Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Техногенные аварии в нефтегазовой отрасли 6
1.1 Статистика по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли 6
1.2 Ущерб от последствий техногенных аварий в нефтегазовой отрасли 11
1.3 Методы анализа причин возникновения аварий в нефтегазовой отрасли 17
1.4 Характерные особенности развития аварий на предприятиях нефтехимпереработки 22
Выводы по главе 29
Глава 2 Моделирование деформирования колонных аппаратов в неравномерном температурном поле 30
2.1 Описание аварии на установке АВТ-2 30
2.2 Расчетная схема и особенности моделирования методом конечных элементов 38
2.3 Результаты моделирования 52
Выводы по главе 59
Глава 3 Моделирование процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре 60
3.1 Описание аварии на установке АВТМ-9 61
3.2 Расчетная схема и особенности моделирования процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре 66
3.3 Результаты моделирования деформирования линзового компенсатора в рабочих условиях и при аварии 69
3.4 Учет влияния накопления повреждений в конструкционном материале на разрушение при аварии 73
Выводы по главе 79
Глава 4 Разработка алгоритма анализа причин разрушения аппаратов 80
4.1. Влияние структурных факторов на механические свойства и развитие процессов разрушения ферритно-перлитных сталей 83
Выводы по главе 93
Общие выводы 94
Список использованной литературы 96
- Ущерб от последствий техногенных аварий в нефтегазовой отрасли
- Расчетная схема и особенности моделирования методом конечных элементов
- Расчетная схема и особенности моделирования процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре
- Учет влияния накопления повреждений в конструкционном материале на разрушение при аварии
Введение к работе
На производственных площадях химических и нефтеперерабатывающих предприятий сосредоточены большие массы взрывоопасных и токсичных продуктов, обладающих большой потенциальной опасностью. Предприятия нефте-химпереработки, на которых перерабатываются, получаются и хранятся взры-во- 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
Сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.
Моделирование процесса деформирования колонных аппаратов и обвязки при развитии пожара.
Определение алгоритма анализа развития аварийных ситуаций.
Научная новизна
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 ВСтЗсп, 09Г2С, 15Х5М, 12Х18Н1 ОТ, предшествующие разрушению.
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 поРБ;
принят к использованию экспертно-производственным центром ЭПЦ «Трубопроводсервис» при разработке планов ликвидации аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазопереработки.
По теме диссертации опубликовано 4 работы (общим объемом 1,4 печатного листа). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях.
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, 104 страниц текста, 15 таблиц, 24 рисунков, 92 источников использованной литературы.
Ущерб от последствий техногенных аварий в нефтегазовой отрасли
Согласно [5] ущерб от последствий техногенных аварий определяется как потери некоторого субъекта или группы субъектов части или всех своих ценностей.
В соответствии с постановлением коллегии Госгортехнадзора России от 25.07.2000 № 4 разработаны РД 03-496-02 «Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасном производственном объекте», который устанавливает общие положения и порядок количественной оценки экономического ущерба от аварий на опасных производственных объектах, подконтрольных Госгортехнадзору России. Методические рекомендации предназначены для количественного определения ущерба от аварий, происходящих на опасных производственных объектах, и устанавливают общие положения и рекомендации по порядку оценки ущерба от аварий на опасных производственных объектах.
