Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса. Постановка задачи исследований 9
1.1 Оценка опасности резервуарных парков 17
1.2 Возможные пути повышения эксплуатационной надежности понтонов 28
Выводы по главе 1 31
2 Объект и методы исследования 33
2.1 Программы определения опасного состояния производственных объектов 35
2.2 Метод конечно-элементного анализа, используемый для определения состояния объекта 43
Выводы по главе 2 44
3 Алгоритм расчета понтона с успокоителями т-образного типа на остойчивость 45
3.1 Определение характеристик понтона с успокоителями т-образного типа 49
3.2 Определение рациональных размеров успокоителей с помощью программы остойчивости понтонов с успокоителями 56
Выводы по главе 3 63
4 Совершенствование конструкции понтонов РВС при помощи конечно-элементного анализа 64
4.1 Построение конечно-элементной модели в программном комплексе ANSYS 64
4.2 Анализ результатов, полученных при использовании программы инженерного анализа ANSYS для оценки прочности понтонов РВС с дополнительными устройствами, повышающими остойчивость 69
3 4.3 Моделирование трещины, возникшей в успокоителе т-образного типа 74
Выводы по главе 4 79
Выводы 80
Список использованных источников 82
- Возможные пути повышения эксплуатационной надежности понтонов
- Метод конечно-элементного анализа, используемый для определения состояния объекта
- Определение рациональных размеров успокоителей с помощью программы остойчивости понтонов с успокоителями
- Анализ результатов, полученных при использовании программы инженерного анализа ANSYS для оценки прочности понтонов РВС с дополнительными устройствами, повышающими остойчивость
Возможные пути повышения эксплуатационной надежности понтонов
В нашей стране ведутся активный поиск и разработка новых методов и средств сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения [17, 50, 73]. Потери от испарения наносят ущерб, исчисляемый в несколько миллиардов рублей, не считая вреда, наносимого окружающей среде [91, 92, 93]. Как показали исследования, значительные потери от испарения происходят в резервуарах [7, 68, 98]. В атмосферу уходят миллионы тонн углеводородов. Испаряются, главным образом легкие фракции [6, 52, 83, 89, 99]. Резервуары для нефти и нефтепродуктов относятся к промышленным сооружениям повышенной пожарной опасности. Резервуар с понтоном представляет собой модификацию резервуара со стационарной крышей. Понтон в виде плоской конструкции плавает на поверхности хранимой жидкости, существенно сокращая открытое зеркало испарения [8].
Использование понтонов – один из наиболее эффективных способов сокращения потерь от испарения нефти и нефтепродуктов из стальных вертикальных резервуаров [63].
Несмотря на повышенное внимание исследователей к проблемам безопасной эксплуатации РВС и достаточно большое количество как отечественных (Ф.Ф. Абузова, В.Л. Березин, И.С. Бронштейн, В.А. Буренин, В.Б. Галеев, А.Г. Гумеров, С.Г. Едигаров, М.Г. Каравайченко, В.С. Корниенко, А.А. Коршак, О.А. Макаренко, Б.В. Поповский, М.М. Сафарян, А.А. Тарасенко, В.Е. Шутов, В.Г.Шухов, Э.М. Ясин и другие), так и зарубежных (И. Виггинс, М. Ирвинг, А.Нельсон, В.Робертсон, Т. Цутому и другие) работ, вопросам безопасной эксплуатации РВС с понтонами уделяется недостаточное внимание. Согласно приводимым в литературе данным [19, 22, 77], они теряют работоспособность и могут приводить к чрезвычайным ситуациям (ЧС) и тяжелым аварийным последствиям. Систематизируя информацию, имеющуюся в научно-технической литературе [1, 3, 4, 5, 13, 20, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 40, 49, 53, 54, 55, 67, 68, 72, 74, 80, 84, 85, 86, 87, 88, 94, 95] можно сделать вывод, что одной из возможных причин, приводящих к разрушению вертикальных стальных резервуаров с понтонами (РВСП), являются неисследованные процессы, происходящие при эксплуатации резервуаров с понтонами и приводящие к накренению и заклиниванию последних.
В резервуаре со стационарной крышей (РВС) плавающий на поверхности жидкости понтон уменьшает площадь испарения, концентрацию паров в резервуаре и выброс паров в атмосферу. Благодаря использованию понтонов достигается: уменьшение потерь от испарения, соответственно и уменьшаются экономические затраты; уменьшение загрязнения атмосферы, вследствие чего достигается экологическая безопасность; предотвращение образования наружной пожаровзрывоопасной зоны у резервуара - достигается пожарная безопасность резервуара как наружной установки.
