автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Моделирование поведения конструкции грузовых танков нефтеналивных судов при внутренних взрывах паров углеводородов

УДК 629.12

На правах рукописи

АУНГ МИО ВИН

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ГРУЗОВЫХ ТАНКОВ НЕФТЕНАЛИВНЫХ СУДОВ ПРИ ВНУТРЕННИХ ВЗРЫВАХ ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 НОЯ 2010

Санкт-Петербург 2010

004612080

Работа выполнена на кафедре Конструкции судов "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет".

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Тимофеев Олег Яковлевич

доктор технических наук, профессор Павловский Валерий Алексеевич кандидат технических наук, Репешев Игорь Васильевич

Ведущая организация:

ОАО ЦКБ МТ «Рубин»

Защита состоится 16 ноября 2010 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.228.01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская д. 3, Актовый

зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан «

2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Гайкович А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Взрывы в грузовых и отстойных танках танкеров занимают значительную долю от общего количества аварий на судах этого типа. Однако, проблема оценки разрушения корпусных конструкций танкеров в районе отстойных и грузовых танков, которые вызваны внутренними дефлаграционными взрывами газо-воздушных смесей не' доведена до инженерных методик. Поставленная задача оценки прочности и объёма разрушений может быть декомпозирована на два этапа:

— определение силовых параметров внешнего воздействия (зависимость давления на поверхности конструкции от времени ) как функция состава газо-воздушной смеси и разрушаемой площади конструкции;

— определение динамической реакции конструкции с учетом появляющихся в процессе воздействия зон разрушения.

Целью настоящей работы является формирование рекомендаций по конструкции взрывоопасных помещений танкеров. Достижение поставленной цели требует выполнения следующих задач исследования:

1. Разработка инженерных методов прогнозирования нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах;

2. Исследования применимости современных численных методов к задаче моделирования динамики конструкции с учетом разрушения части конструктивных элементов;

3. Разработка алгоритма и его программной реализации по моделированию поведения конструкции при дефлаграционных взрывах.

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования: теория горения газо-воздушных смесей, численные методы исследования динамики конструкций, аппарат и программные продукты систем ANSYS, средств Microsoft Office .

Научная новизна и основные научные результаты:

1. Разработан метод и расчетные зависимости для нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах.

2. Разработан численный алгоритм и его программная реализация моделирования поведения конструкции при внутреннем дефлаграционном взрыве с учетом разрушения конструктивных элементов в процессе нагружения.

3. Проведено сопоставление реакция типовых конструкций переборок на воздействие внутренних дефлаграционных взрывов.

Внедрение результатов. Результаты работы включены в содержание курсов, читаемых для студентов и аспирантов Санкт-Петербургского Морского Технического университета: «Конструкция корпуса морских буровых установок» (специальность 1801).

Апробация работы. Результаты и основные части работы докладывались на российских и международных научно-технических конференциях (Санкт-Петербург) на кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы. Все работы выполнены в соавторстве, доля автора 50 %. В изданиях, определяемых Перечнем ВАК РФ опубликована 1 статья, выполненная в соавторстве, доля автора 50 %.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 145 станицы текста (с 3 таблицами и 45 рисунками). Список литературы состоит из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Внутренний дефлаграционный взрыв один из типов аварийного воздействия на танкерные конструкции. Взрыв на танкере с вероятностью 50% приводит к гибели судна, как показывают результаты статистических обобщений данных по авариям подобного типа.

Приведенный анализ причин и последствий дефлаграционных взрывов в грузовых и отстойных танках нефтеналивных судов ставит актуальную задачу создания инженерной методики оценки последствий дефлаграционного взрыва на корпусные конструкции танкера. Такая методика должна удовлетворять следующим условиям:

1) Включать в себя алгоритм расчета силового воздействия на конструкцию в виде давления как функцию химического состава газовоздушной смеси в танке.

2) Моделировать поведение конструкции в динамике. Поскольку нагружение является быстрым, метод анализа напряженно-деформированного состояния конструкции должен использовать вязкопластические свойства судокорпусного материала.

3) Часть конструкции в процессе нагружения разрушается. Через разрушенный район появляется связь танка с прилегающими помещениями, в которые уходит часть продуктов сгорания, что приводит к снижению давления в зоне взрыва. В процессе разрушения увеличивается площадь разрушенного участка и падает давление дефлаграционного взрыва. В определенный момент времени давление снизится настолько, что прекратиться разрушение конструкции. Для этого момента времени фиксируется общий объем разрушения. Разрабатываемая методика должна численно отражать описанный качественно процесс и позволять при известных внешних данных и характеристиках конструкции оценивать объем разрушений.

Анализ перечисленных требований к создаваемой методике показывает, что необходимо построить итерационный алгоритм, в котором состояния конструкции и объем разрушений в заданный момент времени зависит от состояния газо-воздушный смеси. Обобщенная блок-схема алгоритма приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Обобщенная блок-схема алгоритма

Глава 1 диссертации содержит анализ проблем прогнозирования нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах. Дефлаграция - процесс сгорания, в котором фронт реакции перемещает со скоростью меньшей, чем скорость звука в нереагировавших газах. Следующие элементы должны одновременно присутствовать, чтобы произошла дефлаграция:

огнеопасная смесь, состоящая из топлива и кислорода, (обычно, воздуха), или другого окислителя средство воспламенения • ограниченный объем

На рисунке 2 показывает пятиугольник дефлаграции, описывающий требования для дефлаграции газа или пара.