Оценка ущерба от аварий на опасных производственных объектах является основой для: - учета и регистрации аварий по единым экономическим показателям; - оценки риска аварий на опасных производственных объектах; - принятия обоснованных решений по обеспечению промышленной безопасности; - анализа эффективности мероприятий, направленных на снижение размера ущерба от аварий. Структура ущерба от аварий на опасных производственных объектах, как правило, включает: - полные финансовые потери организации, эксплуатирующей опасный производственный объект, на котором произошла авария; - расходы на ликвидацию аварии; - социально-экономические потери, связанные с травмированием и гибелью людей (как персонала организации, так и третьих лиц); - вред, нанесенный окружающей природной среде; - косвенный ущерб и потери государства от выбытия трудовых ресурсов. При оценке ущерба от аварии на опасном производственном объекте за время расследования аварии (10 дней), как правило, подсчитываются те составляющие ущерба, для которых известны исходные данные. Окончательно ущерб от аварии рассчитывается после окончания сроков расследования аварии и получения всех необходимых данных. Составляющие ущерба могут быть рассчитаны независимо друг от друга. Ущерб от аварий на опасных производственных объектах может быть выражен в общем виде формулой [5,6]: где П0.ф - потери предприятия в результате уничтожения (повреждения) основных фондов (производственных и непроизводственных), руб.; Пш.ц - потери предприятия в результате уничтожения (повреждения) товарно-материальных ценностей (продукции, сырья и т.п.), руб.; Пим - потери в результате уничтожения (повреждения) имущества третьих лиц, руб. Поврежденными считаются материальные ценности (здания, сооружения, оборудование, продукция, личное имущество и т.д.), которые в результате ре-монтно-восстановительных работ после аварии могут быть приведены в состояние, позволяющее их использовать по первоначальному функциональному назначению. В противном случае они считаются уничтоженными. Затраты на локализацию (ликвидацию) и расследование аварии, Пла, можно определить по формуле где Пл - расходы, связанные с локализацией и ликвидацией последствий аварии, руб.! Пр - расходы на расследование аварии, руб.
Социально-экономические потери, Псэ, можно определить как сумму затрат на компенсации и мероприятия вследствие гибели персонала, Дг.п, и третьих лиц, Пгт.л, и (или) травмирования персонала, Птп, и третьих лиц, J-J-т.т.л:
Косвенный ущерб, Пн.в, вследствие аварий рекомендуется определять как часть доходов, недополученных предприятием в результате простоя, Пн П5 зарплату и условно-постоянные расходы предприятия за время простоя, Пзп, и убытки, вызванные уплатой различных неустоек, штрафов, пени и пр., Пш, а также убытки третьих лиц из-за недополученной ими прибыли
Расчетная схема и особенности моделирования методом конечных элементов
Автор поставил задачу с применением метода конечных элементов (МКЭ) смоделировать деформирование колонного аппарата в процессе горения и определить условия, при которых произошло его падение. Был выбран метод конечных элементов, как один из наиболее общих методов решения инженерных задач. Метод конечных элементов, разработанный на основе матричных методов расчёта механических конструкций, рассматривается как способ решения задач, описываемых уравнениями математической физики в частных производных. Он служит для моделирования механических, тепловых и электрических задач. Большую часть уравнений в частных производных, описывающих физические явления, можно объединить в три больших класса, каждый из которых описывает достаточно частный тип явления: - эллиптическое уравнение Уравнения эллиптического типа возникают в задачах потенциального типа, встречающихся при изучении стационарных режимов в электротехнике, механике (деформация твёрдых тел, лапласовское течение жидкости или газа) и теплотехнике (распределение температур). Метод конечных элементов базируется скорее на интегральной формулировке анализируемого явления, нежели на дифференциальной форме, которую представляют уравнения в частных производных. Эта интегральная формулировка может быть вариационного типа (если это возможно) или проекционного типа (метод Галёркина). Вариационное представление интеграла в общем случае является соответствующим функционалом вида (2.4), построенным на принципе Гамильтона и выражающим уравнение Эйлера где Ф - непрерывная функция трёх переменных х, у, t с непрерывными первыми производными; u(t) - дифференцируемая функция, делающая экстремальным интеграл При расчёте трубы с дефектом принимается, что его элементы при нагру-жении будут упруго деформироваться. Согласно теореме о полной потенциальной энергии, при состоянии устойчивого равновесия допускаются такие кинематические перемещения, удовлетворяющие условиям равновесия, которые минимизируют полную потенциальную энергию и наоборот. В терминах классических законов механики это выразиться как где а — тензор напряжения; є - тензор деформаций; Е — матрица коэффициентов упругости Ее где D - матрица дифференциальных операторов; и - поле перемещений; где JLX - коэффициент Пуассона. Матрица (2.8) может быть преобразована в матрицу жесткости Геометрические линейные уравнения Коши По теореме о потенциальной энергии (W), функции перемещения равновесных систем минимизируют функционал где Su - часть поверхности, где нет деформаций. В интегральном представлении решение, полученное минимизацией функционала, является решением исходной дифференциальной задачи. Однако получение точного решения является одинаково сложным как в интегральном, так и в дифференциальном представлении.
