Дополнительные защитные преграды для снижения пожарной опасности разлива нефти и нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ

Владимир Викторович

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ПРЕГРАДЫ

ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ РАЗЛИВА

НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ РАЗРУШЕНИЯХ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Специальность: 05.26.03 – пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль, технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2008

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной безопасности технологических процессов

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Горячев С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шебеко Ю.Н.

кандидат технических наук, доцент Нигметов Г.М.

Ведущая организация: Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита состоится 20 июня 2008 г. в 14 часов на заседании диссер тационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной проти вопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б.

Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан 19 мая 2008 г., исх. № 6/35.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: 8 (495) 683-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Пузач С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Производственные объекты предприятий и организаций, осуществляющих разведку месторожде ний нефти, ее добычу, транспортировку и переработку, а также хране ние и реализацию нефтепродуктов потребителям, в соответствии с федеральными законами «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» и «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» отно сят к категории опасных производственных объектов. Повышенную пожарную опасность на таких объектах имеют резервуарные парки, аварии в которых приводят к чрезвычайным ситуациям самого раз личного масштаба по количеству пострадавших в них людей, разме рам материального и экологического ущерба.

Одним из характерных и наиболее опасных по своим последстви ям видов чрезвычайных ситуаций в резервуарных парках является разлив нефти или нефтепродукта при полном разрушении вертикаль ного стального резервуара (РВС). Площадь разлива хранимых продук тов при разрушениях резервуаров достигает сотен тысяч квадратных метров. Ежегодно в России регистрируется две-три такие аварии. В то же время исследования, проведенные сотрудниками Центрального на учно-исследовательского и проектного института строительных ме таллоконструкций им. Н. П. Мельникова, позволили установить, что общее число аварий в 3–5 раз больше регистрируемых, в связи с чем частота аварийных разрушений РВС оценивается достаточно высоким значением – 310–4 год–1. Согласно статистическим данным примерно половина всех зарегистрированных аварий квалифицировалась как крупные или катастрофические, 17 из которых привели к гибели человек. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов наносят ущерб окружающей природной среде и приводят к значительным материаль ным и финансовым потерям, нарушают условия жизнедеятельности людей и производственной деятельности предприятий. Зарубежные специалисты классифицируют аварийные разрушения резервуаров с нефтью и нефтепродуктами как промышленные катастрофы, а соглас но российскому законодательству они идентифицируются как чрезвы чайные ситуации.

Опасность эксплуатации резервуарных парков объектов нефте продуктообеспечения усугубляется тем обстоятельством, что в ре зультате интенсивного градостроительства в России, особенно за по следние 20–30 лет, около четверти из них оказалось в черте плотной городской застройки, а половина – располагается на возвышенных площадках по отношению к отметкам смежных объектов или имеет уклоны промплощадок в сторону дорог, рек, портов и причалов. Кро ме того, в целом по России более 60% резервуаров на объектах хране ния и транспортировки нефти и нефтепродуктов эксплуатируется свыше 30 лет, и их износ достигает 60–80%.

Для защиты от растекания нефтепродуктов при авариях на РВС в отечественной и мировой практике применяются замкнутые земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих материалов. Со гласно действующим нормативным документам такие преграды рас считывают только на гидростатическое давление относительно мед ленно вытекающего из поврежденного РВС продукта, поэтому они не могут удержать мощный поток жидкости, образующийся при ква зимгновенном разрушении резервуара. Отличительными признаками такого разрушения являются: полная потеря целостности корпуса РВС, выход в течение короткого промежутка времени всей хранящей ся в резервуаре жидкости в виде волны прорыва, которая характеризу ется нестационарностью потока, наличием резкого фронта в виде бора (вала), достигающего значительной высоты и движущегося с большой скоростью. Волна обладает большой разрушительной силой, часто приводящей к повреждению соседних резервуаров в каре обвалова ния, размыву тела земляного обвалования или разрушению ограж дающей стены. Даже при сохранении целостности и устойчивости нормативного ограждения через него происходит перелив значитель ного объема жидкости.