Окислитель

Смеши ванне

Топливо Источник искры

Рис. 2. Пятиугольник дефлаграции показывает компоненты при взрыве газов и паров

Рисунок 3 показывает зависимость двух параметров, которые используются для описания нагрузок при дефлаграционных взрывах. Первая переменная - максимальное давление в течение невентилируемого сгорания, Ртах. Вторая переменная максимальный наклон кривой давления, (/¿Р/У/)мах. Экспериментальные исследования показали, что максимальное давление взрыва остается практически постоянным. Максимальный

Ограниченный объем

наклон кривой (градиент) давления уменьшается, при увеличении объёма помещения при других факторах постоянных.

Время (мсек)

Рис.3. Давление в зависимости от времени для взрыва смеси, составленной из 10%-ого метана, 70%-ого азота, и 20%-ого кислорода в 20-литровой испытательной сфере. Начальная температура и давление - 25°С и 1 бар

Измеренные значения Ртах для двенадцати огнеопасных газов и паров показаны в таблице 1. Большинство значений находятся в диапазоне от 6.8 бар до 8.1 бар. Имеются два исключения - ацетилен {Ртах - Ю.6 баров г) и аммиак (Ртах = 5.4 баров г).

Таблица 1.

Параметры дефлаграции для огнеопасных газов и паров в воздухе

Ламинарная Коэффициент

Скорость дефлаграции

Р Горения Ко

Газ или Пар (бар г) (cm/s) (бар.м/s)

Ацетилен 10.6 166 1415

Аммиак 5.4 — 10

п-бутан 8.0 45 92

Диэтиловый эфир 8.1 47 115

Этан 7.8 47 106

Водород 6.8 312 550

Изопропиловый 7.8 41 83

Метан 7.1 40 55

Метил 7.5 56 75

п-пентан 7.8 46 104

Пропан 7.9 46 100

Толуол 7.8 41 94

Изменение в скорости давления представлено следующей эмпирической формулой для коэффициента дефлаграции Kg [Daniel A. Crowl, 2003].

Концентрации топлива, кислорода и инертного газа (в объеме или % моля) представлены на трех осях диаграммы воспламеняемости (рис.4). Каждая вершина треугольника представляет или 100% топлива, кислорода, или азота. Например, точка А представляет смесь, составленную из 60% метана, 20% кислорода и 20% азота. Зона, ограниченная пунктирной линией представляет состав смеси, которая является огнеопасной.

Рис.4. Диаграмма воспламеняемости для метана в начальной температуре и давлении 25°С и 1 atm [Daniel A. Crowl, 2003]

Оценка давления в замкнутом сосуде методом ZALOSH, разработанном в Вустерском Политехническом Институте, основано на следующем равенстве:

Где Ртах = максимальное давление, при завершении сгорания (КПа); Ра = начальное атмосферное давление (КПа); Tad = адиабатная температура пламени (К0); Та = окружающая начальная температу-ра(К°)

В рамках подготовки материалов первой главы разработан алгоритм и программное обеспечение для моделирования процессов горения.

На рисунке 5 показаны результаты моделирования: зависимость давления и температуры от отношения эквивалентности. Отношение эквивалентности равное 1 соответствующей стехиометрической смеси

Адиабатные Температуры Пламени

V

Н

3000 2800 260О 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 Б00 400 200 0

../У..

--Пропан (СЗН8)

• - Метан (СН4) ,„ . Водород <Н2)

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Отношение Эквивалентности

2.2

Рис.5(а). Расчетная адиабатная, температура пламени постоянного объема как функция отношения эквивалентности

Дефлаграцнонное Давление Закрытого Сосуда

11 ю

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

/

/

--Пропан (СЗН8)

- • Метан (СН4)

—— Водород (Н2)

0.2

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Отношение Эквивалентности

2.2

Рис.5(Ь) Газо-воздугиное давление дефлаграции как функция топливного отношения эквивалентности

Глава 2 диссертации посвящена описанию авторских подходов к расчётным процедурам моделирования разрушения конструкций при динамическом воздействии. Первый раздел содержит обзор аналитических методов моделирования динамики балочных конструкции. Рассмотрены четыре модели балки; 1-Балка Бернулли-Эйлера, 2-Балка Рэлея, З-Сдвиговая модель, 4-Балка Тимошенко (см. рис.6,7).

Рис. 6. Зависимость прогибов от времени для различных моделей балок: 1-модели 1; 2-модели 2; 3-модели 3; 4-модели 4

Следующий раздел содержит описание метода конечных элементов в задачах моделирования динамики конструкции с учетом разрушения конструктивных элементов.

Заключительной раздел главы 2 посвящен разработке расчетной модели и ее верификации на примере дефлаграционного

взрыва в танке (взрыв на танкере «МАГАС»), Схема разрушения отстойного танка приведена на рис. 8.

А

Рис. 7. Зависимость прогиба и напряжения в балке от времени;

А- конец удара

На первых этапах исследования была решена модельная задача для судовой пластины. В судовой пластине, которая нагружена непосредственно давлением от газового взрыва, из-за относительных маленьких толщин развивается обширная область пластический деформации. Дополнительное сопротивление в пластине объяснимо мембранным эффектом. Для типичных судовых пластин, время нарастания давления взрыва сопоставимо с собственным периодом колебания конструкции. По этой причине динамическое поведение пластины значительно влияет на результирующее состояние. Следует учитывать также существенно нелинейное поведение

материала, а именно динамическое упрочнение (вязкопластичность), конструкционное демпфирование, большие перемещение и деформации. Перечисленные факторы значительно усложняют численное моделирование по сравнению со статическими нелинейными задачами.

