автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обеспечение безопасности оборудования и обслуживающего персонала объектов нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн

На правах рукописи

ТРОПКИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2314

Уфа-2013 005544902

005544902

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование».

Научный руководитель доктор технических наук

Тляшева Резеда Рафисовна

Официальные оппоненты: Идрисов Роберт Хабибович

доктор технических наук, профессор, Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» РБ / отдел «Безопасность эксплуатации трубопроводных систем», заведующий отделением

Самигуллин Гафур Халафович

кандидат технических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» / кафедра транспорта и хранения нефти и газа, заведующий кафедрой

Ведущая организация ООО «Центр исследований экстремальных

ситуаций», г. Москва

Защита состоится «24» января 2014 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат разослан «21» декабря 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В настоящее время к объектам нефтегазовой отрасли проявляют все больший интерес. Это связано с тем, что количество аварий, заканчивающихся взрывами и приводящих к поражению персонала и оборудования увеличивается, а также с постоянным ужесточением требований по обеспечению безопасности промышленных объектов. Это привело к тому, что резко возросла потребность в создании новых и усовершенствовании существующих методов и способов повышения безопасности эксплуатации оборудования, а также обеспечения защищенности обслуживающего персонала.

На предприятиях нефтегазовой отрасли и нефтехимии обращается значительное количество пожаро- и взрывоопасных веществ, которые способны образовывать взрывоопасные облака, несущие потенциальную опасность. Необходимо оценивать создаваемую ими реальную угрозу в случае возникновения аварийной ситуации, а также иметь возможность прогнозировать воздействие ударной волны на оборудование и разработать ряд мер для обеспечения взрывобезопасности.

Помимо вышеуказанного, многие объекты нефтегазовой отрасли проектировались и возводились в 60-70х годах XX века, когда требования к обеспечению безопасности и защищенности персонала были существенно ниже существующих. После проведения экспертизы промышленной безопасности было установлено, что для обеспечения защищенности данных объектов на современном уровне требуется возведение специальных защитных устройств в условиях существующей плотной застройки предприятий нефтегазовой отрасли.

В этой связи актуальной становится проблема повышения устойчивости оборудования, зданий и сооружений путем разработки конструкции устройства защиты от действия ударной волны.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6 Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 7 Разработка технических средств защиты людей от пожаров и производственного травматизма; 9 Исследование процессов протекания аварий, условий их каскадного и катастрофического развития, разработка методов оценки различных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий на нефтегазовых объектах.

Целью диссертационной работы является повышение защищенности объектов высокой важности (зон размещения персонала, оборудования) от воздействия ударных волн применением нового типа защитного устройства на предприятиях нефтегазовой отрасли в условиях существующей плотной застройки пространства территории предприятия, а также обеспечением метода определения его эффективности.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

1 Анализ потенциально опасных зон на предприятии; определение предельных значений параметров ударных волн, которые могут появиться в случае возникновения чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли.

2 Создание метода построения численной модели поведения защитного устройства и его конструктивных элементов под действием ударной волны.

3 Создание конечно-элементной модели взаимодействия ударной волны с защитным устройством.

4 Решение полностью связанной задачи «прочность-газодинамика» воздействия ударной волны на защитное устройство с помощью программного комплекса 81МиЫА АЬадив.

5 Проведение численных экспериментов, позволяющих определить зависимость конструктивных параметров защитного устройства от различных

параметров ударной волны, с целью минимизации избыточного давления, приходящегося на защищаемый объект.

Объект исследования:

Техническое средство, обеспечивающее защиту персонала и оборудования на объектах нефтегазовой отрасли от воздействия ударной волны.

Методы исследования:

В качестве основного теоретического метода был выбран метод численного моделирования связанных задач газодинамики и прочности, позволяющий учитывать методы и уравнения механики твёрдого деформируемого тела, механики сплошных сред и теории ударных волн.

Имитационное моделирование взаимодействия ударной волны с защитным устройством производилось на основе метода связанных прочностных и газодинамических расчётов Coupled Euler Lagrange.

Научная новизна

1 Создан метод построения численной модели анализа поведения защитных конструкций под действием ударной волны и определения их эффективности. Решена полностью связанная задача воздействия ударной волны на защитное устройство, учитывающая изменения параметров обтекания устройства в зависимости от степени его деформирования или разрушения.

2 Впервые на основе численного моделирования предложен и обоснован тип защитной конструкции, представляющей из себя стальную сварную ячеистую перегородку, в каждую ячейку которой установлен элемент-гаситель, состоящий из набора особым образом расположенных листов, образующих канал типа «гребенка». Данная защитная конструкция обеспечивает безопасность персонала и оборудования объектов нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.

3 Определены конструктивные параметры гасителя защитного устройства в зависимости от значения избыточного давления и профиля ударной волны для

случая дефлаграции. Определены конструктивные параметры и номограмма расположения защитного устройства относительно защищаемого объекта.