При создании мер борьбы с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов не учли отрицательное последствие этих мер - повышение взрывоопасности внутреннего газового пространства резервуара. Вертикальный стальной резервуар с понтоном (РВСП) стал самым взрывопожароопасным резервуаром на складах нефти и нефтепродуктов, так как паровоздушная смесь (ПВС) в резервуаре входит в концентрационную область воспламенения [9].
В Уфе 24.09.2010 г. произошла разгерметизация резервуара объемом 5000 м3 на территории ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод» с последующим разрушением и возгоранием остатков нефтепродукта (рисунок 1.1) [2].
Разгерметизация резервуара на ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод» в Уфе 24.09.2010 г.
Двадцать первого августа поступила информация о пожаре резервуара в промзоне ЗАО "Детэко" на Еловской горе недалеко от Ангарска в 07:08 по московскому времени. Объем горящего резервуара - 5000 м3 (рисунок 1.2). В 15:50 по московскому времени горящий резервуар разрушился под воздействием высоких температур. Возникла угроза возгорания соседнего резервуара (рисунок 1.3) [59].
Вертикальный стальной резервуар с понтоном с обычной герметизированной стационарной крышей относительно вертикального стального резервуара без понтона является более пожаровзрывоопасным объектом, так как статистическая удельная частота пожаров (на 1 резервуар в год) на резервуарах различных конструкций: на нефтеперерабатывающих заводах - РВС...0,000186, РВСП...0,000454; на объектах транспорта и распределения нефтепродуктов -РВС...0,000109, РВСП...0,000195 (рисунок 1.4) [9].
В Тарумовском районе Дагестана, примерно в 170-180 км к северу от Махачкалы, горит нефтебаза. Возгорание 04.2010 г. произошло в резервуаре объемом 5000 м3. В Куйбышевской области в 1974 г. при ремонте зависшего понтона на одной из нефтебаз произошло возгорание нефтепродукта. Пожар не мог быть локализован и перекинулся на три соседних резервуара. Аналогичный случай произошел на Ангарском НПЗ 1981 г. в результате которого была уничтожена группа резервуаров из пяти РВС-5000 с бензином [11].
Согласно данным Национальной ассоциации пожарной защиты (КРРА) США, приведённым в [8], до 1972 г. в США в резервуарных парках нефти и нефтепродуктов, не считая парки нефтехимических предприятий, произошло 1500 пожаров, при этом 50% горевших резервуаров содержали нефть, около 45% резервуаров имели стационарные конические крыши, 30% - плавающие крыши (ПК), 20% - понтоны или, по американской терминологии, внутренние плавающие крыши (ВПК). Резервуары с ВПК и ПК обладали повышенной пожарной опасностью и давали примерно половину пожаров.
По данным работ [60, 64, 81, 97] и баз данных о статистике аварий и чрезвычайных ситуаций Федеральной службы по технологическому надзору [90], МЧС России [51] и других сайтов, анализ разрушений резервуаров представлен как частная выборка из генерального статистического массива зарегистрированных случаев пожаров и аварий на резервуарах по стране за период с 1960 по 2003 гг. (рисунок 1.5). Проблема при изучении статистических данных по резервуарам заключается в том, что в большинстве случаев аварий отсутствуют записи о наличии понтона в резервуаре.
Метод конечно-элементного анализа, используемый для определения состояния объекта
Согласно данным Национальной ассоциации пожарной защиты (КРРА) США, приведённым в [8], до 1972 г. в США в резервуарных парках нефти и нефтепродуктов, не считая парки нефтехимических предприятий, произошло 1500 пожаров, при этом 50% горевших резервуаров содержали нефть, около 45% резервуаров имели стационарные конические крыши, 30% - плавающие крыши (ПК), 20% - понтоны или, по американской терминологии, внутренние плавающие крыши (ВПК). Резервуары с ВПК и ПК обладали повышенной пожарной опасностью и давали примерно половину пожаров.
По данным работ [60, 64, 81, 97] и баз данных о статистике аварий и чрезвычайных ситуаций Федеральной службы по технологическому надзору [90], МЧС России [51] и других сайтов, анализ разрушений резервуаров представлен как частная выборка из генерального статистического массива зарегистрированных случаев пожаров и аварий на резервуарах по стране за период с 1960 по 2003 гг. (рисунок 1.5).
