V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Чтобы показать разрушающее воздействие того или иного стихийного бедствия необходимо рассмотреть комплекс эксплуатационных факторов, действующих на аммиакопроводы в процессе их эксплуатации, таких как коррозионный процесс, процесс старения и т.п. (деградационные процессы).

Необходимость рассмотрения разрушающего воздействия отдельно для существующих систем продуктопроводов и для вновь строящихся возникает в связи с развитием научно-технического прогресса, а именно с использованием новых строительных материалов, новых технологий и т.п. Уже на стадии проектирования необходимо рассмотреть возможность возникновения чрезвычайной ситуации и сделать все необходимое для того, чтобы избежать нарушение работоспособного состояния систем, либо быть готовым к ликвидации последствий и устранениям разрушений в максимально короткие сроки.

Модель в том или ином виде – основное средство анализа при реализации процессов устранения или предотвращения разрушений от воздействий стихийных бедствий или террористических актов.

Возникает необходимость использования аналитических, статистических, экспериментальных данных и зависимостей.

При анализе состояния аммиакопроводов оцениваем выходные характеристики.

Строим математическую модель разрушающих воздействий чрезвычайной ситуации на системы трубопроводов и выбираем критерии для принятия решения в той или иной ситуации.

Как указывалось выше, речь пойдет о землетрясении, наводнении и террористических актах.

Землетрясение – колебания Земли, вызванные внезапными изменениями в состоянии недр планеты.

Сравнительно слабые землетрясения высвобождают энергию порядка 10000 кг/м. Этот энергетический уровень условно принимается за ноль. Землетрясению, имеющему в 100 раз больше энергии, соответствует 1, еще в 100 раз более сильному – 2 единицы шкалы. Такая шкала называется шкалой Рихтера. Число в такой шкале – магнитуда и обозначается М. В самой шкале верхний предел не предусмотрен, по этой причине шкалу Рихтера называют открытой.

Таким образом, магнитуда землетрясения характеризует количество энергии, выделяемой во все стороны очагом. Эта величина не зависит от глубины очага и от расстояния до пункта наблюдения.

Сила проявления землетрясения зависит не только от магнитуды, но и от глубины очага (чем ближе очаг к поверхности, тем больше сила его проявления), от качества грунтов (чем более рыхлый и неустойчивый грунт, тем больше сила проявления).

Сила проявления землетрясения на земной поверхности определяется по шкале Меркалли в баллах. Баллы отмечаются цифрами от I до XII (см. табл. 1).

В нашем случае интерес проявляется к землетрясению в VI баллов и выше по шкале Меркалли.

Разрушение современных сооружений при землетрясении обычно связано не с низким качеством строительства, а с неблагоприятным поведением рыхлых грунтов и вызывается эффектами:

а) избирательного усиления колебаний определенных частот;

б) разжижения грунтов или частичной потерей их прочности;

в) возникновеня оползней на склонах, в том числе и в результате разжижения грунтов.

Таблица 1

Шкала Меркалли

Баллы	Характеристика
I балл	Не ощущается людьми
II балла	Ощущается в спокойной обстановке на верхних этажах зданий
III балла	Ощущается в помещениях; кажется будто под окнами проезжает легкий грузовик. Качаются висячие предметы
Окончание табл. 1
IV балла	Кажется, будто проезжает тяжелый грузовик; звенят оконные стекла, посуда, скрепят двери
V баллов	Ощущается на улице; просыпаются люди, выплескивается из посуды жидкость
VI баллов	Ощущается всеми; испуганные люди выбегают на улицу; трескается штукатурка и кирпичная кладка; сдвигается и переворачивается мебель; лопаются оконные стекла
VII баллов	Трудно стоять на ногах; ощущается водителями движущихся автомобилей; осыпается штукатурка, падают кирпичи, керамическая плитка и т.д.; звенят большие колокола; на поверхности водоемов возникают волны
VIII баллов	Трудно вести автомобиль; падает штукатурка, рушатся некоторые кирпичные стены, дымовые трубы, башни, памятники; обламываются ветки деревьев; в сыром грунте образуются трещины
IX баллов	Общая паника; лопаются каркасы строений и подземные трубы; образуются значительные трещины в грунте и песчаные воронки
Х баллов	Рушатся большинство кирпичей кладки, каркасных сооружений и фундаментов; серьезные повреждения плотин и насыпей; рушатся мосты; мощные оползни
ХI баллов	Серьезная деформация железнодорожных путей; полностью выходят из строя подземные трубопроводы
XII баллов	Практически полное разрушение; нарушение линии горизонта; взлетают в воздух отдельные предметы

Рассмотрим предлагаемый метод по выявлению мест разрушений при землетрясении.

