автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях

На правах рукописи

ЯГАФАРОВ РУСТЕМ РАВИЛЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ АППАРАТОВ ПРИ ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЯХ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(Нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005

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

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович;

кандидат технических наук Иляева Марина Александровна.

Ведущая организация Муниципальный научно-технический центр

«Безопасность эксплуатации сложных технических систем» (МНТЦ «БЭСТС»), г. Уфа.

Защита состоится 9 июня 2005 года в 14-30 на заседании диссертационного совета 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 (~> мая 2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Закирничная М.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На производственных площадях химических и нефтеперерабатывающих предприятий сосредоточены большие массы взрывоопасных и токсичных продуктов, обладающих большой потенциальной опасностью. Предприятия нефте-химпереработки, на которых перерабатываются, получаются и хранятся взры-во- и пожароопасные вещества, а также используется технологическое оборудование, работающее при высоких температурах и давлениях, относятся к

опасным производственным объектам, согласно Федеральному закону от 21.07.97г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Снятие в последние годы ограничений по освещению аварий и катастроф позволило привлечь внимание общественности к проблеме промышленной безопасности. На химико-технологических объектах России за 19702004гг. произошло примерно 300 крупных промышленных аварий с тяжёлыми последствиями и уменьшение их числа за последние годы не отмечается, как в силу объективных причин (значительная изношенность оборудования), так и субъективных (человеческий фактор). Для существенного сокращения или устранения негативных последствий аварий необходимы исследования, позволяющие прогнозировать развитие аварийных ситуаций и учитывать их при составлении планов ликвидации аварийных ситуаций на опасных производственных объектах. Эти вопросы рассматриваются на примерах аппаратов колонного типа, применяемых на установках первичной переработки нефти.

Цель работы

Разработка научно-методических основ анализа реальных причин разрушения аппаратов в результате возникновения пожара и его ликвидации.

Задачи исследований

1. Сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

2. Моделирование процесса дефор таратов и об-

вязки при развитии пожара.

3. Определение алгоритма анализа развития аварийных ситуаций.

Научная новизна

1. В процессе моделирования напряженно-деформированного состояния колонных аппаратов с различными геометрическими размерами, находящихся под воздействием неравномерного температурного поля, возникшего в результате пожара, определены предельные состояния конструкций из сталей ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М, 12Х18Н10Т, предшествующие разрушению.

2. Определена последовательность разрушения крепежных элементов колонного аппарата при возникновении изгибных деформаций в результате неравномерного нагрева оболочки открытым пламенем и минимальное количество целых крепежных элементов, обеспечивающих вертикальное положение аппарата.

Практическая ценность

Алгоритм анализа аварийных ситуаций, предложенный в работе:

- принят к использованию для анализа последствий аварийных ситуаций в Управлении по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора поРБ;

- принят к использованию экспертно-производственным центром ЭПЦ «Трубопроводсервис» при разработке планов ликвидации аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазопереработки.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 работы (общим объемом 1,4 печатного листа). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях.

Объём и структура работы1

Диссертация и состоит из введения, 4 разделов, 104 страниц текста, 15 таблиц, 24 рисунков, 92 источников использованной литературы.

' Научным консультантом при выполнении разделов 2,3 является канд.техн.наук. Габбасова А.Х.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе проведён сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

Проведён анализ 200 аварий в период с 1980 по 2003гг. на объектах нефтехимического комплекса России, и отмечено, что причинами являются как объективные факторы (значительная изношенность оборудования), так и субъективные (человеческий фактор). Количество происходящих аварий из года в год не уменьшается, и имеется устойчивая тенденция к увеличению суммы ущерба от их последствий.

В результате анализа выявлены однотипные случаи возникновения и развития аварийных ситуаций в результате воздействия неравномерного температурного поля при одностороннем действии открытого огня и (или) при тушении пожара. При аварийном наружном возгорании колонных аппаратов и тушении пожара имеют место случаи, когда наблюдается отрыв крепежных деталей. Это приводит либо к падению аппарата, либо к нарушению обвязки и разгерметизации системы. Эти факторы не учитываются при ликвидации аварийных ситуаций, при проведении технического расследования причин аварии и при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций на объектах.

Отсутствие методик, алгоритмов для анализа аварийных ситуаций зачастую не позволяет верно квалифицировать причины их возникновения и механизмы их развития.

Во второй главе рассматривается вопрос деформирования колонных аппаратов нефтеперерабатывающих заводов при воздействии открытого пламени и его тушении. Показано, что при неравномерном тушении пожара колонный аппарат оказывается под воздействием неравномерного температурного поля. При этом возникают изгибные напряжения, достигающие критической величины в крепежных деталях, способные привести к падению аппарата.

Известно, что неравномерное температурное поле может создавать эффект пластического шарнира в оболочке аппарата и приводить к разрушению сварных соединений крепления реакторов к опорной обечайке. Методом конечных элементов (МКЭ) можно рассчитать нагрузки на опорные элементы и прогнозировать поведение оболочковой конструкции.

В работе использованы сведения об аварии на вакуумном блоке установки первичной переработки нефти АВТ-2 «Уфимского НПЗ им. XXII съезда КПСС», происшедшей 14 января 1987 г.

Технологическая схема обвязки колонны К-5, предназначенной для вакуумной разгонки мазута показана на рис. 1.