На защиту выносятся

1 Конструкция защитного устройства, обеспечивающего безопасность оборудования и персонала нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.

2 Метод построения численной модели анализа поведения защитных устройств под действием ударной волны и определения их эффективности.

3 Численные модели воздействия ударной волны на защитное устройство.

4 Номограммы зависимости эффективности защитного устройства от его конструктивных параметров.

Практическая ценность

Разработано техническое устройство для защиты обслуживающего персонала от производственного травматизма.

Создан метод построения численной модели воздействия ударной волны на сооружения, находящиеся на территории объектов эксплуатации нефтегазовой отрасли, который можно использовать при проектировании новых защитных устройств, при реконструкции и оценке состояния защищенности уже существующих объектов.

Создана параметрическая конечно-элементная модель взаимодействия ударной волны и защитного устройства.

Достоверность проведенных исследований

Достоверность исследований обеспечивается используемой в них нормативной базой; соответствием результатов расчета изначально наложенным ограничениям; обоснованными современными расчетными методами, а также высокой степенью соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов, полученных путем решения задач верификации.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (г. Москва, 2010, 2011 г.), 64-ой научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов (Уфа, 2013 г.), VII-ой научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2013 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 8 статьях и 1 тезисе, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований и приложения, содержит 162 страницы, включая 29 рисунков и 35 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

В первой главе производится анализ опасностей, возникающих на объектах эксплуатации нефтегазовой отрасли. Исследуются статистические данные о взрывах и пожарах на предприятиях нефтегазовой отрасли, причины их возникновения. Исследуются типы наиболее опасных объектов, их энергетическая насыщенность и возможные причины возникновения аварийных ситуаций.

Определён один из наиболее характерных типов взрывного превращения для углеводородных смесей - дефлаграция.

Во второй главе производится оценка параметров взрывных волн, возникающих при аварийных ситуациях на предприятиях нефтегазовой отрасли. Производится анализ существующих методов оценки параметров взрывных волн, особенностей их применения.

На основе патентного поиска и обзора литературных источников анализируются существующие типы конструкций, обеспечивающих защиту объектов от воздействия взрывных волн. Исследуется область их применения, особенности установки и эксплуатации. Рассматриваются существующие методы анализа защитных конструкций, оценки их эффективности и поведения при воздействии взрывной волны.

На основании произведенного анализа делается вывод об отсутствии разработанного защитного устройства, удовлетворяющего требованиям размещения в условиях существующей плотной застройки объектов нефтегазовой отрасли.

Предлагается конструкция нового типа защитного устройства, описываются принципы его работы и основные конструктивные особенности.

Конструкция защитного устройства представляет собой сварную стальную ячеистую перегородку, состоящую из балочных профилей, стальных листов и разрушаемых элементов - гасителей (рисунок 1). Защитное устройство рассеивает энергию ударной волны за счёт ее частичного отражения, а также за счёт поглощения энергии ударной волны в специальных ячейках - гасителях.

Гаситель представляет собой набор особым образом расположенных стальных листов, формирующих канал типа «гребенка», обеспечивающих при его прохождении снижение давления на неотраженной части фронта ударной волны. При прохождении ударной волны гасители могут упруго-пластически деформироваться и за счёт этого также обеспечивать поглощение энергии ударной волны. Таким образом, после прохождения взрывной волной защитной конструкции значительно снижается давление на её фронте. За счёт этого обеспечивается безопасность оборудования и персонала объектов эксплуатации нефтегазовой отрасли.

Для применения защитной конструкции в условиях существующих объектов необходимо определение его конструктивных параметров в зависимости от опасностей, возможных на данном объекте, а также конфигурации защищаемого объекта.

В третьей главе приводится описание метода исследования на основе численного моделирования поведения защитного устройства при действии ударной волны.

1 - рама защитного устройства, 2 - гаситель Рисунок 1 - Конструкция защитного устройства

Для исследования поведения защитной конструкции необходимо решение связанной задачи газодинамики и прочности. Решение подобной задачи аналитическими и эмпирическими методами является крайне сложным, поскольку необходимо решение связанных нелинейных задач, либо проведение масштабного и крайне дорогостоящего экспериментального исследования.

Обосновывается эффективность решения задачи с помощью технологий численного моделирования.

Совместное решение задач газодинамики и прочности реализуется за счёт проведения связанных расчётов гидрогазодинамики и прочности типа Fluid

Structure Interaction (FSI) - реализованного между такими программными комплексами как SIMULIA Abaqus и FlowVision, Ansys Mechanical и Ansys CFX и др., а также непосредственно в программном комплексе SIMULIA Abaqus.

