автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка степени воздействия взрывной волны на трубопроводные системы

На правах рукописи

Оценка степени воздействия взрывной волны на трубопроводные системы

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У ФА-2009

003483030

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

Защита состоится 9 октября 2009 года в 14:00 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 9 сентября 2009 года.

Ведущая организация

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович. доктор технических наук, профессор Буренин Владимир Алексеевич; кандидат технических наук, Ковалев Евгений Михайлович. ГУП БашНИИНефтемаш.

Ученый секретарь совета

Лягов А.В.

Актуальность проблемы. Технологические трубопроводы являются неотъемлемой частью установок предприятий нефтегазовой отрасли, и их общая протяженность достигает сотен километров. Поскольку при сложных аварийных ситуациях, результатом которых являются взрывы, пожары, необратимые деформации оборудования, в критических зонах оказываются трубопроводы, содержащие пожаро- и взрывоопасные вещества, их разгерметизация приводит к дополнительным проявлением негативных факторов.

Анализ аварий на предприятиях нефтегазовой отрасли показывает, что при взрывах и пожарах пролива, которые приводят к падению вертикальных аппаратов, до 90% связанных трубопроводов выходят из строя и не подлежат восстановлению. Кроме трубопроводов, входящих в обвязку аппарата, при распространении аварии выходят из строя межустановочные и межцеховые трубопроводы. Причем велика вероятность разгерметизации этих трубопроводов и пролива углеводородов в окружающую среду.

В последнее время выполняются работы по моделированию аварийных ситуаций с применением численных методов под руководством профессора Ку-зеева И.Р. (к таким работам можно отнести работы Ягафарова Р.Р. , Ильина К.В., Рашитова Р.Р.), которые показали эффективность такого подхода для анализа ситуации при расследовании причин аварии и возникновения критических нагрузок. Такие модели могут повысить качество проектных работ, поскольку конструктивные решения могут быть проверены на устойчивость от внешних воздействий. Однако отсутствуют работы по моделированию поведения технологических трубопроводов, имеющих сложную конфигурацию, при воздействии критических нагрузок при реализации внештатных ситуаций на технологических установках.

Поэтому работы, направленные на решение этой проблемы, актуальны и своевременны.

Цель исследования

Оценка критических параметров воздействия взрыва, приводящих к разрушению трубопровода путем проведения моделирования поведения технологических трубопроводов при воздействии взрыва.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

1 Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) технологических трубопроводов численными методами при воздействии взрывной волны на работающий трубопровод и оценка предельного состояния системы.

2 Верификация данных, полученных в ходе натурного опыта и в среде ПК АВА<ЗШ, с целью проверки достоверности численных результатов при решении задачи о величине критической деформации, приводящей к необратимым пластическим деформациям.

3 Оценка потенциальной опасности технологических трубопроводов различной ориентации в пространстве и опор в зависимости от воздействия поражающих факторов.

4. Классификация трубопроводных систем по уровню напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях.

Научная новизна

1 Численным моделированием поведения работающих трубопроводов в поле ударной волны показано влияние направления удара на характер деформирования и произведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню НДС состояния в опасных сечениях.

В результате моделирования выявлено, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, при этом в зависимости от конкретной конфигурации трубопровода можно идентифицировать наиболее вероятные зоны разрушения

2 В результате проведенного численного моделирования было установлено, что наиболее опасным с точки зрения разрушения трубопровода на опоре является движение ударной волны горизонтально относительно поверхности

земли. Разрушение происходит при достижении давления на фронте ударной волны 40 кПа, что соответствует результатам натурного эксперимента, полученных Котляревским В.А.1 Экспериментально показано, что деформации трубопровода при ударном воздействии на физическую модель и численную модель в среде ПК ABAQUS различаются не более чем на 10%.

Практическая значимость работы

Модели оценки напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов предприятий нефтегазовой отрасли при возникновении аварийных ситуаций используются в инжиниринговой компании ООО «ТЕ-СИС» при разработке новых систем проектирования и инженерного анализа.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на VI Конгрессе нефтегазопромышленников России, Уфа, 2005 г.;

- на IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», Уфа, 2005 г.;

- на семинаре «Остаточный ресурс нефтегазового оборудования», Уфа, УГНГУ, 2006 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано девять работ, из которых две работы включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из 4 глав, выводов, списка литературы (94 наименования), содержит 143 страницы текста, 31 таблицу, 72 рисунка и 2 приложения.

Основное содержание работы2

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.

1 Котляревский В.А., Шаталов А.А., Ханухов Х.М. Безопасность резервуаров и трубопроводов.- М.: Экономика и информатика, 2000,- 276с,

2 Научным консультантом при выполнении работы являлась к.т.н. Тляшева P.P.

В первой главе проведен обзор литературы по исследованию различных трубопроводных систем, в том числе технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли.

Показано, что основной объем исследований посвящается магистральным трубопроводам, нефтепромысловым трубопроводам для сбора и подготовки нефти, трубопроводной обвязке атомных электростанций. Изучению нефтеза-водских трубопроводных коммуникаций уделяется мало внимания.

