Оценка устойчивости сооружений и оборудованияк воздействию ударной волны 43 4 Прогнозирование ЧС природного характера

Промышленное оборудование (в первую очередь дымовые трубы, ректификационные колонны, опоры линий электропередач, реакторы и др.) рассчитывается на действие скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны.

Выход из строя оборудования от воздействия ДРСК, ДРф и АРлоб может быть вызван:

  • - смещением его относительно основания или отбросом;
  • - опрокидыванием;
  • 43
  • - инерционными разрушениями элементов оборудования, вызванными кратковременными ударными перегрузками [9].
  • 3.2.1. Оценка устойчивости технологического оборудования к смещению от воздействия ударной волны

Силы, действующие на оборудование при воздействии ударной волны, показаны на рис. 3.1.

Силы, действующие на оборудование при смещении

Рис. 3.1. Силы, действующие на оборудование при смещении: ЦД- центр давления; ЦТ - центр тяжести

Условие смещения:

FCM - Ftp + Qg,

где FCM = Сх • S • ДРСК - смещающая сила, приложенная к центру давления (ЦД), Н; Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления объекта (табл. 3.3); S - площадь обдуваемой поверхности (миделево сечение S = ? • /г); ? - длина объекта, м (наиболее неблагоприятный случай воздействия ударной волны -перпендикулярно наибольшему размеру объекта; для предмета цилиндрической формы ? = D); h - высота объекта, м; ДРСК - давление скоростного напора волны давления, кПа; Егр - сила трения (Ftp = FTf = m-g-f); FT - сила тяжести; f - коэффициент трения 44

(табл. 3.4); m - масса объекта (оборудования), кг; g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Таблица 3.3

Коэффициент аэродинамич площадки для тел различной (

еского сопротивления Сх лобовой >ормы

Форма тела

Сх

Направление движения воздуха

Параллелепипед

  • 0,85
  • 1,3

Перпендикулярно квадратной

стороне Перпендикулярно прямоугольной стороне

Куб

1,6

Перпендикулярно стороне

Диск

1,6

Перпендикулярно диску

Цилиндр при отношении высоты к диаметру h/d: h/D = 1 h/D = 10

  • 0,4
  • 0,2

Перпендикулярно оси цилиндра

Сфера

0,25

Перпендикулярно поверхности

Полусфера

0,8

Параллельно плоскости основания

Пирамида с квадратным основанием

1,1

Параллельно основанию и

перпендикулярно грани основания

Таблица 3.4

Коэффициент трения/между поверхностями_____________________

Наименование трущихся материалов

/

Наименование трущихся материалов

/

При скольжении

При качении

Сталь по стали

0,15

Стальное колесо:

Сталь по чугуну

0,30

по рельсу

0,05

Металл по линолеуму

0,2-0,4

по кафелю

0,1

Металл по дереву

0,6

по линолеуму

0,15-0,2

Металл по бетону

0,2 - 0,5

по дереву

0,12-0,15

Чугун по бетону

0,35

Дерево по дереву

0,4 - 0,6

Суммарное усилие болтов крепления, работающих на срез, находим по формуле (16)

Q6 = rcp-^-n= 0,25-ar^n, Н, (16) где тср - допустимое напряжение на срез, кг/мм2 (Н/м2); от - предел текучести стали, кг/мм2 (Н/м2), например, для Ст. 35 - 65кг/мм2 = 6,33x108 Н/м2; d6 - диаметр болта, м; п - количество болтов.

Таким образом, величина скоростного напора вызывающего смещение оборудования, определится соотношением

ДРек = Ц^, Па. (17)

Для незакрепленного оборудования (Q6 = 0) величина скоростного напора, вызывающего смещение оборудования, составляет

ApcK = ^v, Па, (18)

-п

Связь скоростного напора с избыточным давлением во фронте ударной волны определяется следующим соотношением:

2,5 -Ы>ф

ск ДРф+ 720, v v

где ДРф - избыточное давление во фронте ударной волны, кПа.

Примеры решения задач

Задача 1. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее смещение незакрепленной абсорбционной колонны (Q6 = 0) относительно бетонного основания. Исходные данные: диаметр колонны D = 4 м, высота h = 60 м, масса m = 4,5-105 кг, коэффициент трения f = 0,2; коэффициент аэродинамического сопротивления объекта Сх= 0,46.

