Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли

В ходе проведения численных экспериментов по распространению ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания, используемые в расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния конструкций. В соответствии с работами Бесчастного М.В., Бирраера А.Н., отрицательная фаза ударной волны не учитывалась. Построение зависимости изменения величины избыточного давления во времени производилось по рекомендациям, приведенным Бейкером У.

По результатам численного анализа распространения продуктов взрыва были сформулированы следующие выводы:

- установлено, что первоначально распространение ударной волны происходит со скоростями, превышающими скорость распространения звука в воздухе; в дальнейшем скорость падает и при огибании фронтальной стены здания составляет около 50…60 м/с;

- в распространяющейся ударной волне преобладают средние температуры, при огибании ударной волны абсолютная температура воздуха незначительно возрастает, достигая значений 320…322 К;

- скачки давления во фронте ударной волны, возникшие в процессе торможения потока продуктов взрыва, являются достаточными для слабых разрушений операторного здания. В связи с этим необходимо определить напряженно-деформированное состояние конструкций здания с целью точной оценки возникающих разрушений при возможной аварийной ситуации с принятием последующих мер по обеспечению взывоустойчивости здания.

Одним из способов повышения безопасности является установка дополнительного сооружения на производственной площадке, позволяющего уменьшать воздействие поражающих факторов взрыва. В качестве такого сооружения для защиты операторного здания на первом этапе рассматривается 4 типа конструкции устройств (рисунок 26), устанавливаемых по пути движения ударной волны.

тип 1 тип 2 тип 3 тип 4

Рисунок 26 – Типы конструкции устройств (размеры указаны в мм)

Для каждой объемной модели было подобрано оптимальное количество элементов, которое составило приблизительно 143000 элементов.

Для каждого варианта численным анализом было определено максимальное значение давления во фронте ударной волны во времени перед фронтальной стеной, на крыше и за тыльной стеной объекта в зависимости от типа конструкции и расположения устройства. Установлено, что применение защитного устройства в виде двух последовательно расположенных стенок перед операторным зданием типовой установки ЭЛОУ-АВТ позволяет снизить избыточное давление на элементы операторного здания в 6,5 раза, что составляет 80 % от величины разрушающего значения избыточного давления. Определено соотношение конструктивных размеров, типа конструкции и расположения защитного устройства по предложенному алгоритму, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Полученные зависимости изменения величины избыточного давления на элементы объекта во времени при нагружении ударной волной, определяющие напряженно-деформированное состояние конструкций, принимались как динамическая нагрузка на элементы конструкции в виде изменяющегося во времени давления.

Для последующего определения напряженно-деформированного состояния конструкций при действии ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания при установке защитного устройства.

При оценке напряженно-деформированного состояния конструкций операторного здания и защитного устройства в случае возникновения аварийной ситуации при разгерметизации блока колонны было получено, что арматура железобетона работает в упругой стадии. Возможно образование неопасных трещин в растянутой зоне бетона. Таким образом, установка устройства обеспечивает взрывоустойчивость здания, и применения дополнительных мер по обеспечению взрывоустойчивости не требуется. Нахождение обслуживающего персонала в операторном здании при установке защитного устройства является безопасным.

Для построения картины напряженно-деформированного состояния конструкций устройства при возникновении аварийной ситуации произведем численное моделирование при помощи метода конечных элементов. В исследовании рассмотрим только первую стенку устройства в связи с тем, что она подвергается большему нагружению.

Для моделирования бетона использовался 8-узловой конечный элемент C3D8R. Армирование моделировалось 3-узловым балочным элементом B32. Было определено оптимальное количество элементов, которое составило приблизительно 44100.

Был произведен ряд численных экспериментов, в результате которых были получены оптимальные размеры устройства из условия прочности. Геометрическая модель устройства и динамика изменения контурного графика величины DAMAGET для бетона изображены на рисунке 27.

