Обеспечение защищенности обслуживающего персонала установок нефтеперерабатывающих предприятий от воздействия ударной волны

В-настоящее время 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 образомчтобы влияние на окружающую среду и человека было минимальным. При этом основное внимание должно быть уделено повышению уровня безопасности на производстве.

Тем не менее, цели, ставящиеся перед нефтеперерабатывающей промышленностью в’условиях современной жизни, несомненно, приводят к увеличению" количества аварийных ситуаций и, как следствие, к росту ущерба и ухудшению состояния окружающей среды. Тенденции развития! рынка приводят к увеличению объема переработки нефти и к уменьшению площади^ территории установок.

Аварии на объектах нефтепереработки, сопровождающиеся взрывными превращениями, обладают наиболее тяжелыми последствиями для обслуживающего персонала и технологических сооружений. Поэтому для оценки создаваемой взрывами реальной опасности должны применяться методы прогнозирования, адекватно описывающие развитие аварийной ситуации.

Актуальность темы

исследования.

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.

Основное направление работы заключается в решении задач по прогнозированию распространения ударных волн и оценке напряжено-деформированного состояния конструкций при действии динамических нагрузок, имеющих существенное значение для соответствующей области знаний при разработке защиты объектов технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий с целью повышения их взрывоустойчивости.

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 опера} * торного 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 130 603 «Оборудование нефтегазопере-работки» и направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.

Методы исследований. Теоретические исследования построены на методах и уравнениях механики сплошных сред, теории детонации, теории ударных волн и теории динамики железобетонных конструкций. Поставленные задачи решались с использованием программных пакетов Ansys и Abaqus.

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. Е., Доломатова М. Ю., Едигарова А. С., Каца М. И., Козлитина A.M., Котляревского В. А., Кузеева И. Р., Ларионова В. И., Лисанова М. В., Садовского М. А., Сафонова B.C., Таубкина И. С., Хусниярова М. Х. и ряда других крупных специалистов.

Значительный вклад в развитие теории ударных и детонационных волн внесликрупные ученые и специалисты: Гриб А. А., Жуге Е., Зельдович Я. Б., Ландау Л. Д., Михельсон А. В., Орленко Л. П., Селиванов В: В., Соловьев. B.C., Станюкевич К. П., Харитон Ю. Б., Чепмен Д.Л.

Теория динамики железобетонных конструкций получила развитие в трудах крупных российских ученых: Бакирова P.O., Белоброва И. К., Белова Н. Н., Жарницкого В. И., Забегаева А. В., Карпенко Н. И., Котляревского В. А., Майорова В. И., Плевкова B.C., Попова Г. И., Попова Н. Н., Расторгуева Б. С., Саргсяна А. В., Яшина А.В.и др.

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).

Соискатель выражает благодарность Тляшевой P.P., кафедре «Машины и аппараты химических производств» ГОУ ВПО «УГНТУ» за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.

Общие выводы.

1 Анализ результатов расследования аварий на опасных производственных объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности показывает, что аварии, сопровождающиеся взрывными превращениями, влекут за собой наиболее тяжелые последствия для обслуживающего персонала и технологических сооружений.

2 Стандартные методики оценки воздействия ударной волны на объекты были разработаны, когда отсутствовали высокопроизводительные компьютеры, и основаны 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.

3 Сформулирована и решена задача воздействия ударной волны, на объ. ек-ты технологических установок с использованием численных методов расчета. Для оценки реальной опасности объектов установок предложен метод прогнозирования действия ударной волны, учитывающий реальную застройку и месторасположение источника взрыва.

4 Результаты решения численными методами тестовых задач, связанных с • воздействием взрыва на объекты, хорошо согласуются с результатами, полученными при использовании аналитических зависимостей, что иллюстрирует адекватность применяемых математических моделей.

5 Получены зависимости изменения величины избыточного давления на элементы объекта во времени при нагружении ударной волной, определяющие напряженно-деформированное состояние конструкций.

6 Оценка последствий аварийного взрыва для типовой установки ЭЛОУ-АВТ показала, что реализация аварийной ситуации приведет к разрушению операторного здания, не обладающего достаточной взрывоустойчивостью. Поэтому с целью обеспечения безопасности находящегося в здании персонала и сохранности объектов установки необходимо использование защитных устройств, позволяющих снижать влияние поражающих факторов.

7 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. Определено соотношение конструктивных размеров, тип конструкции и расположение защитного устройства по предложенному алгоритму, в котором параметром оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.

8 Результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе при чтении курса по дисциплине «Методы математического моделирования оптимального расположения оборудования технологических установок» по специальности 130 603 «Оборудование нефтегазопереработки» и направлению 150 400 «Технологические машины и оборудование», а также рекомендуются к применению для оценки последствий воздействия ударных волн при взрывах, когда требуется реалистичное прогнозирование.