Решение:

Определяем по формуле (18) предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна не смещается:

. п 0,2 • 4,5 100000 • 9,8 „ПОА . „ о

др“ = —— = 7Ж1 Па = 8 кПаВывод: По величине ДРСК~ 8 кПа, используя рис. 3. 2, находим ДРф11т = 50 кПа. При значениях ДРФ > 50 кПа, ударная волна приведет к смещению незакрепленной колонны.

Зависимость скоростного напора от давления во фронте ударной волны

Рис. 3.2. Зависимость скоростного напора от давления во фронте ударной волны

Задача 2. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее смещение закрепленной на опоре абсорбционной колонны относительно бетонного основания. Исходные данные: диаметр аппарата D = 4 м, высота h = 60 м, масса m = 5-Ю5 кг, коэффициент трения f = 0,2; коэффициент аэродинамического сопротивления объекта Сх = 0,46;, диаметр болта d = 27 мм, количество крепежных болтов п = 4.

По формуле 16 рассчитываем суммарное усилие болтов крепления, работающих на срез:

Q6 = Тер ~п = 0,25ат- n, Н,

Q6 = 0,25-6,33 108- 3,14 °,0Z72 -4 = 362427 , Н,

0,2 • 2300 • 9,8+724854,9 , „

ДРСК = ------------------- ~ 443,2 , кПа.

ск 0,46 -3-0,6

Вывод: По величине ДРСК ~ 443 кПа, используя рис. 3.2, находим ДРф11т ~ 450 кПа. При значениях ДРФ > 450 кПа ударная волна приведет к смещению закрепленной колонны.

Задача 3. При аварийном взрыве на технологической установке образуется волна давления ДРФ= 280 кПа, действующая на расположенный рядом не закрепленный на опоре эмалированный реактор с якорной мешалкой. Исходные данные: диаметр аппарата d = 1600 мм, высота h = 3300 мм, масса m = 3200 кг, коэффициент трения f = 0,15, коэффициент аэродинамического сопротивления объекта Сх = 0,4.

Определить возможность смещения теплообменника.

Решение:

По формуле (19) рассчитываем значение скоростного напора, создаваемого волной давления:

ЛП 2,5 -2802

ДРСК= -------= 196, кПа.

ск 280 + 720,

По формуле (18) рассчитываем значение скоростного напора, приводящее к смещению оборудования

Цт= 0,15.3200.9,8 = ск 0,4 • 1,6 • 3,3

Вывод: Смещение незакрепленного реактора возможно, так как ДРСК > ДРскІіт, (196 кПа > 19,0 кПа).

3.2.2. Оценка устойчивости технологического оборудования к опрокидыванию от воздействия ударной волны

При опрокидывании на оборудование действуют два момента: опрокидывающий и удерживающий (рис. 3.3).

Силы, действующие на оборудование при опрокидывании

Рис. 3.3. Силы, действующие на оборудование при опрокидывании: ЦЦ- центр давления; ЦТ - центр тяжести

Опрокидывающий момент создается силой FCM, действующей на плече Z = 0,5 h. Удерживающий момент создается весом оборудования G (FT) на плече L/2 и реакцией крепления болтов на разрыв Q на плече L.

При отсутствии крепления оборудования условием опрокидывания является превышение опрокидывающего момента над удерживающим (стабилизирующим):

  • 2
  • (20)

Для закрепленного оборудования

Fcm-->G- + 0L.

  • (21)
  • 2 2

Развернув формулу (20), получим

h А^скСх-5->

т-g • L

  • 2
  • (22)

откуда можно определить предельное значение скоростного напора ДРск, при превышении которого произойдет опрокидывание:

(23)

С х • S • h

Развернув формулу (21), определяем усилие болтов крепления (приняв при этом L = D'):

^PaCxDh~ = ^-^ + Q-d. (24)

Из формулы (24) следует

ДРсх2_^

Если будет получен отрицательный ответ, значит, при данном скоростном напоре ДРСК предмет устоит без крепления, т.е. под действием силы тяжести FT.