Поведению сложных систем при возникновении нештатных ситуаций посвящены работы A.A. Абросимова, М.В. Бесчастнова, П.Г. Белова, Б.Е. Гельдфана, A.C. Едигарова, М.И. Каца, А.М. Козлитана, В.А. Котляревского, И.Р.Кузеева, СДСущева, В.И.Ларионова, М.В. Лисанова, В. Маршала, H.A. Махугова, Г.Е. Одишарии, Б.ЕЛрусенко, B.C. Сафонова, АХТумерова, Р.Х. Идрисова, А.Г.Чирковой, М.Х. Хусниярова, Р.Р.Тляшевой, Е.М.Ковалева и др.

Как показывает анализ развития аварий на технологических установках, наибольшие повреждения наносятся трубопроводным системам. Поэтому указывается на необходимость на стадии проектирования технологических установок производить расчет живучести трубопроводов под действием взрывных волн, открытого огня. Разрушение трубопроводов приводит к реализации принципа домино и непредсказуемому развитию аварии.

Вторая глава посвящена верификации вычислительного эксперимента в среде ПК ABAQUS с результатами натурного эксперимента.

Практическое использование результатов моделирования процессов деформирования и разрушения связано с необходимостью верификации полученных зависимостей.

Для того чтобы проверить достоверность численных результатов, получаемых с использованием ПК ABAQUS, при решении задачи о величине критической деформации, которая приводит к необратимым пластическим деформациям, был проведен натурный эксперимент.

Для проведения эксперимента была создана экспериментальная установка, которая моделирует участок трубопровода. На рисунке 1 показан общий вид

экспериментальной установки, а на рисунке 2 ее принципиальная схема. Трубопровод изготовлен из медной трубы (медь марки М1) с диаметром 8 мм и толщиной стенки 2мм (1). Трубопровод прикрепляется к массивному основанию из фасонного уголка В-110x110x7, изготовленного из стали 20 (3). Ударный маятник (6) также закреплен на массивном основании и имеет возможность совершать колебательные движения в плоскости, перпендикулярной оси трубы. Труба жестко защемлена в отверстиях массивного основания (4,5). Промежуточная опора (2) приварена к основанию, чтобы исключить её перемещение. Труба свободно лежит на опоре и имеет возможность перемещаться беспрепятственно вдоль оси трубы.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка

1 - труба; 2 - опора; 3 - уголок; 4,5 - отверстия в уголке под трубу; 6 - маятник Рисунок 2 - Принципиальная схема экспериментальной установки

Для моделирования экспериментальной установки в программном комплексе АВАСШБ была построена трехмерная твердотельная модель с учетом толщины стенки и закрепления трубы на опоре.

На рисунке 3 представлена модель экспериментальной установки.

Рисунок 3 - Твердотельная модель экспериментальной установки

Остаточные деформации в трубе: расчётное значение, полученное в АВ-АС>и8: 4,2 мм, значение, полученное в ходе натурного эксперимента: 4,7 мм. Расхождения между численным и натурным экспериментом составили 10 %.

Верификация показала хорошее совпадение с экспериментом, следовательно, данные, полученные в ПК АВАСЗШ, можно считать адекватными.

Третья глава посвящается сравнительному анализу результатов расчета напряженного состояния в трубопроводных системах с помощью различных программных комплексов. Одна и та же трубопроводная система рассчитывалась в программном комплексе «СТАРТ», который основан на стандартных методах расчета, и в программном комплексе АВАС^Ш.

Также в главе была проведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях.

Первоначальный расчет трубопроводов был проведен в программном комплексе СТАРТ с использованием методики, приведенной в РТМ 38.001-94. В расчете учитывались пространственная конфигурация трубопровода, диаметр и толщина стенки, вес среды и изоляции, условия закрепления на опорах.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния в программном комплексе АВА<ЗШ были построены трехмерные твердотельные модели трубопроводов с учетом толщины стенки и закрепления. Конфигурация опор выполнена таким образом, что трубопровод имеет ограниченную степень свободы в поперечных направлениях, равную половине диаметра.

На рисунке 4 представлена одна из твердотельных моделей исследуемых трубопроводов.

Для удобства сравнения результатов расчетов, полученных стандартными методами в программном комплексе СТАРТ, и результатов, полученных с использованием метода конечных элементов, в постпроцессорном модуле программного комплекса АВАрШ, значения напряжений в характерных узловых точках были представлены в виде графиков на рисунках 5-8.

Рисунок 4 - Твердотельная модель трубопровода установки вакуумной перегонки мазута

для трубопровода^» 1

узловые точки

Рисунок 6 - Распределения напряжений по узловым точкам для трубопровода №2

[ЙАВАОиВ ИСТАЕТ]

узловые точки

Рисунок 7 - Распределения напряжений по узловым точкам для трубопровода № 3

МЯ АВАОиЗ ■ СТАРТ |

« 200 1 160 £ 160 -1 140 -

120

+Т-Г + у- I + Т- ^ +' + г + см »

узловые точки

Рисунок 8 - Распределения напряжений по узловым точкам для трубопровода № 4 При анализе картины напряженно-деформированного состояния трубопроводов обнаруживается, что результаты, полученные в программном комплексе /\BAQUS, ниже, чем результаты, полученные в программном комплексе СТАРТ, при идентичности общей картины распределения напряжений.