Рис.1. Технологическая схема обвязки колонны К-5 В колонном аппарате поддерживается следующий температурный режим: низ колонны не выше 360 °С, верх колонны в пределах 50Н(Ю °С, вывод I фракции из колонны не выше 170 °С, II фракции - в пределах 200+260 °С, Ш фракции - не выше 300 °С, IV фракции - не выше 330 °С, V фракции - не выше 350 °С.

Колонный аппарат имеет следующие геометрические размеры: высота Н=48,8 м, диаметр 0=5,5 м и толщина стенки 20 мм.

Началом аварии явилось разрушение штуцера на трансферной линии подачи мазута в вакуумную колонну К-5, вследствие этого возникло возгорание на поверхности аппарата, которое распространилось на площадку около насосов и в пространство под опорной обечайкой. Площадь пожара составила около 60 м2. При попытке тушения огня внутри опорной обечайки произошла разгерметизация фланцевых соединений, сопровождающаяся хлопками, выходом мазута из колонны и увеличением интенсивности горения.

Конструктивные особенности аппарата, выход большого количества мазута и интенсивное горение не позволили эффективно бороться с огнем внутри опорной обечайки. При этом велось охлаждение корпуса в доступных местах, поскольку охлаждение несущих конструкций колонны затруднялось из-за наличия теплоизоляции. Через 1 час 15 минут после начала горения произошло падение колонны в сторону этажерок конденсаторов воздушного охлаждения (рис 2). В результате разгерметизации технологических трубопроводов и колонны вылилось около 300 тонн нефтепродукта и площадь горения увеличилась до 400м2. В зоне воздействия огня оказались технологическая насосная, блоки теплообменников, печей, колонн. Схема расположения оборудования после падения колонны показана на рис.3. По схеме видно, что в случае падения колонны в любом другом направлении пожар мог получить другое - более масштабное развитие. Следует отметить, что в материалах расследования аварии не объясняются причины падения аппарата.

Рис.2. Установка АВТ-2 после падения колонны

Рис.3. План расположения оборудования на установке АВТ-2 после падения колонны

Причинённый экономический ущерб (в виде прямых потерь от аварий) по сохранившимся сведениям (по ценам 1987г.) составил 39812,75 руб.

Моделирование напряжённо-деформированного состояния (НДС) колонного аппарата в процессе горения и определение условий, при которых произошло его падение, проведено с применением МКЭ. Расчет вели по схеме, в рамках которой аппарат с опорной обечайкой заменялся цилиндрической оболочкой с реальными диаметром и высотой. Оболочка закреплялась в соответствии с количеством анкерных болтов шарнирно. В центре масс прикладывался вес аппарата, от которого создавался момент при отклонениях аппарата от вертикальной оси относительно крепежных элементов.

Для решения поставленной задачи были сделаны следующие допущения: вакуумная колонна была представлена в виде цилиндрической оболочки высотой Н=48,8 м, диаметром Е>=5,5 м и толщиной стенки 20 мм.

Материалу колонны (ВСтЗсп) были присвоены следующие свойства:

- плотность р = 7850 кг/м3;

- предел прочности (табл. 1);

- предел текучести (табл. 1);

- модуль Юнга (табл. 1).

Таблица 1

Температурные зависимости механических характеристик стали

Температура, Допустимое Предел теку- Предел Модуль продоль-

°С напряжение, чести, прочности, ной упругости,

МПа МПа МПа МПа

20 140 210 336 199000

100 134 201 321,6 191000

150 131 196,5 314,4 186000

200 126 189 302,4 181000

250 120 180 288 176000

300 108 162 259,2 171000

350 98 147 235,2 164000

375 93 139,5 223,2 159000

400 85 127,5 204 155000

410 81 121,5 194,4 150000

420 75 112,5 180 147000

430 71 106,5 170,4 143000

В расчетах также применяли коэффициент теплопроводности, коэффициент линейного расширения и коэффициент Пуассона.

Колонна была разбита на конечные элементы, которые в рамках КК «ANSYS» имеют название «Shell 43», с вращательными степенями свободы в узле, которые позволяют учитывать потенциальную энергию сдвиговых деформаций, с линейной или квадратичной аппроксимацией поля перемещений. Использование конечных элементов с квадратичной аппроксимацией поля повышает точность исследования. Толщина элемента является функцией локальных координат и полностью определяется заданием его узловых значений. Элемент «Shell 43» позволяет проанализировать напряжения, превышающие предел текучести материала. На основе этого элемента были реализованы и проанализированы различные процедуры дискретизации цилиндрической оболочки.

Кроме гравитационных нагрузок колонне были приложены температурные нагрузки: температура 1:1, приложенная к основанию цилиндра и к половине стенки цилиндра, и температура И, приложенная к противоположному основанию и к другой половине стенки цилиндра.

Колонна была закреплена жестко по всем степеням свободы в 24 узлах (по числу крепежных элементов), равномерно распределенных по окружности основания цилиндра, находящегося в центре системы координат. Закрепление в узлах имитирует закрепление вакуумной колонны анкерными болтами к фундаменту.

Из-за разности температур й и И цилиндрическая оболочка деформируется, причем при расчетах напряженно-деформированного состояния закрепляли температуру охлаждаемой части колонны и изменяли температуру горячей части, тем самым имитируя процесс охлаждения одной части колонны водой и распространение пожара на другой части аппарата.

