Аппарат с горючей жидкостью или сжиженным газом

Массу горючих веществ, выходящих наружу при полном разрушении аппарата , определяют по формуле

, (3.13)

где – масса веществ, выходящих из разрушенного аппарата, кг; и – масса веществ, выходящих из трубопроводов соответственно до момента отключения задвижек или других запорных устройств (1) и после их закрытия (2), кг.

Для аппаратов с жидкостями или сжиженными газами массу горючих веществ (после преобразования выражения (3.13)) определяют по формуле

, (3.14)

где – геометрический внутренний объем аппарата, м³; – степень (коэффициент) заполнения аппарата; – производительность i-го насоса или пропускная способность i-го трубопровода, питающего аппарат, м³/с; – продолжительность отключения i-го побудителя расхода, с; – число побудителей расхода, питающих аппарат; и – соответственно длина, м, и сечение, м², j-го участка трубопровода (от аварийного аппарата до запорного устройства), из которого происходит истечение жидкости сжиженного газа, м; – число участков трубопроводов, примыкающих
к аварийному аппарату; – плотность жидкости при рабочей температуре среды в аппарате, кг/м³.

При полном разрушении технологического оборудования в производственном помещении площадь испарения жидкости определяют по формулам, приведенным в § 3.2.1.

При полном разрушении крупногабаритного технологического сооружения на открытой производственной площадке, например, вертикального стального резервуара, площадь разлива жидкости зависит не только от объема разлившейся жидкости, но и от уклона рельефа местности.

Анализ статистических данных пожаров и аварий, связанных с полным разрушением вертикальных стальных резервуаров, а также результаты экспериментов, проведенных на кафедре ПБТП, по определению площади разлива жидкостей при квазимгновенном разрушении оборудования позволили установить зависимость для определения площади разлива нефти и нефтепродуктов при полном разрушении резервуаров типа РВС вместимостью от 500 до 50 000 м³:

, (3.15)

где – прогнозируемая площадь разлива жидкости, м²; ), , – переменные, зависящие от диаметра аварийного резервуара, высоты уровня жидкости в резервуаре до аварии ( , где – высота резервуара, м) и гидравлического уклона рельефа местности, изменяемого в диапазоне от 0,01 до 0,07, соответственно.

На рис. 3.1, а, б представлены номограммы для определения прогнозируемой площади разлива жидкости в случае полного разрушения вертикальных стальных резервуаров при степени их заполнения = 0,95 в зависимости от уклона рельефа местности, построенные по формуле (3.15).

Изменение уклона рельефа местности приводит к изменению формы площади разлива и зоны возможного затопления. Под зоной возможного затопления понимается участок территории объекта и прилегающей к нему местности, в пределах которой может разлиться жидкость из полностью заполненного резервуара. Границей зоны возможного затопления служит условная линия, ограничивающая эту зону, за пределы которой с ожидаемой вероятностью, принятой равной 0,95, не произойдет разлив жидкости из разрушившегося вертикального стального резервуара.

Vр·10-3, м3

Sр·10-3, м2

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Sр·10-3, м2

а

Vр·10-3, м3

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

б

Рис. 3.1. Номограммы для определения прогнозируемой площади разлива жидкости (пожара разлива) в зависимости от уклона рельефа местности и объема резервуара

На рис. 3.2, а, б представлены схемы для определения формы площади разлива жидкости и зоны возможного затопления при различных уклонах рельефа местности, где S_р– площадь разлива жидкости; S_з – площадь зоны возможного затопления; R_пр – радиус площади разлива; R_з – радиус зоны возможного затопления; L_см – расстояние от центра аварийного резервуара до центра окружности, ограничивающей площадь разлива; L_mах – максимальное расстояние от центра аварийного резервуара до границы зеркала разлива жидкости по направлению максимального уклона рельефа местности; А, В, L – характерные размеры, определяющие зону возможного затопления.

