На правах рукописи

РАШИТОВ РЕНАТ ФАНУЗОВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАЩИЩЕННОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА УСТАНОВОК НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ 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

Уфа - 2008 2

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 Хуснияров Мират Ханифович;

кандидат технических наук Ягафаров Рустем Равилевич.

Ведущая организация ГУП Институт нефтехимпереработки РБ.

Защита состоится л22 мая 2008 года в 15-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.5 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 л22 апреля 2008 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нефтеперерабатывающие предприятия являются высокоэнергонасыщенными производственными объектами, аварии на которых имеют чрезвычайно тяжелые последствия для персонала, оборудования, зданий, сооружений и окружающей среды. Эксплуатация таких предприятий в первую очередь должна осуществляться таким образом, чтобы влияние на окружающую среду и человека было минимальным.

Существующие в настоящее время здания и сооружения, в которых находится персонал, расположены на территории технологических установок. Данные технологические объекты были запроектированы и построены в 50-60-е годы XX в., когда требования нормативной документации к защите персонала были ниже.

Результаты расследования аварийных ситуаций показывают, что одним из наиболее эффективных способов защиты персонала является создание защитных устройств, способных уменьшать воздействие ударной волны. В связи с этим следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики исследование, посвященное созданию устройств, способных защитить объекты технологических установок от влияния ударной волны на нефтеперерабатывающих предприятиях с использованием численных методов расчета.

Цель работы - повышение защищенности обслуживающего персонала объектов технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий от воздействия ударной волны путем рационального размещения на территории специальных устройств.

Задачи исследования 1 Анализ статистической информации по влиянию ударной волны на объекты технологических установок и обслуживающий персонал нефтеперерабатывающих предприятий.

2 Анализ существующих методов оценки воздействия ударной волны на объекты.

3 Численное моделирование воздействия ударной волны на объекты технологических установок с использованием программных комплексов Ansys и Abaqus.

4 Верификация математических моделей, реализованных в программных комплексах Ansys и Abaqus, для решения задач, связанных с воздействием взрыва на объекты.

5 Оценка воздействия ударной волны на объекты путем прогнозирования действия ударной волны для типовой установки нефтеперерабатывающего предприятия.

6 Подбор защитного устройства от влияния ударной волны путем минимизации значения избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Научная новизна 1 Получены зависимости изменения величины избыточного давления на элементы объекта во времени при нагружении ударной волной, позволяющие более точно оценить напряженно-деформированное состояние конструкций.

2 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.

3 Предложен алгоритм для определения соотношения конструктивных размеров, типа конструкции и расположения защитного устройства, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

Практическая ценность Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке алгоритма определения оптимального устройства для защиты объектов от влияния ударной волны. Предложена модель защитного устройства, позволяющая снизить воздействие поражающих факторов на персонал и повысить взрывоустойчивость объектов при возникновении аварии.

Усовершенствован метод прогнозирования действия ударной волны на объекты, позволяющий более точно оценить последствия аварийного взрыва, в котором оценка напряженно-деформированного состояния осуществляется с использованием математических моделей динамического поведения материалов.

Результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе при выполнении практических занятий по дисциплине Методы математического моделирования оптимального расположения оборудования технологических установок студентами специальности 130603 Оборудование нефтегазопереработки и направления 150400 Технологические машины и оборудование на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.

Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах - статьях и тезисах докладов, помещенных в международных и межвузовских сборниках научных трудов.

Апробация работы Основное содержание работы

докладывалось и обсуждалось на XI Международной научно-технической конференции при XI специализированной выставке Строительство. Коммунальное хозяйство-2007 (Уфа, 2007), VIII Международной молодежной научной конференции Севергеотех-2007 (Ухта, 2007).

Структура и объем работы Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, общие выводы и список использованных источников из 83 наименований. Содержание диссертации изложено на 145 страницах машинописного текста и включает 68 рисунков, 15 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.

Исследованиям в области моделирования аварийных ситуаций, связанных с воздействием взрыва на объекты, посвящены работы крупных ученых: Абросимова А.А., Белова П.Г., Бесчастнова М.В., Бирбраера А.Н., Гельфанда Б.E., Доломатова М.Ю., Едигарова А.С., Каца М.И., Козлитина А.М., Котляревского В.А., Кузеева И.Р., Ларионова В.И., Лисанова М.В., Садовского М.А., Сафонова В.С., Таубкина И.С., Хусниярова М.Х. и ряда других крупных специалистов. Значи тельный вклад в развитие теории ударных и детонационных волн внесли крупные ученые и специалисты: Гриб А.А., Жуге Е., Зельдович Я.Б., Ландау Л.Д., Михельсон А.В., Орленко Л.П., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Станюкевич К.П., Харитон Ю.Б., Чепмен Д.Л. Теория динамики железобетонных конструкций получила развитие в трудах крупных российских ученых: Бакирова Р.О., Белоброва И.К., Белова Н.Н., Жарницкого В.И., Забегаева А.В., Карпенко Н.И., Котляревского В.А., Майорова В.И., Плевкова В.С., Попова Г.И., Попова Н.Н., Расторгуева Б.С., Саргсяна А.В., Яшина А.В.и др.

В первой главе приведены сведения об основных опасностях технологических установок нефтеперерабатывающего предприятия. Рассмотренные результаты расследования аварий на опасных производственных объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности показывают, что аварии, сопровождающиеся взрывными превращениями, влекут за собой наиболее тяжелые последствия для обслуживающего персонала и технологических сооружений.

