آنالیز شکست مخازن ذخیره سازی کروی تحت بارگذاری انفجار خارجی (مقاله ترجمه شده)

چکیده

عملکرد زیرساخت انرژی تحت شرایط بارگذاری شدید، به ویژه تحت شرایط انفجار ، با وجود احتمال کم رخ دادن چنین رویدادهایی از اهمیت زیادی برخوردار است. به دلیل عواقب فاجعه بار شکست بنیادی، بهبود مقاومت زیرساخت های انرژی در مقابل اثرات انفجار بسیار مهم است. از روش هم ارزی TNT برای شبیه سازی انفجار ابر بخار گاز نفت خام هنگام آنالیز پاسخ دینامیکی مخزن کروی تحت فشار بارهای انفجار خارجی استفاده شد. توزیع فشار در سطح یک مخزن ذخیره سازی کروی 1000 مترمکعبی بررسی شده است. پاسخ دینامیک مخزن، مانند توزیع تنش موثر، جابجایی سازه ای، حالات شکست و توزیع انرژی تحت بارهای انفجار مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج شبیه سازی نشان داد که فشار منعکس شده بر روی مخزن کروی از استوا تا قطب های کره به تدریج کاهش می یابد. با این حال، اثرات بازتاب موج تلاطم بر روی ستون آشکار نیست. آسیب ساختاری در مخزن تحت بار انفجار شامل شکست جزئی پایه ای در نقطه ی عطف تغییر شکل و مرکز تنش معنی دار است، که می تواند در اتصال بین ستون و پوسته ی پایین کروی مشاهده شود. دلیل اصلی برای تغییر شکل قابل توجه و آسیب ساختاری ناشی از انرژی داخلی اولیه ست که مخزن از موج انفجار تلاطم به دست آورده است. مایع درون مخزن انرژی بارهای اصابت را جذب می کند و پاسخ را در مرحله اولیه آسیب پس از تاثیر انفجار کاهش می دهد.

مقدمه

با حوزه گسترده ی فرآورده های نفتی ذخیره سازی، احتمال تصادفات ناشی از انفجار نفت و گاز قابل احتراق نیز افزایش می یابد. در طول چند سال گذشته، یک سری از آتش سوزی های مخازن نفتی و حوادث انفجار باعث تلفات و زیان های مالی زیادی شده است  (پرسون و لانرمارک 2004؛ عباسی و عباسی 2007؛ چانگ و لین 2006). بسیاری از انفجارها با  انفجار ابر بخار آغاز می شود که توسط خود فرآورده های نفتی آغاز می شود (لییس، 1996؛ لیب 2002). یک بار در انفجار گاز قابل اشتعال اتفاق افتاده در تاسیسات نفتی، کارخانجات مواد شیمیایی و یا مناطق ذخیره سازی، نه تنها ممکن است باعث آسیب جدی به مخزن نفت گردد، بلکه می تواند به یک واکنش زنجیره ای از انفجارها و فاجعه ی ثانویه منجر شود. بنابراین، تحقیقات درباره ی مکانیسم شکست و پاسخ دینامیکی مخازن ذخیره سازی نفت در معرض انفجار گاز قابل احتراق ضروری و لازم است.

مخازن ذخیره سازی می توانند به شکل استوانه ای یا کروی باشند. مخازن ذخیره سازی کروی در درجه اول شامل سازه های با پشتیبانی ضعیف تر و سازه های پوسته کروی هستند، که جایگزین سازه های پشتیبانی اند. به طور خاص، شکل پوسته می توانی کروی، بیضوی و یا اشکی شکل باشد، که در این بین مخازن کروی به طور گسترده ای مورد استفاده هستند، چرا که برای همان حجم و ضخامت، مخازن کروی نیاز به حداقل مقدار فولاد داشته و حداقل منطقه را می پوشاند.

مدل المان محدود

کد المان محدود و روش ALE

شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار تجاری LS-DYNA انجام شد، که برمبنای روش های عددی صریح است و به طور گسترده ای برای آنالیز مشکلات مرتبط با تغییر شکل های بزرگ، پاسخ سازه به اصابت های سرعت بالا و بار انفجار و رفتار نرخ کرنش مواد استفاده شده است. حداقل سه روش برای چنین مشکلاتی وجود دارد: (1) فرمول لاگرانژ (2) فرمول اویلر؛ و (3) رابطه ی لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE)، که امکان دنبال کردن جریان های زیاد از مواد مختلف را بدون مواجهه با  مشکلات انحرافات عددی ، اغلب تجربه شده در فرمول لاگرانژ، می دهد. فرمول المان لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE)، یک روش عددی استاندارد برای حل مشکلات تغییر شکل های بزرگ دیده شده در شکل دهی فلزات ناشی از تاثیر سرعت بالا و یا بار انفجار است. مفهوم کلی فرمول ALE این است که یک دامنه ارجاعی دلخواه برای شرح حرکتی که متفاوت از مواد (لاگرانژی) و دامنه ی فضایی (اویلری) است تعریف شده است (LSTC 2007).