Количественно расхождения результатов объясняются тем, что программные комплексы используют различные подходы к определению напряжений в трубопроводах. Модель расчета, используемая в программном комплексе СТАРТ, рассматривает трубопровод поэлементно. Основанием для выбора узловых точек, в которых фиксируются значения напряженно-деформированного состояния, служат элементы конструкции: опоры, запорная арматура, переходы, тройники. Недостатком такого подхода является то, что не представляется возможным оценить напряженно-деформированное состояние в пролетах между опорами. Закрепление на опорах также не отражает реальной картины поведения трубопровода при взаимодействии с ними. Для моделирования реального состояния трубопровода используются обобщенные коэффициенты, дающие некоторую погрешность в расчетах.

В связи с этим метод конечных элементов имеет ряд преимуществ. При расчетах было выявлено, что максимальное значение напряжения на фоне общей картины напряженно-деформированного состояния может возникнуть не только в местах закрепления, арматуре или отводах, но и в пролетах между

опорами. Важно также отметить, что расчет методом конечных элементов был проведен не для статической модели, а для динамической, что позволяет проследить картину изменения напряжений во времени.

На начальной стадии нагружения возникают максимальные напряжения, которые в дальнейшем уменьшаются за счет возможности перемещения трубопровода на опорах. В дальнейшем, при прекращении перемещений, возникают зоны локальных концентраций напряжений. На рисунке 9 представлены наиболее нагруженные участки трубопроводов, которые не фиксировались программным комплексом СТАРТ.

Рисунок 9 - Участки с повышенными значениями напряжений На рисунках 10-12 представлены эпюры распределения эквивалентных напряжений по длине рассмотренных участков.

-Г-г-т-л-г^-г-гу;

70.00 «5.00 м.оо 55.00 50. ОО 45-00

■тп-т

/

Л

V

40.00

Л2

ООО ала

2.ЛО 1» Ч.ОО

Длина участка, м

Рисунок 10 - Эпюра напряжений на участке I

100 4.00

1»т Длина участка, м

Рисунок 11 - Эпюра напряжений на участке 2

ООО ОКО 1.60 2.40 зла Ч.ОО чип

т Длина участка, м

Рисунок 12 - Эпюра напряжений на участке 3 Таким образом, выявлены две особенности при сравнительном анализе

методов расчета:

- стандартный метод расчета в узловых точках дает завышенные значения эквивалентных напряжений по сравнению с расчетом по методу конечных элементов;

- в пролетах трубопроводных конструкций по стандартному методу рассчитываются номинальные напряжения по безмоментной теории тонких оболочек, при этом не учитывается влияние сложной пространственной конфигура-

ции трубопровода, которая приводит к возникновению экстремальных распределений напряжений, превышающих номинальные.

Наибольший интерес представляет вопрос о воздействии поражающих факторов взрывной волны на трубопроводные системы. К поражающим факторам взрыва можно отнести тепловой удар, детонационное и дефлаграционное воздействие. На практике было установлено, что детонационное воздействие не оказывает значительного влияния на трубопроводные системы. Время воздействия детонационного эффекта ничтожно мало, оно сопровождается значительными колебаниями давления на фронте взрывной волны и поэтому рассматривается как акустический эффект.

Время действия эффекта дефлаграции велико по сравнению с детонацией, поэтому на практике моделирование дефлаграционного воздействия близко к статическому. Основным из поражающих факторов при дефлаграции является повышение давления на фронте ударной волны в сотни раз выше атмосферного. Модель такого воздействия может быть рассмотрена как воздействие ветровой нагрузки на поверхность в течение промежутка времени. Давление на фронте волны изменяется в зависимости от времени, эта зависимость представлена на рисунке 13.

Рисунок 13- Изменение давления на фронте ударной волны при дефлаграции Как видно из графика, представленного на рисунке 13, наибольшую опасность представляет фаза повышения давления до значения р+мах за время ^„ах, в этот период трубопровод испытывает наибольшие нагрузки.

В качестве исследуемой модели был выбран участок трубы диаметром 219 миллиметров с толщиной стенки 8 миллиметров и длиной 15 метров, кон-

А

сольно закрепленный с торца за фланцевое соединение. Трубопровод располагается на двух опорах, расстояние между которыми составляет 6 метров. Материал трубопровода и конструкций - сталь 20. Твердотельная модель исследуемого трубопровода представлена на рисунке 14. Выполненные расчеты позволяют оценить зависимость напряженно-деформированного состояния трубопровода в зависимости от величины избыточного давления на фронте ударной волны. Оценка результатов производилась по величине эквивалентных напряжений, возникающих в узловых точках. На рисунках 15,16 представлены результаты расчетов. На рисунке 17 приведен график зависимости напряжения в опасных точках от давления на фронте ударной волны.

фланцевое соединение

Рисунок 14 - Твердотельная модель исследуемого трубопровода

Рисунок 15- Эпюры напряжений трубопровода при действии избыточного давления на фронте ударной волны при значениях от 10 до 50кПа

- 160кПа -170кПа -180кПа -190кПа -200кПа

Узловые тэчки

Рисунок 16 - Эпюры напряжений при значениях избыточного давления на фронте ударной волны от 110 до 150кПа.

Рисунок 17 - Зависимость напряжения в опасных точках от давления на фронте ударной волны Из рисунков 15-17 видно, что распределение напряжений носит полиэкстремальный характер.

Для подтверждения результатов, полученных при исследовании горизонтальных трубопроводов, было проведено моделирование воздействия взрывной волны на вертикальный трубопровод.