По результатам расчета напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки получено изменение эквивалентных напряжений в узлах закрепления цилиндра (рис.4).

400 350 300 250

а

С 200 150 100 50 0

100

200

Температура, оС

300 330 400 430

- Максимальные эквиваленные напряжения, МПа

- Предел текучести, МПа

--Предел прочности, МПа

500

Рис.4. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений Как видно из приведенного на рис.4 графика, при достижении температуры 330 °С в узлах крепления появляются пластические деформации, а при достижении 430 °С в зоне нагрева напряжения достигают предела прочности материала анкерных болтов (температура зоны охлаждения 20-30 °С).

01080101010102020202

Разрушение анкерных болтов по полученным данным происходит по алгоритму, представленному в табл. 2.

Таблица 2

Алгоритм разрушения анкерных болтов

Угол относительно Количество Напряжения, МПа

оси X разрушенных болтов

15 165 2 185

0 30 150 180 6 187

45 135 8 190

Результаты расчета наглядно демонстрируют последовательность развития событий при тушении пожара. При расчете снимаются закрепления в узлах разрыва первых двух болтов (рис.5), далее разрушаются следующие 4 болта, как видно из диаграммы (рис.6). В дальнейшем снимаются закрепления в узлах разрыва предыдущих болтов, и моделирование показывает, какие болты разрушаются следующими (рис.7).

Рис.5. Разрушение первых двух болтов.

Рис.7. Разрушение следующих двух болтов

После разрушения первых восьми болтов происходит разрыв стенки цилиндра, что и наблюдалось на реальном объекте.

Проведен расчёт по вышеуказанной схеме для аппаратов, имеющих различное материальное исполнение, геометрические характеристики.

Геометрические характеристики аппаратов и число анкерных болтов, принятые для расчёта, указаны в табл. 3.

Таблица 3

Колонна Диаметр О, мм Высота, Н, мм Количество болтов, штук Толщина, 5, мм

Н 5500 48800 24 20

й 6500 51000 16 24

Р 6000 50000 16 24

Е 5500 45000 16 24

Разработанная модель по расчету НДС применена для расчёта предельного состояния цилиндрических аппаратов, изготовленных из сталей марок ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т, в условиях реализации неравномерного разогрева (рис. 8-11). Результаты расчёта показывают незначительные изменения значений температур при наступлении предельного состояния в зависимости от геометрических характеристик и материального исполнения аппаратов.

Показано, что моделирование с помощью МКЭ с учетом результатов реальных аварий колонных аппаратов позволяет регламентировать действия по тушению пожара и не допускать реализации вторичных разрушений.

ВСтЗсп

—4— Предел текучести —•— Предел прочности Н —*— в —ж— ? —•— Е

Температура, оС

Рис.8. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений для стали ВСтЗсп

09Г2С

♦ Предел текучести ■ Предел прочности Н —в ж Р —•— Е

О 50 100 150 200 250 300 350 Температура, оС

Рис.9. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений для стали 09Г2С

- Предел текучести

15Х5М

- Предел прочности

400

100 150 200 250 Температура, оС

300

350

Рис.10. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений для стали 15Х5М

12Х18Н10Т

—Г^едел текучести —•—Г^едел прочности Н —О ж F —•—Е|

0 50 100 150 200 250 300 350

Температура, оС

Рис.11. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений для стали 12Х18Н10Т

В третьей главе дается описание аварии, развитие которой шло по другому «сценарию», но характерной особенностью явилось возникновение неравномерного температурного поля, в результате интенсивного горения при пожаре, большой концентрации оборудования, неверных действий в результате ликвидации и локализации аварии. При аварийном наружном возгорании колонных аппаратов и тушении пожара имеют место случаи, когда наблюдается нарушение обвязки и разгерметизация системы. Такие случаи зафиксированы органами Госгортехнадзора, однако при расследовании аварий не уделено должного внимания возможности возникновения неравномерного температурного поля при тушении открытого пламени.

В качестве объекта анализа взята авария, которая произошла 1 января 1999 года на блоке выделения фракции 200-315 °С из дизельного топлива установки «Парекс» зоны № 2 АО «Башнефтехим». Установка введена в эксплуатацию с 1985 года. В 1996 году блок выделения фракции 200-315 °С из дизельного топлива переведён на режим работы по обезвоживанию товарного дизельного топлива.

В результате нарушения технологического режима произошёл выброс продукта с дальнейшим его возгоранием от открытого пламени печи на территории блока. Интенсивное горение и большая концентрация оборудования не позволили эффективно бороться с пожаром, и через 1 час после начала горения произошёл разрыв линзового компенсатора, установленного на шлемовом трубопроводе колонны К-1. Смесь паров нефтепродукта с воздухом в виде облака распространилась по всей территории блока, и в районе печи произошёл взрыв, повлёкший за собой групповой несчастный случай со смертельным исходом среди пожарных, тушивших пожар.

Принципиальная технологическая схема установки показана на рис.12.

Рис.12. Принципиальная схема блока подготовки сырья установки «Парекс»

Сырьё - дизельное топливо из товарного парка забирается насосом Н-1, прокачивается одним потоком последовательно через теплообменники Т-1, Т-2, Т-3, двумя потоками через трубчатую нагревательную печь П-1 и с температурой не выше 280 °С подаётся в ректификационную колонну К-1.