В последнее время для предотвращения аварийного разлива неф ти и нефтепродуктов находят применение двустенные резервуары (в этом случае допускается не устраивать обвалования и ограждающие стены), а для локализации площади разлива вместо нормативных ог раждений предлагается использовать защитные стены с волноотра жающим козырьком. Заменить все РВС, находящиеся в эксплуатации, на двустенные резервуары не представляется возможным. Кроме того, при определенных достоинствах такие резервуары значительно доро же РВС, при их эксплуатации возможно образование горючей паро воздушной смеси в межстенном пространстве, а также имеются труд ности при обслуживании основного резервуара и другие недостатки.

Защитные стены с волноотражающим козырьком не рационально ис пользовать для защиты резервуаров на нефтепромыслах, резервуар ных парков небольших нефтебаз, при недостаточной несущей способ ности грунта, так как они представляют собой монументальные со оружения, высота которых соизмерима с высотой защищаемых резер вуаров, а толщина стен у основания достигает 1,5 м и более.

В ряде нормативно-технических документов рекомендуется за нормативным ограждением на наиболее опасных направлениях уст раивать дополнительные защитные преграды, служащие для сбора разлившихся жидкостей и отвода их в аварийные емкости. Параметры таких сооружений в нормативной и специальной литературе не при водятся. В связи с указанным выполнены исследования различных дополнительных защитных преград, служащих не только для сбора разлившегося продукта, но и для удержания волны прорыва, перехле стывающей через нормативное ограждение.

Целью диссертационной работы является определение пара метров рвов и защитных стен, используемых в качестве дополнитель ных защитных преград для ограничения разлива нефти и нефтепро дуктов при разрушениях РВС в резервуарных парках с нормативными ограждениями (земляными обвалованиями и ограждающими стена ми).

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ последствий разрушений РВС и требований нормативных документов по защите от разлива нефтепродуктов;

- теоретически обосновать взаимодействие волны прорыва с нор мативными ограждениями и разработать программу расчета парамет ров процесса;

- разработать математические модели взаимодействия волны про рыва с нормативными ограждениями и дополнительными защитными преградами, лабораторные стенды и методики проведения экспери ментов;

- обосновать виды дополнительных защитных преград, способ ных удержать волну прорыва и локализовать разлив хранимой в ре зервуаре жидкости в пределах заданной площади;

- разработать методические указания для размещения дополни тельных защитных преград и определения их оптимальных парамет ров.

Объектом исследования является система: нормативное ограж дение – дополнительная защитная преграда, способная удержать вол ну прорыва и ограничить разлив нефтепродукта при разрушении РВС.

В качестве предмета исследования рассматривается процесс взаимодействия образующейся при полном разрушении РВС волны прорыва с защитными преградами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована область применения дополнительных защитных преград в резервуарных парках с нормативными ограждениями (зем ляными обвалованиями и ограждающими стенами) с резервуарами типа РВС вместимостью до 5000 м3, заполненных нефтью, бензином, водой, дизельным топливом и керосином.

2. Разработан алгоритм и программа расчета параметров процесса взаимодействия волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, с вертикальной стеной ограниченной высоты. В результате обработки теоретически полученных данных установлена аппроксимационная зависимость степени перелива жидкости через вертикальную стену от безразмерных параметров.

3. Получены экспериментальные зависимости степени перелива жидкости для отдельно стоящего резервуара с нормативным огражде нием (земляным обвалованием или ограждающей стеной).

4. Найдены аппроксимационные зависимости, позволяющие оп ределять максимальные расстояния, на которые обрушится волна по сле взаимодействия с нормативными ограждениями.

5. Получены аппроксимационные зависимости и предложены но мограммы для определения геометрических параметров дополнитель ных защитных преград, способных удержать в пределах защищаемой зоны волну прорыва и существенно ограничить площадь разлива неф ти и нефтепродуктов при квазимгновенных разрушениях РВС, а также мест их размещения за нормативными ограждениями (земляными об валованиями или защитными стенами).