Поэтому решение задачи осуществляется приближённо и представляется в виде линейной комбинации известных независимых функций, математические операции с которыми не вызывают осложнений. Функция будет аппроксимироваться на каждом элементе полиномом определённого порядка на всей области Q. Тогда искомая функция и будет являться комбинационным приближением и в каждом узле разбиения; Nj - функции формы конечного элемента. Если функция и аппроксимируется такой функцией и , то функционал становится единственной функцией коэффициентов U], иг,..., UNN- Необходимое условие экстремальности (которое в большинстве случаев является условием минимизации) записывается в виде которое является системой из NN алгебраических уравнений с NN неизвестными коэффициентами щ, щ, ..., UNN- Решение этой системы даёт аппроксимирующую функцию и во всей области. В общем случае вектор полной деформации {є}, характеризующий деформированное состояние в точке трубы, можно представить в виде суммы векторов упругой {єе}, температурной {&г} и пластической {єр} деформаций Вектор приращений полной деформации {Ає} в процессе приращения на-грузки может быть определен аналогично в виде суммы векторов приращений соответствующих деформаций Связь между компонентами вектора приращений пластической деформации {Аєр} и напряжениями устанавливаются уравнениями теории течения [38 -41]. Использование теории течения предполагает пошаговый алгоритм решения задачи. В этом случае уже не удается произвести расчет напряженно-деформированного состояния сразу при величине интересующей нас нагрузки (Рраб). Расчет должен производиться по этапам нагружения, то есть, нагрузка увеличивается малыми шагами АР с величины Рт до величины Рраб. Здесь Рт -это нагрузка, соответствующая появлению первых пластических деформаций в конструкции. Значение векторов пластической деформации {єр}, накопленной к концу N-1 этапа нагружения. Такой подход соответствует методу дополнительных деформаций [50], согласно которому значение полных деформаций после N-ro этапа нагружения определяют следующим уравнением
Расчетная схема и особенности моделирования процесса деформирования и разрушения обвязки колонных аппаратов при пожаре
Моделирование аварийной ситуации, связанной с разрывом компенсатора проводим с применением МКЭ. Расчет вели по схеме, в рамках которой аппарат с опорной обечайкой заменялся цилиндрической оболочкой с реальными диаметром и высотой. 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=41,51 м, диаметром D=4,998 м и толщиной стенки 18 мм, трубопро вод диаметром 720мм толщиной стенки 5 = 9мм, компенсатор диаметром 1000-720мм длиной 0,4 м толщиной стенки 5 = 4мм (рис. 3.3.).
В расчетах также применяли коэффициент теплопроводности; коэффициент линейного расширения; коэффициент Пуассона.
Колонна была разбита на конечные элементы который в рамках КК «ANSYS» имеет название «Shell 43» (рис. 3.4.), 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. Используемый вариант дискретизации заключался в построении «свободной» сетки конечных элементов с автоматическим улучшением формы этих элементов. Для всех линий модели (ограничивающих и разделяющих подповерхности) вводилась равномерная аппроксимация. Дискретизация проводилась четырехугольными элементами.
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 к колонне были приложены температурные нагрузки: температура tl, приложенная к основанию цилиндра и к половине стенки цилиндра (рис. 3.5.), и температура t2, приложенная к противоположному основанию к другой половине стенки цилиндра к трубопроводу и компенсатору (рис. 3.6.).