а

б

Рисунок 27 – Геометрическая модель устройства (размеры указаны в мм). Контурный график величины DAMAGET на моменты времени 0,071 с (а), 0,0101 и 0,0221 с (б) после начала инициирования взрыва

Анализ результатов показал, что образуется ряд локальных трещин в растянутой зоне бетона, что приводит к частичному разрушению верхней поверхности бетона; значение эквивалентных напряжений рабочей арматуры во времени в растянутой зоне бетона не превышает предела текучести стали, то есть стальная арматура работает в упругой стадии и прочность сечения обеспечена; в сжатой зоне бетона конструкция работает в упругой стадии.

Таким образом, разрушение конструкции при нагружении ударной волной не произойдет и прочность конструкции обеспечена.

Дополнительно произведем расчет конструкции по деформациям из условия, по которому прогибы конструкции от действия нагрузки не должны превышать предельно допустимого значения прогиба. При расчете методом конечных элементов была построена динамика изменения контурного графика перемещения. Предельно допустимое значение прогиба в данном случае составляет 1/100 вылета консоли, то есть 0,04 м. Максимальный прогиб конструкции составил 0,02324 м. Условие прочности конструкции при расчете по деформациям выполняется.

Прогнозирование аварийной ситуации с образованием взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ с использованием численных методов расчета позволило минимизировать последствия от взрыва путем установки защитного устройства по пути движения ударной волны. Кроме того, защита при установке устройства производится также и при других сценариях возникновения аварийной ситуации, например при реализации пожара пролива, огненного шара, при разлете осколков и обломков оборудования.

Таким образом, установка защитного устройства позволяет уменьшать расстояние от потенциально опасных аппаратов и оборудования до производственных зданий с обеспечением требований промышленной безопасности и, как следствие, снижать площадь установок.

Далее было изучено влияние месторасположения источника взрыва на расположение защитного устройства с оптимальным типом конструкции.

В исследовании было принято, что высота центра взрыва варьируется от 0 до 9 м и расстояние от центра взрыва до здания изменяется от 11,7 до 25 м. Находилось оптимальное значение величины для каждого случая расположения источника взрыва.

В ходе проведения численного исследования в соответствии с алгоритмом определения оптимального типа конструкции и расположения защитного устройства получена диаграмма (рисунок 28), позволяющая по высоте центра взрыва и расстоянию от центра взрыва до здания определить оптимальное расположение защитного устройства.

область I – величина равна 1,7 м; область II – величина равна 1,5 м;

область III – величина равна 1,3 м; область IV – величина равна 1,0 м

Рисунок 28 – Диаграмма оптимального расположения защитного устройства

в зависимости от расположения источника взрыва

В результате численных исследований напряженно-деформированного состояния конструкций устройства в виде двух последовательно расположенных стенок с использованием метода конечных элементов определены его оптимальные габаритные размеры. Показано, что при установке защитного устройства разрушения конструкций операторного здания не произойдет.

Основные выводы

1. Проведенный анализ методических подходов к оценке последствий аварий показал, что в известных ведомственных методических документах, работах отечественных и зарубежных ученых, содержащих рекомендации и зависимости по прогнозированию последствий ЧС и оценке отдельных опасностей техногенного характера, не содержится единого методического подхода к обеспечению защищенности объектов.

Большой объем исходной информации и сложность современных методических подходов при оценке последствий аварийных ситуаций обуславливают необходимость совместного использования современных геоинформационных технологий, численных методов для оценки последствий аварийных ситуаций.

2. Определены методические основы разработки анализа последствий аварийных ситуаций на опасных производственных объектах с использованием геоинформационной системы с набором подсистем, позволяющих проводить вейвлет-анализ пространственных и семантических данных. Введено понятие «критическая область потенциальной опасности».

На ос­нове исследований разработан расчетный модуль к ГИС «ИнГЕО» «Система визуализации зон опасностей ОПО».

Важным результатом исследования является определение критерия выбора масштаба для вейвлет-анализа зон полных разрушений и оценки результатов вейвлет-анализа зон полных разрушений опасных производственных объектов.