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в том, что предложено использовать дополнительные защитные преграды, способные локализовать весь объем пожароопас ной жидкости, перелившийся через нормативное ограждение при раз рушении РВС, обеспечив безопасность людей и прилегающих терри торий от воздействия волны прорыва и опасных факторов пожара раз лившейся жидкости, и найдены их основные конструктивные пара метры.

Применение дополнительных защитных преград позволит уменьшить количество сил и средств, необходимых для ликвидации последствий гидродинамической аварии и возможного пожара при разрушении РВС.

Материалы диссертации реализованы при:

а) разработке методических указаний «Расчетное определение параметров дополнительных защитных преград для локализации раз лива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении вер тикального стального резервуара».

б) разработке плана по предупреждению и ликвидации аварий ных разливов нефтепродуктов на нефтебазе ООО «Октан-Сервис».

в) разработке лекционного материала по курсу «Пожарная безо пасность технологических процессов» в Академии ГПС МЧС России.

Основные результаты работы были доложены на:

второй Международной научно-практической конференции «По жарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт государственной противопожарной службы, 2006).

научно-практической конференции «Актуальные проблемы по жарной безопасности» (г. Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008) На защиту выносятся:

- анализ статистических данных о последствиях полных разру шений РВС;

- результаты теоретического исследования процесса образования и взаимодействия волны прорыва с вертикальной стеной;

- закономерности, полученные при экспериментальных исследо ваниях процессов удержания волны прорыва системой защитных пре град;

- виды и параметры дополнительных защитных преград, способ ных удержать объем жидкости, перелившейся через нормативное ог раждение Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 научных ра бот.

Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 156 стра ницах текста, включает в себя 12 таблиц, 93 рисунка, список исполь зованной литературы из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сфор мулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показана научная новизна работы и ее практи ческая значимость.

В первой главе приводится анализ последствий полных разру шений РВС и систем защиты от растекания нефтепродуктов.

Анализ результатов наблюдений квазимгновенных разрушений РВС был произведен по материалам зарегистрированных и описанных случаев аварий и пожаров, которые произошли в резервуарных парках объектов хранения нефти и нефтепродуктов в СССР, а после его рас пада в России и странах СНГ за период с 1950 по 2007 гг. Согласно полученным данным, в течение исследуемого периода зарегистриро вано 140 случаев квазимгновенных разрушений РВС. Произведено разбиение общей совокупности статистических данных по таким су щественным количественным и атрибутивным признакам, как ведом ственная принадлежность объекта, номинальная емкость резервуара, вид продукта в аварийном резервуаре и др.

Согласно имеющимся данным, доля разрушившихся резервуаров вместимостью до 5000 м3 составила 85%, 10000-20000 м3 – 12,8%, 30000 м3 и более – 2,2%.

Выявлено, что доля разрушившихся резервуаров с жидкостями, вязкость которых соизмерима с вязкостью воды (нефть, бензин, керо син, дизельное топливо) составила 59,3%, с водой – 18,6%, с мазутом и другими вязкими жидкостями – 22,1%.

При разрушении РВС волна прорыва в 45,0% случаев аварий раз рушала ограждающую стену или размывала обвалование, выходя за пределы территории объекта, что приводило к катастрофическим по следствиям с большим материальным ущербом. В 38,6% случаев раз рушений РВС поток продукта только промывал земляные дамбы или перехлестывал через них, не разливаясь за пределы территории произ водственного объекта. Как правило, такие гидродинамические аварии происходили при разрушении резервуаров небольших объемов (до 2000 м3) или при частичном (до 2/3 высоты) заполнении РВС больших объемов. Остальные 16,4% случаев приходятся на разлив продукта в каре защитного обвалования, при небольшом уровне заполнения (ме нее 1/5 высоты) РВС, разрушившихся, как правило, при взрыве паро воздушной смеси в резервуаре.

