civil Structure Under Seismic Impact// ABAQUS Users' Conference -Boston -USA -May 23-25 -2006 -C 135-143

5 Тляшева P P , Ильин К А Исследования поведения ректификационной колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением

программного комплекса ABAQUS // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования сб науч тр -Уфа УГНТУ, 2006 -Вып 1 -С 70-77

6 Кузеев И Р , Тляшева Р Р , Ильин К А Исследование динамического поведения аппаратов колонного типа при взрывном воздействии// Нефтегазовое дело -2006 -http //www ogbus ru/authors/Kuzeev/Kuzeev_2 pdf

7 Рыжов С А, Ильин К А. Применение программного комплекса ABAQUS в атомной промышленности// САПР и графика-2006 -№3 -С 104-108

Подписано в печать 06 04 07 Бумага офсетная Формат 60x80 1/16 Гарнитура «Тайме» Печать трафаретная Уел печ л 1 Тираж 90 Заказ 96

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

Введение.

Глава 1 Обзор проблем промышленной безопасности на предприятиях нефтегазовой отрасли.

1.1 Статистика по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

1.2 Причины аварий на опасных производственных объектах.

1.3 Особенности взрывных явлений на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии.

1.4 Классификация взрывных процессов.

Выводы по главе.

Глава 2 Анализ методик оценки последствий взрывов.

2.1 Обзор существующих методик оценки последствий взрывов.

2.2 Краткая характеристика метода конечных элементов.

2.3 Описание программного комплекса ABAQUS.

Выводы по главе.

Глава 3 Создание методики расчет статического поведения колонны при штатном режиме работы и динамического поведения при воздействии ударной волны.

3.1 Модули препроцессора ABAQUS/CAE. Построение геометрической модели.

3.2 Построение геометрической модели.

3.3 Задание свойств материалов.

3.4 Модель поведения материала с разрушением.

3.5 Моделирование грунта.

3.6 Выбор типа анализа.

3.7 Условие контакта, кинематические связи, абсолютно жесткие тела.

3.8 Нагрузки и граничные условия.

3.9 Дискретизация модели.

ЗЛО Верификация явного метода АВAQUS/Explicit.

Выводы по главе.

Глава 4 Результаты.

4.1 Решение статической задачи преднагружения.

4.2 Исследование НДС и построение номограммы зависимости устойчивости колонны при воздействии взрывной волны от расстояния и тротилового эквивалента взрыва.

4.3 Исследование влияния применения различных моделей поведения материала на устойчивость колонны.

4.4 Исследование влияния учета свойств грунта на устойчивость колонны.

4.5 Исследование влияния количества анкерных болтов на устойчивость колонны.

4.6 Исследование влияния коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны.

4.7 Задача о падении колонны на пустотелую емкость.

Выводы по главе

В настоящее время вопросам промышленной безопасности на нефтеперерабатывающих предприятиях уделяется повышенное внимание. Это связано с растущим количеством аварий в последние годы. Среди причин аварий можно отметить значительную изношенность оборудования, человеческий фактор, а также появившиеся недавно новые опасности в виде террористических актов.

Аппараты колонного типа являются основным технологическим оборудованием установок нефтеперерабатывающих заводов. Это оборудование работает в сложных условиях эксплуатации, при высоких температурах и внутренним давлением. Конструктивные особенности аппаратов колонного типа таковы, что они имеют значительную высоту и располагаются на открытых площадках. Кроме этого, аппараты колонного типа содержат значительное количество углеводородного сырья, что, в случае аварии, может приводить к истечению продукта с последующим образованием взрывоопасного облака. В таких условиях неконтролируемые взрывы приводят к колоссальным материальным потерям, человеческим жертвам и наносят экологический вред окружающей среде. На сегодняшний день остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к практическому расчету последствий аварий с учетом динамических факторов, влияющих на прочность и устойчивость конструкций под действием внешних факторов, например, при взрыве. Появление и развитие новых программных комплексов, таких как ABAQUS, а также мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении данной проблемы с учетом многофакторного нагружения и детализации геометрии объекта.

Создание и применение методики трехмерного динамического расчета с учетом многофакторного нагружения может способствовать повышению безопасности при проектировании новых и уменьшению аварийности уже существующих установок по переработке нефти.

Цель работы

1. Обеспечение безопасной эксплуатации аппаратов колонного типа в штатном режиме работы и аварийном режиме при воздействии взрывной ударной волны за счет многокритериального численного моделирования поведения конструкции.

2. Анализ влияния различных факторов, таких как коррозия анкерных болтов, учет свойств грунта, количество анкерных болтов, на промышленную безопасность колонного аппарата при воздействии ударной взрывной волны.

3. Моделирование разрушения колонного аппарата при падении на объекты, расположенные в зоне досягаемости.