3. Разработаны теоретические основы метода прогно­зирования образования и рассеивания объема воспламеняющейся части облаков и последствий дефлаграционного взрыва топливо-воздушных смесей. Данный подход позволил классифицировать участки территории наружных установок предприятий нефтегазового комплекса по возникновению на них зон застоя. Такая классификация может быть использована при определении очередности покрытия территории промышленного объекта датчиками-газоанализаторами.

4. Предложен метод оптимизации расположения оборудования технологических установок. Под оптимальным понимается такое расположение аппаратов, при котором в случае аварии на любом аппарате соседнее технологическое оборудование не оказывается в зоне действия поражающих факторов критической величины для конкретного оборудования. Для минимизации территории установки в первую очередь минимизируется расстояние между технологически связанными аппаратами, т.е. между аппаратами одного технологического блока. Это достигается путем введения весов технологических связей. Также введены понятие и метод определения «центра энергопотенциалов», с помощью которого возможно определение наиболее безопасной взаимной ориентации аппаратов.

5. Предложена и обоснована модель оценки взрывоустойчивости технологического оборудования к действию ударной волны (динамических нагрузок) в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения методом конечных элементов, учитывающая реальную застройку установок предприятий нефтегазовой отрасли и месторасположение источника взрыва.

В связи с этим предлагается осуществить категорирование технологических трубопроводов 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

Также предложены рекомендации при расчете устойчивости ректификационной колонны по учету трубопроводной обвязки, направления воздействия взрывной волны.

6. На основе результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций защитных устройства в виде двух последовательно расположенных стенок с использованием метода конечных элементов определены его оптимальные габаритные размеры. Показано, что при установке защитного устройства разрушения конструкций операторного здания не произойдет.

Даны методические основы повышения безопасности объектов и персонала путем оценки по наилучшему расположению защитного устройства в виде двух последовательно расположенных стенок.