Специалист получает данные о предполагаемом или произошедшем землетрясении. Данные представляют собой количество баллов, определенных по шкале Меркалли.

В соответствии с каждым баллом предварительно оцениваются возможные разрушения. Кроме того, у специалиста должны иметься сведения о состоянии трубопроводов и их элементов на основании: профилактических и плановых осмотров и ремонта и т.п., при которых данные регистрируются в соответствующие журналы. При этом необходимо составить план-карту с нанесенными на нее выше изложенными сведениями и периодически обновлять их. (1 раз в 3 – 5 лет).

Перечислим возможные разрушения аммиакопроводов в соответствии со шкалой Меркалли:

I балл – IV балла – разрушений нет;

V баллов – наступают разрушения трубопроводов ветхих, более 20 лет находятся в эксплуатации в высокоактивных грунтах;

VI баллов – наступают разрушения трубопроводов 15 и выше лет эксплуатирующихся, находящихся под давлением (стальные), чугунные - свыше 35 л;

VII баллов – наступают разрушения трубопроводов 10 – и выше лет эксплуатации, находящиеся под давлением (стальные), чугунные – свыше 25 лет;

VIII баллов – наступают разрушения трубопроводов 5 – и выше лет эксплуатации (стальные); полиэтиленовые – свыше 15 лет; чугунные – свыше 10 лет;

IХ баллов – наступают разрушения всех стальных трубопроводов, чугун – свыше 5 лет полиэтиленовые – свыше 10 лет;

Х баллов – рушатся все трубопроводы;

XII баллов – без исключений;

Для выявления точных мест и объемов разрушений необходимо проводить предварительную диагностику мест и объемов разрушений.

Террористическим актам подвержены все страны мира. В наши дни невозможно предположить, где в очередной раз произойдет взрыв.

Как правило, сам взрыв террористы закладывают небольшой мощности, но достаточной для подрыва каких-либо несущих конструкций зданий, опор ЛЭП, автомобилей и гибели людей. Здесь эффект взрыва дополняют: падающие дома, опоры, башни и т.п. и наносящие куда больший ущерб, чем сам взрыв.

Наибольшей опасностью характеризуется взрыв, осуществленный вблизи легковоспламеняющихся или взрывчатых веществ (аммиакопроводов).

Для определения площади разрушений S, м², при взрывах воспользуемся формулой [1]:

S = а_о ∙ q ^2/3, (1)

где q – тротиловый эквивалент взрыва, кг;

а_о = коэффициент (константа).

Константу а_о можно определить, используя экспериментальные данные, приведенные в [1] в качестве примера

а_о = 41 .

Радиус разрушений R , м, определяется по формуле:

R = . (2)

Погрешность определения радиуса и площади разрушений таким способом ± 5% [1].

В результате террористического акта могут быть последствия:

1. В результате взрыва – гибель людей; разрушения конструкций зданий, сооружений (в том числе инженерного жизнеобеспечения), мостов, эстакад и т.п.; вредное воздействие на атмосферу и т.п.

Применительно к рассматриваемым объектам необходимо рассчитать радиус и площадь разрушений по формулам (1-3), а также выявить места и объемы разрушений аммиакопроводов.

2. В результате химического или бактериологического воздействия возникает экологический риск, т.е происходит заражение почвы, зеленых массивов, воздуха и т.п. Может произойти заражение продуктов транспортирования инженерных систем жизнеобеспечения (воды и т.п.).

После произошедшего террористического акта необходимо отключить на время абонентов и осуществить контроль качества потребляемых продуктов, а также все необходимые меры по устранению последствий.