Рис.8. Схема разрушения корпусных конструкций при взрыве танкера «Магас»

В настоящем разделе анализируются разрушения конструкции гофрированной переборки в районе отстойного танка при экстремальных внутренних динамических воздействиях, вызванных внутренними дефлаграционными взрывами. Используется моделирование переходных процессов в комплексе ANSYS, который способен численно решать задачи анализа напряженно-деформированного состояния динамически нагруженной конструкции с учетом нелинейности поведения материала и больших перемещений конструктивных элементов.

Используя заданные свойства материалов, опцию «Birth and Death», команды ANSYS и APDL- языка, был разработан макрос и выполнено моделирование разрушения конструкций отстойного танка. На рис.9-10 показаны модель гофрированной переборки и результаты анализа, т.е. вид переборки с разрушениями в зависимости от времени.

Рис.9. Расчётная модель Рис.10. Разрушающая

гофрированнои переборки гофрированная переборка

Текущее давление может быть представлено как

где АР - понижение давление, которое зависит от площади зоны разрушения Р(1); Рмт - давление дефлаграционного взрыва в замкнутом объёме.

В соответствии с универсальности газовым законом

PV

-=константа

Т

здесь, Т - постоянная температура (процесс изотермический), тогда P(t)- V(t) = константа.

Или

P(tyV(t) = PMах - ftahk, и Р V

д ШЛУ ' И1

P{t)

мах тант

т

где

здесь

V{t) = Vnm + Vü(t) Vв(0=\<2(0

О

Q(t)=F(t)-v(t)-n,

Q - объём газа истекающей из пробоины (разрушенной части конструкции) в единицу времени, F(t) - площадь разрушенной конструкции, v(t) - скорость истекания газа из разрушенной части конструкции.

или

v(» = .'2P(0

МР(0 г /Зп д. здесь р - плотность газа, п =-—|кг/м I; М — молярная масса

ЯТ

газа, [кг/моль]; Я. - универсальная газовая константа, [8,314 Дж/моль К]

На рис. 11 показаны сопоставления давления в отстойном танке с учетом и без учета разрушения гофрированной переборки.

к

- давление разрушения

■Давление с разрушением

Olí Время(С)

Рис.11. Давление с учетом и без учета разрушение конструкции

Глава 3 диссертации содержит сопоставление реакции конструкции взрывоопасных помещений на танкерах. Первый раздел главы содержит описание типовых конструкций взрывоопасных помещений танкеров (грузовые и отстойные танки).

В следующем разделе автор систематизирует сопоставление реакции типовых конструкций на внутренние дефлаграционные взрывы. Гофрированная переборка и плоская переборка использованы как типовые конструкции взрывоопасных помещений на танкерах.

Принятые свойства материала: модуль Юнга, Е = 120 ГПа, коэффициент Пуассона, и = 0.3 и плотность р = 7800 кг/м3. Статический предел текучести от= 240 МПа, предел прочности (временное сопротивление) ов = 400 МПа. Тангенциальный модуль E¡, = 0.808 ГПа. Условие разрушения имеет вид e¡ > 0.06, где интенсивность деформаций определяется по формуле

При определении больших пластических деформаций можно принять материал пластин идеально упругопластическим. Переход в пластическое состояние определялся по критерию Мизеса o¡ = от. Интенсивность напряжений в данной постановке равна

СГ, = V )2 + а2 ~СГ1(У2 ■

В качестве кривой напряжения-деформации использована билинейная диаграмма деформирования для модели упруговязкопластического тела (см. рис.12).

Рис. 12. Билинейная диаграмма деформирования для модели упруговязкопластического тела : аА= 317,4МПа, гА = 0,0046; ав= 400,2МПа, Ев= 0,18;---динамическое погружение

Влияние скорости деформации учтено следующей моделью Соу/рег-БутопсЬ.

1 + £

—

В

Модель плоской переборки и реакция конструкции, т.е. вид переборки с разрушениями показаны на рис. 13-17.

Рис.13. Расчётная модель гофрированной переборки

Рис.14. Расчётная модель плоской переборки

Рис. 15. Реакция (разрушение) гофрированной переборки

Рис. 16. Реакция (разрушение) плоской переборки

зсшпш

.016452

Сопоставление реакции типовых конструкций на внутренние дефлаграционные взрывы

Время(С')

Рис. 17. Сопоставлениереакций(кривых давлении) типовых конструкций на внутренние дефлаграционные взрывы

Заключение содержит краткое изложение основных научных результатов диссертации, которые можно сформулировать следующем образом:

1. Рассмотрены физические основы процесса дефлаграционного взрыва и рекомендации нормативных документов по учёту дефлаграционных взрывов в танкерах.

2. Разработаны процедуры и программное обеспечение по расчёту нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах. Разработан практический алгоритм оценки параметров нагрузки при дефлаграционном взрыве в помещениях танкерах.

3. Рассмотрены аналитические методы моделирования динамики балочных конструкций и пластин. Разработано на базе МКЭ моделирование динамики конструкции с учетом разрушения конструктивных элементов и коррекции давления при взрыве с учетом вязкопластичности и опции BIRTH & DEATH.