Достижением последних лет в области численного моделирования является внедрение в универсальные программные комплексы численного моделирования, такие как SIMULIA Abaqus и LS-DYNA, технологии совместного решения задач прочности и гидрогазодинамики - Coupled Euler Lagrange - связанный метод Эйлера-Лагранжа. Данная технология позволяет производить моделирование задач гидрогазодинамики на Эйлеровых сетках и задачи динамической прочности на Лагранжевой сетке в рамках одного пространства решения, обеспечивая передачу параметров между сетками по типу «давление-перемещение». Данная технология позволяет решает класс задач, в которых обтекание тела напрямую зависит от его текущей деформированной конфигурации.

Приводится описание метода исследования - для решения задачи анализа воздействия взрывной волны на защитное устройство и определения его эффективности, а также для оценки степени защищенности объектов. В программном комплексе Abaqus с помощью явного решателя Abaqus/Explicit создаются и исследуются следующие модели:

1) газодинамическая модель распространения ударной волны;

2) динамическая прочностная модель поведения гасителя;

3) совмещенная газодинамическая-прочностная модель воздействия ударной волны на защитное устройство и расположенный за ним объект. Моделирование газодинамики: решается газодинамическая задача

прохождения ударной волны через расчётную область.

Воздух в расчётной области задается с помощью модели идеального газа. Взрывная волна моделируется как скачок давления на боковой грани расчётной области по определенной амплитуде.

В результате расчёта в исследуемой области становится известен закон распределения давлений, а также скоростных и температурных характеристик при прохождении ударной волны.

Моделирование задачи динамической прочности явным методом: исследуется воздействие взрывной волны на конструкцию с помощью приложения на поверхности скачка давления, изменяющегося по времени в соответствии с профилем ударной волны. Создается трехмерная или квазидвухмерная модель.

В области решения могут быть использованы любые модели материала, применяемые в механике твердого деформируемого тела, различные критерии пластичности, вязкопластичности, хрупкого разрушения и т.п.

Выбор соответствующей модели поведения материала определяется исходя из типа материала, из которого изготавливается конструкция, и наличия необходимых данных для интересующей модели материала.

Конечно-элементная модель закрепляется в пространстве, и на выбранные поверхности прикладывается изменяющееся по времени давление.

В результате расчёта определяется динамическое напряженно-деформированное состояние исследуемого объекта, его перемещения, скорости и ускорения.

Решение полностью связанной задачи взаимодействия ударной волны с конструкцией: после создания и проверки адекватности газодинамической и прочностной модели создается единая модель для анализа взаимодействия «газ-конструкция». Для этого сетки моделей совмещаются в единой геометрической области, как показано на рисунке 2.

Для созданной модели учитываются все граничные условия, характерные для газодинамической и прочностной модели.

А

Рисунок 2 - Единая расчётная область задачи взаимодействия «газ-конструкция», включающая интересующий объем газа и исследуемую

конструкцию

Для передачи взаимодействия от газа к конструкции используется технология «Основного контакта». Данная технология позволяет автоматически отслеживать контактные взаимодействия в выбранной расчётной области, как между газовой средой и твердым телом, так и между твердыми телами.

Результатом решения задачи являются поля распределения давлений в газовой среде по времени на границах исследуемой конструкции, с учетом изменения формы деформируемых поверхностей, скоростные и температурные характеристики, а также напряженно-деформированное состояние конструкции от воздействия давления ударной волны.

Верификация моделей является необходимым шагом при проведении исследований с помощью численных методов. Сравнение результатов численного моделирования производится с известными экспериментальными или аналитическими решениями.

Оценка достоверности и точности результатов расчета при использовании рассмотренной выше связанной модели взаимодействия ударной волны в газовой среде с деформируемой преградой проведена на основе аналитического

решения приведенного в работе «Убежища гражданской обороны: Конструкции и расчёт» авторов В.А. Котляревский, В.И. Ганушкин, А.А. Костин и др. Исследовалось время разрушения стены и сравнивалось с имеющимися экспериментальными данными и результатами аналитических расчётов.

Внешний вид модели приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Общий вид модели

Исследовалось поведение ограждающих конструкций из кирпича толщиной 12 см при значениях избыточного давления на фронте ударной волны равных 80 кПа и 107 кПа.

Расчёт разбивается на два этапа. На первом этапе с помощью решателя АЬациз/81апс1аг<1 выполняется решение статической контактной задачи по определению напряженно-деформированного состояния кирпичной кладки под действием собственного веса.

На втором этапе с помощью решателя АЬаяш/ЕхрНсН явным методом решалась динамическая задача воздействия взрывной волны на кирпичный заполнитель.

Результаты численного моделирования в сравнении с экспериментальными данными и данными расчёта аналитическими методами представлены в таблице 1.

С помощью описанной выше методики была верифицирована задача динамической прочности. Для верификации полной газодинамической-прочностной модели была создана модель стены с учетом газодинамики. Форма разрушения стены представлена на рисунке 4.

