Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности

Территория нефтегаз, N 4 (апрель) 2007
Рубрика: Пожарная безопасность
В.И.Голованов, зам. нач. отд., канд. техн. наук, А.В.Пехотиков, ст. науч. сотр.,
В.В.Павлов, ст. науч. сотр.. ФГУ ВНИИПО МЧС России

РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛИ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ОГНЕСТОЙКОСТИ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В статье рассмотрены различные возможные виды температурного воздействия на стальные несущие конструкции в случае вероятного пожара на объектах нефтегазовой промышленности. Построена модель для решения задачи деформированного состояния балки в условиях нестационарного нагрева. Совместно со специалистами ЦНИИСК им.Кучеренко на экспериментальной базе ВНИИПО разработаны и исследованы новые марки стали 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости и проведены огневые испытания опытных образцов двутавровых балок из данных сталей. Проведенная корреляция расчетных и экспериментальных данных показала удовлетворительную сходимость предложенного расчетного метода с результатами испытаний.

Известно, что объекты нефегазоперерабатывающей промышленности характеризуются повышенной пожарной опасностью, что объясняется наличием большого количества легковоспламеняемых, взрывоопасных и горючих веществ. Источником углеводородного огневого воздействия являются материалы из нефти, масла и газа. Температура в очаге пожара, уже спустя 5 минут горения, может достигать 1100 °С. В практике строительства широкое распространение получили металлические конструкции, обладающие высокой прочностью, относительной легкостью и долговечностью. Стальные конструкции в нефтегазовом комплексе, как правило, используются при возведении административных, производственных, складских зданий и сооружений, а также на нефтедобывающих платформах. Большую пожарную опасность представляют металлические резервуары для хранения углеводородных продуктов, в которых при повышении температуры происходит резкое увеличение внутреннего давления. Данное воздействие на механическую прочность резервуара может привести к разрушению конструкции. Несущие металлоконструкции относятся к несгораемым. Однако под воздействием высоких температур при пожаре они деформируются, теряют устойчивость и несущую способность. Деформация и потеря несущей способности в результате пожара стальных балок и ферм вызывают обрушения покрытий, перекрытий и даже целиком зданий. Температура и продолжительность пожара являются основными факторами, воздействующими на строительные конструкции, приводящими к их разрушению. Установлено, что при реальных пожарах данные показатели изменяются в большом диапазоне, так как зависят от многих факторов, таких как: количество и тип пожарной нагрузки, размеры и конфигурация помещения и строительных конструкций, наличие систем вентиляции и дымоудаления и т.д. Наиболее высокая температура (до 1300 °С) отмечалась во время пожаров в производственных и складских зданиях для переработки и хранения твердых сгораемых материалов и горючих жидкостей.

Данные о температуре на реальных пожарах были положены в основу температурных режимов, принятых стандартами ряда государств для огневых испытаний строительных конструкций. Наиболее известные стандартные температурные зависимости, принятые в различных странах, представлены на рис.1. Международной организацией по стандартизации была рекомендована единая стандартная температурная кривая (ЕТК) для испытаний на огнестойкость строительных конструкций (см. рис.1), которая до настоящего времени используется в нашей стране. Температурная кривая "стандартного пожара" используется как при испытаниях, так и при расчетах конструкций на огнестойкость. Однако, учитывая специфику возникновения и распространения пожара в зданиях различного назначения, часто прибегают к необходимости использования других температурных зависимостей, отражающих процесс горения для конкретных сценариев (см. рис.1). Так, например, была утверждена так называемая углеводородная кривая (Hydrocarbon), которая разрабатывалась с учетом повышенной температуры и продолжительности горения углеводородных топлив. Данная температурная кривая может применяться для оценки пожарной опасности и огнестойкости зданий и сооружений в области нефтегазового хозяйства.

Рис.1. Стандартные температурные зависимости, моделирующие пожары

Таким образом, учитывая разнообразие стандартных методик расчета температурных режимов, а также широкий спектр реальных показателей пожаров, необходим дифференцированный подход при задании граничных условий для расчета строительных конструкций на огнестойкость. Задача прочностного расчета конструкций, при введении специальных параметров температурного воздействия, может быть решена с использованием численных методов расчета, основные положения которых приведены ниже. Разработка проектов зданий и сооружений нефтегазового комплекса связана с повышенными требованиями по обеспечению мер пожарной безопасности. Для этого требуется оценка огнестойкости строительных конструкций объекта и, при необходимости, разработка мер по снижению пожарной опасности здания. На сегодняшний день существующие испытательные методы не дают возможности дешево и оперативно определять огнестойкость конструкций, а традиционные расчетные методы не дают надежных результатов при расчете крупногабаритных конструкций, так как не учитывают влияние деформации температурной ползучести стали на потерю прочности и устойчивости конструкции при пожаре.

Исходя из существующей теории напряженного состояния и деформативности твердого тела была разработана модель процесса деформирования стальных элементов при действии постоянно приложенной нагрузки в условиях нагрева. Данная математическая модель является усовершенствованной по сравнению с существующими методами расчета строительных конструкций благодаря введению новых параметров по температурной ползучести стали. На основе полученных зависимостей был разработан алгоритм расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитными материалами.

В расчетной модели последовательность огневого воздействия подразделяется на ряд временных интервалов , чья продолжительность выбирается в соответствии с температурами и напряжениями .

Прогиб балки в середине сечения рассчитывается в конце каждого временного интервала. Для осуществления расчета необходимо знать кривизну балки.

Распределение деформации по каждому поперечному сечению определяется для того, чтобы рассчитать кривизну балки. Этот расчет осуществляется при разбивке поперечного сечения на ряд элементов, для которых вычисляется деформация и напряжение.

Благодаря тому, что температура обогреваемой балки изменяется во времени, а характеристики прочности и деформации изменяются в зависимости от температуры, то деформация и напряжение будут меняться во времени. Изменение деформации и напряжения во временной интервал от до определяется для условно выбранного элемента поперечного сечения "". Кривая зависимости деформации от напряжения и температуры определяется на основании испытаний на разрыв стали при повышенных температурах. Зависимость напряжения от деформации может быть записана в виде:

где - тангенс угла наклона линии зависимости деформации от напряжения при повышенных температурах для соответствующей деформации;

- значение ординаты на оси , МПа. Используя кривые зависимости деформации от напряжения и температуры для изменения напряжения в интервале времени , получим:

где - номер участка;

           - приращение деформации, %;

- нормальное напряжение на участке , МПа;

- деформации на участке , %;

- температура на участке , К.

Сумма остаточной деформации от предыдущих временных периодов и деформации ползучести во временной интервал рассчитывается с помощью уравнений ползучести, описанных в работах [1, 2]:

                                              (1)