CC BY
95
Р. Р. Тляшева (к.т.н., доц.)1, Е. А. Гостенова (зам. дир.)2,
С. Н. Тропкин (асп.)1, М. И. Кузеев (к.т.н., с.н.с.)1
Оценка и обеспечение взрывоустойчивости оборудования нефтегазовой отрасли
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра «технологические машины и оборудование»
450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431775, e-mail: [email protected]
2ООО «Энергонефтегаз-сервис», г. Уфа, ул.Мира, д. 14, оф.414; тел. (347) 2799981, 2799985, e-mail: [email protected]
R. R. Tlyasheva1, E. A. Gostenova2, S. N. Tropkin1, M. I. Kuzeev1
Estimation and guarantee of stability to explosions of the equipment of oil and gas branch
1 Ufa State Petroleum Technological University
1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431775, e-mail: [email protected]
2Company «Energoneftegaz-servis»
14, Mira Str, 450064, Ufa, Russia; ph. (347) 2799981, 2799985, e-mail: [email protected]
Представлены результаты исследования влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонного аппарата при взрывном воздействии ударной волны, а также влияния на устойчивость колонны направления действия взрывной волны. В результате исследования динамического поведения колонного аппарата с трубопроводной обвязкой при воздействии взрывной ударной волны получены характерные изменения распределения пластических деформаций в различных элементах модели при разном направлении действия взрывной волны. 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.
Ключевые слова: аппарат колонного типа; взрывная волна; промышленная безопасность; технологические трубопроводы.
The first part of paper contains piping arrangement influence study to the rectifying column apparatus stability in case of air explosion. Also this paper contains air blast direction influence study to the column apparatus stability. A result of study contains characteristic changes of plastic strain distribution in various locations in model due to air blast direction change. The second part of paper contains stress-strain state analysis of two tandem protective walls made by numerical method. The tandem wall used to protect operator station due to air blast loading. Based on FEA modeling results the tandem wall overall dimensions was optimized. The analysis of tandem walls protective properties due to air blast loading was made. The result of analysis shows that usage of walls optimized design changes the stress state of operator station and prevent station destruction.
Key words: column type apparatus; blast wave; industrial safety; technological pipelines.
Аварии на объектах предприятий нефтегазового комплекса, как правило, сопровождаются механическими разрушениями или повреждением элементов технических систем вследствие пожаров, взрывов. Именно крупномасштабные разрушения и повреждения вы-соконагруженных элементов конструкций, как правило, приводят к максимально возможному ущербу. С другой стороны, суммарный ущерб
от реализации той или иной аварийной ситуации в значительной мере зависит от степени разрушения или повреждения различных элементов конструкций, оборудования и систем защиты. Поэтому необходимо переходить на новую стратегию обеспечения безопасности, основанную на принципах прогнозирования и предупреждения техногенных аварий путем проведения моделирования сценариев аварий.
Дата поступления 28.01.11
Наиболее характерными опасностями установок нефтегазоперерабатывающих предприятий являются: 1,2.
1) взрывы аппаратов, содержащих сжатые газы;
2) разгерметизация оборудования, ведущая к выбросу взрывоопасных веществ, с последующим формированием взрывоопасного облака;
3) разгерметизация технологического оборудования, сопровождающаяся выбросом сырья, с его последующим испарением и формированием парогазового облака, способного к дальнейшему взрывному превращению;
4) образование взрывоопасных парогазовых смесей углеводородов с воздухом в производственных помещениях и в аппаратуре и инициирование взрыва внутренними и внешними источниками воспламенения.
Основным технологическим оборудованием промышленных объектов являются аппараты колонного типа с обвязкой трубопроводов, обеспечивающих взаимосвязь между отдельными единицами оборудования. В процессе эксплуатации на колонный аппарат действует широкий спектр механических нагрузок — внешнее или внутреннее давление, усилия от трубопроводов, собственный вес колонны, сейсмические и ветровые воздействия. В результате действия этих нагрузок аппарат находится в сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС). Величина рабочих напряжений и их распределение в элементах колонны в значительной мере определяют ее работоспособность, уровень и характер поврежден-ности. Это оборудование работает в сложных условиях эксплуатации, при высоких температурах и внутренним давлением, кроме этого, аппараты колонного типа содержат значительное количество углеводородного сырья. Конструктивные особенности аппаратов таковы, что они имеют значительную высоту и располагаются на открытых площадках, что, в случае аварии, может приводить к истечению продукта с последующим образованием взрывоопасного облака.
Анализ статистической информации об авариях, связанных с взрывами, показал, что в случае разрушения аппарата колонного типа они чреваты тяжелыми последствиями, сопровождающимися поражением людей и разрушением окружающих промышленных объектов.
На сегодняшний день существуют методы, позволяющие произвести расчет аппаратов колонного типа, применяемых в промышленнос-
ти, а также позволяющие оценить нагрузки, их влияние на работу колонн, рассчитать основные характеристики при нормальном протекании технологического процесса и при возникновении нештатных ситуаций. На основе методов разработаны программные комплексы, позволяющие производить точные расчеты в короткие сроки с достаточной степенью адекватности результатов, такие как ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, MARC, и др.