Приведены основные поражающие факторы и источники их возникновения при реализации аварий. Рассмотрена специфика аварийных взрывов на нефтеперерабатывающих производствах. Выявлено, что взрывы газопаровоздушной и топливовоздушных смесей являются объемными, при их реализации образуются длинные ударные волны, в зоне воздействия которых могут оказаться промышленные сооружения и обслуживающий персонал. Согласно Козлитину А.М., наиболее существенным фактором при объемных взрывах, определяющим разрушение оборудования, элементов зданий и сооружений, является избыточное давление во фронте ударной волны.

Приведен анализ стандартных методов, применяемых для оценки воздействия ударных волн на объекты, показавший, что в основном они разработаны на результатах натурных экспериментальных исследований. Имеющиеся в данное время средства численного моделирования с использованием математических моделей, адекватно отражающих распространение продуктов взрыва и ударных волн, позволяют более точно оценить последствия аварийного взрыва с учетом реальной застройки промышленного объекта.

Анализ методов повышения безопасности, направленных на предупрежде ние возникновения взрывов, показывает, что применяемые меры не позволяют исключить аварии на производстве, поэтому необходима защита от воздействия ударной волны. Для обеспечения взрывоустойчивости существующих зданий в основном применяются легкосбрасываемые и легкоразрушаемые конструкции, позволяющие снизить избыточное давление за счет образовавшихся проемов. Для более эффективного повышения взрывоустойчивости предложена установка перед объектом защитного устройства.

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу объекта исследования. Для исследования была выбрана типовая комбинированная установка ЭЛОУ-АВТ (установка атмосферно-вакуумной перегонки нефти с предварительным ее обессоливанием).

Возникновение опасности на установке ЭЛОУ-АВТ возможно по следующим причинам:

- высокая плотность размещения оборудования;

- наличие воспламеняющихся веществ;

- наличие источников воспламенения (открытый огонь печей).

Рассмотрена принципиальная схема установки, в которой атмосферная перегонка осуществляется по схеме двукратного испарения, вакуумная - по схеме однократного испарения.

Анализ распределения опасных веществ, обращающихся на установке, показал, что потенциальная опасность установки обусловлена наличием больших масс жидких и парогазовых сред при высоких температурах и давлениях. Также серьезной опасности подвергается обслуживающий персонал, находящийся внутри операторного здания.

Результаты расчета количества опасного вещества, обращаемого на установке, и анализ расположения оборудования установки свидетельствуют о том, что наибольшую опасность для операторного здания представляет аварийная разгерметизация блока вакуумной колонны К-5. Поэтому оценка возможных последствий аварийного взрыва была произведена для случая разгерметизации блока вакуумной колонны.

С использованием методики Бирбраера А.Н. был построен график зависимости избыточного давления во фронте ударной волны от расстояния, на основе которого были определены зоны разрушений. Результаты расчета последствий аварийного взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ показали, что реализация аварийной ситуации приведет к разрушению операторного здания, не обладающего достаточной взрывоустойчивостью. В связи с этим, с целью обеспечения безопасности находящегося в здании персонала и сохранности объектов установки, необходимо использование защитных устройств, позволяющих снижать влияние поражающих факторов.

Третья глава посвящена исследованию пространственных железобетонных конструкций на действие ударной волны. Предложен метод прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок, учитывающий реальную застройку объекта и месторасположение источника взрыва. Этапы предлагаемого метода представлены на рисунке 1.

На первом этапе осуществляется сбор и анализ необходимой информации по объекту для проведения численного моделирования.

На втором этапе производится численное моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн на производственной площадке технологической установки. Второй этап реализуется с использованием методов вычислительной газодинамики.

На третьем этапе выполняется анализ напряженно-деформированного состояния конструкций объекта с применением метода конечных элементов, при этом на элементы объекта прикладывается поле давления, переменное во времени, полученное на втором этапе.

Рассмотрим моделирование на втором этапе. В качестве начальных условий при моделировании принимается, что начальная температура в расчетной области равна температуре окружающей среды. По боковым поверхностям расчетной области задаются граничные условия выхода, предполагается непроницаемость земной поверхности.

Этап Исходные данные:

планировка местности протекания аварии объекта;

сведения об опасных веществах, обращаемых на объекте Этап Численное моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн Этап Численное моделирование механического действия ударных волн Рисунок 1 - Этапы метода прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок Моделирование производилось в трехмерной постановке. Для описания процесса распространения ударной волны используются представления механики сплошных сред. Определение параметров среды за фронтом ударной волны определяются по условию Ренкина-Гюгонио.

Процесс распространения детонации основан на теории детонации Зельдовича-Неймана-Деринга. Применяемое в расчетном комплексе термодинамическое моделирование детонационного процесса реализуется с использованием уравнения состояния Джонсона-Уилкинса-Ли (JWL), позволяющего с высокой точностью описывать распространение продуктов взрыва. При этом определение параметров детонационной волны осуществляется по условию Чепмена-Жуге.

Сравнительный анализ результатов численных решений задачи отражения воздушной ударной волны от жесткой поверхности с результатами использования аналитических зависимостей, полученных Станюковичем К.П., показывает, что погрешность вычислений не превышает 9 %.