Таким образом, на производственных площадках с уклоном рельефа местности от 0,010 до 0,015 включительно площадь разлива жидкости близка к форме круга, центр которого смещен на расстояние L_см относительно центра аварийного РВС в сторону направления потока жидкости, что обусловлено действием реактивной силы потока, образующегося при полном разрушении резервуара. На площадках с уклоном от 0,015 до
0,030 – площадь разлива жидкости в направлении максимального уклона рельефа местности напоминает форму полукруга с примыкающей к нему трапецией. На площадках с уклоном от 0,030 до 0,070 форма разлива аналогична предыдущей, однако трапеция имеет более вытянутую форму.

По результатам расчетного определения параметров аварийного разлива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении РВС на схему ситуационного (генерального) плана объекта наносится максимально прогнозируемая площадь разлива и зона возможного затопления территории с указанием их значений. Следует отметить, что разлив пожароопасной жидкости на значительной площади и воздействие опасных факторов пожара при полном разрушении РВС происходят за считанные секунды. Этого времени явно недостаточно для идентификации персоналом аварийной ситуации, принятия соответствующих ответных действий по предотвращению разлива горящей жидкости и эвакуации.

Экспериментальная проверка полноты учета параметров, определяющих площадь разлива жидкости, была произведена на одной из нефтебаз Липецкой области, где был подвергнут разрушению РВС-700, полностью заполненный водой. На кадрах видеосъемки (рис. 3.3) видны отдельные моменты распространения волны прорыва и ее взаимодействия с препятствиями.

Согласно работе [8], при квазимгновенном раскрытии стенок резервуара нарушается первоначальное состояние хранящейся в нем жидкости, т. е. изменяются во времени параметры движения в отдельных точках пространства, занятого движущейся жидкостью, вследствие чего возникает неустановившееся движение в открытом русле.

Рис. 3.2. Формы площадей разливов жидкостей и зон возможного затопления

территорий при полных разрушениях вертикальных стальных резервуаров

Рис. 3.3. Кадры видеосъемки полного разрушения РВС-700 с водой

Изменение параметров движения жидкости, в свою очередь, является возмущением, вызывающим перемещение вниз по течению волны прорыва. Вследствие резкого изменения глубины потока на сравнительно коротком расстоянии (рассматривается расстояние от стенки резервуара до защитного ограждения) движение жидкости будет быстро изменяющимся, a волна прорыва – соответственно прерывной волной, которая
характеризуется резкой нестационарностью потока, наличием резкого фронта в виде бора (вала), достигающего значительной высоты и движущегося с большой скоростью, а также большой разрушительной силой.

На представленных снимках отчетливо прослеживаются основные стадии процесса: распространение потока жидкости в направлении ограждения, сопровождающееся понижением уровня жидкости в резервуаре; удар волны о защитную преграду и резкий выброс жидкости вверх и вдоль нее; образование частичного обратного вала жидкости, отраженного от преграды и распространяющегося по направлению к центру резервуара; перехлест основной массы жидкости через обвалование и разлив воды на значительной площади.

При этом типе движения профиль волны имеет резко выраженную кривизну линий тока, изменение которой столь круто, что профиль потока, по существу, разрывается, приходя в состояние высокой турбулентности. Однако форма движения волны неустойчива: если вначале профиль волны характеризуется крутым фронтом, то по мере продвижения волны по сухому руслу он быстро распластывается. При неограниченной ширине отводящего русла возникает свободное растекание, на внешних границах которого глубина стремится к нулю. В реальных условиях при ограниченной ширине отводящего русла бурный поток набегает на берега ограждения отводящего русла и промывает, перехлестывает или разрушает их.

Эксперимент также подтвердил и выявленные в ходе анализа статистических данных аварий на резервуарах особенности разрушения конструкции РВС. В частности, после разрушения корпуса резервуара по вертикали на всю высоту стенки отрываются от днища и крыши и разворачиваются на 180º. Резервуар реактивной силой сдвигается с фундамента в противоположную от истечения сторону. Крыша резервуара обрушивается на днище. При этом потоком жидкости и/или стенками аварийного РВС повреждаются (разрушаются) соседние резервуары.