В настоящее время проведен ряд научных исследований в области расчетов аппаратов колонного типа.
Работы 3-6 посвящены оценке прочности и устойчивости аппаратов колонного типа при действии внешнего взрыва с учетом дополнительных динамических факторов: расположения эпицентра взрыва относительно колонны; аэродинамической неустойчивости; возможного наличия трещин. Предложен метод, позволяющий определить расчетную нагрузку, действующую на аппарат колонного типа при внешнем взрыве, с учетом высоты расположения эпицентра взрыва относительно колонного аппарата.
Автором научной работы 5 выполнено моделирование с помощью метода конечных элементов и проведен анализ реальной аварии с применением программного комплекса ANSYS, что позволило выявить возникновение напряжений, достигающих предела прочности в крепежных деталях, способных привести к падению колонного аппарата. В ходе анализа напряженно-деформированного состояния аппарата определена последовательность разрушения крепежных элементов в результате неравномерного нагрева корпуса открытым пламенем. Показано, что закрепление колонного аппарата влияет на напряжения, возникающие в анкерных болтах, и последовательность их разрушения.
В работе 6 создана методика расчета в полной трехмерной постановке статического состояния и динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны, с учетом свойств грунта и модели поведения материала болтов, с использованием программного комплекса ABAQUS.
Одним из недостатков этих научных исследований является то, что они не учитывали взаимосвязь аппаратов колонного типа с технологической трубопроводной обвязкой, когда колонна, обвязанная трубопроводами, обладает сдерживающим моментом, что усиливает ее устойчивость при воздействии ударной взрывной волны.
В связи с этим возникла необходимость в проведении исследования влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонного аппарата при взрывном воздействии ударной волны, а также влияния на устойчивость колонны направления действия взрывной ударной волны. В качестве метода, позволяющего оценивать состояние объектов, был выбран конечно-элементный анализ, реализованный в программном комплексе АБАОиБ 7’8.
Первая задача о влиянии трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии ударной волны состояла в построении геометрических моделей, представленных на рис. 1:
а) модель колонного аппарата без учета трубопроводной обвязки (рис. 1, а);
б) модель колонного аппарата с учетом трубопроводной обвязки (рис. 1, б).
Для исследования влияния направления действия взрывной волны на колонну было выбрано четыре ортогональных направления, показанных на рис. 1, б.
Рис. 1. Геометрическая модель колонны программного комплекса АБА0и8: а) без трубопроводной обвязки; б) с трубопроводной обвязкой
Значение давления на фронте взрывной волны для всех расчетов задавалось как равномерное и принималось 100 КПа, что соответствует максимальному давлению, возникающему при взрыве парогазовоздешной смеси, при котором происходит «полное разрушение».
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 рис. 2. Соответственно, участки трубопроводов, попадающие в аэродинамическую тень колонны, в расчете не учитывались.
Рис. 2. Аэродинамическая тень от колонны в зависимости от направления действия взрывной волны
Давление от взрывной волны в значительной мере воздействует лишь на участки трубопроводов, расположенные поперек направления действия взрывной волны. Давление на участки трубопроводов, расположенные вдоль направления действия взрывной волны, принималось малым и не учитывалось.
Для оценки влияния трубопроводной обвязки на устойчивость колонны при взрывном воздействии взрывной ударной волны, а также для наглядности исследования проводились в различных условиях: колонна без обвязки трубопроводов, взрывная волна действует в направлении 2; колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении 2; колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении —2; колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении X; колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении —X.
Критериями оценки воздействия взрывной волны на колонну были приняты:
1. Исследование зависимости перемещения верхней точки колонны во времени от действия на колонну взрывной волны;
2. Исследование напряженно-деформированного состояния анкерных болтов, в частности, исследование эквивалентных пластических деформаций в болте;
3. Исследование количества болтов, в которых образовались пластические деформации;
4. Исследование максимальных пластических деформаций, возникших в трубопроводной обвязке;
5. Исследование максимальных напряжений и деформаций, возникающих в колонне.
По результатам вычисления были построены номограммы зависимости. На рис. 3—7 представлены результаты исследования для каждого из расчетных случаев:
г
X
Рис. 5. Эпюра максимальных напряжений по Мизе-су, действующих по высоте колонны, для всех расчетных случаев
Образующая колонны
Рис. 3. Перемещение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр-секунда)
Рис. 6. Эпюра максимальных логарифмических деформаций, возникающих по высоте колонны, для всех расчётных случаев
Образующая колонны
Рис. 4. Ускорение вершины колонны в направлении действия взрывной волны (метр/секунда2 — секунда)
Образующая колонны
Рис. 7. Эпюра максимальных эквивалентных пластических деформаций, возникающих по высоте колонны, для всех расчетных случаев
Численные значения результатов исследования для всех расчетных случаев сведены в табл. 1.