Моделирование производилось аналогично моделированию при расчете нагрузок, возникающих в условиях эксплуатации, кроме того, были приложены давления на фронте ударной волны ДРф= 0-100кПа. Твердотельная модель представлена на рисунке 18. Результаты расчета представлены на рисунке 19.

опоры

фланцевое соединение

фланцевое соединение

Рисунок 18 - Твердотельная модель исследуемого трубопровода

Рисунок 19 - Эпюра эквивалентных напряжений для вертикального трубопровода Из рисунка 19 видно, что распределение напряжений, аналогичных с горизонтальными трубопроводами, носит полиэкстремальный характер.

Но воздействие взрывной волны с эпицентром, лежащим в одной плоскости с осью трубы, параллельной поверхности земли, лишь частный случай ситуации, возникающей в реальных условиях. Для обобщения результатов был проведен анализ поведения трубопровода при воздействии наземного и воздушного взрывов с различным углом направлении вектора воздействия к горизонту. На рисунке 20 показаны расчетные направления взрывной волны, для которых производился анализ.

Расчеты показали, что под действием воздушного взрыва при увеличении угла между вектором направления и горизонтом вынос трубопровода с опор происходит при больших значениях давления на фронте ударной волны. Картина напряженно-деформированного состояния также изменяется, при этом разрушение трубопровода может произойти непосредственно на опорах.

Действие воздушного взрыва при увеличении высоты опор вызывает вынос при меньших значениях давления на фронте.

Очевидно, что НДС трубопровода зависит от размера поверхности, воспринимающей давление взрывной волны. Но при увеличении диаметра жесткость трубопровода увеличивается, НДС также изменяется. При малых отношениях длины к диаметру поведение трубопровода схоже с поведением балочной конструкции.

Результаты исследований приведены на рисунках 21-22.

—»—фланец Ом —а—пролетЗм опора 6м —*— пролет 9м —ж— опора 12м —•—консопь15м

Рисунок 21

- Зависимость напряжения в опасных точках от давления на фронте ударной волны для трубопровода с диаметром 57 мм

„ 350

5 300 s

i250 8. 200

§ 150

100 -

50 -

0 -

OOOOOQOOQOOOOOQOOOQO

давление на фронте взрывной волныю, кЛа

Рисунок 22 - Зависимость напряжения в опасных точках от давления на фронте ударной волны для трубопровода с диаметром 159 мм Критерием категорирования трубопроводов по степени опасности может

служить напряжение, возникающее в трубопроводе при воздействии на него взрывной волны. Предполагается, что при значениях напряжений ниже допускаемых трубопровод пригоден для дальнейшей эксплуатации, то есть при 0 < о < [о] трубопроводу присваивается категория I.

При значениях напряжений выше допускаемых и ниже предела текучести, то есть при [а] < а < <?т , в трубопроводе возникает ситуация, когда разрушение может возникнуть вследствие наличия дефектов основного металла, состояние трубопровода неустойчивое, присваивается категория II.

При значениях напряжений выше предела текучести , то есть при от < о, в трубопроводе возникают предела текучести, а при достижении предела прочности возможно разрушение трубопровода, состояние трубопровода критическое, присваивается категория III.

Состояние трубопровода с заданным диаметром и известным давлением на фронте ударной волны определяется по графикам, представленным на рисунках 23, 24

фланец 0м пролет Зм а- - опора 6м пролет 9м опора 12м консоль15м

—•— 0=59мм —*— доп. напр. -*-лред. тек —х— пред. лрочн.

давление на фронте взрывной волны, кПа

Рисунок 23 - График для определения категории опасности трубопровода 1>=57мм

400

350

«1 300

С

г 250

X X 200

*

& 150

(0 X 100

50

*—н—к—>

-X—К—X—X—X—X—X—X—X -X—К—X—К—К—И—К—X—X—к

0=87мм -х-доп. напр. пред.тек пред. прочн.

давление на фронте взрывной волны, кПа

Рисунок 24- График для определения категории опасности трубопровода Е)=89мм Анализ графиков позволяет ввести предельные значения давления на фронте

ударной волны для трубопроводов различных диаметров (таблицы 1,2).

Таблица 1 - Категорирование трубопроводов по степени опасности

Диаметр, мм 57 89 108 159 219 273 325 426

Категория Давление на фронте ударной волны, кПа

I 0-17 0-21 0-29 0-36 0-43 0-45 0-58 0-26

II 17-65 21-60 29-80 36-80 43-90 45-100 58-120 26140

III 65> 60> 80> 80> 190> 100> 120> 140>

Таблица 2 -Категорирование опор трубопроводов по степени опасности

Диаметр, мм 57 89 108 159 219 325 426

Категория Давление на фронте ударной волны, кПа

I 0-18 0-22 0-45 0-47 0-55 0-57 0-46

II 18-60 22-65 45-75 47-75 55-95 57-100 46-120

III 60> 65> 75> 75> 95> 100> 120>

Четвертая глава посвящена изучению НДС реальной трубопроводной системы при внешнем воздействии типа «взрыв». Для подтверждения результатов, полученных расчетным путем, было проведено моделирование воздействия взрывной волны на реальный трубопровод. В расчетах был использован трубопровод установки вакуумной перегонки мазута (ВП-2) (см. рисунок 4).

