На правах рукописи

ЯГАФАРОВ РУСТЕМ РАВИЛЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ АППАРАТОВ ПРИ ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЯХ Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (Нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2005

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 Нугаев Раис Янфурович;

кандидат технических наук Иляева Марина Александровна.

Ведущая организация Муниципальный научно-технический центр Безопасность эксплуатации сложных технических систем (МНТ - БЭСТС), г. Уфа.

Защита состоится 9 июня 2005 года в 14-30 на заседании диссертационного совета 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 _6_ мая 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Закирничная М.М.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы На производственных площадях химических и нефтеперерабатывающих предприятий сосредоточены большие массы взрывоопасных и токсичных продуктов, обладающих большой потенциальной опасностью. Предприятия нефтехимпереработки, на которых перерабатываются, получаются и хранятся взрыво- и пожароопасные вещества, а также используется технологическое оборудование, работающее при высоких температурах и давлениях, относятся к опасным производственным объектам, согласно Федеральному закону от 21.07.97г.

№ 116-ФЗ О промышленной безопасности опасных производственных объектов. Снятие в последние годы ограничений по освещению аварий и катастроф позволило привлечь внимание общественности к проблеме промышленной безопасности. На химико-технологических объектах России за 1970-2004гг.

произошло примерно 300 крупных промышленных аварий с тяжёлыми последствиями и уменьшение их числа за последние годы не отмечается, как в силу объективных причин (значительная изношенность оборудования), так и субъективных (человеческий фактор). Для существенного сокращения или устранения негативных последствий аварий необходимы исследования, позволяющие прогнозировать развитие аварийных ситуаций и учитывать их при составлении планов ликвидации аварийных ситуаций на опасных производственных объектах. Эти вопросы рассматриваются на примерах аппаратов колонного типа, применяемых на установках первичной переработки нефти.

Цель работы Разработка научно-методических основ анализа реальных причин разрушения аппаратов в результате возникновения пожара и его ликвидации.

Задачи исследований 1. Сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

2. Моделирование процесса деформирования колонных аппаратов и обвязки при развитии пожара.

3. Определение алгоритма анализа развития аварийных ситуаций.

Научная новизна 1. В процессе моделирования напряженно-деформированного состояния колонных аппаратов с различными геометрическими размерами, находящихся под воздействием неравномерного температурного поля, возникшего в результате пожара, определены предельные состояния конструкций из сталей ВСт3сп, 09Г2С, 15Х5М, 12Х18Н10Т, предшествующие разрушению.

2. Определена последовательность разрушения крепежных элементов колонного аппарата при возникновении изгибных деформаций в результате неравномерного нагрева оболочки открытым пламенем и минимальное количество целых крепежных элементов, обеспечивающих вертикальное положение аппарата.

Практическая ценность Алгоритм анализа аварийных ситуаций, предложенный в работе:

- принят к использованию для анализа последствий аварийных ситуаций в Управлении по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по РБ;

- принят к использованию экспертно-производственным центром ЭП - Трубопроводсервис при разработке планов ликвидации аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазопереработки.

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 работы (общим объемом 1,4 печатного листа). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях.

Объём и структура работыДиссертация и состоит из введения, 4 разделов, 104 страниц текста, 15 таблиц, 24 рисунков, 92 источников использованной литературы.

Научным консультантом при выполнении разделов 2,3 является канд.техн.наук. Габбасова А.Х.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе проведён сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.

Проведён анализ 200 аварий в период с 1980 по 2003гг. на объектах нефтехимического комплекса России, и отмечено, что причинами являются как объективные факторы (значительная изношенность оборудования), так и субъективные (человеческий фактор). Количество происходящих аварий из года в год не уменьшается, и имеется устойчивая тенденция к увеличению суммы ущерба от их последствий.

В результате анализа выявлены однотипные случаи возникновения и развития аварийных ситуаций в результате воздействия неравномерного температурного поля при одностороннем действии открытого огня и (или) при тушении пожара. При аварийном наружном возгорании колонных аппаратов и тушении пожара имеют место случаи, когда наблюдается отрыв крепежных деталей. Это приводит либо к падению аппарата, либо к нарушению обвязки и разгерметизации системы. Эти факторы не учитываются при ликвидации аварийных ситуаций, при проведении технического расследования причин аварии и при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций на объектах.