Из представленной выше таблицы видно, что учет в расчете трубопроводной обвязки и действующей на нее компоненты взрывной волны приводит к увеличению перемещения вершины колонны от 10% до 41%, эквивалентных деформаций в болтах от 26% до 77% в зависимости от направления взрыва; разница между значениями перемещений вершины колонны и эквивалентных пластических деформаций в болтах достигает 38% для перемещения и 15% для пластических деформаций.
Численные значения результатов исследования
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 Ъ 0.509013 398.757 9 0.2314 0.9949 -
2 Колонна с обвязкой трубопроводов, взрывная волна действует в направлении Ъ 0.535253 359.195 9 0.8673 0.9795 0.0901
-"«X» 0.850111 780.152 11 1.007 0.9655 0.1456
«- Ъ» 0.758749 574.006 11 0.8486 1.013 0.4642
-"- «- X» 0.824315 1044.34 11 1.040 0.5698 0.6314
Учитывая эти данные, подтверждается факт о значительном влиянии трубопроводной обвязки, а также направление действия взрывной ударной волны на поведение и соответственно устойчивость ректификационной колонны в момент взрыва. Таким образом, при расчете устойчивости ректификационной колонны обязательно необходимо учитывать ее трубопроводную обвязку и направления воздействия взрывной волны на колонну.
Для обеспечения защищенности обслуживающего персонала установок предприятий нефтегазового комплекса от воздействия ударной волны была проведена оценка масштаба
„о
действия ударной волны 9.
Для оценки масштаба действия взрывной волны в случае аварийной ситуации и планирования мероприятий по обеспечению взрыво-устойчивости были выполнены расчеты распространения продуктов взрыва.
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 М. В. Бесчастного 10, А. Н. Бир-браера 11, отрицательная фаза ударной волны не учитывалась. Построение зависимости изменения величины избыточного давления во времени производилось по рекомендациям, приведенным У. Бейкером 12.
По результатам численного анализа распространения продуктов взрыва 8 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 волной 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, устанавливаемых по пути движения ударной волны.
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, тип конструкции и расположение 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 взрывоус-тойчивость 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 С3Э8К. Армирование моделировалось 3-узловым балочным элементом В32. Был произведен ряд численных экспериментов, в результате которых были получены оптимальные размеры устройства из условия прочности.
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 конструкции работают 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, представленная на рисунке 8. Предельно допустимое значение прогиба в данном случае составляет 1/100 вылета консоли 9, 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 расстояния 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 а 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 (рис. 8), позволяющая по высоте центра взрыва и расстоянию от центра взрыва до здания определить наилучшее расположение защитного устройства.
/
го
Рис. 8. Диаграмма оптимального расположе ния защитного устройства в зависимости от расположения источника взрыва; область I — величина а 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
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 разрушение конструкций операторного здания не произойдет. На основании проведенных исследований были получены патенты 13,14.
Литература
1. Баратов А. Н., ГГчслинцсв В. А. Пожарная безопасность,— М.: изд-во АСВ, 1997,— 176 с.
2. Бард В. Л., Кузин А. В. Предупреждение аварий в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.— М.: Химия, 1984.— 315 с.
3. Зарипов Р.А. Влияние поражающих факторов аварийной ситуации на изменение деформированного состояния колонного аппарата. Дис. ... магистра техники и технологии,— Уфа, 2005. — 102 с.
4. Ильин К, А. Деформирование аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с учетом свойств грунта. Дис. ...канд. техн. наук.— Уфа, 2007. — 130 с.
5. Иляева М.А., Кузеев И.Р. // Нефть и газ,— 2002.- №1,- С. 65.
6. Стороженко Ю.В. Оценка живучести аппаратов колонного типа нефтеперерабатывающих предприятий при действии внешнего взрыва. Дис. ... канд. техн. наук,— Уфа, 2000,— 115 с.
7. Гостёнова Е.А., Кузеев И.Р., Тляшева Р.Р./У
Нефтегазовое дело.— Уфа, 2010. — Режим доступа к журн.: http://www.ogbus.ru/ authors/ Gosten ova/ Gostenoval.pdf —lie.
8. Тляшева P.P., Кузеев И.P., Гостенова E.A. // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов»,— Уфа, 2009. — Вып. 2 (76). - С. 111.
9. Рашитов Р.Ф., Кузеев И.Р., Тляшева P.P. // Нефтегазовое дело,— 2008,— Т, 6, №1.— С.219.
10. Бссчастнов М.В. Взрьшобезопасность и проти-воаварийная защита химико-технологических процессов,— М.: Химия, 1983.— 472 с,
11. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях.— М.: Энергоатомиздат, 1989. - 304 с.
12. 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.
13. Патент №2307312 РФ. Способ защиты конструкции от ударной волны / Н.А.Махутов, И.Р.Кузеев, М.И.Кузев, А.Г.Чиркова, Р.Р.Тляшева //Б. И,- 2007,- №27.
14. Патент №2326342 РФ. Устройство для защиты конструкций от ударной волны / Н.А.Махутов, И.Р.Кузеев, М.И.Кузев, А.Г.Чиркова, Р.Р.Тляшева// Б. И,- 2008.- №16.