Моделирование производилось аналогично моделированию при расчете нагрузок, возникающих в условиях эксплуатации, кроме того было приложено давление на фронте ударной волны АРф=50кПа, так как для трубопровода диаметром 219мм это значение соответствует II категории опасности. По результатам расчета была построена эпюра эквивалентных напряжений по длине трубопровода (рисунок 25).

По эпюре видно, что максимальные эквивалентные напряжения близки к пределу текучести. Это свидетельствует о том, что трубопровод имеет II категорию опасности, что соответствует условиям постановки задачи.

>104

240 200

я

С

« 160

I

1 120

Си

1 во

40

0 10 20 30 40 50 длина, м Рисунок 25 - Эпюра эквивалентных напряжений для трубопровода вакуумной перегонки мазута В силу того, что трубопровод имеет сложную пространственную

конфигурацию, неодинаковые условия закрепления на опорах и различные длины участков, его характеристики в различных направлениях неодинаковы, поэтому при различных направлениях действия взрывной волны с одинаковым значением скоростного напора критическое состояние в трубопроводе может не быть достигнуто. И, наоборот, при меньших значениях скоростного напора может возникнуть критическое состояние трубо-

провода. Также картина напряженно-деформированного состояния трубопровода будет меняться, будет происходить смещение опасных участков, либо их возникновение.

Для решения поставленной задачи было выбрано Б направлений возможного действия взрывной волны Расчеты производились для значения ветровой нагрузки 50кПа, время действия взрывной волны - 0,01 секунда. Результаты расчета представлены в таблице 3.

Было выявлено, что наиболее опасная зона расположена в том месте, где трубопровод имеет жесткое закрепление, в данном случае в месте входа трубопровода в стену, в остальных случаях это может быть фланцевое соединение, либо любое другое условие, ограничивающее свободное перемещение трубопровода.

Таблица 3 - Результаты расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при различных направлениях действия взрывной волны

Направление Давление на фронте взрывной волны, кПа

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Ю 38 65,9 94,3 114,8 138,9 163 188,4 193 175,6 150

Ю-3 38,5 70,6 104,5 123,8 157,1 187,7 219,9 233,8 228,2 219,7

3 30,7 -54,1 82,5 106,2 125,2 149,2 167,7 182,3 196,6 213,5

С-3 40,1 70,11 102,1 145 182,9 212,9 244,4 254,9 250,4 243,9

С 36,3 60 85 119,8 149 172,3 199,9 206,5 189,1 166,5

С-В 40,1 70,1 102,1 143,2 174 205 236,5 251,3 246,8 241,9

В 36,1 52,3 83,7 109,1 129,3 150,5 169,1 186,2 195,4 210,9

Ю-В 38,5 70,6 104,5 127,1 158,6 191,5 222,5 237,9 232,6 226

ьь

Общие выводы

1 С использованием ПК ABAQUS смоделировано напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологических установок различной конфигурации при рабочих режимах и в случае реализации нештатной ситуации типа взрыва. Определение деформаций трубопровода на экспериментальной установке при ударном воздействии и на модели этой системы в ПК ABAQUS показало, что результаты различаются не более чем на10°/о.

2 Сравнительные исследования напряженного состояния в технологических трубопроводах с различной пространственной ориентацией с применением ПК ABAQUS и ПК «СТАРТ», который основан на стандартных методах расчета, показали, что расчеты, выполненные в ПК «СТАРТ» для опорных элементов, дают существенно завышенные (до 50%) значения, а для пролетов заниженные по сравнению с номинальными напряжениями, определенными по безмоментной теории расчетов оболочек.

3 Показано, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, причем в местах стеснения деформаций напряжения достигают предельного состояния и могут быть подвержены разрушению.

4 Предлагается осуществить классификацию технологических трубопроводов, в основе которой лежит их категорирование с точки зрения воздействия внешнего взрыва. При этом критерием по степени опасности может служить напряжение, возникающее в трубопроводе при воздействии на него взрывной волны. Предполагается, что при значениях напряжений ниже допускаемых, трубопровод пригоден для дальнейшей эксплуатации, то есть при реализации условия 0 < о < [а] трубопроводу присваивается категория I, при [а] < о < от , когда разрушение может произойти из-за наличия дефектов основного металла, присваивается категория II, при превышении условными номинальными напряжениями предела прочности материала присваивается категория III.

5 Предложен алгоритм оценки состояния технологических трубопроводов в условиях эксплуатации под влиянием действия ударной волны, и указаны характерные особенности, которые должны быть учтены при оценке их технического состояния.

6 Материалы диссертационной работы использованы при разработке новых систем проектирования и инженерного анализа в инжиниринговой компании ООО «ТЕСИС».

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных трудах, из которых 6 и 9 включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

1 Тляшева P.P., Решетников А.А. К вопросу повышения безопасности эксплуатации системы трубопроводов предприятий нефтепереработки // Миро-

вое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. статей.- Уфа: Изд-во УГ-НТУ, 2004. - №16. - С.91-95.

2 Тляшева P.P., Решетников A.A., Демин А.П. К вопросу оценки напряженно-деформированного состояния систем трубопроводов предприятий нефтепереработки методом конечно-элементного анализа // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. статей.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - №18.

- С.154-158.

3 Решетников A.A., Тляшева Р.Р., Кинев С.А. Накопление повреждений в трубопроводных коммуникациях нефтеперерабатывающих заводов// VI Конгресс нефтегазопромышленников России: материалы конференции «Нефтега-зопереработка и нефтехимия - 2005».- Уфа, 2005. - С.ЗОО.