Проблема при изучении статистических данных по резервуарам заключается в том, что в большинстве случаев аварий отсутствуют записи о наличии понтона в резервуаре.
Проведен анализ чрезвычайных ситуаций (ЧС) и аварий за период с 2006 по 2012 гг., на рисунке 1.6 представлено количество аварий, возможные причины которых – отказ понтона. 14
Статистика разрушений резервуаров за период с 2006 по 2012 гг., возможные причины которых – отказ понтона Распределение разрушившихся резервуаров по виду хранимых жидкостей Достаточно велика доля разрушившихся резервуаров с продуктами нефть и бензин (рисунок 1.7). В 2004 году произошел взрыв паровоздушной смеси в одном из резервуаров товарного парка ОАО "Уфанефтехим". В результате крыша резервуара сорвалась, загорелся остаточный продукт. Площадь, подверженная огню, составила более 400 м2 [16].
Согласно ГОСТ 31385-2008 [14] установка понтонов возможна в резервуарах с продуктами: нефть, бензин автомобильный, бензин авиационный, нефтяные растворители.
Неблагоприятная статистика пожаров стимулировала разработку более совершенной конструкции понтона и поиск безопасных условий применения понтона в резервуаре. Первое место по доле разрушенных резервуаров занимают резервуары объемом 5000 м3 (рисунок 1.8).
Относительное распределение разрушившихся резервуаров по вместимости С учетом выше сказанного наиболее актуальными являются вопросы разработки и совершенствования способов повышения безопасности стальных вертикальных резервуаров объемом 5000 м3 с понтонами. 1.1 Оценка опасности резервуарных парков
Опыт эксплуатации резервуарных парков с горючими жидкостями, а также расследования аварий на таких объектах позволяет утверждать, что производственные процессы в резервуарном парке (прием, смешение, хранение и отпуск продукции) сопряжены с опасностью выброса парообразных или жидких горючих веществ из системы и возможностью взрыва на промышленной площадке. Опасность при авариях в отделении представляет возможность образования взрывоопасных концентраций легковоспламеняющихся жидкостей [60].
На резервуары с нефтью, бензином автомобильным, бензином авиационным, а также с нефтяными растворителями устанавливаются понтоны для сокращения испарений. Кроме экономических затрат на потери нефтепродуктов от испарений, сырая нефть раздражает слизистую оболочку и кожу человека, на организм человека оказывает наркотическое действие, а при воздействии на кожу вызывает дерматиты. При остром отравлении сырая нефть повышает возбудимость, появляется тошнота, головокружение, учащенное сердцебиение. Сырая нефть может привести к потере сознания, в смеси с окислителями (воздух, кислород) способна взрываться (гореть). Бензин на организм человека, как и нефть, оказывает неблагоприятное воздействие: действует как наркотик, однократные и повторные воздействия паров вызывают функциональные изменения со стороны вегетативной нервной системы. При отравлении парами бензина в умеренных концентрациях возникают головные боли, головокружение и слабость, психическое возбуждение, беспричинная веселость, сухость во рту, тошнота, после чего наступает потеря сознания, мышечные судороги. Бензин легко воспламеняется от искр и пламени, может взрываться от нагревания. Пары бензина образуют с воздухом взрывоопасные смеси, которые могут распространяться далеко от места утечки, существует опасность взрыва газа на воздухе и в помещении, в порожних емкостях образуются взрывоопасные смеси, емкости могут взрываться при нагревании.
В Омской линейно-производственной диспетчерской службе ОАО «Сибтранснефтепродукт» 24.02.1999 г. во время слива бензина из резервуара объемом 5000 м3 произошло возгорание бензина с последующим взрывом.
Таким образом, приходим к выводу, что понтоны в резервуарах необходимо устанавливать не только для сокращения потерь от испарения нефти и нефтепродуктов, но и для защиты рабочего персонала от неблагоприятного воздействия паров нефти и нефтепродуктов.