В ректификационной колонне К-1 происходят разделение дизельного топлива на фракции и обезвоживание фракции н.к.-200°С под вакуумом.

С верха колонны К-1 выводятся пары воды и фракция н.к.-200°С, которые конденсируются и охлаждаются в аппаратах воздушного охлаждения ХВ-1/1,2 и холодильнике Х-1/1.

Фракция н.к.-200 °С с температурой примерно 40°С направляется в вакуумный приемник Е-1, из Е-1 по барометрической трубке отводится в емкость Е-2, в которой происходит отделение фракции н.к.-200°С от технологического конденсата (воды). Часть фракции насосом Н-6 (Н-ба) подается в качестве острого орошения в К-1, балансовое количество фракции н.к.-200°С откачивается с установки.

Обезвоженное дизельное топливо насосом Н-4 (Н-5а) откачивается в товарные резервуары дизельного топлива.

Комиссия по расследованию причин аварии установила следующие этапы развития ситуации. Начальным пунктом в цепи событий явилось распоряжение диспетчера завода по увеличению загрузки сырьем блока по обезвоживанию товарного дизельного топлива. Выполнение этого распоряжения повлекло за собой снижение температуры вспышки целевого продукта, что потребовало подъема температуры на выходе из нагревательной печи путём розжига дополнительных форсунок. Увеличение выхода продуктов в емкость Е-2 привело к ее переполнению и попаданию продуктов в эжектор вакуумной системы и далее по линии дожига газов разложения в камеру сгорания печи. Горение продукта вызвало подъем температуры в змеевике, выкипание продукта и, как результат, подъем температуры в колонном аппарате. Старший оператор, неправильно оценив причины попадания и загорания нефтепродукта, начал дей-

ствовать в соответствии с «Планом ликвидации аварийных ситуаций» (ПЛАС) по позиции «прогар труб в печи».

Операторная

Наружная этажерка

Блок теплообменников

Пожарные, производившие тушение пожара, при этом охлаждали водой колонный аппарат, температура в котором превышала 400 °С.

В заключении комиссии, расследовавшей причины аварии, не дана оценка истинных причин разгерметизации компенсатора.

В акте расследования аварии не сказано о возможности возникновения и развития аварийной ситуации в результате воздействия неравномерного температурного поля при одностороннем действии открытого огня и при тушении пожара. Этот фактор не учитывался при ликвидации аварийной ситуации, что привело к катастрофическому развитию аварии.

Моделирование аварийной ситуации, связанной с разрывом компенсатора, проводилось с применением МКЭ.

Расчет велся по схеме, в рамках которой аппарат с опорной обечайкой заменялся цилиндрической оболочкой с реальными диаметром и высотой. Оболочка закреплялась в соответствии с количеством анкерных болтов шарнирно.

Блок ХВО

В центре масс прикладывался вес аппарата, от которого создавался момент при отклонениях аппарата от вертикальной оси относительно крепежных элементов.

Для решения поставленной задачи были сделаны следующие допущения: вакуумная колонна была представлена в виде цилиндрической оболочки высотой Н=41,51 м, диаметром 0=4,998 м и толщиной стенки 18 мм, трубопровод диаметром 720 мм толщиной стенки 5 = 9 мм, компенсатор диаметром 1000-720 мм длиной 0,4 м толщиной стенки 5 = 4 мм.

Рис. 14. Модель расчета

С помощью программного пакета «АЫ8У8» построена конечно-элементная модель колонны (рис.15).

Рис. 15. Конечно-элементная модель колонны

На основе этого элемента были реализованы и проанализированы различные процедуры дискретизации цилиндрической оболочки.

Кроме гравитационных нагрузок к колонне были приложены температурные нагрузки: температура И, приложенная к основанию цилиндра и к половине стенки цилиндра, и температура И, приложенная к противоположному основанию к другой половине стенки цилиндра к трубопроводу и компенсатоРУ-

Колонна была закреплена жестко по всем степеням свободы в 24 узлах (по числу крепежных элементов), равномерно распределенных по окружности основания цилиндра, находящегося в центре системы координат. Закрепление в узлах имитирует закрепление вакуумной колонны анкерными болтами к фундаменту.

Из-за разности температур 11 и \2 цилиндрическая оболочка деформируется, причем при расчетах напряженно-деформированного состояния закрепляли температуру охлаждаемой части колонны и изменяли температуру горячей части, тем самым имитируя процесс охлаждения одной части колонны водой и распространение пожара на другой части аппарата.

По результатам расчета напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки получено изменение эквивалентных напряжений в компенсаторе по окружности Ь (рис. 16).

ЛИ

I ^ 1

н

Рис. 16. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений

Как видно из последнего графика, при достижении температуры 110 °С в компенсаторе возникают пластические деформации, а при достижении 220 °С в

зоне нагрева напряжения достигают предела прочности материала (температура зоны охлаждения 20-30°С).

Разрушение компенсатора по полученным данным происходит в зоне разрушения Б (рис. 17).

Зона разрушения О

Рис.17. Зона разрушения Б

На рис. 18 показано реальное разрушение компенсатора в результате происшедшей аварии.