4 Симарчук A.C., Кинев С.А., Решетников A.A., Кузеев М.И. Влияние собственных частот колебания разветвленной трубопроводной системы на усталостное разрушение // Проблемы строительного комплекса России: материалы IX Международной конференции при IX Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Камнеобработка -2005,- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С.109.

5 Решетников A.A., Тляшева P.P. Дополнительное категорирование трубопроводов НПЗ // Проблемы строительного комплекса России: материалы IX Международной конференции при IX Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Камнеобработка -2005,-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С.И5.

6 Тляшева P.P., Демин А.П., Решетников A.A. К вопросу проведения категорирования трубопроводов предприятий нефтепереработки с учетом внешних и внутренних динамических нагрузок// Нефтегазовое дело. - 2006.

- том 4, №2. - С.134-141.

7 Демин А.П., Тляшева Р.Р., Рашитов Р.Ф., Решетников A.A. Анализ напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов под воздействием рабочих условий и нагрузок, возникающих при нештатных ситуациях // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования: сб.науч.трудов,-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006.- №1.- С.81-86.

8 Тляшева P.P., Яковлев A.B., Демин А.П., Решетников A.A. Анализ напряженно-деформированного состояния опор технологических трубопроводов под воздействием рабочих условий и нагрузок, возникающих при нештатных ситуациях// Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. статей,-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - №21. - С.59-63.

9 Тляшева Р.Р., Идрисов В.Р., Решетников A.A. Методы оценки зон опасностей оборудования установок предприятий нефтегазопереработки с учетом технологических трубопроводов// Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6, №1.-С.159-162.

Подписано в печать 08.09.09. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16.

Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 90. Заказ 194.

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

Глава 1. Трубопроводные системы нефтеперерабатывающих заво- 4 дов

1.1 Анализ аварий на опасных производственных объектах пред- 4 приятий нефтепереработки

1.2 Технологические трубопроводные системы и опоры нефте- 12 перерабатывающих предприятий

1.3. Деформирование трубопроводных систем

1.4. Количественная оценка последствий действия поражающих 21 факторов при возникновении гипотетических аварий

Глава 2.Верификация вычислительного эксперимента в ПК

ABAQUS с результатами натурного эксперимента

2.1. Натурный эксперимент по ударному воздействию

2.2. Вычислительного эксперимента по ударному воздействию

2.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния тех- 45 нологических трубопроводов

2.3.1 Расчет технологических трубопроводов стандартными мето- 45 дами

2.3.2. Оценка НДС технологических трубопроводов с учетом 53 различного вида нагружения

2.3.3. Сравнение результатов расчета стандартными и численными 68 методами.

Глава 3 Ранжирование технологических трубопроводов и их опор 70 степени опасности с точки зрения внешнего воздействия.

3.1. Изучение поведения трубопроводов различного диаметра при 70 воздействии внешнего взрыва

3.2. Категорирование трубопроводов по степени опасности

3.3 Категорирование опор трубопроводов по степени опасности

Глава 4. Моделирование напряженно-деформированного состояния 100 технологических трубопроводов и опор

Общие выводы

1.С использованием ПК ABAQUS смоделировано напряженно-деформированное состояние трубопроводов технологических установок различной конфигурации при рабочих режимах и в случае реализации нештатной ситуации типа взрыва. Определение деформаций трубопровода на экспериментальной установке при ударном воздействии и на модели этой системы в ПК ABAQUS показало, что результаты различаются не более 10%.

2 Сравнительные исследования напряженного состояния в технологических трубопроводах с различной пространственной ориентацией с применением ПК ABAQUS и ПК «Старт», который основан на стандартных методах расчета, показали, что расчеты, выполненные в ПК «Старт» для опорных элементов дают существенно завышенные (до 50%) значения, а для пролетов заниженные по сравнению с номинальными напряжениями, определенными по безмоментной теории расчетов оболочек.

3 Показано, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, причем в местах стеснения деформаций напряжения достигают предельного состояния и могут быть подвержены разрушению.

4 Предлагается осуществить классификацию технологических трубопроводов, в основе которой лежит их категорирование с точки зрения воздействия внешнего взрыва. При этом критерием по степени опасности может служить напряжение, возникающее в трубопроводе при воздействии на него взрывной волны. Предполагается что при значениях напряжений ниже допускаемых трубопровод пригоден для дальнейшей эксплуатации, то есть При реализации условия 0 < о < [а] трубопроводу присваивается категория I, при [а] < а < ат , когда разрушение может произойти из-за наличия дефектов основного металла присваивается категория II, при превышении условными номинальными напряжениями предела прочности материала присваивается категория III.

5 Предложен алгоритм оценки состояния технологических трубопроводов в условиях эксплуатации под влиянием действия ударной волны, и указаны характерные особенности которые должны быть учтены при оценки их технического состояния.

6 Материалы диссертационной работы использованы при разработке при разработке новых систем проектирования и инженерного анализа в инжиниринговой компании ООО «ТЕСИС»

1. Федеральный закон "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 21.07.97 № 116-ФЗ (с изм. 07.08.00 г.).

