Czy symulacja zapobiega zdarzeniom krytycznym?

Eksplozja oraz inne zdarzenie krytyczne, oprócz zniszczeń, strat materialnych, opóźnień w produkcji i problemów wizerunkowych, wiąże się często z najgorszym scenariuszem: zagrożeniem zdrowia i życia pracowników. Według danych Ministerstwa Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej do największej liczby wypadków w pracy dochodzi w firmach z branży przetwórstwa przemysłowego. Właśnie dlatego coraz większą uwagę poświęca się opracowywaniu scenariuszy wydarzeń, aby je przewidzieć i zapobiec ich konsekwencjom. W niniejszym artykule poruszony zostanie temat analizy wybuchu pyłu powstającego z substancji znajdującej się w silosie, co jest zjawiskiem często obserwowanym w tym sektorze.

Artykuł ukazał się na łamach magazynu “Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie” nr 10 (157) 2020. 

W procesie produkcyjnym stosowane są znaczne ilości substancji, które mogą być łatwopalne, a w konsekwencji wybuchowe. W przypadku cieczy, określenie ryzyka wystąpienia zjawiska związanego z zapłonem jest stosunkowo łatwe. Sytuacja komplikuje się w przypadku pyłów, które mogą powstawać w trakcie procesu produkcyjnego. Obłoki pyłu w kontakcie z elementem inicjującym zapłon (ogień, iskry, gorące powierzchnie, wyładowania elektrostatyczne) mogą prowadzić do egzotermicznej reakcji chemicznej, czyli wybuchu, którego skutki są trudne do przewidzenia. Wymagania stawiane urządzeniom pracującym w obszarach zagrożonych eksplozją określone są w dyrektywie ATEX (od fr. Atmosphères Explosibles). 

Przykłady wybuchu pyłu węglowego oraz skutki wybuchu pyłu w silosie zostały przedstawione na zdjęciach obok.

Jak widać konsekwencje wybuchu mogą być bardzo poważne, w tym kontekście analiza numeryczna mogąca przewidzieć lub zapobiec różnym scenariuszom wystąpienia zdarzeń krytycznych jest niezwykle cennym narzędziem.

Symulacja komputerowa wydarzenia krytycznego

Analiza wpływu wybuchu na otoczenie, zostanie przedstawiona na podstawie symulacji eksplozji silosa zbożowego – jest to faktyczny projekt realizowany z Instytutem Bezpieczeństwa Publicznego Ex Solution. Ze względu na kwestie poufności danych przedstawimy tylko poglądowe wyniki, które jednak dadzą pogląd na obecne możliwości modelowania tego typu zagadnień. 

Do zdarzenia doszło w wyniku spalania deflagracyjnego pyłów znajdujących się we wnętrzu zbiornika. Symulację zrealizowano w oprogramowaniu LS-Dyna będącym jednym z produktów firmy Ansys. Oprogramowanie to umożliwia modelowanie różnych zjawisk fizycznych, takich jak: przepływy płynów, mechanika czy  elektromagnetyzm. Najbardziej znane jest jednak z symulacji zjawisk szybkozmiennych, do których należą wcześniej wspomniane eksplozje. 

Celem przedstawionej analizy jest pokazanie potencjalnych zniszczeń spowodowanych przez wybuch pyłu oraz jego wpływ na pozostałe silosy znajdujące się w pomieszczeniu.

W pierwszym kroku przeprowadzono symulację zniszczenia pojedynczego silosa, bez określania interakcji wybuchu z pozostałymi obiektami. Sprawdzono natomiast wpływ krzywej ciśnienia generowanego na ścianki zbiornika w trakcie wybuchu. Analizę jakościową wyników symulacji wraz z informacjami odnośnie profilu ciśnienia przedstawiona Rysunek 1.

Na podstawie przeprowadzonych symulacji można określić, że warunek związany z obciążeniem, w tym przypadku ciśnieniem generowanym na ścianki silosa, ma bardzo duży wpływ na uzyskiwane wyniki. Można zaobserwować, iż gdy ciśnienie gwałtownie spadło po rozszczelnieniu silosa, jego zniszczenie było najmniejsze.

