Деформирование аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с учетом свойств грунта

В настоящее время вопросам промышленной безопасности на нефтеперерабатывающих предприятиях уделяется повышенное внимание. Это связано с растущим количеством аварий в последние годы. Среди причин аварий можно отметить значительную изношенность оборудования, человеческий фактор, а также появившиеся недавно новые опасности в виде террористических актов.

Аппараты колонного типа являются основным технологическим оборудованием установок нефтеперерабатывающих заводов. Это оборудование работает в сложных условиях эксплуатации, при высоких температурах и внутренним давлением. Конструктивные особенности аппаратов колонного типа таковы, что они имеют значительную высоту и располагаются на открытых площадках. Кроме этого, аппараты колонного типа содержат значительное количество углеводородного сырья, что, в случае аварии, может приводить к истечению продукта с последующим образованием взрывоопасного облака. В таких условиях неконтролируемые взрывы приводят к колоссальным материальным потерям, человеческим жертвам и наносят экологический вред окружающей среде. На сегодняшний день остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к практическому расчету последствий аварий с учетом динамических факторов, влияющих на прочность и устойчивость конструкций под действием внешних факторов, например, при взрыве. Появление и развитие новых программных комплексов, таких как ABAQUS, а также мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении данной проблемы с учетом многофакторного нагружения и детализации геометрии объекта.

Создание и применение методики трехмерного динамического расчета с учетом многофакторного нагружения может способствовать повышению безопасности при проектировании новых и уменьшению аварийности уже существующих установок по переработке нефти.

Цель работы.

1. Обеспечение безопасной эксплуатации аппаратов колонного типа в штатном режиме работы и аварийном режиме при воздействии взрывной ударной волны за счет многокритериального численного моделирования поведения конструкции.

2. Анализ влияния различных факторов, таких как коррозия анкерных болтов, учет свойств грунта, количество анкерных болтов, на промышленную безопасность колонного аппарата при воздействии ударной взрывной волны.

3. Моделирование разрушения колонного аппарата при падении на объекты, расположенные в зоне досягаемости.

Научная новизна.

1. Впервые разработан алгоритм для численного моделирования статического поведения аппарата колонного типа при штатном режиме работы. Впервые проведено исследование в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны.

2. Впервые дана количественная оценка основным факторам, влияющим на устойчивость колонны, таким как количество анкерных болтов, коррозия болтов, свойства грунта, свойства материала анкерного болта.

3. Впервые получено изменение критических параметров в зависимости от динамического воздействия взрывной волны с учетом свойств грунта. На основе численного эксперимента впервые получены предельные состояния устойчивости. Построены номограммы зависимости устойчивости колонного аппарата от расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента.

4. Впервые на основании численного моделирования падения колонного аппарата на емкостное оборудование, находящееся вблизи колонны, получено изменение напряженно-деформированного состояния колонного аппарата и емкостного оборудования во времени.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая ценность работы заключается в разработке алгоритма для расчета статического и динамического поведения аппарата колонного типа при воздействии ударной взрывной волны. Математическая модель основана на полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения и реальных моделей поведения материалов с разрушением.

Разработанные модели и алгоритмы используется в научно-исследовательской работе кафедры «Машины и аппараты химических производств» УГНТУ.

Работа имеет большую практическую ценность для организаций, занимающихся проектированием и реконструкцией опасных производственных объектов, где возможно возникновение аварийной ситуации, связанной со взрывом облака ТВС.

По теме диссертации опубликовано 7 работ (общим объемом 64 печатного листа). Основные положения доложены на научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, 122 страниц текста, 11 таблиц, 57 рисунков, 1 приложения, 63 источников использованной литературы.

Общие выводы.

На основании анализа литературных источников выявлена актуальность проблемы поведения аппаратов колонного типа при воздействии ударной взрывной волны и недостаток существующих на сегодняшний день методов расчета. Показаны преимущества конечно-элементного анализа и программного комплекса ABAQUS.

1. Создана методика расчета в полной трехмерной постановке статического состояния и динамического поведения колонны при воздействии ударной взрывной волны с применением программного комплекса ABAQUS, которая позволяет с высокой степенью детализации и точности определить: а) НДС колонны при штатном режиме работы с учетом всех технологических нагрузок, включая температурные. При этом учитывается зависимость свойств материалов от температуры. б) поведение в динамике и полную картину НДС во времени колонны при воздействии внешнего приземного взрыва в дальней зоне и влияние различных факторов на устойчивость колонны. в) поведение в динамике и полную картину НДС во времени при соударении колонны и пустотелой емкости в процессе падения колонны от действия взрывной волны.

3. По результатам применения данной методики: а) определено, что при штатном режиме материал колонного аппарата не испытывает пластических деформаций. Максимальные напряжения 115 МПа достигаются в нижней точке опоры колонны. б) построены номограммы зависимости устойчивости колонны от параметров ударной волны, в терминах расстояния до эпицентра взрыва и тротилового эквивалента. в) определено, что применение упруго-пластической модели поведения материала анкерного болта дает консервативную оценку по устойчивости колонны, причем разница в тротиловом эквиваленте достигает 15%. г) выявлено, что не учет свойств грунта в расчетах на устойчивость колонны при действии внешнего взрыва дает заниженную оценку тротилового эквивалента взрыва при одном и том же расстоянии до эпицентра. Разница в значениях тротилового эквивалента взрыва достигает 13%. д) определена зависимость устойчивости колонны при воздействии взрывной волны от количества анкерных болтов. Проведены расчеты для трех вариантов количества анкерных болтов 8,12 и 16. Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с 8 и 16 болтами составила 42%, а между вариантами с 12 и 16 болтами 20%. е) выявлено влияние коррозии анкерных болтов на устойчивость колонны при воздействии взрывной волны. Разница в критическом значении тротилового эквивалента взрыва между вариантами с нормальными болтами и подверженными коррозии, составляет 33%. ж) расчет падения колонны на пустотелую емкость позволил получить полную картину НДС поведения конструкции в динамике. Во время контакта колонны с пустотелой емкости происходит сильное смятие емкости и разрыв оболочки колонны. Разгерметизация колонны может привести к разливу нефтепродуктов и возникновению дополнительных очагов пожара и цепному развитию аварии. Дальнейшая эксплуатация колонного и емкости невозможна.

Определено, что наиболее существенным фактором, влияющим на устойчивость колонны, является количество анкерных болтов, вторым по значимости фактором является коррозия болтов. Учет свойств грунта и применение модели поведения материала болтов с разрушением являются примерно равнозначными факторами, которые также необходимо учитывать в расчетах.

Созданная методика расчетов может применяться при проектировании новых установок, модернизации уже существующих, а также для прогнозирования возможных аварийных ситуаций и их последствий. Тем самым применение данной методики может способствовать повышению безопасности и уменьшению аварийности объектов нефтеперерабатывающей промышленности.