WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

РЕШЕТНИКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Оценка степени воздействия взрывной волны

на трубопроводные системы

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная

Безопасность» (нефтегазовая отрасль)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

У Ф А – 2009

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Буренин Владимир Алексеевич;

кандидат технических наук,

Ковалев Евгений Михайлович.

Ведущая организация

ГУП БашНИИНефтемаш.

Защита состоится 9 октября 2009 года в 14.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 9 сентября 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

Актуальность проблемы. Технологические трубопроводы являются неотъемлемой частью установок предприятий нефтегазовой отрасли, и их общая протяженность достигает сотен километров. Поскольку при сложных аварийных ситуациях, результатом которых являются взрывы, пожары, необратимые деформации оборудования, в критических зонах оказываются трубопроводы, содержащие пожаро- и взрывоопасные вещества, их разгерметизация приводит к дополнительным проявлением негативных факторов.

Анализ аварий на предприятиях нефтегазовой отрасли показывает, что при взрывах и пожарах пролива, которые приводят к падению вертикальных аппаратов, до 90% связанных трубопроводов выходят из строя и не подлежат восстановлению. Кроме трубопроводов, входящих в обвязку аппарата, при распространении аварии выходят из строя межустановочные и межцеховые трубопроводы. Причем велика вероятность разгерметизации этих трубопроводов и пролива углеводородов в окружающую среду.

В последнее время выполняются работы по моделированию аварийных ситуаций с применением численных методов под руководством профессора Кузеева И.Р. (к таким работам можно отнести работы Ягафарова Р.Р., Ильина К.В., Рашитова Р.Р.), которые показали эффективность такого подхода для анализа ситуации при расследовании причин аварии и возникновения критических нагрузок. Такие модели могут повысить качество проектных работ, поскольку конструктивные решения могут быть проверены на устойчивость от внешних воздействий. Однако отсутствуют работы по моделированию поведения технологических трубопроводов, имеющих сложную конфигурацию, при воздействии критических нагрузок при реализации внештатных ситуаций на технологических установках.

Поэтому работы, направленные на решение этой проблемы, актуальны и своевременны.

Цель исследования

Оценка критических параметров воздействия взрыва, приводящих к разрушению трубопровода путем проведения моделирования поведения технологических трубопроводов при воздействии взрыва.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

  1. Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) технологических трубопроводов численными методами при воздействии взрывной волны на работающий трубопровод и оценка предельного состояния системы.
  2. Верификация данных, полученных в ходе натурного опыта и в среде ПК Abaqus, с целью проверки достоверности численных результатов при решении задачи о величине критической деформации, приводящей к необратимым пластическим деформациям.
  3. Оценка потенциальной опасности технологических трубопроводов различной ориентации в пространстве и опор в зависимости от воздействия поражающих факторов.

4. Классификация трубопроводных систем по уровню напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях.

Научная новизна

1 Численным моделированием поведения работающих трубопроводов в поле ударной волны показано влияние направления удара на характер деформирования и произведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню НДС состояния в опасных сечениях.

В результате моделирования выявлено, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, при этом в зависимости от конкретной конфигурации трубопровода можно идентифицировать наиболее вероятные зоны разрушения

2 В результате проведенного численного моделирования было установлено, что наиболее опасным с точки зрения разрушения трубопровода на опоре является движение ударной волны горизонтально относительно поверхности земли. Разрушение происходит при достижении давления на фронте ударной волны 40 кПа, что соответствует результатам натурного эксперимента, полученных Котляревским В.А.1 Экспериментально показано, что деформации трубопровода при ударном воздействии на физическую модель и численную модель в среде ПК Abaqus различаются не более чем на 10%.

Практическая значимость работы

Модели оценки напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов предприятий нефтегазовой отрасли при возникновении аварийных ситуаций используются в инжиниринговой компании ООО «ТЕСИС» при разработке новых систем проектирования и инженерного анализа.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на VI Конгрессе нефтегазопромышленников России, Уфа, 2005 г.;

- на IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», Уфа, 2005 г.;

- на семинаре «Остаточный ресурс нефтегазового оборудования», Уфа, УГНТУ, 2006 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано девять работ, из которых две работы включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из 4 глав, выводов, списка литературы (94 наименования), содержит 143 страницы текста, 31 таблицу, 72 рисунка и 2 приложения.

Основное содержание работы2

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.

1 Котляревский В.А., Шаталов А.А., Ханухов Х.М. Безопасность резервуаров и трубопроводов.- М.: Экономика и информатика, 2000.- 276с.

2 Научным консультантом при выполнении работы являлась к.т.н. Тляшева Р.Р.