7. Выполнена апробация метода прогнозирования образования и рассеивания облаков ТВС на промышленных объектах. В качестве объекта исследования выбрана наружная площадка абсорбционно-газофракционирующей установки газо-каталитического производства нефтеперерабатывающего предприятия. Определены значения коэффициентов зон застоя для основных направлений ветра, что позволило определить рациональную ориентацию наружной площадки АГФУ.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Тляшева Р.Р., Чиркова А.Г., Идрисов В.Р., Ковалев Е.М., Давыдова Е.В. Мониторинг опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2006. – Т. 4. – № 2. – С. 108-123.
2. Тляшева Р.Р. Повышение безопасности эксплуатации технологических установок предприятий нефтепереработки с применением геоинформационных систем // Башкирский химический журнал. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2005. – Т. 12. – № 1. – С. 23-26.
3. Тляшева Р.Р., Идрисов В.Р., Решетников А.А. Методы оценки зон опасностей оборудования установок предприятий нефтегазопереработки с учетом технологических трубопроводов // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2008. – T. 6. – № 1. – С. 159-162.
4. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Ильин К.А. управление промышленной безопасностью опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2007. – Т. 5. – № 1. – С. 203-218.
5. Рашитов Р.Ф., Кузеев И.Р., Тляшева Р.Р. Моделирование последствий взрывного превращения топливовоздушных смесей // НТЖ «Нефтегазовое дело». – 2008. – T. 6. –
   № 1. – С. 219-225.
6. Ванчухин П.Н., Тляшева Р.Р. Моделирование аварии автоцистерны // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2006. – Т. 4. – № 2. – С. 142-145.
7. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р. Принципы обеспечения безопасной эксплуатации объектов предприятий нефтепереработки // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2005. – № 3. – С. 29-35.
8. Тляшева Р.Р., Демин А.П., Решетников А.А. К вопросу проведения категорирования трубопроводов предприятий нефтепереработки с учетом внешних и внутренних динамических нагрузок // НТЖ «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2006. – Т. 4. – № 2. – С.134-142.
9. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Гостенова Е.А. Исследования напряженно-деформированного состояния аппаратов колонного типа с трубопроводной обвязкой при взрывном воздействии ударной волны // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2009. – Вып. 2 (76). – С.111-115.
10. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Чиркова А.Г., Буркина Е.Н. Создание метода управления промышленной безопасностью опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли // Безопасность жизнедеятельности. – М., 2009. – № 4. – С. 14-15.
11. Тляшева Р.Р., Рыжов С.А., Ильин К.А., Канарейкин И.В. Комплексный подход к исследованию поведения конструкций нефтяной промышленности с использованием программного комплекса ABAQUS и приборов неразрушающего контроля // САПР и графика. –М., 2006. – № 5. – С. 25-30.
12. Тляшева Р.Р., Гостенова Е.А. опыт разработки плана ликвидации аварийных ситуаций предприятий нефтепереработки на примере установки депарафинизации масел // Башкирский химический журнал. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2005. – Т. 12. – № 1. – С. 11-14.
13. Тляшева Р.Р. Вопросы эксплуатации системы трубопроводов в масштабах предприятия нефтепереработки // Башкирский химический журнал. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2005. – Т. 12. – № 1. – С. 15-19.
14. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р. Оптимизация расположения тепловоспринимающей поверхности труб печных агрегатов НПЗ // Башкирский химический журнал. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2004. – Т. 10. – № 1. – С. 20-21.
15. Тляшева Р.Р. Роль печных агрегатов на нефтеперерабатывающем предприятии // Башкирский химический журнал. – Уфа: Изд-во «Реактив», 2004. – Т. 10. – № 1. – С. 22-24.
16. Тляшева Р.Р. Методы прогнозирования аварийных ситуаций с образованием облаков топливовоздушных смесей на предприятиях нефтепереработки |/Тляшева Р.Р., Солодовников А.В. // Нефтегазовое дело/ УГНТУ. – Электрон. журн.- Уфа, 2006. – Режим доступа к журн.: http://www.ogbus.ru/ authors/Tlyasheva/ Tlyasheva _1.pdf – 7 с.
17. Тляшева Р.Р. Оценка зон потенциальной опасности опасных производственных объектов с использованием ГИС-технологий и вейвлет-анализа /Тляшева Р.Р., Идрисов В.Р. // Нефтегазовое дело/ УГНТУ. – Электрон. журн.- Уфа, 2006. – Режим доступа к журн.: http://www.ogbus.ru/ authors/Idrisov/ Idrisov_1.pdf - 14 с.
18. Тляшева Р.Р. Исследование динамического поведения аппаратов колонного типа при взрывном воздействии / Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Ильин К.А. // Нефтегазовое дело/ УГНТУ. – Электрон. журн.- Уфа, 2006. – Режим доступа к журн.: authors/Gostenova/Gostenova1.pdf – 11 с.

Монография

22. Тляшева Р.Р., Кузеев И.Р., Чиркова А.Г. Мониторинг степени опасности производственных объектов нефтегазовой отрасли. – Уфа: УГНТУ, 2009. – 260 с.

Патенты

23. Патент №2307312. Способ защиты конструкции от ударной волны. / Н.А.Махутов, И.Р.Кузеев, М.И.Кузев, А.Г.Чиркова, Р.Р.Тляшева. (РФ). – 2006124909; Заявлено 17.02.2006; Опубл. 27.09.2007; Бюл.27. – С.563.
24. Патент №2326342, МПК F42D5/045. Устройство для защиты конструкций от ударной волны / Н.А.Махутов, И.Р.Кузеев, М.И.Кузев, А.Г.Чиркова, Р.Р.Тляшева. (РФ). – 2006124909; Заявлено 11.07.2006; Опубл. 10.06.2008; Бюл.16. – С.726.
25. А.с. об официальной регис
    
    
    Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 |

    7

    |