Наводнения угрожают почти всей земной поверхности [2].

Причины наводнений могут быть самыми разнообразными. Суша может затопляться реками или морем – поэтому различают наводнения речные и морские. На морских побережьях наводнения возникают от гигантских волн-цунами до ураганных волн. Ураганные волны достигают громадных размеров, когда наступление волны совпадает с приливом. На реках, впадающих в моря, часто бывают наводнения от нагона воды. Наводнения на реках бывают от самых разных причин. Сезонные наводнения, половодья характеризуются высоким и длительным подъемом уровня воды, выходом воды из русла. Такие наводнения повторяются ежегодно и могут иметь различную интенсивность и продолжительность.

Рассмотрим воздействие внешних сил на трубопровод при возникновении чрезвычайной ситуации, а именно наводнения [3].

давление столба образовавшейся после наводнения воды на единицу площади q, Н/м², определятся по формуле:

q= ρ_воды ∙ g ∙ h_ст , (3)

где ρ_воды – плотность воды, кг/м³. Для расчетов можно принять ρ_воды = 1000 кг/м³;

h_ст – высота столба жидкости, м.

Рис. 1 - Пояснения к выполнению расчетов

вес транспортируемой среды на единицу длины трубопровода , Н/м, рассмотрим для аммиака [4].

Вес транспортируемого аммиака в 1 м трубопровода q_прод, Н/м, следует определять по формуле:

q_прод = 10^-4 ∙ ρ_н ∙ g ∙ , (5)

где ρ_н – плотность транспортируемой нефти или нефтепродукта, кг/м³;

g – ускорение свободного падения;

D_вн – внутренний диаметр трубы.

Вес трубы с изоляцией следует определять по формуле:

q= π ∙ (Д_н ∙ S – S²) ∙ ρ_тр ∙ g + π ∙ (Д_н ∙S_из + S²_из) ∙ ρ_из ∙ g , (6)

где Д_н – наружный диаметр трубы, м;

S, S_из – соответственно толщина стенки трубы и толщина изоляции, м;

ρ_тр, ρ_из – соответственно плотность материала трубы и изоляции, кг/м³.

выталкивающая сила разжиженного грунта Р_в , Н/м, на единицу длины трубопровода определяется по формуле:

q_в = ∙(Д_н + 2 ∙ S_из)² ∙ g ∙ . (7)

Под действием нескольких сил (q_{ст.воды}, q, q, q_в) в трубопроводе возникают напряжения. Если эти напряжения превысят предел прочности (текучести) на данный трубопровод, то произойдет разрушение.

Минимальные значения временного сопротивления и предела текучести указаны в ГОСТ или ТУ на трубы. Эти данные учитывают коэффициент запаса k, т.е. предел прочности (текучести), превышение которого ведет к разрушению, составляет:

σ_пч(тч) = , (8)

где σ^н_пч(тч) – нормативный предел прочности (текучести) для новых труб.

Если учитывать деградационные процессы, оказывающие влияние на трубопровод в процессе эксплуатации, то действительное значение σ_пч(тч) будет меньше рассчитанного по формуле (8). Значения σ_пч(тч) в этом случае могут быть определены с помощью экспериментальных, статистических и аналитических данных.

Рассмотрим напряжения, которые будут возникать в трубопроводах под действием нескольких сил.

q_общ. =q ∙ ℓ +q +q, (9)

где ℓ - длина рассматриваемого участка, м.

Все слагаемые уравнения (9) выражены в Н/м.

Покажем возможные наиболее часто встречаемые случаи (рис.2). Они отличаются различными схемами продольных профилей. приведем расчет примера.

Система статически неопределенная.

Преобразуем эту систему, отбрасывая избыточные связи, в статически определенную.

Условие прочности записывается следующим образом:

≤ R, (10)

где W_z – момент сопротивления поперечного сечения;

R– расчетное сопротивление на сжатие;

М_мах – максимальный из возникающих изгибающих моментов рассматриваемой системы при воздействии внешних нагрузок.