Рис. 18. Разрушенный компенсатор

Таким образом, показано, что методика позволяет также анализировать конкретные случаи с установлением реальных причин возникновения тех или иных ситуаций.

Хорошо известно, что конструкционные материалы обладают низкими (в десятки и сотни раз) значениями сопротивления разрушению по сравнению с теоретическими величинами. Известно, что причиной резкого несоответствия реального и теоретического сопротивления разрушению твердых тел может быть наличие в них малых дефектов (трещин). Эти дефекты возникают как следствие концентрации напряжений, достигающих в локальных объемах значений, соответствующих теоретической прочности. При проведении расчета предельного состояния предложено учитывать коэффициенты концентрации напряжений в анкерных болтах.

Предложена система орошения аппаратов, позволяющая при возникновении пожара обеспечить равномерное его охлаждение по всему периметру.

В четвертой главе разработан алгоритм анализа причин разрушения аппаратов при возникновении и развитии аварийных ситуаций, связанных с возникновением пожаров и деформированием оболочки в неравномерном температурном поле и даны рекомендации по предупреждению возникновения подобных ситуаций.

На рис. 19 показан алгоритм анализа аварии, который позволяет выяснить причины разрушения колонных аппаратов и их элементов и рекомендуется для практического использования.

Автор и Назарова М.Н. провели исследования возникновения характерных структур в изломах феррито-перлитных сталей, подвергнутых воздействию усталостных нагрузок и разрушенных в результате воздействия удара. Показано, что разрушение при статическом нагружении образцов из феррито-перлитной стали, подвергнутых испытанию по схемам «растяжение-сжатие» и «чистый изгиб», происходит по различным механизмам. При воздействии из-гибных нагрузок наблюдаются при прочих равных условиях более интенсивная потеря пластичности и возрастание прочностных свойств, чем при деформировании по схеме «растяжение-сжатие». Эти результаты необходимо учитывать при расследовании аварий, приведших к разрушению конструкции с целью выделения объективных причин разрушения.

Рис. 19. Алшри™ анализа последствий аварийных ситуаций

Общие выводы

1. Проведён анализ 200 аварий в период с 1980 по 2003гг. на объектах нефтехимического комплекса России, и отмечено, что причинами являются как объективные факторы (значительная изношенность оборудования), так и субъективные (человеческий фактор). Количество происходящих аварий из года в год не уменьшается, и имеется устойчивая тенденция к увеличению суммы ущерба от их последствий.

В результате анализа выявлены однотипные случаи возникновения и развития аварийных ситуаций в результате воздействия неравномерного температурного поля при одностороннем действии открытого огня и (или) при тушении пожара. Этот фактор не учитывается при ликвидации аварийных ситуаций, при проведении технического расследования причин аварии и при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли.

2. Выявлено, что при неравномерном тушении пожара либо одностороннем действии огня колонный аппарат оказывается под воздействием неравномерного температурного поля. Моделирование реальных аварийных ситуаций с помощью МКЭ позволило выявить возникновение изгибных напряжений, достигающих критической величины в крепежных деталях, в элементах обвязки, способных привести к падению аппарата, либо к нарушению обвязки и разгерметизации системы.

3. В процессе моделирования напряженно-деформированного состояния колонных аппаратов с различными геометрическими размерами, находящихся под воздействием неравномерного температурного поля, возникшего в результате пожара, определены предельные состояния конструкций из сталей ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т, предшествующие разрушению.

4. Определена последовательность разрушения крепежных элементов колонного аппарата при возникновении изгибных деформаций в результате неравномерного нагрева оболочки открытым пламенем и минимальное количест-

2006-4

во целых крепежных элементов, обеспечивающих устойчивое вертакал / ОО J ложение аппарата.

5. Предложено при расчете предельных состояний оборудования учитывать коэффициенты концентрации напряжений в дефектах анкерных болтов.

6. Предложен алгоритм анализа последствий аварийных ситуаций для выяснения истинных причин разрушения конструкций. ' 1

Основные результаты опубликованы в следующих печатных рабо- * тях: I

1. Назарова М.Н., Ягафаров P.P. Влияние структурных факторов на ме- У ханические свойства и развитие процессов разрушения ферритно-перлитных сталей //Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст.-Уфа: i Изд-во УГНТУ, 2003.-№14,- С.77-84.

2. Кузеев И.Р., Валиуллин Х.Б., Чиркова А.Г., Кузеев М.И.,

Зарипов P.A., Ягафаров P.P. Деформация колонного оборудования при пожаре //Прикладная механика механохимического разрушения.- 2004. - № 2.- С. 15-70.

3. Ягафаров P.P., Габбасова А.Х. Энергетическая концепция обеспечения долговечности технологических систем //Прикладная синергетика - П:

Сб. тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 2004. -С.153-155.