Отсутствие методик, алгоритмов для анализа аварийных ситуаций зачастую не позволяет верно квалифицировать причины их возникновения и механизмы их развития.

Во второй главе рассматривается вопрос деформирования колонных аппаратов нефтеперерабатывающих заводов при воздействии открытого пламени и его тушении. Показано, что при неравномерном тушении пожара колонный аппарат оказывается под воздействием неравномерного температурного поля. При этом возникают изгибные напряжения, достигающие критической величины в крепежных деталях, способные привести к падению аппарата.

Известно, что неравномерное температурное поле может создавать эффект пластического шарнира в оболочке аппарата и приводить к разрушению сварных соединений крепления реакторов к опорной обечайке. Методом конечных элементов (МКЭ) можно рассчитать нагрузки на опорные элементы и прогнозировать поведение оболочковой конструкции.

В работе использованы сведения об аварии на вакуумном блоке установки первичной переработки нефти АВТ-2 Уфимского НПЗ им. XXII съезда КПСС, происшедшей 14 января 1987 г.

Технологическая схема обвязки колонны К-5, предназначенной для вакуумной разгонки мазута показана на рис.1.

Рис.1. Технологическая схема обвязки колонны К-В колонном аппарате поддерживается следующий температурный режим:

низ колонны не выше 360 С, верх колонны в пределах 50+100 С, вывод I фракции из колонны не выше 170 С, II фракции - в пределах 200+260 С, III фракции - не выше 300 С, IV фракции - не выше 330 С, V фракции - не выше 350 С.

Колонный аппарат имеет следующие геометрические размеры: высота Н=48,8 м, диаметр D=5,5 м и толщина стенки 20 мм.

Началом аварии явилось разрушение штуцера на трансферной линии подачи мазута в вакуумную колонну К-5, вследствие этого возникло возгорание на поверхности аппарата, которое распространилось на площадку около насосов и в пространство под опорной обечайкой. Площадь пожара составила около 60 м2. При попытке тушения огня внутри опорной обечайки произошла разгерметизация фланцевых соединений, сопровождающаяся хлопками, выходом мазута из колонны и увеличением интенсивности горения.

Конструктивные особенности аппарата, выход большого количества мазута и интенсивное горение не позволили эффективно бороться с огнем внутри опорной обечайки. При этом велось охлаждение корпуса в доступных местах, поскольку охлаждение несущих конструкций колонны затруднялось из-за наличия теплоизоляции. Через 1 час 15 минут после начала горения произошло падение колонны в сторону этажерок конденсаторов воздушного охлаждения (рис 2). В результате разгерметизации технологических трубопроводов и колонны вылилось около 300 тонн нефтепродукта и площадь горения увеличилась до 400м2. В зоне воздействия огня оказались технологическая насосная, блоки теплообменников, печей, колонн. Схема расположения оборудования после падения колонны показана на рис.3. По схеме видно, что в случае падения колонны в любом другом направлении пожар мог получить другое - более масштабное развитие. Следует отметить, что в материалах расследования аварии не объясняются причины падения аппарата.

Рис.2. Установка АВТ-2 после падения колонны Технологическая насосная Упавшая колонна К-Блоки теп П-К-лообменников К-К- П-Постамент конденсаК-торов Блок колонн Рис.3. План расположения оборудования на установке АВТ-2 после падения колонны Причинённый экономический ущерб (в виде прямых потерь от аварий) по сохранившимся сведениям (по ценам 1987г.) составил 39812,75 руб.

Моделирование напряжённо-деформированного состояния (НДС) колонного аппарата в процессе горения и определение условий, при которых произошло его падение, проведено с применением МКЭ. Расчет вели по схеме, в рамках которой аппарат с опорной обечайкой заменялся цилиндрической оболочкой с реальными диаметром и высотой. Оболочка закреплялась в соответствии с количеством анкерных болтов шарнирно. В центре масс прикладывался вес аппарата, от которого создавался момент при отклонениях аппарата от вертикальной оси относительно крепежных элементов.

