Введение к работе
Актуальность
В настоящее время к объектам нефтегазовой отрасли проявляют все больший интерес. Это связано с тем, что количество аварий, заканчивающихся взрывами и приводящих к поражению персонала и оборудования увеличивается, а также с постоянным ужесточением требований по обеспечению безопасности промышленных объектов. Это привело к тому, что резко возросла потребность в создании новых и усовершенствовании существующих методов и способов повышения безопасности эксплуатации оборудования, а также обеспечения защищенности обслуживающего персонала.
На предприятиях нефтегазовой отрасли и нефтехимии обращается значительное количество пожаро- и взрывоопасных веществ, которые способны образовывать взрывоопасные облака, несущие потенциальную опасность. Необходимо оценивать создаваемую ими реальную угрозу в случае возникновения аварийной ситуации, а также иметь возможность прогнозировать воздействие ударной волны на оборудование и разработать ряд мер для обеспечения взрывобезопасности.
Помимо вышеуказанного, многие объекты нефтегазовой отрасли проектировались и возводились в 60-70х годах XX века, когда требования к обеспечению безопасности и защищенности персонала были существенно ниже существующих. После проведения экспертизы промышленной безопасности было установлено, что для обеспечения защищенности данных объектов на современном уровне требуется возведение специальных защитных устройств в условиях существующей плотной застройки предприятий нефтегазовой отрасли.
В этой связи актуальной становится проблема повышения устойчивости оборудования, зданий и сооружений путем разработки конструкции устройства защиты от действия ударной волны.
Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6 Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 7 Разработка технических средств защиты людей от пожаров и производственного травматизма; 9 Исследование процессов протекания аварий, условий их каскадного и катастрофического развития, разработка методов оценки различных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий на нефтегазовых объектах.
Целью диссертационной работы является повышение защищенности объектов высокой важности (зон размещения персонала, оборудования) от воздействия ударных волн применением нового типа защитного устройства на предприятиях нефтегазовой отрасли в условиях существующей плотной застройки пространства территории предприятия, а также обеспечением метода определения его эффективности.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
-
Анализ потенциально опасных зон на предприятии; определение предельных значений параметров ударных волн, которые могут появиться в случае возникновения чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли.
-
Создание метода построения численной модели поведения защитного устройства и его конструктивных элементов под действием ударной волны.
-
Создание конечно-элементной модели взаимодействия ударной волны с защитным устройством.
-
Решение полностью связанной задачи «прочность-газодинамика» воздействия ударной волны на защитное устройство с помощью программного комплекса SIMULIA Abaqus.
-
Проведение численных экспериментов, позволяющих определить зависимость конструктивных параметров защитного устройства от различных
параметров ударной волны, с целью минимизации избыточного давления, приходящегося на защищаемый объект.
Объект исследования:
Техническое средство, обеспечивающее защиту персонала и оборудования на объектах нефтегазовой отрасли от воздействия ударной волны.
Методы исследования:
В качестве основного теоретического метода был выбран метод численного моделирования связанных задач газодинамики и прочности, позволяющий учитывать методы и уравнения механики твёрдого деформируемого тела, механики сплошных сред и теории ударных волн.
Имитационное моделирование взаимодействия ударной волны с защитным устройством производилось на основе метода связанных прочностных и газодинамических расчётов Coupled Euler Lagrange.
Научная новизна
-
Создан метод построения численной модели анализа поведения защитных конструкций под действием ударной волны и определения их эффективности. Решена полностью связанная задача воздействия ударной волны на защитное устройство, учитывающая изменения параметров обтекания устройства в зависимости от степени его деформирования или разрушения.
-
Впервые на основе численного моделирования предложен и обоснован тип защитной конструкции, представляющей из себя стальную сварную ячеистую перегородку, в каждую ячейку которой установлен элемент-гаситель, состоящий из набора особым образом расположенных листов, образующих канал типа «гребенка». Данная защитная конструкция обеспечивает безопасность персонала и оборудования объектов нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.
-
Определены конструктивные параметры гасителя защитного устройства в зависимости от значения избыточного давления и профиля ударной волны для
случая дефлаграции. Определены конструктивные параметры и номограмма расположения защитного устройства относительно защищаемого объекта.
На защиту выносятся
-
Конструкция защитного устройства, обеспечивающего безопасность оборудования и персонала нефтегазовой отрасли от воздействия ударных волн.
-
Метод построения численной модели анализа поведения защитных устройств под действием ударной волны и определения их эффективности.
-
Численные модели воздействия ударной волны на защитное устройство.
-
Номограммы зависимости эффективности защитного устройства от его конструктивных параметров.
Практическая ценность
Разработано техническое устройство для защиты обслуживающего персонала от производственного травматизма.
Создан метод построения численной модели воздействия ударной волны на сооружения, находящиеся на территории объектов эксплуатации нефтегазовой отрасли, который можно использовать при проектировании новых защитных устройств, при реконструкции и оценке состояния защищенности уже существующих объектов.
Создана параметрическая конечно-элементная модель взаимодействия ударной волны и защитного устройства.
Достоверность проведенных исследований
Достоверность исследований обеспечивается используемой в них нормативной базой; соответствием результатов расчета изначально наложенным ограничениям; обоснованными современными расчетными методами, а также высокой степенью соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов, полученных путем решения задач верификации.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (г. Москва, 2010, 2011 г.), 64-ой научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов (Уфа, 2013 г.), VII-ой научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2013 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 8 статьях и 1 тезисе, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований и приложения, содержит 162 страницы, включая 29 рисунков и 35 таблиц.