Таблица 1 - Сравнение результатов расчета методом конечных элементов с аналитическим решением

Избыточное давление ДР, кПа Натурный эксперимент Аналитическое решение Численное решение в АВАСШЭ Погрешность численного решения, %

80 17,0 мс 17,2 мс 17,5 мс 2,9

107 14,0 мс 14,2 мс 15,0 мс 7,1

Полученное решение для связанной задачи «газ-конструкция» сравнивалось с ранее решенной задачей динамической прочности. Сравнение перемещений и скоростей кирпичей в центральной части стены представлено на рисунке 5, а и б. По представленным графикам хорошо видно совпадение решения, полученного в динамической и связанной постановке.

1 : Ш | 1 МС

л.

|||| 50 мс

\ I

Л.

Рисунок 4 - Обрушение частей кирпичной стены в интервале времени 100 мс В четвертой главе представлены результаты применения метода для исследования поведения защитного устройства при воздействии ударной волны.

.X.

1 - задача динамической прочности, 2 - задача «газ-конструкция» Рисунок 5 — Сравнение результатов расчётов а) перемещения; б) скорости

Для проведения исследования на основе расчётной методики РД-03-409-

01 и РД 09-540-03 были рассчитаны параметры взрывной волны для объектов

III класса опасности, содержащих в себе более 5000 кг взрывоопасных веществ

(бензин). Были рассчитаны параметры ударной волны для случая дефлаграции.

Параметры ударной волны представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры ударной волны

Радиус от Эффективный Амплитуда Амплитуда Длительность Длительность

эпицентра энергозапас фазы фазы фазы сжатия, фазы

взрыва, м горючей сжатия, разрежения, с разряжения, с

смеси, Дж кПа кПа

50 2.2Е+11 198 30 0,0616 0,204

На рисунках 6 и 7 приведено распределение полей давлений и скоростей при прохождении ударной волны через гаситель защитного устройства. На рисунке 8 представлены графики изменения давления в различных точках защитного устройства.

В таблице 3 приводятся максимальная и минимальная величины давления в выбранных для исследования точках. Таким образом подтверждается эффективность снижения давления на фронте ударной волны при прохождении гасителя.

Рисунок 7 - Деформированная конфигурация гасителя, поле скоростей Был выполнен анализ напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов конструкции защитного устройства. НДС и зона пластических деформаций представлены на рисунке 9. При воздействии взрывной волны максимальные напряжения достигают 250 МПа, что соответствует переходу к пластическому деформированию конструкции для использованной в расчётах стали СтЗ. Зона пластической деформации находится в точке крепления первой пластины гасителя, выделенной на рисунке 9 овалом.

Таблица 3 - Давления в выбранных точках гасителя, кПа

Номер точки

1 2 3 4 5 6 7

Амп. фазы сжатия 185 185 132 101 60 8 5

Амп. фазы разряжения -29 -29 -22 -17 -11 -6 -19

1 2 3 4 5 6 7

Время, с

Рисунок 8 - Давление на фронте ударной волны в различных точках гасителя На основе проведенного расчёта вычисляется коэффициент локального поглощения для гасителя к|ОС =Ри/РопЬ где Р;„ - давление на фронте ударной волны до гасителя, Рои, - давление на фронте ударной волны после прохождения гасителя. Коэффициент локального поглощения для выбранной конфигурации гасителя составил 18.

На основании проведенного исследования гасителя, можно сделать предположение о непроницаемости защитного устройства для ударных волн в рамках выбранного значения. Таким образом, при исследовании обтекания ударной волной всего защитного устройства можно сделать допущение о его непроницаемости, то есть можно рассматривать защитное устройство в качестве сплошной стены.

Рисунок 9 - Распределение напряжений по Мизесу и эквивалентных пластических деформаций в гасителе

На основе предложенного метода создана модель взаимодействия ударной волны с незащищенным объектом - операторной. Габаритные размеры операторной: высота -4 м, длина - 15 м. Фронтальная стена операторной расположена в 65 метрах от места взрыва. Картина воздействия волны на операторную представлена на рисунке 10.

Распределение давлений имеет несколько характерных зон. Зона срыва потока - точка, в которой развивается максимальное давление от действия ударной волны. Центральная часть поверхности - основная часть поверхности, в которой распределение давлений равномерно.

Оценивались максимальные значения величины давления ударной волны, действующие на переднюю стену, крышу и заднюю стену здания, и зоны срыва потоков. Величины давлений представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Давление ударной волны на различные зоны конструкции

Свободно стоящая операторная

Максимальное давление 178 кПа

Фронтальная стена 125 кПа

Крыша 62 кПа

Задняя стена 36 кПа

Рисунок 10 - Взаимодействие ударной волны с операторной по времени

Согласно РД-03 -409-01 давления превышающие 100 кПа приводят к полному разрушению здания. Таким образом, в текущей конфигурации операторная будет разрушена. Для обеспечения безопасности операторной необходимо снизить приходящее на нее давление от ударной волны.