Для решения поставленной задачи были сделаны следующие допущения: вакуумная колонна была представлена в виде цилиндрической оболочки высотой Н=48,8 м, диаметром D=5,5 м и толщиной стенки 20 мм.

Материалу колонны (ВСт3сп) были присвоены следующие свойства:

- плотность = 7850 кг/м3;

- предел прочности (табл. 1);

- предел текучести (табл. 1);

- модуль Юнга (табл. 1).

Таблица Температурные зависимости механических характеристик стали Температура, Допустимое Предел теку- Предел Модуль продольС напряжение, чести, прочности, ной упругости, МПа МПа МПа МПа 20 140 210 336 100 134 201 321,6 150 131 196,5 314,4 200 126 189 302,4 250 120 180 288 300 108 162 259,2 350 98 147 235,2 375 93 139,5 223,2 400 85 127,5 204 410 81 121,5 194,4 420 75 112,5 180 430 71 106,5 170,4 В расчетах также применяли коэффициент теплопроводности, коэффициент линейного расширения и коэффициент Пуассона.

Колонна была разбита на конечные элементы, которые в рамках КК АNSYS имеют название Shell 43, с вращательными степенями свободы в узле, которые позволяют учитывать потенциальную энергию сдвиговых деформаций, с линейной или квадратичной аппроксимацией поля перемещений.

Использование конечных элементов с квадратичной аппроксимацией поля повышает точность исследования. Толщина элемента является функцией локальных координат и полностью определяется заданием его узловых значений.

Элемент Shell 43 позволяет проанализировать напряжения, превышающие предел текучести материала. На основе этого элемента были реализованы и проанализированы различные процедуры дискретизации цилиндрической оболочки.

Кроме гравитационных нагрузок колонне были приложены температурные нагрузки: температура t1, приложенная к основанию цилиндра и к половине стенки цилиндра, и температура t2, приложенная к противоположному основанию и к другой половине стенки цилиндра.

Колонна была закреплена жестко по всем степеням свободы в 24 узлах (по числу крепежных элементов), равномерно распределенных по окружности основания цилиндра, находящегося в центре системы координат. Закрепление в узлах имитирует закрепление вакуумной колонны анкерными болтами к фундаменту.

Из-за разности температур t1 и t2 цилиндрическая оболочка деформируется, причем при расчетах напряженно-деформированного состояния закрепляли температуру охлаждаемой части колонны и изменяли температуру горячей части, тем самым имитируя процесс охлаждения одной части колонны водой и распространение пожара на другой части аппарата.

По результатам расчета напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки получено изменение эквивалентных напряжений в узлах закрепления цилиндра (рис.4).

Максимальные эквиваленные напряжения, МПа Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа 0 100 200 300 400 Температура, оС Рис.4. Результаты расчета изменения эквивалентных напряжений Как видно из приведенного на рис.4 графика, при достижении темперао туры 330 С в узлах крепления появляются пластические деформации, а при достижении 430 С в зоне нагрева напряжения достигают предела прочности материала анкерных болтов (температура зоны охлаждения 20-30 С).

МПа Разрушение анкерных болтов по полученным данным происходит по алгоритму, представленному в табл. 2.

Таблица Алгоритм разрушения анкерных болтов Угол относительно Количество Напряжения, МПа оси Х разрушенных болтов 15 165 2 0 30 150 180 6 45 135 8 Результаты расчета наглядно демонстрируют последовательность развития событий при тушении пожара. При расчете снимаются закрепления в узлах разрыва первых двух болтов (рис.5), далее разрушаются следующие 4 болта, как видно из диаграммы (рис.6). В дальнейшем снимаются закрепления в узлах разрыва предыдущих болтов, и моделирование показывает, какие болты разрушаются следующими (рис.7).

Рис.5. Разрушение первых двух болтов.

Рис.6. Разрушение следующих четырех болтов Рис.7. Разрушение следующих двух болтов После разрушения первых восьми болтов происходит разрыв стенки цилиндра, что и наблюдалось на реальном объекте.

Проведен расчёт по вышеуказанной схеме для аппаратов, имеющих различное материальное исполнение, геометрические характеристики.

Геометрические характеристики аппаратов и число анкерных болтов, принятые для расчёта, указаны в табл. 3.