2. Положение о порядке технического расследования причин аварий на опасных производственных объектах (РД 03-293-99) (утв. постановлением Госгортехнадзора России от 08.06.99 N 40).3. http ://www. gosnadzor.ru

3. Солодовников А.В. «Моделирование развития аварийных ситуаций на объектах нефтеперерабатывающей промышленности, вызванных образованием облаков топливовоздушных смесей» Дисс.на соиск.уч.степ.канд.техн.наук, Уфа, УГНТУ, 2006 г.

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

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

6. Методические рекомендации по составлению декларации промышленной безопасности опасного производственного объекта (РД 03-357-00)#S / Колл. авт.- М.: ГУЛ «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.-78с.

7. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов (РД 03-418-01)#S #S / Колл. авт.- М.: ГУЛ «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.-111с.

8. Методические рекомендации по осуществлению идентификации' опасных производственных объектов (РД 03-616-03) (введены приказом Госгортехнадзора России № 138 от 19.06.03г.) )./ Колл. авт.- М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003 .-56с.

9. Методические указания о порядке разработки плана локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС) на химико-технологических объектах РД 09-536-03 (утв. постановлением Госгортехнадзора России от 18.04.03 № 14).

10. Батенчук А.Н. Изготовление и монтаж технологических, трубопроводов. -М.: Стройиздат, 1971. 304с.

11. Греб А.В. Повышение надежности трубопроводных коммуникаций технологических установок: Дис. канд.техн.наук. Уфа: УГНТУ, 1999. -132с

12. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. - 432с.

13. Общие правила взрываобезопасности для химических , нефтехимических, нефтеперерабатывающих производств. -М.: Металлургия, 1988.-88с.

14. Ромейко В. Концепция проекта федерального закона «О трубопроводном транспорте». Обоснование необходимости разработки проекта закона // Трубопроводы и экология. 1998. - №4. - С. 4-5.

15. Прогрессивные методы испытания на надежность трубопроводных материалов и конструкций // Строительство магистральных трубопроводов. — 1990.-Вып. №2.-С. 3-4, 15, 1720. необходимо уточнить

16. Киченко С.Б. Оценка работоспособности трубопроводов с локальными трубопроводными дефектами.- Безопасность труда в промышленности, 2002, №4, с.32-34.

17. Закревский М.П. Прочность и безопасность элементов технологических трубопроводов прессового оборудования: Автореферат дис. на соиск. Уч. Степ, канд.техн. наук.- Красноярск: Красноярский гос. ун-т, 2003, 26 с.

18. Безделев В.В., Погодин В.К. Методы определения НДС по результатам виброизмерений.- 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов», Москва, 21-26 мая 2001: Тезисы докладов.-М., 2001, с.236.

19. Сущев С.П., Кузнецов Д.Б. Оценка статической и циклической прочности труб со сквозными повреждениями.- Мониторинг и безоп. трубопроводных систем, 2004, №1, с.10-11.

20. Шлянников В.Н., Чадаев А.В., Калачев В.А. Прогнозирование остаточного ресурса элементов трубопровода.- Вестник КФ МЭИ, №1, с. 104109.

21. Zhuang Zhuo, Guo Jongjin. Analysis of dynamic fracture mechanisms in gas pipelines\ Eng. Fract. Mech., 1999, 64,№3, c.271-289.

22. Yazdchi M., Crisfield M.A. Non-linear dynamic behavior of flexible marine pipes and risers.- Int. J. numer. Meth. Eng., 2002, 54, №9, c. 1265-1308.

23. Jiang Jin-hui, Wang Zi-Li. Huadong chuanbo gongye xuebao. Ziran kexue ban/- J.E.China Shipbuild. Inst. Natur.Sci. Ed.,2002, 16, №4, p.5-9.

24. Thomas G.O. The response of pipes and supports to internal pressure loads generated by gaseous detonations.- Trans.ASME J. Pressure Vessel Technol., 2002,124, №l,c.66-73.

25. Pan Wen-Fung, Lee Kuo-Long. The effect of mean curvature on the response and collapse of Thin-walled tubes under cyclic bending/- JSME Int. J. A., 2002, 45, №2, c.309-318.

26. De Luna S., Fernandez-Saes J., Perez-Castellanos J.L., Navarro C. An analysis of the static and dynamic fracture behaviour of a pipeline steel. Int. J. Pressure Vessels and pip., 2000, 77, №11, c.691-696/

27. Зуров M.M., Капустин C.A., Кузнецов A.M. Численное моделирование процессов малоциклового разрушения фрагментов подземных трубопроводов в условиях сейсмического воздействия.- Прикл. пробл. прочн. и пластичности, 2001, №63, с.30-35, 192, 199-200.

28. Сидоренко А.С., Станкевич А.И. Вибрации трубопроводов с нелинейным закреплением.- Материалы * Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Ярполец, 11-15 февр., 2002.- М., 2002, с.84-85.

29. Бурмистров И.В., Городов Г.Ф., Митенков Ф.М. Панов В.А., Демин Д.А., Овчинников В.Ф., Смирнов JI.B. Исследование динамики трубопроводных систем ЯЭУ на нелинейных опорах.- :научная конференция

30. Нелинейные колебания механических систем», Нижний Новгород, 16-19 сент., 2002: Тезисы докладов.- Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2002, с.32-33.

31. Иляева М.А. «Устойчивость аппарата колонного типа при динамическом воздействии внешнего взрыва».- Дисс.на соиск.уч.степ.канд.техн.наук, Уфа, УГНТУ, 2002 г.