Научная новизна

1. Впервые разработан алгоритм для численного моделирования статического поведения аппарата колонного типа при штатном режиме работы. Впервые проведено исследование в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны.

2. Впервые дана количественная оценка основным факторам, влияющим на устойчивость колонны, таким как количество анкерных болтов, коррозия болтов, свойства грунта, свойства материала анкерного болта.

3. Впервые получено изменение критических параметров в зависимости от динамического воздействия взрывной волны с учетом свойств грунта. На основе численного эксперимента впервые получены предельные состояния устойчивости. Построены номограммы зависимости устойчивости колонного аппарата от расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента.

4. Впервые на основании численного моделирования падения колонного аппарата на емкостное оборудование, находящееся вблизи колонны, получено изменение напряженно-деформированного состояния колонного аппарата и емкостного оборудования во времени.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая ценность работы заключается в разработке алгоритма для расчета статического и динамического поведения аппарата колонного типа при воздействии ударной взрывной волны. Математическая модель основана на полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения и реальных моделей поведения материалов с разрушением.

Разработанные модели и алгоритмы используется в научно-исследовательской работе кафедры «Машины и аппараты химических производств» УГНТУ.

Работа имеет большую практическую ценность для организаций, занимающихся проектированием и реконструкцией опасных производственных объектов, где возможно возникновение аварийной ситуации, связанной со взрывом облака ТВС.

По теме диссертации опубликовано 7 работ (общим объемом 64 печатного листа). Основные положения доложены на научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, 122 страниц текста, 11 таблиц, 57 рисунков, 1 приложения, 63 источников использованной литературы.

Общие выводы

На основании анализа литературных источников выявлена актуальность проблемы поведения аппаратов колонного типа при воздействии ударной взрывной волны и недостаток существующих на сегодняшний день методов расчета. Показаны преимущества конечно-элементного анализа и программного комплекса ABAQUS.

1. Создана методика расчета в полной трехмерной постановке статического состояния и динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением программного комплекса ABAQUS, которая позволяет с высокой степенью детализации и точности определить: а) НДС колонны при штатном режиме работы с учетом всех технологических нагрузок, включая температурные. При этом учитывается зависимость свойств материалов от температуры. б) поведение в динамике и полную картину НДС во времени колонны при воздействии внешнего приземного взрыва в дальней зоне и влияние различных факторов на устойчивость колонны. в) поведение в динамике и полную картину НДС во времени при соударении колонны и пустотелой емкости в процессе падения колонны от действия взрывной волны.

3. По результатам применения данной методики: а) определено, что при штатном режиме материал колонного аппарата не испытывает пластических деформаций. Максимальные напряжения 115 МПа достигаются в нижней точке опоры колонны. б) построены номограммы зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны, в терминах расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента. в) определено, что применение упруго-пластической модели поведения материала анкерного болта дает консервативную оценку по устойчивости колонны, причем разница в тротиловом эквиваленте достигает 15%. г) выявлено, что не учет свойств грунта в расчетах на устойчивость колонны при действии внешнего взрыва дает заниженную оценку тротилового эквивалента взрыва при одном и том же расстоянии до эпицентра. Разница в значениях тротилового эквивалента взрыва достигает 13%. д) определена зависимость устойчивости колонны при воздействии взрывной волны от количества анкерных болтов. Проведены расчеты для трех вариантов количества анкерных болтов 8,12 и 16. Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с 8 и 16 болтами составила 42%, а между вариантами с 12 и 16 болтами 20%. е) выявлено влияние коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны при воздействии взрывной волны. Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с нормальными болтами и подверженными коррозии, составляет 33%. ж) расчет падения колонны на пустотелую емкость позволил получить полную картину НДС поведения конструкции в динамике. Во время контакта колонны с пустотелой емкости происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны. Разгерметизация колонны может привести к разливу нефтепродуктов и возникновению дополнительных очагов пожара и цепному развитию аварии. Дальнейшая эксплуатация колонного и емкости невозможна.

Определено, что наиболее существенным фактором, влияющим на устойчивость колонны, является количество анкерных болтов, вторым по значимости фактором является коррозия болтов. Учет свойств грунта и применение модели поведения материала болтов с разрушением являются примерно равнозначными факторами, которые также необходимо учитывать в расчетах.

Созданная методика расчетов может применяться при проектировании новых установок, модернизации уже существующих, а также для прогнозирования возможных аварийных ситуаций и их последствий. Тем самым применение данной методики может способствовать повышению безопасности и уменьшению аварийности объектов нефтеперерабатывающей промышленности.

1. http://www.fsetan.ru/zakon/037.doc2. http://www.gosnadzor.ru

2. Анализ стабильного роста трещины на основе двухкритериального подхода И.В. Орыняк, С.А. Радченко // Проблемы прочности, 2001 №6 -с. 41-60.