В первой главе проведен обзор литературы по исследованию различных трубопроводных систем, в том числе технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли.

Показано, что основной объем исследований посвящается магистральным трубопроводам, нефтепромысловым трубопроводам для сбора и подготовки нефти, трубопроводной обвязке атомных электростанций. Изучению нефтезаводских трубопроводных коммуникаций уделяется мало внимания.

Поведению сложных систем при возникновении нештатных ситуаций посвящены работы А.А. Абросимова, М.В. Бесчастнова, П.Г. Белова, Б.Е. Гельдфана, А.С. Едигарова, М.И. Каца, А.М. Козлитина, В.А. Котляревского, И.Р. Кузеева, С.П.Сущева, В.И.Ларионова, М.В. Лисанова, В. Маршала, Н.А. Махутова, Г.Е. Одишарии, Б.Е.Прусенко, В.С. Сафонова, А.Г.Гумерова, Р.Х. Идрисова, А.Г.Чирковой, М.Х. Хусниярова, Р.Р.Тляшевой, Е.М.Ковалева и др.

Как показывает анализ развития аварий на технологических установках, наибольшие повреждения наносятся трубопроводным системам. Поэтому указывается на необходимость на стадии проектирования технологических установок производить расчет живучести трубопроводов под действием взрывных волн, открытого огня. Разрушение трубопроводов приводит к реализации принципа домино и непредсказуемому развитию аварии.

Вторая глава посвящена верификации вычислительного эксперимента в среде ПК Abaqus с результатами натурного эксперимента.

Практическое использование результатов моделирования процессов деформирования и разрушения связано с необходимостью верификации полученных зависимостей.

Для того чтобы проверить достоверность численных результатов, получаемых с использованием ПК Abaqus, при решении задачи о величине критической деформации, которая приводит к необратимым пластическим деформациям, был проведен натурный эксперимент.

Для проведения эксперимента была создана экспериментальная установка, которая моделирует участок трубопровода. На рисунке 1 показан общий вид экспериментальной установки, а на рисунке 2 ее принципиальная схема. Трубопровод изготовлен из медной трубы (медь марки М1) с диаметром 8 мм и толщиной стенки 2мм (1). Трубопровод прикрепляется к массивному основанию из фасонного уголка В-110х110х7, изготовленного из стали 20 (3). Ударный маятник (6) также закреплен на массивном основании и имеет возможность совершать колебательные движения в плоскости, перпендикулярной оси трубы. Труба жестко защемлена в отверстиях массивного основания (4,5). Промежуточная опора (2) приварена к основанию, чтобы исключить её перемещение. Труба свободно лежит на опоре и имеет возможность перемещаться беспрепятственно вдоль оси трубы.

Рисунок 1 – Экспериментальная установка

1 – труба; 2 – опора; 3 – уголок;

4,5 – отверстия в уголке под трубу; 6 – маятник

Рисунок 2 - Принципиальная схема экспериментальной установки

Для моделирования экспериментальной установки в программном комплексе ABAQUS была построена трехмерная твердотельная модель с учетом толщины стенки и закрепления трубы на опоре.

На рисунке 3 представлена модель экспериментальной установки.

Рисунок 3 – Твердотельная модель экспериментальной установки

Остаточные деформации в трубе: расчётное значение, полученное в ABAQUS: 4,2 мм, значение, полученное в ходе натурного эксперимента: 4,7 мм. Расхождения между численным и натурным экспериментом составили 10 %.

Верификация показала хорошее совпадение с экспериментом, следовательно, данные, полученные в ПК ABAQUS, можно считать адекватными.

Третья глава посвящается сравнительному анализу 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.

Также в главе была проведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях.

Первоначальный расчет трубопроводов был проведен в программном комплексе СТАРТ с использованием методики, приведенной в РТМ 38.001-94. 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, равную половине диаметра.

На рисунке 4 представлена одна из твердотельных моделей исследуемых трубопроводов.

Рисунок 4 – Твердотельная модель трубопровода

установки вакуумной перегонки мазута

Для удобства сравнения результатов расчетов, полученных стандартными методами в программном комплексе СТАРТ, и результатов, полученных с использованием метода конечных элементов, в постпроцессорном модуле программного комплекса ABAQUS, значения напряжений в характерных узловых точках были представлены в виде графиков на рисунках 5-8.

Рисунок 5 –Распределения напряжений по узловым точкам

для трубопровода № 1

Рисунок 6 – Распределения напряжений по узловым точкам

для трубопровода №2

Рисунок 7 – Распределения напряжений по узловым точкам

для трубопровода № 3

Рисунок 8 – Распределения напряжений по узловым точкам

для трубопровода № 4

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 позволяет проследить картину изменения напряжений во времени.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»