На основе предложенного метода производится расчёт взаимодействия ударной волны с защитным устройством и операторной. Исследовались различные варианты высоты защитного устройства: 4 м; 5,5 м; 7 м; 8,5 м и варианты расположения защитного устройства относительно защищаемого объекта - на расстоянии 2 м, 4 м, 6 м, 8 м, 10 м, 12 м.

На основе результатов моделирования были определены значения коэффициента глобального поглощения давления ударной волны защитным устройством в зависимости от конструктивных параметров устройства и его расположения, представленные на рисунке 11. В результате исследования были определены зависимости давлений на защитное устройство и операторную от высоты защитного устройства и расстояния между защитным устройством и фронтальной стеной операторной, представленные на рисунке 12.

•сг

I О х хчХ х Ш ^ . чх X X X

й 2 4 6 8 10 12

Расстояние между защйгпым устройством н операторной,«

Высота устройства, м о 4 П 5,5 —Л 7 -X 8,5

Рисунок 11 - Зависимость глобального коэффициента поглощения от конструктивных параметров и расположения защитного устройства

2 4 6 8 10 12

Расстояние между зящ. устройством и операторной, м

Высота устройства, м —О-4 —¡3 -5,5 —&~7 —Х-8,5

Рисунок 12 - Зависимость давления фронта ударной волны на операторную центральной точке фронтальной плоскости от высоты и расположения защитного устройства

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Достигнута цель исследования - создано и обосновано защитное устройство нового типа, используемое для повышения защищенности объектов высокой важности от воздействия ударных волн в условиях плотной застройки территории предприятия.

2 Проведен анализ статистики аварий на объектах эксплуатации нефтегазовой отрасли. Выявлены наиболее опасные производственные объекты и их энергонасыщенность.

3 Создан и верифицирован метод построения модели численного анализа поведения защитного устройства и его конструктивных элементов под действием ударной волны.

4 Созданы конечно-элементные модели прохождения ударной волны через выделенное пространство, динамическая прочностная модель гасителя защитного устройства, связанная модель «газодинамики-прочности» воздействия ударной волны на защитное устройство.

5 Проведённый анализ параметров взрывных волн в зависимости от ситуационного плана позволил прогнозировать характеристики ударной волны для использования в предложенном методе.

6 Предложена конструкция защитного устройства, позволяющая эффективно снижать давление на фронте ударной волны. Одной из главных особенностей представленной конструкции является ее компактность и возможность использовать в случае плотной застройки.

7 Предложен метод исследования поведения защитного устройства от действия взрывной волны. Решены газодинамическая, динамическая прочностная и связанная динамическая задача «газ-конструкция», позволяющие оценить прочность предложенного защитного устройства и его эффективность.

8 Получены коэффициенты поглощения защитного устройства, позволяющие количественно оценить эффективность работы как составляющих

конструкцию защитного устройства гасителей, так и общую эффективность поглощения энергии взрывной волны защитным устройством.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

в ведущих рецензируемых научных журналах:

1 Тропкин, С.Н. Оценка и обеспечение взрывоустойчивости оборудования нефтегазовой отрасли [Текст] / С.Н. Тропкин, P.P. Тляшева, Е.А. Гостёнова, М.И. Кузеев // Башкирский химический журнал, 2011. - Т. 18. -№ 1.-С. 118-124.

2 Тропкин, С.Н. Верификация математической модели разрушения части здания от воздействия ударной волны [Электронный ресурс] / С.Н. Тропкин, P.P. Тляшева, М.И. Баязитов, З.Р. Рафикова, И.Р. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №1. - С. 476-486. Режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/TropkinSN/TropkinSN_l .pdf

в других изданиях

3 Тропкин, С.Н. Исследование динамического поведения аппаратов колонного типа при сейсмических воздействиях [Текст] / С.Н. Тропкин, P.P. Тляшева, И.Р. Кузеев // Мировое сообщество: проблемы и пути решения. -2010.-Т. 88.-С. 52-56.

4 Гостёнова, Е.А. Исследование динамического поведения ректификационной колонны с трубопроводной обвязкой при воздействии воздушной взрывной волны с помощью программного комплекса SIMULIA ABAQUS [Текст] / Е.А. Гостёнова, И.Р. Кузеев, P.P. Тляшева, С.Н. Тропкин // Инженерные системы-2010: Материалы международной научно-практической конференции. - М.: Изд-во РУДН, 2010. - С. 88 - 90.

5 Тропкин, С.Н. Разработка защитного устройства операторной станции при воздействии воздушной взрывной волны с помощью программного комплекса ABAQUS [Текст] / С.Н. Тропкин, P.P. Тляшева, М.И. Баязитов,

О. Л. Смольников // Инженерные системы—2011: Материалы 4-ой международной научно-практической конференции. - М.: Изд-во РУДЫ, 2011. -С. 107-111

6 Тропкин, С.Н. Обеспечение защищенности операторной нефтеперерабатывающего предприятия от воздействия ударной волны [Текст] / С.Н. Тропкин, P.P. Тляшева, М.И. Баязитов, О.Л. Смольников // Мировое сообщество: проблемы и пути решения. - 2011. - Т. 30. - С. 71-73.