Примеры решения задач

Задача 1. Компрессорный модуль установлен на бетонном основании и имеет следующие размеры: длина € = 2200 мм, ширина L = 900 мм, высота h = 1600 мм и масса m = 1200 кг. Определить предельное значение скоростного напора, не приводящее к опрокидыванию незакрепленного аппарата при воздействии скоростного напора перпендикулярно прямоугольной стороне.

Решение:

Предельное значение скоростного напора по формуле (23) составит

... 1200-9,8-2,2 л

ДРСК =—-----г— = 1,45 кПа,

ск 1,3 -(2,2 • 0,9)1,6

где Сх = 1,3 (см. табл. 3.3, для прямоугольной формы).

Зная величину предельного скоростного напора, по графику на рис. 3.2. находим соответствующее ему значение избыточного давления: ДРФ = 20 кПа.

Таким образом, если избыточное давление на фронте ударной волны превысит 20 кПа, то модуль будет опрокинут.

Задача 2. Насос для перекачки нефтепродуктов ГЦ-20/14 закреплен на бетонном основании четырьмя болтами М 24 (Ст.65) и имеет следующие размеры: длина ? = 1775 мм, ширина L = 950 мм, высота h = 1005 мм и масса m = 1600 кг. Определить возможность опрокидывания закрепленного аппарата при боковом воздействииизбыточного давленияво фронте ударной волны ДРФ = 30 кПа.

Решение:

По графику на рис. 3.2 определяем предельное значение скоростного напора, соответствующее полученному значению ДРф = 30 кПа. Эта величина составляет ДРСК = 3 кПа.

По табл. 3.3 для прямоугольной формы определяем значение Сх=1,3.

Условия опрокидывания определяем по формуле (25):

  • 3.1,3.1,005^ 1600-9,8 =
  • 2 2

В результате расчета в правой части неравенства получается отрицательное число. Это указывает, что при данном скоростном напоре ДРСК, предмет может устоять без крепления, т.е. под действием силы тяжести FT.

3.2.3. Инерционное разрушение

Инерционное разрушение оборудования возникает при действии на объект лобовой силы Рлоб. Лобовая сила, действующая на элементы оборудования, определяется по формуле

(26)

Рлоб- (ДРф+ ДРск) • S , Н,

где S - площадь поверхности, на которую действуют скоростной напор и избыточное давление ударной волны, м2.

Или

р

(27)

л°б - Р = др, + др

  • лоб ПГФ пгск
  • *3

С другой стороны, по закону Ньютона на объект действует сила инерции т -а, (равная разности лобовой силы Рлоб и силы трения Ftp), где а - ударное ускорение, м/с2; т - масса, кг:

т-а = Рлоб - F,

Пренебрегая Ртр, получаем

т-а = Рлоб.

(28)

Подставив в формулу (28) значение Рлоб из формулы (26), получим

т -а = (АРф + APCK) -t-h, (29)

где ?- длина (диаметр) объекта, м; h - высота объекта, м.

При а > адоп. объект подвергается инерционному разрушению. Любой элемент, входящий в состав объекта, получает такое же ускорение, как и весь объект в целом. Поэтому расчет необходимо вести по элементу, имеющему наименьшее из всех значение адоп_.

Иногда вместо ударного ускорения адоп пользуются ударной перегрузкой (nya=adon/g), не приводящей к повреждению объекта. Тогда допустимое лобовое давление ДРлоб11т определяется как

ДРлоб11т= Рлоб/S = т adon/S = т пдоп g/S. (30)

По величине ДРлоб находим по графику на рис. 3. 4 значение ДРф, при котором происходит инерционное разрушение объекта.

Зависимость лобового давления АР от давления во фронте ударной волны АРф

Рис. 3.4. Зависимость лобового давления АРлоб от давления во фронте ударной волны АРф

Примеры решения задач

Задача 1. Имеется объект длиной ?= 4000 мм, высотой h = 720 мм и массой m = 1800 кг с допустимым ускорением при ударе яэ<ж=100 м/с2. Определить избыточное давление на фронте УВ, при котором он не получит инерционного разрушения.

Решение:

Лобовая сила F10q, воздействие которой не должно приводить к выходу объекта из строя, определяется по формуле (28):

Рлоб = т-адоп =1800-100 = 180000 Н.