Рассмотрим возможные сценарии развития аварий в резервуарном парке с последующим образованием пожаров разлития или горящей гидродинамической волны прорыва, выделив следующие группы сценариев:
Разрушение резервуара с полным истечением нефти, при наличии в начальный момент времени источника воспламенения, возникновение пожара разлития (рисунок 1.1.1);
Полное разрушение резервуара истечение нефти при наличии в начальный момент времени источника зажигания воспламенение нефти возникновение пожара разлития формирование горящей гидродинамической волны прорыва гидродинамическое и тепловое воздействие горящей нефти на соседние резервуары и обвалование разлив горящей нефти на прилегающей территории (эффект «Домино») воздействие открытого пламени и теплового излучения на персонал и объекты.
Определение рациональных размеров успокоителей с помощью программы остойчивости понтонов с успокоителями
При аварийной ситуации возможно сочетание взрыва парогазовой фракции (ПГФ), возгорания и пожара разлития.
Сгорание парогазового облака в виде “огненного шара” не рассматривалось из-за небольшого количества образующейся парогазовой фазы.
Ситуационный план наиболее опасного сценария приведен на рисунке 1.1.8. Краткое описание сценария аварии: Полная разгерметизация резервуара №104, содержащего бензин в резервуарном парке. Основные исходные расчетные данные: 1. Сценарий С1: основной поражающий фактор – ударная волна от взрыва газовоздушной смеси. Расчет зон действия поражающих факторов проведен по ПБ 09-540-03 [58]. Количество вещества, участвующего в аварии: 2738178 кг. Воздействие ударной волны: 1279,3 кг.
Величины зон действия основных поражающих факторов от воздействия ударной волны: Полные разрушения R1 = 68,4 м; Сильные разрушения R2 = 100,8 м; Средние разрушения R3 = 172,8 м; Слабые разрушения R4 = 504 м; Расстекление R5 = 1008 м. Категория взрывоопасности I (с учетом класса опасности вещества). 2. Сценарий С2: основной поражающий фактор - тепловое воздействие “огненного шара”.
Расчет проведен по ГОСТ Р 12.3.047-98 [15]. Количество вещества, участвующего в аварии: 2738178 кг. Воздействие огненного шара: 12793 кг.
Расстояние, при котором человек получает ожоги III степени: R (3,2105 Дж) – 66 м. 3. Сценарий С3: основной поражающий фактор - тепловое воздействие “пожара пролива”. Расчет проведен по ГОСТ Р 12.3.047-98 [15]. Количество вещества, участвующего в аварии 2738178 кг. Количество вещества, участвующего в создании «пожара пролива»: 910224 кг. Граница расстояния, безопасного для человека в брезентовой одежде: Rбез.(4,2 кВт/м2) – 63 м.
Для снижения последствий аварий в резервуарных парках на предприятиях применяются следующие мероприятия: - блокирование аварийной аппаратуры; - дыхательная арматура с огневыми предохранителями; - на резервуарах установлены датчики предельного взлива, для предотвраще-ния перелива резервуара включается световая и звуковая сигнализация на экране компьютера; - возможность освобождения аппарата в другой – свободный; - для минимизации площади розлива в резервуарном парке предусматри-вается обвалование; - стационарная система пенотушения пожара воздушно-механической пеной средней кратности. На резервуарах установлены датчики-извещатели, которые срабатывают при возникновении температуры 120 С в резервуарах. От датчика сигнал поступает соответственно в операторные и диспетчеру. Срабатывает световая и звуковая сигнализация на пультах пожарной сигнализации ППС-1 находящихся в операторных, участка резервуарного парка (РП) и товарной группы; - наличие первичных средств пожаротушения и средств, предназначенных для проведения аварийно-спасательных и других неотложных работ (АСДНР) по ликвидации аварии: в резервуарном парке устанавливаются ящики с песком, кольца орошения для охлаждения резервуаров на время пожара, а также пожарные гидранты; - стоки от парка резервуаров попадают в нефтеловушку товарного производства. Также для снижения вероятности возникновения аварий необходимо: - качественно проводить планово-предупредительные ремонты; - проводить проверки средств контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА) и противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ) согласно нормативным документам; - проводить проверки навыков обслуживающего персонала по приведению в действие запорной арматуры; - дооснащать нештатные аварийно-спасательные формирования (НАСФ). Возможные пути повышения эксплуатационной надежности понтонов
Для надежной эксплуатации вертикальных стальных резервуаров с понтонами необходимо выполнять требования ГОСТ 31385-2008 [14].