4. Расчетная схема верифицирована на базе информации о реальном дефлаграционном взрыве на танкере.

5. Проведено сопоставление модельных разрушений гофрированной и плоской переборок, равнопрочных на действие гидростатического давления.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Аунг Мио Вин, О.Я. Тимофеев. Моделирование разрушения конструкций танкеров при внутренних дефлаграционных взрывах (статья), //журнал «Морской вестник». - СПб.: март 2010. N0.1(33). Ст. 69 - 70. (автор - 50%).

В других изданиях:

2. Аунг Мио Вин, О.Я. Тимофеев. Опыт оценки разрушений конструкций танкеров при внутренних дефлаграционных взрывах, используя моделирование переходных процессов в комплексе А^УБ (тезисы докладов). Пятая общероссийская конференция молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям, «моринтех-юниор 2009». СПб.: 10-12 ноября 2009г. Ст. 27-29. (автор-50%).

3. Аунг Мио Вин, О.Я. Тимофеев. Практический алгоритм прогнозирования нагрузок на внутренние конструкции танкеров при дефлаграционном горении газо-воздушных смесей (статья), //журнал «морские интеллектуальные технологии». - СПб.: 4(6) 2009. Ст. 1114. (автор-50%).

Изд-во СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 08.10.2010. Зак. 4056. Тир.75. 1,1 печ. л.

Введение

1. Методы прогнозирования нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах

1.1. Физические основы процесса дефлаграционного взрыва

1.2. Рекомендации нормативных документов по расчету дефлаграционных взрывов в танках

1.3. Практический алгоритм оценки параметров нагрузки при дефлаграционном взрыве в помещениях танкера

2. Методы моделирования разрушения конструкции при динамическом воздействии

2.1. Аналитические методы моделирования динамики конструкции

2.2. Метод конечных элементов в моделировании динамики конструкции с учетом разрушения конструктивных элементов

Основы МКЭ, пластичность, вязкопластичность, критерии разрушения, опция BIRTH & DEATH.)

2.3. Верификация расчетной схемы дефлаграционного взрыва в ганке (взрыв на танкере МАГАС.)

3. Формирование рекомендаций по конструкции взрывоопасных помещений на танкерах

3.1. Типовая конструкция взрывоопасных помещений танкеров грузовые и отстойные танки.)

3.2. Сопоставление реакции типовых конструкций на внутренние дефлаграционные взрывы

Согласно статистике основными причинами аварий и катастроф танкеров являются последствия штормов, столкновения и навалы, взрывы и пожары, посадки на мель, проведение ремонтных работ в районе грузовых зон, неполадки в машинном помещении. Аварии и катастрофы тикеров по сравнению с другими типами судов имеют значительно более тяжкие последствия, связанные с гибелью танкеров, человеческими жертвами, разливами нефтегрузов. Приоритетный ряд опасностей для танкеров может быть представлен следующим образом: взрыв - пожар -разламывание корпуса, потери остойчивости или плавучести (затопление). Вероятность гибели танкера из-за потери остойчивости невелика, а из-за потери плавучести он может погибнуть лишь чисто теоретически при определенных условиях затопления машинных помещений. Вероятность гибели танкера в результате взрыва близка к 50% [1], [35], [58].

Взрывы и пожары на танкерах чаще всего возникают при проведении погрузо-разгрузочных работ на танкерах или при мойке танков. Именно при этих операциях наиболее вероятно образование взрывопожароопасной концентрации смеси паров груза с кислородом воздуха, что при возникновении малейшей искры или другого источника возгорания может привести к взрыву. В декабре 1969 г. произошли взрывы и пожары сразу на трех супертанкерах - английских «Марпесса» и «Мактра» дедвейтом по 207 тыс.т и норвежском «Конг Хааконг VII» дедвей-том 228 тыс.т. Все три танкера на момент взрыва производили мойку танков во время балластного перехода. В результате взрывов «Марпесса» затонула. На «Конг Хааконг VII» при взрыве были вырваны настил верхней палубы над танками № 3, 4 и 5 и обшивка правого борта (на некоторых участках почти до ватерлинии). Одна из переборок сместилась в корму на четыре шпации. Ремонт «Мактры» длился более года и составил 80% от первоначальной стоимости. Аналогичные аварии произошли в разные годы и на ряде других танкеров (табл. В.1) [36], [38], [86]. 3

Таблица B.l [ Макаров В. Г., 2005 ] Аварии танкеров по причине взрыва

Судно Авария Последствия

Lslas Orcades» Пожар, взрыв, 1968 г. Пожар привел к взрыву, а затем перешел на два ближайших танкера и на территорию порта Ла-Плата (Аргентина). Погибло 19 чел.

Марпесса» Взрыв, 1969 г. Судно затонуло.

Мактра», англ. Взрыв, пожар, 1969 г. Длительный капитальный ремонт

КонгХаапон VII», норв. Взрыв, пожар, 1969 г. Вырван настил ВП над танками №№ 3-5 и обшивка правого борта, одна из переборок сместилась в корму на 4 шпации. Ремонт.

Се вен Скайс» Взрыв, 1969 г. Судно затонуло.

Тамес Мару», япон. Взрыв, 1970 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт

Голар Патриция», либер. Пожар, 1973 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт.