На рис. 3.4 приведены снимки, показывающие последствия воздействия потока жидкости на соседние резервуары группы, а также положение фрагментов конструкции аварийного резервуара после разрушения.

Вследствие того, что направление разрушения резервуара относительно соседних резервуаров или объектов практически непредсказуемо, сценарии развития таких аварий могут иметь большое количество вариантов. К наиболее опасному, с точки зрения масштабов последствий квазимгновенного разрушения резервуара, следует отнести вариант развития аварии по принципу «домино», когда направление потока жидкости при разрушении РВС направлено на соседние резервуары группы, наружные технологические установки, здания или сооружения предприятия.

Повреждение волной прорыва и стенками аварийного резервуара соседних РВС № 6 и 7

Повреждение волной прорыва соседнего РВС № 6

Положение днища РВС № 8 после разрушения

Положение стенок и крыши РВС № 8 после разрушения

Рис. 3.4. Последствия полного разрушения РВС-700

В этом случае возможно цепное развитие аварии, что приведет к увеличению площади разлива (пожара), значительному материальному и экологическому ущербу, к необходимости сосредоточения большого количества сил и средств для локализации и ликвидации аварии (пожара) [8].

Для получения наибольшей ожидаемой площади разлива в целях сравнения ее с найденным по номограмме (см. рис. 3.1) значением разрушение РВС-700 произвели со стороны земляного обвалования резервуарного парка. На рис. 3.5 представлена схема резервуарного парка нефтебазы с указанием площади разлива жидкости после разрушения РВС № 8.

Рис. 3.5. Схема обстановки в резервуарном парке после разрушения РВС № 8

(резервуары вертикальные стальные № 1–8 РВС-700)

Результаты проведенного эксперимента подтвердили характер взаимодействия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалованием. Основная масса жидкости перехлестнула через обвалование, частично размыв его гребень. Следует отметить, что ширина потока, подходящего к обвалованию, примерно соответствует диаметру резервуара. Затем происходит резкое увеличение ширины потока, особенно в направлении наибольшего уклона площадки (i 0,030).

По мере своего продвижения поток частично разрушил обвалование, опрокинул фундаментный блок ФБС 24-5-6 массой 1,56 т и плиту перекрытия ПК 60-12-8 массой 2,15 т, повредил и сдвинул с фундамента соседние резервуары, разрушил ограждение и вышел за пределы территории объекта. Площадь разлива достигла своих максимальных размеров примерно через 6–8 с с момента разрушения РВС, имела трапецеидальную форму и составила 5,2 тыс. м². Ожидаемая площадь разлива, рассчитанная по формуле (3.15), для уклона рельефа местности, находящегося в диапазоне от 0,015 до 0,030 включительно, составляет 5,6 тыс. м².

Необходимо отметить, что разлив жидкости при разрушении резервуара на завершающем этапе был ограничен расположенными в непосредственной близости естественными оврагами глубиной от 2,5 до 7 м, что привело к снижению фактической площади разлива.

Таким образом, предложенная аппроксимационная зависимость адекватно описывает процесс разлива жидкости и может быть использована на практике для прогнозирования площади возможного пожара разлива в случае полного разрушения вертикального стального резервуара.

Приведенные сведения по определению площади разлива жидкости и зоны возможного затопления нефтепродуктами территории производственного объекта и смежных с ним объектов рекомендуется использовать при разработке планов пожаротушения и локализации аварийных ситуаций, расчете необходимого количества сил и средств для тушения пожара и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, разработке декларации промышленной безопасности.

Аппарат с горючим газом

Массу горючего газа , выходящего наружу при полном разрушении аппарата, определяют по формуле (3.13), которая после соответствующих преобразований имеет следующий вид:

, (3.16)

где – рабочее давление среды в аппарате, Па; – производительность i-го компрессора или пропускная способность i-го трубопровода, питающего аппарат, м³/с; – плотность горючего газа при рабочей температуре среды в аппарате, кг/м³.