3. Барштейн М.Ф. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1981. -215 с.

4. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. -800 с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. - 282 с.

6. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение -М.: Химия, 1991.-396 с.

7. Бесчастнов М.В., Соколов В.М. Предупреждение аварий в химических производствах. М.: Химия, 1979. - 390 с.

8. Бесчастнов М.В., Соколов В.М., Кац М.И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. М.: Химия, 1996. - 267 с.

9. Брейман М.И, Безопасная эксплуатация оборудования на открытых площадках. М.: Химия, 1978. - 202 с.

10. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета. М.: Химия, 1966. - 535 с.

11. Бугаева Ю.В., Хуснияров М.Х. Оценка воздействия ударной волны на колонные аппараты при взрыве. II всероссийская научно техническая конференция "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность". - Уфа, УГНТУ, 1996. - с. 179 - 180.

12. Вальтер А. И., Дорохин Н. Б. Метод конечных элементов в технологических задачах пластичности: Учеб. пособие/ Тула, ТГУ.- 1999 134 с.

13. Взрывные явления. Оценка и последствия: Пер. с англ./У. Бейкер, П. Кокс, П. Уэстайн и др; Под ред. Я.Б. Зельдовича, Б.Е. Гельфанда- М.: Мир, 1986.-Т. 1,2.

14. Вихман Ю.Л., Бабицкий И.Ф., Вольфсон С.И. Расчет с конструирование нефтезаводской аппаратуры. М.: Гостоптехиздат, 1953. - 650 с.

15. Власов О.Е. Основы теории действия взрыва. М.: ВИА, 1957. - 420 с.

16. Гафаров Р.Х., Шарафиев Р.Г., Ризванов Р.Г. Краткий справочник инженера механика. - Уфа: УГНТУ, 1995. - 112 с.

17. Гельфанд Б.Е., Губин С.А., Михалкин В.Н., Шаргатов В.А. Расчет параметров ударных волн при детонации горючих газообразных смесей переменного состава. // Физика горения и взрыва, 1985, №3 с. 92-97.

18. Горев В.А. Сравнение воздушных взрывных волн от разных источников. // Физика горения и взрыва, 1982, №1 с. 94-101.

19. ГОСТ 24756 81. Сосуды и аппараты. Нормы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий. - М.: Стандартгиз, 1981.

20. ГОСТ 24757-81. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа.- М.: Издательство стандартов, 1981.

21. Грунина М.М. Оценка рисков ацетиленового производства// Химическое и нефтегазовое машиностроение №1 2000. с. 37 - 39.

22. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия: Справочник проектировщика /Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. -М.: Стройиздат, 1981.-215 с.

23. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров: Пер. с англ. К.Г. Бом-штейна; Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова М.: Стройиздат, 1990.-424 с.

24. Елохин А.Н. Анализ и управление риском: теория и практика. М.: Страховая группа "Лукойл", 2000, - 185 с.

25. Елохин А.Н. Декларирование безопасности промышленной деятельности: методы и практические рекомендации. М.: ММА им. Сеченова, 1999.- 139 с.

26. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.-318 с.

27. Иляева М.А., Кузеев И.Р. Аэродинамическая неустойчивость колонных аппаратов под действием внешнего взрыва на НПЗ // Нефть и газ, 2002 № 1. — с. 65-69.

28. Информационный бюллетень ГОСГОРТЕХНАДЗОРА РОСИИ.- 2002. № 3.- С. 50-63.

29. Карнеев С. В., Карпухин В.П. Расчет оболочек с неканонической поверхностью методом конечных элементов и суперэлементов.- Тула: Тулполиграф, 2001 128 с.

30. Кац А. С. Расчет неупругих строительных конструкций Д.: Стройиз-дат., 1989.- 168 с.

31. Колокольцев В. А. Основы применения метода конечных элементов в расчетах деталей машин: учебное пособие. СГТУ, 2003.- 84 с.

32. Котляревский В.А., Шаталов А.А., Ханухов Х.М. Безопасность резервуаров и трубопроводов. М.: Экономика и информатика, 2000. - 555 с.

33. Кочегаров В.П. Нагрузки от ударных волн при детонации газовоздушных смесей. В кн.: Охрана труда в строительстве. - М.: МИСИ, 1978. -с. 90-95.

34. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов / Пер. с польск. М.: Металлургия, 1976. - 456 с.

35. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. Л,: Машиностроение, 1981. - 386 с.

36. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ. Г.Б. Барсамяна, А.Б. Двойнишникова и др.; Под ред. Б.Б. Чайва-нова, А.Н. Черноплекова. М.: Мир, 1989,- 672 с.

37. Методика оценки последствий аварий на пожаро- взрывоопасных объ39