Prima MaersK», дате. Взрыв, пожар, 1973 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт. Погибли 3 чел.

Берге Истра» Взрыв, пожар; 1975 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт.

Сансинема» Взрыв, пожар, 1976 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт

British Krawn» Взрыв, пожар, 1976 г. Средняя часть и кормовая надстройка полностью выгорели. Погибли 19 человек. Ремонт.

Берге Ванга» Взрыв, пожар, 1979 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт.

Betelgeuse», франц. Взрыв, пожар, 1979 г. Судно разломилось и затонуло. Погибли 43 члена экипажа и 7 рабочих порта.

Seatiger», либер. Взрыв, пожар, 1979 г. Судно затонуло.

Altas Titán», либер. Взрыв, пожар, 1979 г. Большие конструктивные разрушения. Ремонт.

Maria Alejandra» Взрыв, пожар, 1980 г. Судно затонуло. Погибли 19 человек.

Мусепе», либер. Взрыв, пожар, 1980 г. Судно затонуло.

Голден Дел-фин» Взрыв, пожар, 1982 г. Разрушение корпусных конструкций. Ремонт.

Людвиг Сво- Взрыв, пожар, Разрушение корпусных конструкций.

Судно Авария Последствия бода» 1983 г. Ремонт.

Морис Бишоп» Взрыв, пожар, 1986 г. Вырван участок настила верхней палубы. Ремонт.

Магас» Взрыв, пожар, 2000 г. Большие конструктивные разрушения. Ремонт.

Повышение интенсивности судоходства в последние годы способствовало увеличению количества столкновений танкеров, часто сопровождающихся взрывами и пожарами. Особую опасность здесь представляет то, что выливающаяся из пробоин нефть, растекаясь по поверхности воды, продолжает гореть. Так, в результате столкновения танкера «Yuyo Mari» дедвейтом 43,7 тыс.т с либерийским балкером «Pasific Arears» дедвейтом 16 тыс.т возникли пожар и взрыв в носовой части японского судна. Взрыв сопровождался выбросом дыма и пламени на высоту до 400 м. Погибли 30 человек.

В июле 1979 г. в Карибском море у берегов острова Табаго столкнулись два супертанкера: либерийский «Aegean Captain» и греческий «Atlantic Empress». Наполненные нефтью суда загорелись. Вылилось 287 тыс. т сырой нефти. Горящее пятно нефти растеклось вокруг места аварии на десятки квадратных километров, а всего нефть разлилась по поверхности 120 км2, угрожая нанести непоправимый ущерб богатому рыбой району. Погибли 26 моряков. Здесь следует отметить, что материальный ущерб от аварии не всегда напрямую зависит от количества вылившейся нефти. В 1989 г. танкер «Exxon Valder» потерпел крушение у берегов Аляски. В море попало около 37 тыс. т нефти (примерно 20% от всего количества груза). Нефть выплеснулась на берег, загрязнив 200 км побережья. Сотни квадратных километров воды с поверхностным слоем нефти вторглись в залив Принца Уильяма. Затраты корпорации «Еххоп» на сбор нефти, восстановление последствий, сказавшихся на окружающей среде, и штрафы достигли астрономической суммы в 1,9 млрд. долларов, что намного превысило выплаты после крупнейшей в мире катастрофы с танкерами «Atlantic Empress» и «Aegean Captain». При катастрофе танкера «Епка», произошедшей в 1999г. у берегов Бретани в море вылилось лишь 12 тыс. т нефти, но за это правительству Франции пришлось выделить для очистки побережья кредиты почти на 2 млрд. долларов [34].

В Босфоре на акватории порта Стамбул столкновение румынского танкера «Индепенденц» с греческим сухогрузом «Эльвира» явилось катастрофой не только для аварийных судов, акватории и территории турецкого порта,, но и нанесло ущерб международному судоходству, прервав на длительный срок перевозки по Босфору. Погибли 43 румынских моряка. Борьба с пожаром длилась почти месяц. Жители районов, которым угрожал пожар, были эвакуированы. Только ценой неимоверных усилий спасателям удалось предотвратить пожар в Стамбуле.

Проведенные в связи с этим в 70-х годах XX века многочисленные исследования показали, что основной причиной взрывов является воспламенение смеси паров углеводородов и кислорода воздуха в результате возникновения электростатических зарядов. Так Э.Пиэрс подсчитал, что за 45 мин. мойки танков сильными струями воды из стационарных моечных машинок могут возникнуть заряды напряжением в несколько тысяч вольт [60]. В настоящее время в качестве критерия оценки электростатической опасности при мойке танков принимается максимальная напряженность электростатического поля в танке . При мойке танка № 6 пресной водой из Невы танкера «Астрахань» дедвейтом 19995 т. замеренная напряженность поля достигала 6 кВ/м, что значительно превышало расчетное безопасное значение равное 2,2 кВ/м . По данным Н. М. Подволоцкого, величина генерируемого статического электричества при механической мойке танков может достигать значительно больших величин - порядка 200 кВ . Результаты исследований позволили разработать меры, предотвращающие взрывы на танкерах, регламентировать конструктивные и эксплуатационные параметры 6 танкеров и их систем, определяющих электростатическую безопасность. Требования к таким параметрам были включены в международную и отечественную нормативную документацию [37], [38], [60]. Однако взрывы продолжались.