Większość silosów wykorzystywanych w przemyśle znajduje się w halach, w których osadzone są również inne zbiorniki. Dlatego niezwykle istotnym zagadnieniem stało się określenie wpływu wybuchu jednego na pozostałe obiekty. Dla potrzeb symulacji założono, że w hali występuje dziewięć zbiorników ułożonych w szyku prostokątnym. Silos, w którym doszło do wybuchu, umiejscowiony jest w środku. Rozmieszczenie oraz zniszczenia spowodowane wybuchem przedstawiono na Rysunku 2.

Można zaobserwować, że eksplozja doprowadziła do zniszczenia czterech silosów, natomiast pozostałe doznały znacznych uszkodzeń. Widać to na barwnej mapie naprężeń redukowanych według hipotezy Hubera- von-Misesa-Henecky`ego.

W przedstawionych do tej pory symulacjach znajdujący się w silosie materiał sypki uwzględniany był wyłącznie poprzez zdefiniowanie jego masy, która oddziaływała na ścianki obiektu. Takie podejście do problemu może okazać się zbyt dużym uproszczeniem. Dlatego przeanalizowano wpływ występowania materiału sypkiego w silosie oraz jego oddziaływanie na otaczające go zbiorniki.

Do symulacji materiału sypkiego zastosowana została metoda DEM (Discrete Element Method). To metoda bezsiatkowa służąca do symulacji znacznej ilości obiektów, które mogą poruszać się w sposób swobodny. Oprócz zastosowań związanych z rolnictwem, tak jak w tym przypadku zboża umieszczonego w silosie, jest ona używana w innych branżach jak: przemysł farmaceutyczny (symulacja mieszania składników leków), chemiczny i logistyka (symulacja transportu materiałów sypkich).

Na podstawie przedstawionej symulacji można zaobserwować, że gdy w zbiorniku został uwzględniony materiał sypki, powstałe zniszczenia były znacznie większe niż w przypadku, przyjęcia wyłączenie masy materiału sypkiego oddziałującej na ścianki silosa. W tym zdarzeniu zniszczeniu uległy prawie wszystkie obiekty, a jeden doznał bardzo dużych uszkodzeń.

Podsumowanie

Silosy mogą zawierać od 10 do ponad 100 ton ziarna. Wybuch jednego doprowadziłby do destrukcji wszystkich zbiorników, utraty surowca lub gotowego wyrobu i innych zniszczeń w pomieszczeniu. Symulacje numeryczne zjawisk szybkozmiennych takich jak eksplozja, pozwalają na predykcję zachowania konstrukcji w sytuacjach awaryjnych. To coraz szerzej stosowane w polskich firmach rozwiązanie zaczerpnięte od producentów z branży motoryzacyjnej czy lotniczej, gdzie kwestia przewidzenia negatywnego scenariusza zdarzeń jest dosłownie sprawą życia i śmierci. 

Wykorzystując te narzędzia producenci mogą projektować konstrukcje odporniejsze na sytuacje krytyczne. Ponadto są w stanie przewidzieć rozwój wypadków, rodzaj szkód oraz zagrożenia dla bezpieczeństwa ludzi i cyklu pracy. Jest to także ściśle powiązane z analizą skuteczności systemów zabezpieczeń przeciwwybuchowych, a w razie wystąpienia zdarzenia, dotarcia do przyczyny wypadku w celu jej eliminacji. 

Autor artykułu

dr inż. Wojciech Danek. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z wytrzymałością materiałów oraz zjawiskami szybkozmiennymi. Tytuł doktora nauk technicznych w dyscyplinie inżynieria mechaniczna otrzymał za pracę Wpływ parametrów masowych słupa oświetleniowego na wartość współczynników bezpieczeństwa biernego pojazdów w trakcie zderzenia, realizowaną w Instytucie Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, będącego jednostką organizacyjną wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej.

W firmie Symkom pracuje od 2019 roku, łącząc to z rolą pracownika naukowo-dydaktycznego Politechniki Śląskiej.

Masz pytania o Ansys LS-Dyna?
Skontaktuj się z nami!