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 tl и t2 цилиндрическая оболочка деформируется (рис. 3.7.), причем при расчетах напряженно-деформированного состояния сохраняли постоянной 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.
Сравнение результатов расчета проводилось по максимальному эквивалентному напряжению ськв, определяемому по формуле:
Представлены результаты влияния структурных факторов на механические свойства стали в зависимости от вида дислокационной структуры. Установлено, что у образцов с фрагментированной структурой ферритно-перлитной стали значение пределов текучести и прочности заметно выше, по сравнению с другими дислокационными структурами, а значения ударной вязкости и максимального относительного удлинения образцов заметно ниже. Приведены результаты влияния дислокационной структуры на развитие процессов разрушения.
В настоящее время остро встает вопрос о безопасной эксплуатации вертикальных стальных резервуаров (РВС). Для решения этого вопроса необходимо иметь не только данные технической диагностики и напряженно-деформированного состояния, определяемого условиями внешней среды и геометрией объекта исследования, но и результаты структурного состояния стали, от которого зависят механические свойства и развитие процессов разрушения.
Современные методы технической диагностики позволяют обнаруживать многие дефекты, учитывать наличие этих дефектов при расчетах на прочность и устойчивость. Однако до сих пор нет надежных методик, позволяющих провести оценку остаточного ресурса длительно эксплуатируемых РВС. Отчасти это можно объяснить не только сложностью решаемого вопроса, но и недостатком экспериментальных знаний о механизмах релаксации внутренних напряжений, возникающих в процессе длительной эксплуатации стали, определяющих механические свойства и развитие процессов разрушения. Исследование этих вопросов представляется актуальной задачей и вызвано не только научным, но и практическим интересом, поскольку открывается возможность разработки методики остаточного ресурса РВС с учетом реальных структурных факторов.
В качестве материала исследования были взяты образцы ферритно-перлитной стали БСтЗсп с различной дислокационной структурой: исходной, ячеистой и фрагментированной с «ножевыми» границами.
Проведенные механические испытания на одноосное растяжение при комнатной температуре с начальной скоростью деформации 3x10" с", позволили установить различия механических свойств исследуемых образцов (таблица 4.1).
Из таблицы видно, что наиболее высокие значения механических свойств наблюдаются в образцах стали с фрагментированной структурой. По результатам механических испытаний на изгиб (таблица 1) заметно, что значения ударной вязкости в образцах с «ножевыми» границами существенно (более чем в 2 раза) ниже в сравнении с аналогичными данными испытаний с другой дислокационной структурой.
Таким образом, результаты механических испытаний стали БСтЗсп позволили установить влияние предварительной малоцикловой деформации на значения ударной вязкости и механических свойств при растяжении. Рассмотрим возможные причины влияния структурных изменений при малоцикловой деформации на механические свойства стали БСтЗсп при испытаниях на растяжение и ударный изгиб с позиций зарождения и взаимодействия дислокаций и их коллективных форм движения.Таблица 4.1.
Учет влияния накопления повреждений в конструкционном материале на разрушение при аварии
Вторая составляющая напряжения в данном выражении обусловлена междислокационным взаимодействием. Вызванное им торможение дислокаций возрастает в процессе деформации. Уровень (Тр при деформации не изменяется, но это напряжение может влиять на деформационное упрочнение, изменяя интенсивность междислокационных взаимодействий: увеличение сЬ приводит к уменьшению вероятности контактного взаимодействия дислокаций со всеми вытекающими отсюда последствиями для упрочнения кристалла. Из формулы (4.1) видно, что с увеличением плотности дислокаций в объеме зерен должна возрастать и запасенная упругая энергия (действующие напряжения). С последующим увеличением числа циклов все большее количество зерен подвергается пластической деформации. Плотность дислокаций в отдельных, благоприятно ориентированных зернах, достигает предельных величин, что обуславливает возникновение на их границах со смежными зернами значительных поворотных моментов, приводящих к развитию зернограничного проскальзывания, сопровождающегося аккомодационным дислокационным скольжением. В то же время в объеме таких зерен проявляются коллективные эффекты эволюции ансамблей сильнодействующих дислокаций, вызывающих ротационные моды пластичности, носителями которых являются частичные дисклина-ции (оборванные субграницы) [87]. Результатом движения частичных дискли-наций является появление ячеистой структуры. Другими словами, релаксация упругих напряжений в объеме зерен происходит путем перестройки дислокационной структуры в ячеистую. Результатом такой перестройки является снижение действующих напряжений как при растяжении, так и при испытаниях на ударную вязкость (см. таблицу 4.1).