7 Тляшева P.P. Обеспечение защищенности обслуживающего персонала предприятий нефтегазопереработки [Текст] / Р.Р.Тляшева, И.Р. Кузеев, С.Н. Тропкин, М.И. Баязитов, И.Б. Сиражетдинов // Развитие инновационной инфраструктуры университета: Материалы III международного научного семинара - Уфа: Изд-во «Реактив», 2012. - С. 3 - 5.

8 Кузеев И.Р. Метод оценки взрывоустойчивости оборудования нефтегазовой отрасли [Текст] / И. Р. Кузеев, P.P. Тляшева, М.И. Баязитов, С.Н. Тропкин // Химическая техника. - 2013. - №6. - С. 30-34.

9 Кузеев, И.Р. Оценка взрывоустойчивости оборудования нефтегазовой отрасли [Текст] / Р.Р.Тляшева, М.И.Баязитов, С.Н.Тропкин // Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: Сборник материалов VII научно-практической конференции. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С. 92-99.

Подписано в печать: 20.12.13 Тираж: 150 экз. Заказ № 1015 Объем: 1,5 усл.п.л.

Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

На правах рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН.

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль).

04201455109

ТРОПКИН СЕРГЕИ НИКОЛАЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени

Кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н. Тляшева Р.Р.

Уфа-2013

Глава 1 - Анализ опасностей предприятий нефтегазовой отрасли.......................11

1.1 Обзор аварийных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли..................11

1.2 Обзор опасных объектов нефтегазовой отрасли...........................................25

1.3 Выводы по Главе 1............................................................................................48

Глава 2 Оценка параметров ударных волн, возникающих при аварийных ситуациях на нефтеперерабатывающих предприятиях, и средства борьбы с ними ......................................................................................................................................49

2.1 Оценка параметров ударных волн и существующих методик их определения.............................................................................................................49

2.2 Анализ существующих типов защитных конструкций.................................52

2.3 Конструкция и особенности предлагаемого защитного устройства...........64

2.4 Выводы по Главе 2............................................................................................66

Глава 3 Метод исследование поведение защитного устройства при действии ударной волны............................................................................................................67

3.1 Анализ существующих методов......................................................................67

3.2 Анализ поведения конструкций с помощью технологий численного моделирования.........................................................................................................69

3.3 Газодинамическая модель распространения ударной волны.......................84

3.4 Задача динамической прочности защитного устройства..............................89

3.5. Полностью связанная задача прочности и газодинамики воздействия ударной волны на защитное устройство...............................................................95

3.6 Алгоритм проведение исследования параметров конструкции...................97

3.8 Выводы по Главе 3......................................................................................105

Глава 4 Результаты применения метода для исследования поведения защитного устройства при воздействии ударной волны.........................................................106

4.1 Определение параметров ударных волн.......................................................106

4.2 Результаты моделирования воздействия ударной волны на гаситель защитного устройства...........................................................................................107

4.3 Результаты моделирования воздействия ударной волны на операторную .................................................................................................................................114

4.4 Результаты анализа конфигурации защитного устройства.....................117

4.5 Выводы по Главе 4..........................................................................................124

Общие выводы..........................................................................................................125

Заключение...............................................................................................................127

Список литературы..................................................................................................130

Приложение А..............................................................................................................143

Введение

Одним из наиболее опасных видов аварийной ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли является воздушный взрыв, происходящий вследствие неконтролируемого выброса и последующего возгорания продуктов переработки нефти. Возникшие по причине взрыва ударные волны представляют значительную опасность для жизни и здоровья персонала нефтегазовых производств, а также для компактно расположенного дорогостоящего оборудования, что влечет за собой необходимость создания специальных защитных средств на случай возникновения подобных экстремальных ситуаций.

В некоторых случаях сооружения, конструкции и аппараты, используемые на опасных производствах, могут не удовлетворять современным требованиям обеспечения безопасности персонала, по причине того, что они были спроектированы до принятия современных норм, или в высокой степени изношены. Так же возможно возникновение ситуаций, когда вновь возводимые конструкции могут быть размещены только в непосредственной близости от высокоэнергонасыщенных объектов предприятия.

В подобных случаях целесообразным является применение специальных защитных сооружений, способных погасить воздействие ударной волны на защищаемую конструкцию. Большинство вариантов защитных конструкций из кирпича и железобетона не могут удовлетворить условиям компактного размещения на территориях сильно загроможденных технологических площадок. Предлагается новый тип защитного устройства, позволяющий эффективно защищать объекты высокой важности от действия ударных волн в условиях плотной застройки, а также метод, позволяющий оценивать эффективность данного защитного устройства.