Проведенный анализ требований нормативных документов пока зал, что для защиты от растекания нефтепродуктов при авариях на РВС в отечественной и мировой практике применяются замкнутые земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих мате риалов. Согласно действующим нормативным документам такие ог раждения рассчитывают только на гидростатическое давление, а их высоту определяют исходя из равенства объема жидкости, хранимого в РВС, и объема, заключенного внутри обвалования. Поэтому земля ные обвалования и ограждающие стены, как показывает практика, не удерживают мощный поток жидкости, образующийся при квазимгно венном разрушении резервуара. Даже при сохранении целостности и устойчивости нормативного ограждения через него происходит пере лив значительного объема жидкости. В связи с этим за нормативным ограждением на наиболее опасных направлениях рекомендуется уст раивать дополнительные защитные преграды, служащие для удержа ния волны, сбора разлившегося продукта и отвода его в аварийную емкость. Параметры таких сооружений в нормативной и специальной литературе не приводятся.

Согласно нормативным документам для предотвращения распро странения пожара на соседние объекты между ними и резервуарным парком устраивают противопожарные разрывы. Анализ требований, предъявляемых к противопожарным разрывам, показал, что их разме ры в несколько раз меньше радиуса зоны возможного поражения вол ной прорыва, возникающей при разрушении РВС. Это обстоятельство не позволяет предотвратить поражение волной прорыва соседние объ екты, а увеличение противопожарных разрывов до сотен метров нера ционально.

Таким образом, применяемые системы защиты от растекания нефтепродуктов являются малоэффективными при квазимгновенных разрушениях РВС. Одним из способов предотвращения проявления негативных социальных, экономических и экологических последствий аварий такого рода в резервуарных парках с нормативными огражде ниями можно считать применение дополнительных защитных пре град, способных ограничить разлив нефти или нефтепродукта, вы шедшего за пределы нормативного ограждения.

Во второй главе приводится обзор исследований образования волны прорыва, ее распространения и взаимодействия с защитными преградами различной конфигурации. В рассмотренных работах со держатся постановка задачи, начальные и граничные условия, указы вается на метод численного решения, а также интерпретируются ре зультаты единичных расчетов, что не позволяет использовать эти ма териалы для оценки взаимодействия волны прорыва с нормативными защитными ограждениями в достаточно широком диапазоне a/Hр, Dр/Hр и L/Hр (здесь a – высота защитной преграды, Hр – уровень взли ва жидкости в резервуаре, Dр – диаметр резервуара, L – расстояние от стенки резервуара до защитной преграды). В связи с этим возникла необходимость разработки алгоритма решения задачи о взаимодейст вии волны прорыва с защитной преградой.

Рассматривалась плоская одномерная задача: между двумя ство рами x = –r;

0 имеется канал, заполненный жидкостью с постоянной глубиной Hр (рис. 1). На расстоянии x=L расположена вертикальная стена высоты a. В начальный момент времени t=0 створ канала с ко ординатой x=0 мгновенно разрушается и покоящаяся до этого жид кость приходит в движение в направлении вертикальной стены. Необ ходимо определить степень перелива (долю жидкости, которая выйдет за пределы преграды при разрушении резервуара).

Hр a x = L –r Рис. 1. Схема резервуара и вертикальной стены нормативной высоты Система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих движение жидкости, имеет вид:

c c u 2( + u ) + c = 0;

t x x (1) u u c +u + 2c = 0.

t x x где u – осредненная скорость потока по глубине;

c = gh – местная скорость звука;

g – ускорение свободного падения;

h – глубина пото ка;

x – координата;

t – время.

При решении задачи приняты следующие допущения:

- рассматривается одномерная задача;

- движение происходит в канале прямоугольного сечения;

- время разрушения резервуара много меньше характерного вре мени движения волны прорыва до обвалования;

- жидкость является невязкой;

- трение жидкости о подстилающую поверхность отсутствует;

- поверхность канала является плоской;

- уклон канала постоянен и равен нулю.