Приведенный анализ причин и последствий дефлаграционных взрывов в грузовых и отстойных танках нефтеналивных судов ставит актуальную задачу создания инженерной методики оценки последствий дефлаграционного взрыва на корпусные конструкции танкера. Такая методика должна удовлетворять следующим условиям:

1) Включать в себя алгоритм расчета силового воздействия на конструкцию в виде давления в зависимости от химического состава смеси в танке.

2) Учитывать поведение конструкции в динамике. Поскольку нагружен ие является быстрым, метод анализа напряженно-деформированного состояния конструкции должен использовать вязкопластические свойства судокорпусного материала.

3) Часть конструкции в процессе нагружения разрушается. Через разрушенный район появляется связь танка с прилегающими помещениями, в которые уходит часть продуктов сгорания, что приводит к снижению давления в зоне взрыва. В процессе разрушения увеличивается площадь разрушенного участка и падает давление дефлаграционного взрыва. В определенный момент времени давление снизится настолько, что прекратиться разрушение конструкции. Для этого момента времени фиксируется общий объем разрушения. Разрабатываемая методика должна численно отражать описанный качественно процесс и позволять при известных внешних данных и характеристиках конструкции оценивать объем разрушений.

Анализ перечисленных требований к создаваемой методике показывает, что необходимо построить итерационный алгоритм, в котором состояния конструкции и объем разрушений в заданный момент времени 7 зависит от состояния газо-воздушный смеси. Обобщенная блок-схема алгоритма приведена на рис. В.1.

Время 1=0

Назначение ключа по времени ДI

1= г+А г Расчет текущего времени

Расчет состояния газовоздушной смеси и давления на конструкцию

Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции

Проверка критерия разрушения для каждого элемента конструкции

Критерий не выполняется

Рис. В. 1. Обобщенная блок-схема алгоритма

Критерии выполняется

Исключение элемента из расчетной модели

Таким образом, начальные исследования, которые позволят сформировать отдельные блоки алгоритма, необходимо вести в двух направлениях:

- анализ моделей, описывающих поведение газо-воздушной смеси, воспламеняющейся в танке; анализ моделей, описывающих динамическое поведение конструкций, которые позволят определить разрушенные участки конструкции в каждый текущий момент времени процесса нагружения изменяющимся во времени дефлаграционным давлением.

Основные результаты диссертационной работы можно изложить следующим образом:

1. Рассмотрены физические основы процесса дефлаграционного взрыва и рекомендации нормативных документов по учёту дефлаграционных взрывов в танкерах.

2. Разработаны процедуры и программное обеспечение по расчёту нагрузок на конструкцию при внутренних дефлаграционных взрывах. Разработан практический алгоритм оценки параметров нагрузки при дефлаграционном взрыве в помещениях танкерах.

3. Рассмотрены аналитические методы моделирования динамики балочных конструкций и пластин. Разработано на базе МКЭ моделирование динамики конструкции с учетом разрушения конструктивных элементов и коррекции давления при взрыве с учетом вязкопластичности и опции BIRTH & DEATH.

4. Расчетная схема верифицирована на базе информации о реальном дефлаграционном взрыве на танкере.

5. Проведено сопоставление модельных разрушений гофрированной и плоской переборок, равнопрочных на действие гидростатического давления.

Заключение

1. Алешин И.В. Экологическая безопасность морской среды при освоении ресурсов мирового океана. «КОРАБЛЕСТРОИТЕЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ И НАУКА - 2005», СПб, СПбГМТУ, 2005.

2. Арефьев K.M., Ахмедов Д.Б., Померанцев В.В. и др. Основы практической теории горения. Учебное пособие. Лениград, 1986.

3. Барабанов Н.В., Иванов H.A., Новиков В.В., Шемендюк Г.П. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций. Л., Судостроение, 1989.

4. Барабанов Н. В., Турмов Г. П. Конструкция корпуса морских судов. В 2-х т. СПб., Судостроение, 2002.

5. Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах. Москва. Компьютер. 2002.

6. Бойцов Г.В. О критерии нормирования местной прочности. «Судостроение» №1, 1979.

7. Бойцов Г.В., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. Л. Судостроение, 1979.

8. Бойцов Г.В. Проблемы оптимизации судового корпуса. «Судостроение» №2, 1983.

9. Бойцов Г.В., Палий О. М., Постнов В. А., Чувиковский В. С. Спровочник по строительной механике корабля: В трёх томах. Т.З. Л., Судостроение, 1982.

10. Бохоева Л. А. Особенности расчета на прочность элементов конструкций из изотропных и композиционных материалов с допустимыми дефектами. Улан-Удэ, Издательство ВСГТУ, 2007.

11. П.Бронников A.B. Морские транспортные суда. Л., Судостроение, 1984. Бронников A.B. Проектирование судов. Л., Судостроение, 1991.

12. Бронский А.И., Глозман М.К, Козляков В.В. Основы выбора конструкций корпуса судна. Ленинград, Судостроение, 1974.

13. Быков В. А. Прочность материалов при работе в судовых конструкциях. Учебное пособие. Ленинград, ЛКИ, 1989.138

14. Быков В. А. Предупреждение повреждений судовых конструкций при перегрузках. Учебное пособие. Ленинград, ЛКИ, 1987.

15. Бугаков В.Н. Обоснование нормативной вероятности разрушения судовых конструкций. С. 5-9, «Судостроение» №7, 1984.

16. Васильев А.Л. Введение в проектирование конструкций корпуса судов. Ленинград, 1984.

17. Васильев А. Л., Глозман М. К., Павлинова Е. А., Филиппео М. В. Прочные судовые гофрированные переборки. Л., Судостроение, 1964.

18. Гаврилов М.Н., Брикер А.С., Эпштейн М.Н. Повреждения и надежность корпусов судов. Л., Судостроение, 1978.

19. Гарин Э. Н. Поисковые методы в проектировании судовых корпусных конструкций, устройств и систем. Учебное пособие, СПбГМТУ, 2006.

20. Головешкин Ю.В., Тузлукова Н.И. Третья проблема строительной механики корабля. Нормирование прочности. СПб, Судостроение, 1999.

21. Гольденблат И. И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. Москва, Машиностроение, 1968.

22. Григорьев Я. Н., Шапиро В. М. Конструкция корпуса и основы строительной механики морских судов. Л., Судостроение. 1972.

23. Давыдов В. В., Маттес Н. В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций. Л., Судостроение, 1974.

24. Ершов Н. Ф., Попов А. Н. Прочность судовых конструкций при локальных динамических нагружениях. Л., Судостроение, 1989.

25. Ершов Н. Ф., Шахверди Г. Г. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. Л.: Судостроение, 1984.

26. Ефремов Л.В. Практика инженерного анализа надежности судовой техники. . Л. Судостроение, 1980.

27. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимации. М., Мир, 1986.

28. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. АЫ8У8 в руках инженера « Практическое руководство», Москва, 2003.

29. Качанов Л. М. Основы Теории Пластичности. М., Наука, 1969.

30. Короткин Я. И., Родионов А. А. Расчетное проектирование корпуса судна. СПБ, СПбГМТУ, 2007.

31. Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. Ленинград, 1965.

32. Лазарев В. Н., Глозмен М. К. Альбом конструктивных мидель-шпангоутов транспортных судов. Л., ЛКИ: 1970.

33. Логачев С. И. Морские танкеры. Л., Судостроение, 1970.

34. Логачев С. И. Чугунов В.В. Мировое судостроение: Современное состояние и перспективы развития. СПб, Судостроение, 2000.

35. Макаров В. Г. Взрывы и пожары на танкерах. Материалы региональной научно-технической конференции с международным участием «КОРАБЛЕСТРОИТЕЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ И НАУКА -2005», СПб, СПбГМТУ, 2005.

36. Максимаджи А. И. Капитану о прочности судна. Л., Судостроение, 1988.

37. Мартыненко В.И., Ставицкий М.Г. Когда на борту пожар. Л., Судостроение, 1983.

38. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов (18СОТТ). Изд.4-е. СПб, ЗАО «ЦНИИМФ», 1997.

39. Методика оценки технического состояния корпусов морских судов, Российский морской Регистр судоходства, 1998.

40. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. АКБУЭ в руках инженера: Механика разрушения. Изд. 2-е. М.: ЛЕНАНД, 2010.41,Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механики сплошных сред. М., Мир, 1976.

41. Палий О.М. Влияние деформационного упрочнения материала на развитие локальных пластических деформаций. С. 9-12, «Судостроение» №10, 1987.

42. Перцев А. К., Платонов Э. Г. Динамика оболочек и пластин. JL, Судостроение, 1987.

43. Петинов C.B. Экспериментальные методы сопротивления материалов. Учебное пособие, Л., ЛКИ, 1984.

44. Петинов С. И., Репин С. В. Прочность и разрушение судокорпусных материалов и конструкций при переменном нагружении. Учебное пособие. Ленинград, 1981.

45. Петухов В.А. Безопасность и эксплуатации газовозов. СПб, ЭЛМОР, 1999.

46. Постнов В.А., Калинин B.C., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Ленинград, Судостроение, 1983 .

47. Постнов В.А., Ростовцев Д.М. Суслов В.П. Кочинов Ю.П. Строительная механика корабля и теория упругости. ТОМ 1/2., Ленинград, 1987.

48. Постнов В. А. Теория пластичности и ползучести. Л., ЛКИ, 1975.

49. Постнов В. А., Хархурим И. Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л., Судостроение, 1974.

50. Постнов В. А. Численные методы расчета судовых конструкций. Л., Судостроение, 1977.

51. Путов H. Е. Конструкция корпуса судов: Альбом конструкций переборок морских судов. Л., ЛКИ, 1963.

52. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том-1. Л.: Судостроение, 1976.

53. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том-2. Л.: Судостроение, 1977.

54. Родионов А. А. Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. Л., Судостроение, 1986.141

55. Родионов Н. Н. Современные танкеры. JL, Судостроение, 1980.

56. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М., Мир, 1979.

57. Семенов Ю.Н., Пенчев В., Портной A.C. Аварийность и оценка риска судоходства. СПб, СПбГМТУ, 1998.

58. Сирил М. Харрис, Чарльз И. Крид, Справочник по ударным нагрузкам. Л., Судостроение, 1980.

59. Ситчеико Л. С., Макаров В. Г. Основы проектирование грузовых и обеспечивающих систем танкеров. Л., ЛКИ, 1984.

60. Справочник по строительной механике корабля: В 3 т./Под ред. акад. Ю. А. Шиманского. Л., Судпромгиз, 1958-1960.

61. Тряскин В.Н. Проектирование конструктивного мидель-шпангоута морских транспортных судов. Л., ЛКИ, 1986.