4. Ягафаров P.P., Валиуллин Х.Б., Габбасова А.Х., Кузеев М.И. Влияние температурного поля на разгерметизацию оборудования при пожаре //Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.-№16.-С.113-119. 1

*

Введение

Глава 1 Техногенные аварии в нефтегазовой отрасли

1.1 Статистика по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли

1.2 Ущерб от последствий техногенных аварий в нефтегазовой отрасли

1.3 Методы анализа причин возникновения аварий в нефтегазовой отрасли

1.4 Характерные особенности развития аварий на предприятиях нефтехимпереработки

Выводы по главе

Глава 2 Моделирование деформирования колонных аппаратов в неравномерном температурном поле

2.1 Описание аварии на установке АВТ

2.2 Расчетная схема и особенности моделирования методом конечных элементов

2.3 Результаты моделирования

Выводы по главе

Глава 3 Моделирование процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре

3.1 Описание аварии на установке АВТМ

3.2 Расчетная схема и особенности моделирования процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре

3.3 Результаты моделирования деформирования линзового компенсатора в рабочих условиях и при аварии

3.4 Учет влияния накопления повреждений в конструкционном материале на разрушение при аварии

Выводы по главе

Глава 4 Разработка алгоритма анализа причин разрушения 80 аппаратов

4.1. Влияние структурных факторов на механические 83 свойства и развитие процессов разрушения ферритно-перлитных сталей

Выводы по главе

На производственных площадях химических и нефтеперерабатывающих предприятий сосредоточены большие массы взрывоопасных и токсичных продуктов, обладающих большой потенциальной опасностью. Предприятия нефте-химпереработки, на которых перерабатываются, получаются и хранятся взры-во- и пожароопасные вещества, а также используется технологическое оборудование, работающее при высоких температурах и давлениях, относятся к опасным производственным объектам, согласно Федеральному закону от 21.07.97г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Снятие в последние годы ограничений по освещению аварий и катастроф позволило привлечь внимание общественности к проблеме промышленной безопасности. На химико-технологических объектах России за 1970-2004гг. произошло примерно 300 крупных промышленных аварий с тяжёлыми последствиями и уменьшение их числа за последние годы не отмечается, как в силу объективных причин (значительная изношенность оборудования), так и субъективных (человеческий фактор). Для существенного сокращения или устранения негативных последствий аварий необходимы исследования, позволяющие прогнозировать развитие аварийных ситуаций и учитывать их при составлении планов ликвидации аварийных ситуаций на опасных производственных объектах. Эти вопросы рассматриваются на примерах аппаратов колонного типа, применяемых на установках первичной переработки нефти.

Цель работы

Разработка научно-методических основ анализа реальных причин разрушения аппаратов в результате возникновения пожара и его ликвидации.

Задачи исследований

1. Сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

2. Моделирование процесса деформирования колонных аппаратов и обвязки при развитии пожара.

3. Определение алгоритма анализа развития аварийных ситуаций.

Научная новизна

1. В процессе моделирования напряженно-деформированного состояния колонных аппаратов с различными геометрическими размерами, находящихся под воздействием неравномерного температурного поля, возникшего в результате пожара, определены предельные состояния конструкций из сталей ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М, 12Х18Н10Т, предшествующие разрушению.

2. Определена последовательность разрушения крепежных элементов колонного аппарата при возникновении изгибных деформаций в результате неравномерного нагрева оболочки открытым пламенем и минимальное количество целых крепежных элементов, обеспечивающих вертикальное положение аппарата.

Практическая ценность

Алгоритм анализа аварийных ситуаций, предложенный в работе:

- принят к использованию для анализа последствий аварийных ситуаций в Управлении по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по РБ;

- принят к использованию экспертно-производственным центром ЭПЦ «Трубопроводсервис» при разработке планов ликвидации аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазопереработки.

По теме диссертации опубликовано 4 работы (общим объемом 1,4 печатного листа). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, 104 страниц текста, 15 таблиц, 24 рисунков, 92 источников использованной литературы.

Общие выводы

1) Проведён анализ 200 аварий в период с 1980г. по 2003г. на объектах нефтехимического комплекса России и отмечено, что причинами являются как объективные (значительная изношенность оборудования), так и субъективные (человеческий фактор). Количество происходящих аварий из года в год не уменьшается и имеется устойчивая тенденция к увеличению суммы ущерба от их последствий.

В результате анализа выявлены однотипные случаи возникновения и развития аварийных ситуаций в результате воздействия неравномерного температурного поля при одностороннем действии открытого огня и (или) при тушении пожара. Этот фактор не учитывается при ликвидации аварийных ситуаций, при проведении технического расследования причин аварии и при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций на объектах.

2) Выявлено, что при неравномерном тушении пожара, либо одностороннем действии огня колонный аппарат оказывается под воздействием неравномерного температурного поля. Моделирование реальных аварийных ситуаций с помощью МКЭ позволило выявить возникновение изгибных напряжений, достигающих критической величины в крепежных деталях, в элементах обвязки, способных привести к падению аппарата, либо к нарушению обвязки и разгерметизации системы.

3) В процессе моделирования напряженно-деформированного состояния колонных аппаратов с различными геометрическими размерами, находящихся под воздействием неравномерного температурного поля, возникшего в результате пожара, определены предельные состояния конструкций из сталей ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М, 12Х18Н1 ОТ предшествующие разрушению.

4) Определена последовательность разрушения крепежных элементов колонного аппарата при возникновении изгибных деформаций в результате неравномерного нагрева оболочки открытым пламенем и минимальное количество целых крепежных элементов, обеспечивающих вертикальное положение аппарата.

5) Предложено при расчете предельных состояний оборудования учитывать коэффициентов концентрации напряжений в дефектах анкерных болтов.

6) Предложен алгоритм анализа последствий аварийных ситуаций для выяснения истинных причин.