3 .بحث و نتایج شبیه سازی

توزیع انفجار بارگذاری

به منظور اندازه گیری توزیع فشار از موج تلاطم انفجاری در سطح سازه مخزن ذخیره سازی کروی، تعدادی نقطه-ی اندازه گیری در مکان های متفاوت از مخزن کروی انتخاب شدند. شکل 3 اطلاعات مربوط به مکان این نقاط اندازه گیری را نشان می دهد.

منحنی های فشار- زمان به دست آمده از اندازه گیری های نقاط مختلف در شکل 4 نشان داده شده است. این نشان می دهد که مقادیر پیک برای همه نقاط فشار انعکاسی بالاتر مقادیر متناظر در حالت تصادفی است. حداکثر مقدار نقطه A حاصل شده است، که در خط استوا کره با مقدار 92/1 مگاپاسکال می باشد، که در شکل 4 (الف) نشان داده شده است. در مقایسه با مقدار فشار به دست آمده در نقطه A، فشار انعکاسی در نقطه اندازه گیری B و G کمی کوچکتر هستند ، که به ترتیب 67/1 مگاپاسکال (شکل 4 (ج)) و 45/1 مگاپاسکال (شکل 4 (ب))، است. لازم به ذکر است که فشار انعکاسی پیک در نقطه B ( 45/1 مگاپاسکال)، که در یکی از پایه ها قرار دارد، نزدیک به یک مقدار تصادفی (37/1 مگاپاسکال) است، آشکار است که پایه ها تنها اثرات محدودی در بازتاب موج تلاطم دارند. نقطه اندازه گیری H، که در آن حداقل فشار اوج حاصل شده است، واقع در بالای مخزن ذخیره سازی کروی است. تقریبا همان مقادیر از فشار انعکاسی و تصادفی در آن نقطه مشاهده شد، که به ترتیب 78/0 و 77/0 مگاپاسکال بود (نگاه کنید به شکل 4 (د)).

نتیجه گیری

مطالعه عددی پاسخ دینامیک و روند شکست مخازن کروی تحت انفجار گاز قابل احتراق با استفاده از برنامه المان محدود دینامیک غیر خطی صریح LS-DYNA انجام شد. از روش هم ارزی TNT در این مطالعه استفاده شد. موارد زیر می تواند نتیجه گیری شود:

 مخزن کروی اثرات قابل توجهی بر انعکاس امواج متلاطم تحت بارگذاری انفجار دارد، که از استوا تا قطب های کره کاهش می یابد . با این حال، ستون ها تنها می توانند یک مقدار محدود از امواج متلاطم را بازتاب نمایند.

 خسارات ناشی از انفجار به روی مخزن کروی عبارتند از: (1) تغییر شکل معطوف قابل توجهی از ستون؛ (2) خم-شدن موضعی پوسته کروی و (3) شکستگی در اتصالات بین ستون ها و پوسته کروی. از آنجا که تمرکز تنش قابل توجه تحت انفجار بارگذاری در اتصالات تولید بین ستون و پوسته کروی است، سیستم حمایتی نقش مهمی را در کنترل خسارت سازه ای وارده به مخزن کروی ایفا می کند.

 انرژی داخلی اولیه بدست آمده از انفجار در مخزن های کروی یک عامل کلیدی است که منجر به خسارات گسترده و باعث تغییر شکل های بزرگ در سازه می شود. از سوی دیگر، جابه جایی مخزن وابسته به انرژی جنبشی اولیه است. از آنجا که مایع ذخیره شده در مخزن می تواند انرژی ایجاد شده از اصابت انفجار را جذب نماید، پاسخ مخزن کروی می تواند در مراحل اولیه پس از اصابت کاهش یابد.

این مقاله ISI در سال 2015 در نشریه الزویر و در مجله پیشگیری از ضرر در صنایع فرآیندی، توسط آزمایشگاه کلیدی رفتار منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله آنالیز شکست مخازن ذخیره سازی کروی تحت بارگذاری انفجار خارجی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.