WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Верификация, проводимая для усовершенствованного метода прогнозирования, заключалась в проверке его при оценке возможных последствий аварийно го взрыва для предлагаемого Ковалевым Е. М. плана расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (рисунок 2).

Результаты расчета количества опасного вещества, обращаемого на установке, и анализ плана расположения оборудования установки свидетельствуют о том, что наибольшую опасность для операторного здания представляет аварийная разгерметизация блока основной атмосферной колонны К-2, в связи с этим верификация проводилась на примере операторного здания. В качестве воспламеняющегося вещества принята парогазовая фаза, образованная при аварийной разгерметизации блока колонны К-2 на высоте 4,2 м от нулевой отметки фундамента.

На рисунке 3 приведена расчетная область, построенная на основе плана расположения оборудования; размеры расчетной области составили 110,5x14,3x 20,2 м. Течение воздуха и продуктов взрыва моделируется на Эйлеровой сетке методами многокомпонентной газодинамики. Моделирование стен и перекрытия одноэтажного операторного здания осуществляется лагранжевыми элементами, материалом которых в данной постановке задачи исследования принят бетон.

Месторасположение источника взрыва К-1 – отбензинивающая колонна; К-2 – основная атмосферная колонна;

К-3 – отпарная колонна; К-4 – стабилизационная колонна; К-5 – вакуумная колонна; К-6 – абсорбер; П-1, П-2 – печи; Е-1, Е-2, Е-3, Е-4, Е-5, Е-6 – газосепараторы; Х-1, Х -2, Х -3 –конденсаторы-холодильники Рисунок 2 – План расположения оборудования, предлагаемый Ковалевым Е. М.

1 1 – источник взрыва; 2 – воздух; 3 – операторное здание Рисунок 3 – Расчетная область (размеры указаны в мм) Методом последовательного перебора было определено оптимальное разбиение расчетной области. Размерность модели составила около 434000 элементов.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени, действующего на элементы здания (рисунок 4), используемые в расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния конструкций. На рисунке 4 момент времени 0 с соответствует моменту времени начала воздействия ударной волны на здание, при этом момент времени 0,054 с на рисунке 4 соответствует моменту времени 0,240 с с начала инициирования взрыва.

а б в а – фронтальная стена; б – боковые стены и крыша; в – тыльная стена Рисунок 4 –Зависимость от времени избыточного давления на элементы операторного здания при обтекании ударной волной На третьем этапе производится оценка напряженно-деформированного состояния конструкций. Использованы модели динамического поведения материалов, так как при кратковременном действии нагрузки происходит изменение прочностных характеристик бетона и арматуры по сравнению со статическим нагружением. Моделирование свойств железобетона осуществлено суперпозицией модели бетона и модели арматурной стали.

Описание поведения бетона осуществлено при помощи модели, предложенной Люблинером Ю., на основе дифференциальных уравнений теории течения материала, ключевыми элементами которой являются уравнения предельных поверхностей (текучести, разрушения, пластического потенциала), закона течения и схемы упрочнения. Для описания эффекта влияния скорости деформаций использована гипотеза существования единой динамической поверхности разрушения, которая заключается в том, что для каждого случая деформирования бетона может быть определена некоторая средняя скорость деформаций, в зависимости от которой вычисляются динамические пределы прочности.

Моделирование свойств стали производилось с применением упругопластической модели, в которой учитывается упругая стадия, динамический предел текучести, скоростные эффекты в пластической стадии и деформационное упрочнение.

В программном комплексе Abaqus для оценки степени разрушения бетона используются параметры поврежденности DAMAGET и DAMAGEC, равные нулю для неповрежденного материала и единице для полностью разрушенного материала при растяжении и сжатии соответственно. В расчете железобетонных конструкций принимается, что разрушение сечения наступает при достижении предела текучести напряжения в арматуре растянутой зоны или при достижении предела прочности на сжатие напряжения в сжатой зоне бетона (в этом случае параметр DAMAGEC равен единице).