Начальные условия:

u ( x ;

0 ) = 0 ;

r x 0 (2) с ( x ;

0 ) = gH р.

u ( x ;

0 ) = 0 ;

0 x L (3) c ( x ;

0 ) = 0.

Граничное условие на вертикальной стене ( x = L ):

(c 2 c0 )3 / u= H (c c0 ), (4) c где с 0 = ga, H (c c0 ) – функция Хэвисайда, которая использова лась для включения различных граничных условий в одну формулу:

1, (с с0 ) 0;

H (c c 0 ) = (5) 0, (с с0 ) 0.

Граничное условие на левом створе канала ( x = r ):

u = 0. (6) Для решения данной задачи разработан алгоритм расчета, в осно ву которого был положен метод характеристик с фиксированным ша гом сетки по времени (схема Хартри). Сущность метода сводится к решению уравнений:

dx = u + c;

dt u + 2c = const ;

(7) dx = u c;

dt u 2c = const.

Состояние перед разрывом ( uf, cf ) и за разрывом ( ub, cb ) удовле творяют уравнению ударной адиабаты:

c f сb2 c 2 1 1 + 2.

ub u f = f (8) c c 2 f b Скорость распространения ударной волны записывали в виде:

c 1 cb U = uf 1+ 2. f (9) 2 cf cb Степень перелива определяли по выражению:

Hр T u (t ) c (t ) dt, z= (10) r где u и c – соответственно осредненная скорость потока и местная скорость звука над вертикальной стеной.

Программа написана на языке Turbo Pascal (версия 7.0) и позво ляет определять значения степени перелива, максимального подъема жидкости на стену, а также выводить графики местной скорости зву ка, осредненной скорости потока и его глубины в режиме реального времени. Аналитическое уточнение параметров потока на вертикаль ной стене для малого промежутка времени после взаимодействия жидкости с преградой проводилось с помощью программы Mathcad (версия 13). Правильность получаемых результатов оценивалась по графикам изменения параметров процесса в зависимости от координа ты и времени.

На рис. 2–8 представлены графики расчета параметров потока для РВС-2000 с ограждающей стеной нормативной высоты, равной 2,4 м и расположенной на расстоянии 9,0 м от стенки резервуара.

График осредненной скорости потока более темный по отношению к графику местной скорости звука. График глубины потока является верхней границей заштрихованной площади.

осредненная скорость потока местная глубина скорость потока звука Рис. 2. Безразмерное время с момента Рис. 3. Безразмерное время с момента разрушения резервуара 0,375 разрушения резервуара 1, Рис. 4. Безразмерное время с момента Рис. 5. Безразмерное время с момента разрушения резервуара 2,4 разрушения резервуара 3, Рис. 6. Безразмерное время с момента Рис. 7. Безразмерное время с момента разрушения резервуара 4,8 разрушения резервуара 6, Степень перелива через вертикальную стену для рассмотренного случая равна 0,6654, т.е. почти 1380 м3 жидкости при данной высоте преграды выйдет за пределы нормативного ограждения (расчетной области).

При расчете гидродинамической нагрузки на вертикальные стены необходимо знать распределение осредненных скоростей в потоке. В рассмотренных литературных источниках эти данные отсутствуют в явном виде, хотя и используются при расчетах. Разрабатывая про грамму взаимодействия волны прорыва с защитной преградой, было учтено это обстоятельство: графики и значения осредненной скорости потока могут быть выведены на монитор и печать.

Анализ результатов расчетов позволил сделать следующие выво ды:

- в исследуемом диапазоне изменения параметров высота верти кальной стены, необходимой для полного удержания жидкости в пре делах защищаемой зоны, сравнима с высотой уровня жидкости в ре зервуаре;

- положительные значения осредненной скорости потока в облас ти за ударной волной характеризуют нарастание уровня жидкости на стене;

- отрицательные значения осредненной скорости потока в области за ударной волной характеризуют понижение уровня на стене и дви жение жидкости обратно к резервуару;

- по мере увеличения высоты стены скорость распространения ударной волны также увеличивается, что обусловлено ростом разно сти параметров потока за и перед ударной волной.