32. Ягафаров P.P. «Совершенствование методов анализа причин разрушения' аппаратов при техногенных авариях».- Дисс.на соиск.уч.степ.канд.техн.наук, Уфа, УГНТУ, 2005.

33. Ильин К.А. «Деформирование аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с учетом свойств грунта». Дисс.на соиск.уч.степ.канд.техн.наук, Уфа, УГНТУ, 2007 г.

34. Корепанов Ю.М. Особенности деформации металлических трубок под действием ударной волны подводного взрыва.- Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004, №209, с.1-36.

35. Тишков А.Я., Гендлина Л.И., Левенсон С.Я., Сердцева Ж.В. О взаимодействии ударного элемента с твердыми средами.- Изв. ВУЗов. Строительство, 2004, №1, с.122-125.

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

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

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

39. 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.

40. 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.

41. Методика оценки последствий аварий на пожаро- взрывоопасных объектах.- М.: ВНИИ ГОЧС, 1994.

42. Оценка опасности взрывов больших газовых облаков в открытом пространстве / НИИТЭХИМ. М., 1989. - 18 с.

43. Покровский Г.И. Взрыв. М.: Недра, 1980. - 190 с

44. Харрис С.М., Крид Ч.И. Справочник по ударным нагрузкам. Л.: Судостроение, 1980. 346 с.

45. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ.// Под ред. Б. Б. Чайванова, А. Н. Черноплекова. М.: Мир, 1989. 672 е.

46. Экспресс-методика прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах. ВНИИ ГОЧС./Бодриков О.В., Юзбеков Н.С.- М., 1994.-24 с.

47. Козлитин A.M. Развитие теории и методов оценки рисков для обеспечения промышленной безопасности объектов нефтегазовогокомплекса Диссертация на соискание ученной степени доктора технических наук. М.: ВНИИГаз, 2001. 378 с.

48. РД 03-409-01 Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Утверждена постановлением Госгортехнадзора России от 26.06.01 N25

49. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справ. Изд./А.Н. Баратов, Е.И. Иванов, А.Я. Корольченко и др. М.: Химия, 1987. - 272 с

50. ПБ 09-540-03 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожарных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Зарегистрирована в Минюсте РФ 15 мая 2003 г. N 4537

51. Методика оценки последствий аварийных выбросов опасных веществ «Токси». М.: ФГУП "НТЦ "Промышленная безопасность", 2005 - 67 с

52. Моделирование пожаров и взрывов / Под ред. Н.Н. Брушлинского А.Я. Корольченко. М.: Изд-во «Пожнаука», 2000. - 492 с.Горение - реакция окисления с выделением тепла и свечения.

53. Пожарная безопасность. Общие требования: ГОСТ 12.1.004-91. — М.: Госстандарт СССР, 1992. -79 с.

54. Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов предприятий ОАО «ГАЗПРОМ»: СТО РД Газпром 39-1.10-084-2003. М.: «ИРЦ Газпром», 2003. - т.1, 2. -314 с.

55. Тляшева P.P., Идрисов В.Р., Решетников А.А. Методы оценки зон опасностей оборудования установок предприятий нефтегазопереработки с учетом технологических трубопроводов. Нефтегазовое дело, 2008 , Том 6, №1.-С. 159-162.

56. Котляревский В.А., Шаталов А.А., Ханухов Х.М. Безопасность резервуаров и трубопроводов. М.: Экономика и информатика, 2000.- 276с.

57. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды

58. РД 10-400-01. Нормы расчета на прочность трубопроводов теплотехнических сетей.

59. РТМ 38.001-94. "Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов"

60. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы.

61. ПБ 03-108-96. "Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов"

62. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

63. РД 10-249—98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды.

64. РТМ 38.001—94. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов.

65. РД 10-400-01. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей.

66. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы (с необходимой авторской доработкой в части расчетной оценки прочности).79. СНиП 2.09.03-85

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

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

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

70. Образцов И.Ф., Савельев JI.M., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985.- 392 с.

71. Вальтер А. И., Дорохин Н. Б. Метод конечных элементов в технологических задачах пластичности: Учеб. пособие/ Тула, ТГУ.- 1999.134 с.

72. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов: Монография,- Издательство Курганского гос. ун-та, 2000.— 111 с.

73. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-352 с.

74. Секулович М. Метод конечных элементов: Пер с сербского. М.: Стройиздат, 1993. — 664 с.

75. Голованов А.И. Сравнительный анализ различных схем расчета оболочек произвольной геометрии методом конечных элементов// Исследования по теории оболочек: Труды семинара. Вып. 21 Часть I. Казань: Казанский физ.-техн. ин-т КФАН СССР, 1988. с.104-111

76. Сахаров А.С., Киричевский В.В., Кислоокий В.Н. и др. Метод конечных элементов в механике твердых тел. К.: Виша школа, 1982. 480 с.

77. Стренг Г., Стринг Д. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-350 с.

78. Корнишин М.С., Якупов Н.М. Сплайновый вариант метода конечных элементов для расчета оболочек сложной геометрии// Прикладная механика, 1987. Т.23 №3 с. 38-44.

79. ABAQUS User's Manual, 2006

80. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004.-512 с.

81. Tang, Н. Т., "ABAQUS Applications in Light Water Reactor Safety Analysis," ABAQUS Users' Conference Proceedings, 1988.