В связи крайней дороговизной и сложностью проведения натурных испытаний защитного устройства от воздействия ударной волны, для достижения

задач исследования в качестве основного теоретического метода был выбран метод численного моделирования задач газодинамики и прочности, позволяющий учитывать методы и уравнения механики твердого деформируемого тела, механики сплошных сред и теории ударных волн. Поставленные задачи решались с помощью программного комплекса SIMULIA Abaqus.

Исследованиям в области моделирования аварийных ситуаций, связанных с воздействием взрыва на • объекты, посвящены работы крупных ученых: Бесчастнова М.В., Бирбраера А.Н., Каца М.И., Козлитина A.M., Котляревского В.А., Кузеева И.Р., Ларионова В.И., Садовского М.А., Хусниярова М.Х. и ряда других крупных специалистов.

В последние годы вклад в развитие исследования воздействий ударных волн на объекты нефтегазовой отрасли с помощью технологий численного моделирования внесли Рашитов Р.Ф., Солодовников A.B., Ильин К.А., Гостенова Е.А.

Актуальность темы исследования

В настоящее время к объектам нефтегазовой отрасли проявляют все больший интерес. Это связано с тем, что количество аварий, заканчивающихся взрывами и приводящих к поражению персонала и оборудования увеличивается, а также с постоянным ужесточением требований по обеспечению безопасности промышленных объектов. Это привело к тому, что резко возросла потребность в создании новых и усовершенствовании существующих методов и способов повышения безопасности эксплуатации оборудования, а также обеспечения защищенности обслуживающего персонала.

На предприятиях нефтегазовой отрасли и нефтехимии обращается значительное количество пожаро- и взрывоопасных веществ, которые способны образовывать взрывоопасные облака, несущие потенциальную опасность. Необходимо оценивать создаваемую ими реальную угрозу в случае возникновения аварийной ситуации, а также иметь возможность прогнозировать

воздействие ударной волны на оборудование и разработать ряд мер для обеспечения взрывобезопасности.

Помимо вышеуказанного, многие объекты нефтегазовой отрасли проектировались и возводились в 60-70х годах XX века, когда требования к обеспечению безопасности и защищенности персонала были существенно ниже существующих. После проведения экспертизы промышленной безопасности было установлено, что для обеспечения защищенности данных объектов на современном уровне требуется возведение специальных защитных устройств в условиях существующей плотной застройки предприятий нефтегазовой отрасли.

В этой связи актуальной становится проблема повышения устойчивости оборудования, зданий и сооружений путем разработки конструкции устройства защиты от действия ударной волны.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6 Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 7 Разработка технических средств защиты людей от пожаров и производственного травматизма; 9 Исследование процессов протекания аварий, условий их каскадного и катастрофического развития, разработка методов оценки различных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий на нефтегазовых объектах.

Цель работы - повышение защищенности объектов высокой важности (зон размещения персонала, оборудования) от воздействия ударных волн применением нового типа защитного устройства на предприятиях нефтегазовой отрасли в условиях существующей плотной застройки пространства территории предприятия, а также обеспечением метода определения его эффективности.

1 Анализ потенциально опасных зон на предприятии; определение предельных значений параметров ударных волн, которые могут появиться в случае возникновения чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли.

2 Создание метода построения численной модели поведения защитного устройства и его конструктивных элементов под действием ударной волны.

3 Создание конечно-элементной модели взаимодействия ударной волны с защитным устройством.

4 Решение полностью связанной задачи «прочность-газодинамика» воздействия ударной волны на защитное устройство с помощью программного комплекса 81МиЫА АЬадш.

5 Проведение численных экспериментов, позволяющих определить зависимость конструктивных параметров защитного устройства от различных параметров ударной волны, с целью минимизации избыточного давления, приходящегося на защищаемый объект.

Объект исследования:

Техническое средство, обеспечивающее защиту персонала и оборудования на объектах нефтегазовой отрасли от воздействия ударной волны.

Научная новизна:

1 Создан метод построения численной модели анализа поведения защитных конструкций под действием ударной волны и определения их эффективности. Решена полностью связанная задача воздействия ударной волны на защитное устройство, учитывающая изменения параметров обтекания устройства в зависимости от степени его деформирования или разрушения.

2 Впервые на основе численного моделирования предложен и обоснован тип защитной конструкции, представляющей из себя стальную сварную ячеистую перегородку, в каждую ячейку которой установлен элемент-гаситель, состоящий из набора особым образом расположенных листов, образующих канал типа «гребенка». Данная защитная конструкция обеспечивает безопасность персонала и оборудования объектов нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.

3 Определены конструктивные параметры гасителя защитного устройства в зависимости от значения избыточного давления и профиля ударной волны для случая дефлаграции. Определены конструктивные параметры и номограмма расположения защитного устройства относительно защищаемого объекта.