62. Тряскин В.Н., Лазарев В.Н., Смирнов Ю.А. и др. Проектирование корпусных конструкций морских судов. Л., ЛКИ, 1987.

63. Физика взрыва /Под ред. Орленко Л.П. Изд. 3-е, испр. В 2 т., Т. 1,2., Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2004.

64. Финк К., Рорбах X., Измерение напряжений и деформаций. М. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1961.

65. Фостий Г.П. Судокорпусник-ремонтник. Л., Судостроение, 1986.

66. Фрид Е. Г. Устройство судна. Л., Судостроение. 1989.

67. Хьюз О.Ф. Проектирование судовых корпусных конструкций. Л., Судостроение, 1988.

68. Шиманский Ю. А. Динамический расчет судовых конструкций. Ленинград, Судпромгиз, 1963.

69. Чернигин Ю.П., Жиров В.М., Ганин А.И. Распределение надежности судна между его функциональными системами на стадии проектирования. С. 5-6, «Судостроение» №2, 1977.

70. Abdelkrim Kadid, Stiffened Plates Subjected to Uniform Blast Loading. Journal of Civil Engineering and Mangement, 14(3), 2008.

71. Anthony F. Molland. The Maritime Engineering Reference Book: A Guide to Ship Design, Construction and Operation. Publisher- ButterworthHeinemann. 2008.

72. Bangash M.Y.H. Shock, Impact and Explosion: Structural Analysis and Design. Springer, 2008.

73. Bjorn Karlsson, James G. Quintiere, Enclosure Fire Dynamics. 2000.

74. Bulson P.S. Explosive Loading of Engineering Structures. First Edition, 1997.

75. Carlos Guedes Soares, P.K. Das, Analysis and Design of Marine Structures. Publisher- CRC. 2009

76. Clarence W. de Silva, Vibration and Shock Handbook (Mechanical Engineering). Taylor & Francis, 2005.

77. Dag Bjerketvedt, Jan Roar Bakke, Kees van Wingerden. Gas Explosion Handbook. GexCon, 1992.

78. Daniel A. Crowl. Understanding Explosions. Department of Chemical Engineering Michigan Technological University, 2003.

79. Documentation for ANSYS Release 10.0 / Guide to the ANSYS Documentation.

80. Dennis P. Nolan, P.E. Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles for Oil, Gas, Chemical, and Related Facilities. Noyes Publications, Westwood, New Jersey, U.S.A. 1996.iL

81. D. J. Eyres, Ship Construction, 6 Ed., Elsevier, 2007.

82. Douglas Thorby. Structural Dynamics and Vibration in Practice. Publisher- Butterworth-Heinemann, First edition, 2008.

83. Efstratios Nikolaidis, Dan M. Ghiocel, Suren Singhal. Engineering Design Reliability Applications: For the Aerospace, Automotive and Ship Industries. Publisher- CRC. 2007.

84. Eleftheria Eliopoulou, Apostolos Papanikolaou, Casualty analysis of large tankers. Springer, 2007.

85. F. Zhu, G. Lu, A Review of Blast and Impact of Metallic and Sandwich Structures. EJSE, Loading on Structures, 2007. Swinburne University of Technology, Australia.

86. Gregory Szuladzinski. Formulas for Mechanical and Structural Shock and Impact. CRC Press. 2009

87. Harris C.M., Piersol A.G., Harris' Shock and Vibration Handbook. 5th Ed McGraw Hill, 2002.

88. H.-J. Hansen, A. Kristensen, L. Damkilde, Structural Analysis of Offshore Structures Exposed to Blast Loads. NSCM 15, Aalborg, Denmark, 2002.

89. Heinrich Groh, Explosion Protection. 1st Ed., Elsevier, 2004.

90. Indrajit Chowdhury (U.A.E), Shambhu P. Dasgupta (India). Computation of Rayleigh Damping Coefficients for Large Systems.

91. Kappos A.J. Dynamic Loading and Design of Structures. Taylor & Francis e-Library, 2004.

92. Madenci E., Guven I. The finite element method and applications in engineering using Ansys. Springer Science-nBusiness Media, LLC, 2006.

93. Naminosuke Kubota, Propellants and Explosives. Thermochemical Aspects of Combustion. Wiley-Vch, 2nd Edition, 2006.

94. Ray W. Clough, Joseph Penzien, Dynamics of Structures. Third Edition, 2003.

95. Saeed Moaveni. Finite Element Analysis: Theory and Application with AN SYS .Prenti ce Hall. 1999.

96. Sangeon Chun, Nonlinear Fluid-Structure Interaction in a Flexible Shelter under Blast Loading. Ph.D Dissertation, Blacksburg, Virginia, 2004.

97. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Third Edition. Bethesda, Maryland, 2002.

98. Stanley S. Grossel, Deflagration and Detonation Flame Arresters. CCPS, 2002.

99. Structural Failure and Plasticity. ' Proceedings of The Seventh International Symposium on Structural Failure and Plasticity (TMPLAST 2000). 4-6 October 2000, Melbourne, Australia.

100. Tadeusz Stolarski.Engineering Analysis with ANSYS Software. Butterworth-Heinemann. 2007.

101. Yasuhisa Okumoto, Yu Takeda, Masaki Mano, Tetsuo Okada, Design of Ship Hull Structures. A Practical Guide for Engineers. Springer, 2009.

102. Yong Bai, Marine Structural Design, Elsevier, 2003.