Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли

На примере реальных трубопроводов были проведены численные эксперименты по оценке НДС при внешнем воздействии типа «взрыв». В расчетах был использован трубопровод установки вакуумной перегонки мазута.

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

Анализ численных экспериментов показал, что максимальные эквивалентные напряжения близки пределу текучести. Это свидетельствует о том, что трубопровод имеет II категорию опасности, что соответствует условиям постановки задачи.

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

Для решения поставленной задачи было выбрано 8 направлений возможного действия взрывной волны. Расчеты производились для значения ветровой нагрузки 50 кПа, время действия взрывной волны – 0,01 секунда. Результаты расчета представлены в таблице 6.

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 6 – Результаты расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при различных направлениях действия взрывной волны

Направ-ление	Давление на фронте взрывной волны, кПа
	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Ю	38,0	65,9	94,3	114,8	138,9	163,0	188,4	193,0	175,6	150,0
Ю-З	38,5	70,6	104,5	123,8	157,1	187,7	219,9	233,8	228,2	219,7
З	30,7	54,1	82,5	106,2	125,2	149,2	167,7	182,3	196,6	213,5
С-З	40,1	70,11	102,1	145,0	182,9	212,9	244,4	254,9	250,4	243,9
С	36,3	60,0	85,0	119,8	149,0	172,3	199,9	206,5	189,1	166,5
С-В	40,1	70,1	102,1	143,2	174,0	205,0	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	226,0

Далее была создана математическая модель динамического поведения колонного аппарата с трубопроводной обвязкой при воздействии взрывной ударной волны с применением численного метода.

Для моделирования предполагалось, что колонна представляет единое тело без сварных швов, а трубопроводная обвязка – единую трубу без учета сварных соединений.

В качестве типа контакта был выбран «жесткий» контакт с трением. Коэффициент трения = 0,5.

При расчете считалось, что фундаментные болты жестко заделаны в фундамент. При решении динамической задачи фундамент задавался неподвижным, а нижняя грань каждого болта жестко закреплялась к фундаменту.

При моделировании крепления обвязки к колонне использовалось условие «coupling kinematic constrain», задающее совместное перемещение колонны и трубопроводов в зонах крепления. При создании сетки конечных элементов всей модели использовались четырехузловые оболочечные элементы типа S4RT для колонны и двухузловые объемные элементы B31 для трубопроводов, и для моделирования анкерных болтов – C3D8R – восьмиузловой элемент. Сетка создавалась для каждой детали, имеющейся в модели, за исключением фундамента, созданного в виде аналитической поверхности, не требующей разбиения. Общее количество элементов в модели составило 24252.

Исследование воздействия ударной волны на колонну с трубопроводной обвязкой предполагает, что до момента взрыва оборудование работает в штатном режиме.

С учетом преднагруженного состояния модели на колонну с трубопроводной обвязкой прилагалась распределенная нагрузка от действия ударной волны, действующая с определенной амплитудой (рисунок 20).

Нагрузки на трубопроводы задавались с учетом подверженности трубопроводной обвязки воздействию взрывной волны в зависимости от направления действия взрывной волны. Аэродинамическая тень от колонны в зависимости от направления действия взрывной волны показана на рисунке 23. Соответственно участки трубопроводов, попадающие в аэродинамическую тень колонны, в расчёте не учитывались.

Следуя такой схеме, проводилось исследование влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонного аппарата при взрывном воздействии ударной волны, а также влияние на устойчивость колонны направления действия взрывной ударной волны.

Рисунок 24 – Аэродинамическая тень от колонны в зависимости от направления действия взрывной волны

Представлены результаты расчетов и проведен анализ результатов.

Задача о влиянии трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии ударной волны состояла в построении геометрических моделей: модель колонного аппарата без учета трубопроводной обвязки и с ее учетом.

Для исследования влияния направления действия взрывной волны на колонну было выбрано четыре ортогональных направления: х; -х; z; -z (рисунок 23).

Значение давления на фронте взрывной волны для всех расчетных случаев задавалось как равномерное и принималось равным 100 КПа.

Для оценки влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии взрывной ударной волны, а также для наглядности исследования проводились в различных условиях с учетом аэродинамической тени.

Результаты численных экспериментов представлены на рисунках 24, 25 и в таблице 7.

Рисунок 24 – Перемещение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр – секунда)

Рисунок 25 – Ускорение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр/секунда2 – секунда)

Для обеспечение защищенности обслуживающего персонала установок предприятий нефтегазового комплекса от воздействия ударной волны была проведена оценка масштаба действия ударной волны.

Для оценки масштаба действия взрывной волны в случае аварийной ситуации и планирования мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости были выполнены расчеты распространения продуктов взрыва.

Таблица 6 – Численные значения результатов исследования колонны

Расчетный случай	Максимальное перемещение вершины колонны	Максимальное ускорение вершины колонны	Количество болтов, получивших эквивалентные пластические деформации >0.01	Максимальные эквивалентные пластические деформации в болтах	Максимальные эквивалентные пластические деформации в фланце	Максимальные пластические деформации в трубопроводах
1 Колонна без обвязки трубопроводов, взрывная волна действует в направлении Z	0,509013	398,757	9	0,2314	0,9949	-
2 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении Z	0,535253	359,195	9	0,8673	0,9795	0,0901
3 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении X	0,850111	780,152	11	1,007	0,9655	0,1456
4 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении –Z	0,758749	574,006	11	0,8486	1,013	0,4642
5 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении –X	0.824315	1044.34	11	1.040	0.5698	0.6314