Сравнительный анализ результатов численных решений задачи нагружения балки равномерно распределенной нагрузкой с результатами аналитического решения по СНиП 52-01-2003 показывает, что погрешность вычислений не превышает 0,4 %.

В качестве конечного элемента для бетона использован 8-узловой структурный объемный конечный элемент C3D8R. Армирование в горизонтальном и вертикальном направлениях смоделировано путем встраивания в элементы бетона 3-узловых балочных элементов B32 со свойствами армирующего материала.

Было применено регулярное разбиение объемов, размерность модели составила приблизительно 56000 элементов.

Динамическая нагрузка на элементы здания принята по рисунку 4.

В ходе проведения численного исследования получены контурные графики величины DAMAGET (рисунок 5, а) и величины DAMAGEC (рисунок 5, б) для бетона, распределение эквивалентных напряжений арматурной стали по теории Мизеса (рисунок 6). На рисунках 5 и 6 условно обозначено: x – длина, y – высота z – ширина. Численные исследования показали, что максимальное значение эквивалентных напряжений для стали во времени составило 3,42 МПа. Конструкции здания работают в упругой стадии, т.е. пластические деформации не образуются. Поэтому применение дополнительных мер по обеспечению взрывоустойчивости не требуется.

а) б) Рисунок 5 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,240 с после начала инициирования взрыва Рисунок 6 – Распределение эквивалентных напряжений для стали по теории Мизеса (в Па) на момент времени 0,240 с после начала инициирования взрыва Таким образом, результаты вычисленных экспериментов, полученные с применением метода прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок, иллюстрируют адекватность предлагаемого метода.

В четвертой главе выполнено прогнозирование действия ударной волны на операторное здание с помощью предлагаемого метода для плана расположения типовой установки ЭЛОУ-АВТ, приведенного на рисунке 7.

Месторасположение источника взрыва Рисунок 7 – План расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ Наибольшую опасность для операторного здания, как было отмечено в главе 2, представляет авария в результате разгерметизации блока вакуумной колонны К-5.

На основании плана расположения оборудования была построена расчетная область (рисунок 8); размеры расчетной области составили 35,1x18,9x18,9 м.

Количество элементов, определенное при использовании оптимальной сетки разбиения расчетной области, составило около 434000 элементов.

В ходе проведения численного моделирования для рассматриваемого плана расположения получено значение избыточного давления перед фронтальной стеной здания, которое составило 1181,8 кПа. Такой уровень избыточного давления является опасным для здания и приведет к разрушению. В связи с этим необходима защита здания от разрушения в случае возникновения аварии.

1 1 – источник взрыва; 2 – воздух; 3 – операторное здание Рисунок 8 – Расчетная область (размеры указаны в мм) 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 конструкций устройств (рисунок 9), устанавливаемых по пути движения ударной волны.

а) б) в) г) тип 1 тип 2 тип 3 тип Рисунок 9 – Типы конструкции устройств (размеры указаны в мм) Определение соотношения конструктивных размеров, типа конструкции и расположения защитного устройства осуществлено по предложенному алгоритму, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед фронтальной стеной здания.

При проведении расчетов осуществлялось варьирование величины расстояния от центра взрыва, принятое равным 6 – 9 м с шагом 0,5 м (рисунок 10).

Моделирование устройств было осуществлено лагранжевыми элементами;

для типа конструкции 1, 3, 4 принят материал бетон, для типа конструкции 2 – сталь. Количество элементов составило приблизительно 143000.

Анализ графиков изменения давления во фронте ударной волны перед фронтальной стеной здания для рассмотренных типов конструкции показал:

- наилучшим с точки зрения защиты объекта от ударной волны является расположение устройств на расстоянии 7,5 м от центра взрыва для типа конструкции 1, 2, 3 и 6,5 м от центра взрыва для типа конструкции 4;

- оптимальным является тип конструкции 4 при расположении на расстоянии 6,5 м от центра взрыва. Установлено, что в этом случае снижение избыточного давления во фронте ударной волны происходит приблизительно в 2,07 раза.