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. Доклад «О состоянии промышленной безопасности опасных производственных объектов, рационального использования и охраны недр Российской Федерации в 2003 году» правительству РФ начальника Федерального горного и промышленного надзора России Кульечева В.А.

4. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России № 3 ГУП НТЦ «Промышленная безопасность, 2002г. - с. 72.

5. ГОСТ Р 22.10.01-2001. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Оценка ущерба. Термины и определения

6. Федеральный закон "Об обязательном социальном страховании от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний" от 24.7.98 N 125-ФЗ (с изм. на 11.02.02 г.).

7. Определение экономических потерь от пожаров: Методические рекомендации. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1990.

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

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. Ю.Кузеев М.И. Закономерности накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук., Уфа: УГНТУ, 2000 117 с.

11. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья — Уфа: Гилем, 1999. 325 с.

12. 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.

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

14. М.Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах (РД 03-496-02)./ Колл. авт.- М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.-41с.

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

16. Методические рекомендации по классификации аварий и инцидентов на опасных производственных объектах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности (РД 09-398-01) / Колл. авт.-М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.-25с.

17. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09540.03) ) / Колл. авт.- М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.-125с.

18. Бесчастнов М.В., Шаталов A.A., Ройзин И.А. Оценка уровня взрывоопас-ности пылеобразующих технологических объектов//Безопасность труда в промышленности. 1990. №8. С.39-43

19. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979.352 с.

20. Секулович М. Метод конечных элементов: Пер с сербского. М.: Строй-издат, 1993. -664 с.

21. Венцель Э.С., Джан- Темиров К.Е., Трофимов A.M. Метод компенсирующих нагрузок в задачах теории тонких пластин и оболочек. Харьков: Изд. ХВВКИУРВ, 1992. 92 с.

22. Серазутдинов М.Н. Метод расчета элементов конструкций в виде оболочек// Известия вузов. Машиностроение, 1989. №10. С.6-10.

23. Серазутдинов М.Н., Гарифуллин М.Ф. Об одном подходе к расчету оболочек сложной формы//Прикл. Механика, 1991. Т.27, №11. С.19-25.

24. Серазутдинов М.Н., Недорезов O.A. Об аппроксимации срединной поверхности оболочки// Исследования по теории оболочек. Тр. семинара. Вып. 25. Казань: Казанск. физ.-техн. ин-т КНЦ АН СССР, 1990. С. 97102

25. Якупов Н.М., Серазутдинов М.Н. Расчет упругих тонкостенных конструкций сложной геометрии. Казань: ИММ РАН, 1993. 208 с.

26. Рекач В.Г., Кривошанко С.Н. Расчет оболочек сложной геометрии. М: Изд-во УДН, 1988. 176 с.

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

28. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 511 с.

29. Голованов А.И. Сравнительный анализ различных схем расчета оболочек произвольной геометрии методом конечных элементов// Исследования потеории оболочек: Труды семинара. Вып. 21 Часть I. Казань: Казанский физ.-техн. ин-тКФАН СССР, 1988. С. 104-111.

30. Ботенкова Л.Г., Капустина С.А., Яблонко Л.С. Изопараметрический сдвиговой элемент для анализа оболочек общего вида// Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения задач упругости и пластичности. Горький, 1986. С. 61-70.

31. Сахаров A.C., Киричевский В.В., Кислоокий В.Н. и др. Метод конечных элементов в механике твердых тел. К.: Виша школа, 1982. 480 с.

32. СтренгГ., Стринг Д. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. -350 с.

33. 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.

34. Ильюшин A.A. Пластичность. -М.: Изд-во АН СССР, 1962.

35. Качанов Л.МИ. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

36. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1975.-400 с.

37. Мавлютов P.P. Концентрация напряжений в элементах конструкций. -М.: Наука, 1996.-240 с.

38. Биргер И.А. Метод дополнительных деформаций в задачах теории пластичности// ИЗВ. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. -1963.- №1

39. Ван де Пупе. Составление отчетов по безопасности на предприятиях химической промышленности: Пер. с англ.//Информационный бюллетень. 1986. № 11 (866). М.: Госгортехнадзор. С. 19—28.

40. Хроники аварий //Безопасность труда в промышленности 1999 №2, С.65-69,. № 11. С. 48—55; 2000. № 6. С. 46—49; 2001. № 2. С. 43—47; 2002. № 6 С. 40—46; 2003. № 1. С. 52—57; 2004. № 1. С. 43—53; № 2. С 10—46

41. Бесчастнов М. В.//ЖВХО им. Д. И. Менделеева. 1974. Т. 19. С, 482—498; 1982. Т. 27. С. 41-49; Т. 30. С. 47—55.

42. Бесчастнов М, В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. М.: Химия, 1983. 470 с.

43. Бесчастнов М. В., Соколов В. М. Предупреждение аварий в химических производствах. М.: Химия, 1979. 394 с.

44. Бесчастнов М. В., Соколов В. М., К.ац М. И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. М.: Химия, 1976. 370 с.

45. Бесчастнов М. В., Шаталов А. А., Ройзин И. А. Оценка уровня взрыво-опасности пылеобразующих технологических объектов//Безопасность труда в промышленности. 1990. № 8. С. 39—43.

46. Богданов У. Хорошо, что не рвануло. Пока.//Рабочая трибуна//1990 г. 21 сентября.