Момент сопротивления поперечного сечения:

, (11)

где h_мах – расстояние от продольной оси до наиболее удаленного волокна, h_мах = R_н = D_н/2;

I_z– момент инерции поперечного сечения.

Рис. 2 - Возможные случаи при расчете напряжений подземных трубопроводов

Для сечения трубы

(12)

При определении значения R необходимо учесть, что:

- для новых трубопроводов R = σ_пч(тч),

где σ_пч(тч) – предел прочности (текучести) указывается в ГОСТ на трубы;

- для труб, находившихся в эксплуатации, R_ост можно определить с помощью экспериментальных данных и обработки статистического материала.

Тогда мы можем определить значение допустимой нагрузки

М < М_мах = , (13)

Оценив это значение, мы можем прогнозировать места разрушений подземных трубопроводов при воздействии дополнительных нагрузок, вследствие наступления наводнения.

На участках длиной а, в, с (рис. 4) по результатам приведенных расчетов возникает предельное напряженное состояние и дальнейшая эксплуатация труб запрещена.

Рис. 3 - Расчетная схема определения мест разрушений подземных трубопроводов при воздействии дополнительных нагрузок

Следует отметить, что негативное влияние на разрушение трубопроводов оказывает наличие сварных швов по всей длине трубопроводов [6].

Эпюра поперечных а) и продольных б) остаточных напряжений представлена на рис. 5.

Необходимо также отметить, что при сложении эпюр, получившихся в результате расчетов по методике, представленной выше, и эпюр, представленных на рис. 5, может получиться картина иная, чем это показано на рис.4. Учесть данную неадекватность заранее невозможно из-за неизвестности расположения сварных стыков и данных об их остаточных напряжениях.

Рис. 4 - Определение мест разрушений

Рис. 5 - Влияние сварных швов на формирование эпюр напряжений

В результате применения методики, изложенной выше, можно прогнозировать разрушения аммиакопроводов при чрезвычайных ситуациях и производить выбор сценария управления аварийно-восстановительными службами с целью локализации последствий чрезвычайной ситуации природного и техногенного характера при минимальных экономических, экологических и других видах ущерба в максимально короткие сроки.

Библиографический список

1. Иванов, А.И. Поражающее действие ядерного взрыва /А.И. Иванов,Г.И. Рыбкин – М.: Воениздат, 1960. – 213 с.

2. Козлов, В.В. Гидроизоляция в современном строительстве / В.В. Козлов, А.Н. Чумаченко. – М.: АСВ, 2003. – 198 с.

3. Дарков, А.В. Строительная механика / А.В. Дарков, Н.Н. Шапошников. – М.: Высшая школа, 1986. – 334 с.

4. СНиП 2.04.12-86. Расчет на прочность стальных трубопроводов. – ВзаменСН 373-67; введ. 1987-01-01. - М.: Миннефтегазстрой, 1986. – 34 с.

5. Переславцева, И.И. Разработка методов и констуктивно-технических решений по предотвращению поступления пожаровзрывоопасных веществ в помещении / И.И. Переславцева, О.Н. Петрова, С.О. Потапова, Н.А. Старцева // Инженерные системы и сооружения. - 2010. - № 1. - С. 174-179.

6. Колосов, А.И. Ликвидация последствий аварий на инженерных системах теплогазоснабжения / А.И. Колосов, О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов // Инженерные системы и сооружения. - 2009. - № 1. - С. 118-124.

7. Колосов, А.И. Экспериментальные исследования остаточного предела текучести трубопроводов подземных инженерных систем энергетики / А.И. Колосов, О.А. Сотникова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - Т. 2. - № 4. - С. 85-87.

8. Колосов, А.И. Исследование влияния условий эксплуатации на прочностные характеристики трубопроводов систем теплогазоснабжения / А.И. Колосов, О.А. Сотникова, Г.Н. Мартыненко // Инженерные системы и сооружения. - 2009. - № 1. - С. 113-118.

9. Сотникова, О.А. Расчет экономической эффективности применения конденсационных теплообменных устройств теплогенерирующих установок / О.А. Сотникова, Н.А. Петрикеева // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2008. - № 1. - С. 113-117.

Код для цитирования: Скопировать