Необходимо рассчитывать понтон таким образом, чтобы в состоянии на плаву или на опорных стойках он мог безопасно удерживать, по крайней мере, двух рядом стоящих человек (2 кН), которые перемещаются в любом направлении; при этом понтон не должен разрушаться, а продукт не должен поступать на поверхность понтона.
Идея возможности применения успокоителей качки типа килей впервые была предложена В.В. Семеновым–Тян–Шанским, позже экспериментально проверена в опытном бассейне Ленинградского кораблестроительного института (ЛКИ) в 1957 г. и дала положительный результат.
Рассмотрим патент на разработаннную конструкцию плавающего покрытия с устройством для обеспечения остойчивости [56]. Задачей изобретения является повышение надежности в работе резервуара за счет
Анализ результатов, полученных при использовании программы инженерного анализа ANSYS для оценки прочности понтонов РВС с дополнительными устройствами, повышающими остойчивость
Сравнивая рисунки 3.2.1, 3.2.2 и 3.2.3, можно сделать вывод о том, что восстанавливающий момент значительно увеличивается при увеличении ширины и высоты крепления успокоителя, при увеличении длины успокоителя восстанавливающий момент увеличивается незначительно.
На рисунке 3.2.4 представлена диаграмма восстанавливающего момента: ряді - понтон без успокоителей; ряд2 - понтон с успокоителями согласно полезной модели; рядЗ - понтон с успокоителями, согласно изобретению (рисунок 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3).
При исследовании успокоителя т-образного типа была выведена зависимость высоты успокоителя от возникающих в конструкции напряжений, длина и ширина крепления при этом остаются величинами постоянными, равными соответственно 6 м и 2 м (рисунок 3.2.5). МВ, Зависимость возникающих в конструкции напряжений от высоты успокоителя т-образного типа Также была выведена зависимость ширины успокоителя от возникающих в конструкции напряжений, длина и высота крепления при этом остаются величинами постоянными, равными соответственно 6 м и 0,5 м (рисунок 3.2.6).
Зависимость возникающих в конструкции напряжений от ширины успокоителя т-образного типа
Из рисунка 3.2.6 видно, что при высоте крепления успокоителя 0,5 м и длине 6 м предпочтительнее ширина 2 м.
Аналогично в программном комплексе ANSYS были просчитаны различные варианты успокоителей, в результате было выявлено, что при высоте крепления успокоителя 0,15 м и длине 6 м предпочтительнее ширина успокоителя 3 м.
Для того, чтобы выявить какой из двух вариантов успокоителей наиболее выгоден, в программе, разработанной с помощью программного комплекса Turbo Pascal, проводились вычисления, результат которых представлен на рисунке 3.2.7. Рисунок 3.2.7 – Диаграмма восстанавливающего момента: ряд1 – понтон с успокоителями с шириной 2 м, длиной 6 м и высотой крепления 0,5 м; ряд2 – понтон с успокоителями с шириной 3 м, длиной 6 м и высотой крепления успокоителей 0,15 м
Из рисунка 3.2.7 видно, что наиболее выгодным вариантом успокоителя, выполненного из стали марки 09Г2С для резервуара 5000 м3 является успокоитель с шириной 2 м, длиной 6 м и высотой крепления 0,5 м.
Величина восстанавливающего момента плавающего покрытия с устройством, уменьшающим возможность возникновения накренения и заклинивания понтона в резервуаре увеличивается на 100% (рисунок 3.2.8).
1. Разработан алгоритм расчета понтона с успокоителями т-образного типа на остойчивость для уменьшения накренения понтона, благодаря которому решена задача определения наиболее рациональных размеров успокоителей.
2. Получены зависимости восстанавливающего момента от длины, ширины и высоты крепления успокоителя. Восстанавливающий момент значительно увеличивается при увеличении ширины и высоты крепления успокоителя, при увеличении длины успокоителя восстанавливающий момент увеличивается незначительно. Получены зависимости возникающих в конструкции напряжений от высоты и ширины успокоителя.
3. Получена диаграмма восстанавливающего момента для понтона с успокоителями и без успокоителей. Величина восстанавливающего момента плавающего покрытия с устройством, уменьшающим возможность возникновения накренения и заклинивания понтона в резервуаре увеличивается на 100%.
4. Наиболее выгодным вариантом успокоителя, выполненным из стали марки 09Г2С для резервуара 5000 м3 является успокоитель с шириной 2 м, длиной 6 м и высотой крепления 0,5 м.