47. Взрывное дело. Сборник № 75/32. Свойства взрывчатых материалов./Под ред. Дубнова Л. В. М.: Недра, 1975.

48. Временные рекомендации по разработке планов локализации аварийных ситуаций на химико-технологических объектах. М.: Госпроматомнадзор, 1990.

49. Водяник В. И. Взрывозащита технологического оборудования. Киев: Техника, 1979. 192 с.

50. Губарев В. С. Счастье и трагедия академика Легасова//Правда, 1988 г. 17 октября.

51. Евдокимова Г. Когда на работе опасно//Правда. 1989. 19 нюня.

52. Катасонов В. Ю. Заминированная страна//Литературная Россия. 1990, № 26, 27.

53. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли, М.: Химия, 1986. 214 с.

54. Легасов В. А. Проблемы безопасного развития техносферы//Коммуннст, 1987. № 8. С. 92—102.

55. Легасов В. А. Мой долг рассказать об этом//Правда. 1988. 20 мая.

56. Легасов В, А., Чайное Б. Б., Черноплеков А. Н. Научные проблемы безопасности современной промышленнасти//Безопасность труда в промышленности. 1988. № 1, С. 44—51.

57. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ.// Под ред, Б. Б. Чайнова, А. Н. Черноплекова. М.: Мир, 1989. 678 с.

58. Маршалл В, Взрывы паровых облаков в незамкнутом пространстве (ВПОНП): Пер. с англу/Информационный бюллетень. 1986. Кг 11 (866). М.: Госгортехнадзор.

59. Материалы по обобщению опыта ликвидации последствий катастрофы на железной дороге Челябинск — Уфа/Под ред. генерала армии В. П. Говорова, М.: 1990. 36 с.

60. Общие нормы технологического проектирования. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности ОНТНТП 24— 86. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1987. 26 с.бб.Освлин В. Бомба объемного взрыва//Техника молодежи. 1986. № 8. С. 5053.

61. Материалы расследования аварии, происшедшей на вакуумном блоке установки первичной переработки нефти АВТ-2 «Уфимского НПЗ им. XXII съезда КПСС», происшедшей 14 января 1987г.

62. Основные принципы системы управления охраной труда и техникой безопасности производств на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. М.: Госгортехнадзор, 1988.

63. Правила поведения и действия населения при стихийных бедствиях, авариях и катастрофах. М.: Военное издательство, 1990. 86 с.

64. Пряников В. И. Техника безопасности в химической промышленности. М.: Химия, 1989. 282 с.

65. Разумов И. М. Псевдосжижение н пневматический транспорт сыпучих материалов. М-: Химия, 1973. 223 с.

66. Розловский А. И. Взрывобезопасность парогазовых систем в технологических процессах. М.: Химия, 1973. 128 с.

67. Розловский А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. М.: Химия, 1972. 366 с.

68. Розловский А. Я.//Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. Выпуск 10. М., 1990. С. 26—28.

69. Романков П. Г. Массообменные процессы химической технологии. М.: Химия, 1975.336 с.

70. Рябов В. А, Повысить уровень безопасности химических производств// Безопасность труда в промышленности. 1990. № 5. С. 2—6,

71. Рябов В. А. Авария на изотермическом хранилище сжиженного аммиака// Там же. 1990. № 2. С, 42—47.

72. Саркисов А. Техника безопасности//Правда. 1987. 29 мая.

73. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во АН СССР. 1960. 427 с.

74. Способы определения вероятности загорания (взрыва) в технологическом оборудовании. Сер. «Состояние и совершенствование техники безопасности в химической промышленности». М.: НИИТЭХИМ, 1978. 32 с.

75. ССБТ ГОСТ 12.1.044—84. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Показатели и методы их определения.

76. Сильнодействующие ядовитые вещества и защита от них/Под ред. контр-адм. В. А. Владимирова. М.: Военное издательство, 1989. 176 с.

77. Тимофеев А. Ф. Техника безопасности при хранении, транспортировании н применении хлора. М.: Химия, 1990. 336 с.

78. Троицкий А. П. Аварии, связанные с объемными взрывами//Каучук и резина. 1984. № 2. С. 36—39; № 3. С. 35—36; М 4. С, 39-40.

79. Ценев Н.К., Шаммазов A.M. Влияние внутренних границ раздела на развитие процессов разрушения в низкоуглеродистых сталях.- М.: Доклады академии наук, 1998.- T.36L- №6.- С, 762-764.

80. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов,- М.: Металлургия, 1984- 442 с.

81. Панин Н.Е. Елсукова Т.Ф., Новоселова Е.М., Егорушкин В.Е, Эффект локализации деформации у границ зерен при ползучести поликристаллов //Докл. АН СССР. -1989.- Т.ЗЮ, № 1.

82. Мешков Ю.А., Сердитова Т.Н. Разрушение деформированной стали.- Киев: Наукова Думка, 1989.-С, 27-38, 45-49, 91-119.

83. Кайбышев О. А., Валиев Р. 3. Границы зерен и свойства метилдов. М.: Металлургия, 1987.-214 с.91 .Гольдштейн М. И., Литвинов В. С., Бронфин Б. Н. Металлофизика высокопрочных сплавов,-- М.: Металлургия, 1986.-321 с.

84. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов.-М.: Металлургия. /986.- 224 с.