1 6000- 1 – источник взрыва; 2 – защитное устройство; 3 – операторное здание Рисунок 10 – Расположение защитного устройства (размер указан в мм) Для более эффективной защиты объекта на втором этапе исследовано разнообразное сочетание устройств. Установлено, что для защиты операторного здания типовой установки ЭЛОУ-АВТ оптимальным является устройство, состоящее из двух последовательно расположенных стенок (рисунок 11). Снижение избыточного давления во фронте ударной волны при установке оптимального устройства происходит в 6,5 раза.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению ударной волны были получены зависимости изменения величины избыточного давления во времени (рисунок 12), действующего на элементы здания при установке защитного устройства, используемые в расчетах при оценке напряженнодеформированного состояния конструкций. На рисунке 12 момент времени 0 с соответствует моменту времени начала воздействия ударной волны на здание, при этом момент времени 0,042 с на рисунке 12 соответствует моменту времени 0,0528 с с начала инициирования взрыва.

1 5000 а а – расстояние от задней стенки устройства до здания;

1 – источник взрыва; 2 – защитное устройство; 3 – операторное здание Рисунок 11 – Расположение защитного устройства (размеры указаны в мм) а б в а – фронтальная стена; б – боковые стены и крыша; в – тыльная стена Рисунок 12 – Зависимость от времени избыточного давления на элементы операторного здания при обтекании ударной волной На рисунках 13, 14 приведены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния конструкций здания. На рисунке 13 показаны контурные графики величины DAMAGET и величины DAMAGEC для бетона. Распределение эквивалентных напряжений арматурной стали по теории Мизеса изображено на рисунке 14.

Анализ динамики распределения эквивалентных напряжений стальной арматуры по теории Мизеса показывает, что максимальное значение эквивалентных напряжений для стали во времени составляет около 23,5 МПа.

Как показывают результаты расчетов, в процессе нагружения арматура железобетона работает в упругой стадии. Возможно образование неопасных трещин в растянутой зоне бетона.

а) б) Рисунок 13 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,0528 с после начала инициирования взрыва Рисунок 14 – Распределение эквивалентных напряжений для стали по теории Мизеса (в Па) на момент времени 0,0528 с после начала инициирования взрыва 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. Кроме того, защита при установке устройства производится также и при других сценариях возникновения аварий ной 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.

Для построения картины напряженно-деформированного состояния конструкций устройства при возникновении аварийной ситуации произведено численное моделирование методом конечных элементов. В исследовании была рассмотрена только первая стенка устройства в связи с тем, что она подвергается большему нагружению. Был произведен ряд численных экспериментов, в результате которых были получены оптимальные размеры устройства из условия прочности.

Геометрическая модель устройства изображена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Геометрическая модель устройства (размеры указаны в мм) На рисунке 16 приведена динамика изменения контурного графика величины DAMAGET и величины DAMAGEC для бетона. Анализ рисунка 16 показывает, что образуется ряд локальных трещин в растянутой зоне бетона, что приводит к частичному разрушению верхней поверхности бетона. Анализ распределения эквивалентных напряжений стальной арматуры по теории Мизеса показывает, что значения эквивалентных напряжений во времени в растянутой зоне бетона не превышает предела текучести стали, то есть стальная арматура работает в упругой стадии.

Результаты исследования показывают, что в сжатой зоне бетона конструкции работают в упругой стадии. Таким образом, разрушение конструкции при нагружении ударной волной не произойдет и прочность конструкции обеспечена.

а) б) Рисунок 16 – Контурный график величины DAMAGET (а) и величины DAMAGEC (б) для бетона на момент времени 0,0221 с после начала инициирования взрыва Дополнительно был произведен расчет железобетонного элемента по деформациям из условия, по которому прогибы конструкции от действия нагрузки не должны превышать предельно допустимого значения прогиба. Максимальный прогиб конструкции при расчете методом конечных элементов составил 0,02324 м. Предельно допустимое значение прогиба в данном случае составляет 1/100 вылета консоли, то есть 0,04 м. Условие прочности конструкции при расчете по деформациям выполняется.

Таким образом, 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.

Pages:     | 1 || 3 |






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