Теоретическая значимость работы

Создан метод определения эффективности защитного устройства при действии ударной волны на основе технологий численного моделирования.

Предложена методика создания численных моделей защитных конструкций при воздействии ударных волн в полностью связанной постановке, которая может быть использована при проектировании новых защитных устройств, при реконструкции и оценке состояния защищенности уже существующих объектов.

Практическая значимость работы

Разработано техническое устройство для защиты обслуживающего персонала от производственного травматизма.

Создан метод построения численной модели воздействия ударной волны на сооружения, находящиеся на территории объектов эксплуатации нефтегазовой отрасли, который можно использовать при проектировании новых защитных

устройств, при реконструкции и оценке состояния защищенности уже существующих объектов.

Создана параметрическая конечно-элементная модель взаимодействия ударной волны и защитного устройства.

Методы исследования:

В качестве основного теоретического метода был выбран метод численного моделирования связанных задач газодинамики и прочности, позволяющий учитывать методы и уравнения механики твёрдого деформируемого тела, механики сплошных сред и теории ударных волн.

Имитационное моделирование взаимодействия ударной волны с защитным устройством производилось на основе метода связанных прочностных и газодинамических расчётов Coupled Euler Lagrange.

На защиту выносятся:

1 Конструкция защитного устройства, обеспечивающего безопасность оборудования и персонала нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.

2 Метод построения численной модели анализа поведения защитных устройств под действием ударной волны и определения их эффективности.

3 Численные модели воздействия ударной волны на защитное устройство.

4 Номограммы зависимости эффективности защитного устройства от его конструктивных параметров.

Степень достоверности результатов

Достоверность исследований обеспечивается используемой в них нормативной базой; соответствием результатов расчета изначально наложенным ограничениям; обоснованными современными расчетными методами, а также

высокой степенью соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов, полученных путем решения задач верификации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (г. Москва, 2010, 2011 г.), 64-ой научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов (Уфа, 2013 г.), УП-ой научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2013 г.).

Глава 1 - Анализ опасностей предприятий нефтегазовой отрасли

Объекты нефтегазовой отрасли в силу высокой энергонасыщенности с точки зрения промышленной безопасности являются одними из наиболее опасных. Для обеспечения безопасности данных объектов необходимо исследовать статистику катастроф, и подтвердить актуальность сценария аварийной ситуации в виде взрыва газовоздушной смеси.

Для определения параметров ударных волн, которые могут возникнуть в следствие аварийной ситуации на предприятии нефтегазовой отрасли, необходимо исследовать типовое производственное оборудование, его энергонасыщенность и возможные сценарии возникновения на нем катастрофических ситуаций.

1.1 Обзор аварийных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли

Согласно реестру нефтеперерабатывающих заводов Министерства Энергетики на данный момент на территории Российской Федерации зарегистрировано 59 НПЗ, из которых 35 действующих и 24 проектируемых. Десять заводов были запущены в эксплуатацию до 1945 года, еще девять — построены до 1960 г., следовательно, 19 из 35 заводов работают более 50 лет.

Значительная часть аварий на оборудовании вызвана образованием взрывоопасных смесей вследствие нарушения технологического режима и герметичности оборудования. К нарушениям герметичности приводят резкие перепады температур в аппаратах или температурные перенапряжения, разрушение прокладок, разрывы технологических трубопроводов в результате коррозии и эрозии материала, некорректное расположение запорной арматуры и ее отказы в работе и прочие, усталостный износ оборудования, ошибки в проектировании оборудования.

Аварии последних лет обуславливаются большими скоростями перекачки горючих и токсичных материалов в технологических системах, высокими

температурами и давлениями взрывоопасных сред. Значительное число взрывов и пожаров связано с неудовлетворительным разделением несмешивающихся жидкостей и особенно водных эмульсий с различными органическими веществами.

Около 20 % общего количества аварий вызывается нарушением герметичности, эрозией или коррозией аппаратов и трубопроводов. Статистика показывает, что наибольшее число случаев разгерметизации технологических систем связано с различного рода нарушениями технологических режимов, процессов, вызывающими срабатывание предохранительных клапанов и разрыв мембран. Большая часть случаев разгерметизации оборудования обусловлена повышенной скоростью коррозии металла и сверхдопустимым износом оборудования и трубопроводов. Это объясняется большим разнообразием коррозионных сред, условий эксплуатации, неравномерностью и характером разрушения, затрудняющим определение оптимального срока службы аппаратов и трубопроводов. Коррозионное разрушение часто носит локальный характер при достаточной прочности всей конструкции аппарата или системы трубопроводов.

Основное количество аварий (81 %) связано с ведением химико-технологических процессов, 13 % с подготовкой оборудования к ремонту, ремонтными работами или приемом оборудования из ремонта и 6 % - по другим причинам.

Анализ аварий показывает, что причиной каждой седьмой («13%) аварии