Лобовое давление, которое может выдержать объект, рассчитывается по (30):

ДРлоб = Fm6/S = 180000/(4-0,72) = 62,5 кПа.

По графику (см. рис. 3.4) определяем величину избыточного давления, равную ДРфит ~ 38 кПа.

Следовательно, при воздействии на объект избыточного давления ДРф |,т во фронте У В более 38 кПа он получит сильные разрушения от инерционных перегрузок.

Задача 2. Оценить возможность инерционного разрушения распределительного щита массой m = 120 кг, длиной ?=600 мм, высотой h =800 мм. Допустимое ускорение для распределительного щита адоп= 100 м/с2.

Решение:

Лобовая сила Рлоб, воздействие которой может привести к выходу объекта из строя, определяется по (28):

FJlo6 = т-адоп =120-100 = 12000 Н.

Лобовое давление, которое может выдержать объект, рассчитывается по (30):

АР лоб = Рлоб/S = 12000/(0,6-0,8) = 25 кПа.

По графику (см. рис. 3.4 ) определяем величину избыточного давления, равную АРФ 1|т ~ 25 кПа. Следовательно, при воздействии на объект избыточного давления ДРФ11111 во фронте УВ более 25 кПа он получит сильные разрушения от инерционных перегрузок.

Задача для самостоятельного решения. Оценить устойчивость к воздействию ударной волнытехнологического оборудования, изготовленного из стали и установленного на бетонном основании на открытой площадке цеха (см. вариант задания по табл. 3.5).

Определить возможность смещения, опрокидования и инерционного разрушения оборудования.

СП

?

Со

го

?

S

sO

00

-J

OS

СП

LU

to

№ варианта

Резервуар шаровой

Резервуар горизонт. РГ50

Резервуар шаровой

Контейнерная

АЗС

Ж/д цистерна 15-1421

Резервуар шаровой

Реактор

Резервуар горизонт. РГ10

Контейнерная

АЗС

Резервуар шаровой

Резервуар горизонт. РГ5

Реактор

Резервуар горизонт. РГЗ

Ж/д цистерна 15-1421 (качение)

Резервуар шаровой

Т ехнологическое оборудование

6

ф о

о

120 (с торца)

100 (с бока)

ьэ CZ1

ф ф

ьо ф

70 (с бока)

to ф

to ел Ф

ю СП

ю ф

38 (с торца)

00

Избыточное давление во фронте УВ, АРф, кПа

0000Z

2760

16000

6060

3200

12000

| 2400

2200

6060

ф ф ф ф

1810

| 2200

1390

3200

5000

Диаметр/длина аппарата,

D/ мм

>

5200

1

2590

?

?

| 3920

3000

2590

2500

| 2980

1500

>

1

Высота аппарата, Л,мм

1

4610

1

2440

to о ф

і

2400

3416

2440

1

1810

2200

2245

3200

1

Ширина аппарата, С,мм

2200

4000

о о

Ю

Ю

СП

ос о ф

| 16000

1300

to to

OS.

Ф

Ф

ЧО ел ф

| 15150

сл о

СП ю

to ел Ф

Масса аппарата, т, т

2

і

to

?

1

to

о

і

1

ю

СО

О

і

?

?

to

Диаметр крепежных болтов, d, мм

to

і

to

?

1

to

ОС

і

1

to

ОС

і

?

?

to

Количество крепежных болтов, п

000S

1000

ЄЛ о о о

СП о

н— о о о

5000

2000 |

СП о

ЄЛ Ф Ф

2000

о

2000 |

о

1000

to ф ф ф

Допустимое ударное ускорение, а, м/с2

Таблица 3.5 Исходные данные для самостоятельного решения задач по оценке устойчивости объекта____________________________________________

Глава 4.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЧС ПРИРОДНОГОХАРАКТЕРА

ЧС природного характера складываются под воздействием природных явлений - стихийных бедствий.Опасные природные явления - это стихийное событие природного происхождения, которое по своей интенсивности, масштабу распространения и продолжительности может вызвать отрицательные последствия для жизнедеятельности людей, экономики и природной среды [11]. Далее рассматриваются методы прогнозирования таких опасных природных явлений, как: лесные пожары (ЛП), наводнения, ураганы, грозы, сели, землетрясения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >