авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли

-- [ Страница 5 ] --

Рисунок 19 – Оптимизированное расположение оборудования установки ЭЛОУ-АВТ на электронной карте ГИС «ИнГЕО» (М1:95) (а), Критические области потенциальной опасности при оптимизированном расположении оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (М1:95) (б)

В шестой главе на примере модели ректификационной колонны методом оценки взрывоустойчивости технологического оборудования к действию ударной волны (динамических нагрузок) с использованием метода конечных элементов (МКЭ) определено НДС колонны от воздействия ударной волны. К поражающим факторам взрыва можно отнести тепловой удар, детонационное и дефлаграционное воздействия. 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 давление на фронте ударной волны. Модель такого воздействия может быть рассмотрена как воздействие ветровой нагрузки на поверхность в течение промежутка времени. Наибольшую опасность представляет фаза повышения давления до значения р+мах за время t+мах, в этот период трубопровод испытывает наибольшие нагрузки.

Геометрическая модель колонны, схема нагружения и граничных условий, а также условий контактного взаимодействия показаны на рисунке 20. Основные конструктивные параметры модели: диаметр колонны 3,8 м, общая высота конструкции 27 м, количество тарелок 38, толщина тарелки 15 мм, толщина стенки колонны 18 мм, толщина стенки основания 15 мм, количество анкерных болтов 16, диаметр анкерного болта 42 мм, материал всех деталей модели – сталь марки ВСт3.

Бетонный фундамент, имеющий размеры 7 x 7 x 2 м моделировался абсолютно жестким телом.

1 – колонна; 2 – обвязка колонны; 3 – крепление колонны к фундаменту;
4 – ректификационные тарелки; 5 – анкерный болт

Рисунок 20 – Геометрическая и расчетная модель колонны

Для решения статической задачи для материала анкерных болтов применялась упругопластическая модель поведения, для решения динамической задачи использовалась модель поведения материала с разрушением и деградацией модуля упругости.

Известно, что одним из основных факторов, удерживающих колонный аппарат от падения, являются анкерные болты, при помощи которых колонна крепится к бетонному основанию. К тому же при ударном воздействии, когда скорость деформации материала велика, важно учитывать тот факт, что пластические свойства материала зависят от скорости деформаций. В связи с этим в работе особое внимание уделено заданию свойств материала анкерного болта.



В отличие от обычно применяемой упругопластической модели поведения материала модель с разрушением позволяет смоделировать процесс разрыва материала при превышении критической нагрузки (модель с разрушением, используемой в данной работе, модель пластичности Джонсона-Кука, ABAQUS Analysis User’s Manual).

При исследовании влияния атмосферной коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны при действии взрывной нагрузки в качестве примера принималась модель болта с утоньшением в середине. Считалось, что все анкерные болты были подвержены коррозии.

Исследование воздействия ударной волны на колонну предполагает, что до момента взрыва аппарат работает в штатном режиме, поэтому исследование проводилось в несколько этапов.

Первый шаг состоял в решении задачи о статическом нагружении колонны при штатном режиме эксплуатации.

На втором шаге, с учетом преднагруженного состояния, полученного на первом шаге, на колонну прилагалась распределенная нагрузка от действия ударной волны, действующая на половину колонны с определенной амплитудой (рисунок 20). Такой способ моделирования ударной волны позволяет задать не только давление на фронте ударной волны, но и импульс, который оказывает существенное влияние на устойчивость аппарата.

Следуя такой схеме, проводилось исследование на нахождение критической нагрузки Pкрит, при превышении которой колонна опрокидывается.

С целью определения влияния различных параметров на критическую нагрузку были проведены исследования для базовой модели с учетом грунта и модели разрушения материала анкерного болта; без учета грунта и модели разрушения материала анкерного болта; с учетом грунта и упругопластической модели поведения материала анкерного болта; модели с болтами, подверженными коррозии, с учетом грунта и модели поведения материала анкерного болта с разрушением; модели с 8 болтами.

Также решалась задача о падении колонны на соседнее оборудование, расположенное в 12 метрах от колонны. Для этого была создана модель для расчета действия ударной волны, но с добавлением пустотелой емкости. При решении этой задачи толщина стенки аппарата в виде пустотелой емкости и опор принималась равной 15 мм, диаметр аппарата 3 м, длина 5 м.

Аппарат моделировался оболочечными элементами типа S4R. Элемент типа S4R является четырехузловым оболочечным элементом с одной точкой интегрирования в плоскости элемента и пятью точками интегрирования по толщине, позволяющими учесть такие свойства, как изгибную и продольную жесткости, а также большие деформации. Свойства материала емкости были аналогичны свойствам материала колонны.

Также представлены результаты расчетов и проведен анализ результатов.

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

Первая задача о воздействии ударной волны состояла в нахождении критического значения давления Pмакс, при превышении которого колонна теряет устойчивость и опрокидывается.

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

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

В процессе движения колонны наблюдалась местная потеря устойчивости оболочки опоры. Максимальное напряжение в опоре составило 280 MПa. В данном расчете 9 болтов разрушились, то есть разорвались с образованием шейки.

Целью следующего расчета было определение влияния грунта на критическую нагрузку ударной волны.

Для того чтобы сделать предварительную оценку влияния грунта на поведение конструкции, был произведен поиск первых пятидесяти собственных форм и частот для двух вариантов, с учетом грунта и без него.

В таблице 3 показаны наиболее отличающиеся частоты при исследовании влияния свойств грунта.

Таблица 3 – Собственные частоты форм

№ частоты 1 2 3 41 42 43
Частота для варианта
с учетом грунта, Гц
2,94 2,95 10,07 13,84 13,92 17,75
Частота для варианта
без учета грунта, Гц
3,37 3,38 10,25 17,46 17,94 18,14
Разница, % 14,66 14,65 1,75 26,16 28,80 2,24

Наибольшее различие составило до 30 %. Исходя из анализа собственных форм видно, что в динамике конструкция ведет себя в соответствии с первым тоном колебаний, из чего можно сделать вывод, что грунт может существенно повлиять на поведение конструкции в динамике, особенно если время фазы сжатия ударной волны будет сравнимо с 1/4 периода основного тона колебания колонны.

Также проведено исследование по влиянию коррозии анкерного болта на величину критической нагрузки при воздействии взрывной волны.

В результате серии из тринадцати расчетов на критическую нагрузку конструкции оказалось, что разница в критической нагрузке между вариантами с болтами, подверженными коррозии, и болтами, не подверженными коррозии, составила 35 %.

Чтобы выяснить влияние количества болтов на динамическую устойчивость колонны сделан расчет с 8, 12 и 16 болтами. Сравнение расчетов с 8, 12 и 16 болтами показало различие в критической нагрузке в 42 %. Модель разрушения материала, применяемая в расчетах, показала разницу в критической нагрузке в 15% по сравнению с моделью, в которой применялась упруго-пластическая модель поведения материала болта.

По результатам численного эксперимента были построены номограммы зависимости устойчивости колонны в терминах тротилового эквивалента взрыва и расстояния до эпицентра. Номограмма для базового варианта с учетом грунта, 16 анкерными болтами и моделью разрушения материала болта представлена на рисунке 21. Для определения параметров взрыва была использована теория М.В. Садовского.

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

  Номограмма зависимости-65

Рисунок 21 – Номограмма зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны

Это может привести к их полному или частичному разрушению с разливом нефтепродуктов и возникновению дополнительных очагов пожара. Во время контакта колонны с пустотелой емкостью происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны.

Также проведен сравнительный анализ 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 ABAQUS. 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 ABAQUS 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.

При анализе картины напряженно-деформированного состояния трубопроводов обнаруживается, что результаты, полученные в программном комплексе ABAQUS, 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 позволило 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.

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

Анализ проведенных численных экспериментов о воздействии поражающих факторов взрывной волны на моделях горизонтального и вертикального участков труб диаметром 219 миллиметров с толщиной стенки 8 миллиметров и длиной 15 метров, консольно закрепленных с торца за фланцевое соединение, позволил оценить зависимость напряженно-деформированного состояния трубопровода в зависимости от величины избыточного давления на фронте ударной волны. Анализ результатов величин эквивалентных напряжений, возникающих в узловых точках, показал, что распределение напряжений 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 различными углами направления вектора воздействия к горизонту.

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.

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 < < [] трубопроводу присваивается категория I.

При значениях напряжений выше допускаемых и ниже предела текучести, то есть при [] < < 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 т < , в трубопроводе возникает предел 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 рисунке 22.

Рисунок 22 – График для определения категории опасности трубопровода D = 57 мм

Анализ графиков позволяет ввести предельные значения давления на фронте ударной волны для трубопроводов различных диаметров (таблицы 4,5).

Таблица 4 – 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 26-140
III 65> 60> 80> 80> 90> 100> 120> 140>

Таблица 5 – Категорирование опор трубопроводов по степени опасности

Диаметр, мм 57 89 108 159 219 273 325 426
Категория Давление на фронте ударной волны, кПа
I 0-18 0-22 0-45 0-47 0-55 0-56 0-57 0-46
II 18-60 22-65 45-75 47-75 55-95 56-98 57-100 46-120
III 60> 65> 75> 75> 95> 98> 100> 120>


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |
 

Похожие работы:








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.