В случае появления фрагментированной структуры с «ножевыми» границами с большими углами разориентировок, при деформации на растяжение наблюдается значительное повышение механических свойств (ав и а0 2). Известно [88, 89], что при совершенной субзеренной структуре и наличии значительной разориентировки вклад границ субзерен в упрочнение можно учитывать, как вклад границ зерен. Тогда, согласно[88, 89], для феррито-перлитных сталей он может достигать 30-40 %. Однако в нашем случае увеличение предела прочности не превышает 18 %. Наблюдаемые отличия в результатах расчета и полученных экспериментальных данных можно понять, если принять во внимание результаты электронно-микроскопических исследований.
Действительно при деформации на растяжение, с одной стороны, происходит значительное накопление дислокаций вблизи «ножевых» границ, являющихся эффективными барьерами для их движения. А повышение плотности дислокаций, очевидно, приводит к повышению уровня напряжений. В результате значения механических свойств повышаются, что и наблюдается экспериментально.
Рассмотрим особенности строения микрорельефа поверхности разрушения образцов стали с различной дислокационной структурой после испытаний на ударный изгиб. На рисунке 4.2 представлены типичные примеры микрорельфа поверхности изломов исследуемой стали после ударного разрушения образцов при комнатной температуре. Фрактографический анализ поверхности излома стали после испытаний на ударный изгиб позволил установить характерные особенности влияния внутренних границ раздела в ферритных зернах на микрорельеф поверхности разрушения. Отметим, что для всех образцов, независимо от структуры границ, характерно наличие вязкого излома, рельеф которого образуется совокупностью отдельных ямок. Диаметр ямок колеблется от 2 до 12 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластической деформации на изломе в зоне макроотрыва достигает нескольких микрометров. На поверхности разрушенных перемычек видны линии скольжения, образующиеся при пластической деформации перед разрушением. На «стенках» ямочного излома наблюдаются области, не имеющие характерных особенностей структуры. Отметим, что глубина ямок и их размер зависят от структуры. Так, при ударном разрушении на поверхности разрушения образцов с ячеистой структурой глубина ямок значительно больше, чем в образцах с исходной структурой и содержащих «ножевые» границы. Это указывает на большую пластическую деформацию в локальных участках образцов с ячеистой структурой. Особо важным результатом, обнаруженным при разрушении образцов с «ножевыми» границами, является появление признаков, характерных для хрупкого излома - фасетки скола и ручьевой узор (см. рис. 4.2, б).
Отметим, что при исследовании микрорельефа поверхности разрушения образцов, подвергнутых предварительной циклической деформации по схеме одноосного растяжения, характерных признаков хрупкого излома обнаружено не было (рису-нок4.3.). Однако отмечаются характерные различия в строении микрорельефа поверхности разрушения. Во-первых, глубина ямок после 30000 циклов предварительной деформации выше, чем после 100000 циклической деформации. Во-вторых, отмечается некоторая полосчатость разрушения, а длина микротрещин ямочного отрыва значительно больше, чем после 30000 циклов. Отмечаются участки, в которых отсутствуют характерные особенности структуры.