В третьей главе проводятся данные по экспериментальному ис следованию системы: нормативное ограждение – дополнительное за щитное сооружение.

Анализ критериев подобия процессов взаимодействия волны прорыва с защитными преградами показал, что при создании модель ных стендов для воспроизведения волны прорыва и нахождения пара метров дополнительных защитных преград необходимо обеспечить только геометрическое подобие моделей и натуры, соблюдая посто янное отношение между линейными размерами всех величин. В каче стве рабочей жидкости при проведении экспериментов использовали воду.

Для определения доли жидкости, вышедшей за пределы норма тивного ограждения, была изготовлена модель резервуара РВС-1000 в масштабе 1:50. Для уточнения параметров дополнительных защитных преград была использована имеющаяся модель РВС-2000 в масштабе 1:30.

Боковая поверхность экспериментальных резервуаров (стенка) представляла собой два полуцилиндра 1, соединенных между собой поворотным механизмом 2, который обеспечивал их раскрытие на 180 (рис. 8). Разъемное устройство 3 воспроизводило разрушение ре зервуара по вертикальной образующей корпуса модели. В собранном виде элементы резервуара образовывали замкнутую цилиндрическую оболочку, установленную на подставку 4 и скрепленную с ней косын кой поворотного механизма.

Экспериментальные резервуары, предназначенные для гидроди намических опытов (многократного воспроизведения процессов и яв лений, имеющих место при разрушении РВС) обеспечивали:

а) герметичность конструкции при заполнении ее жидкостью;

б) имитацию разрушения РВС по вертикальному шву со свобод ным раскрытием стенок под действием напора жидкости на 180°;

в) образование волны прорыва и ее взаимодействие с защитными преградами.

1 Hм 3 4 Dм Рис. 8. Принципиальная схема модели РВС- На различных расстояниях от макета резервуара устанавливали защитную преграду нормативной высоты, моделирующую вертикаль ную стену или трапецеидальное обвалование с углом откоса 45. В ка честве дополнительных защитных преград рассматривали рвы раз личной конфигурации и вертикальные стены. Схемы проведения экс периментов представлены на рис. 9–14:

резервуар защитный ров нормативная Hр защитная преграда c hст a hрв Dр L b Рис. 9. Схема проведения экспериментов серии А Hр c a hрв Dр L b Рис. 10. Схема проведения экспериментов серии Б Hр c hст a Dр hрв b L Рис. 11. Схема проведения экспериментов серии В Hр c a Dр hрв L b Рис. 12. Схема проведения экспериментов серии Г Hр защитная стенка hст a Dр Lв L Рис. 13. Схема проведения экспериментов серии Д Hр hст a Dр Lв L Рис. 14. Схема проведения экспериментов серии Е где: Dр – диаметр модельного резервуара;

Нр – уровень жидкости в модельном резервуаре;

L – расстояние от резервуара до нормативного ограждения;

a – высота ограждения;

b – расстояние от ограждения до переднего откоса рва;

c – ширина рва;

hрв – глубина рва;

hст – высота дополнительной защитной стены;

Lв – максимальное расстояние, на которое обрушится волна.

Примечание: первоначально эксперименты серий А и В проводились без установки вертикальной стенки на противоположном откосе рва.

Модель резервуара заполняли определенным объемом воды, по стоянным для всех экспериментов конкретной серии и имитировали разрушение стенки резервуара. Каждый эксперимент повторялся не менее трех раз с фиксацией процесса цифровой видеокамерой.

Параметры, определяемые в ходе проведения экспериментов:

- степень перелива жидкости через нормативное ограждение;

- максимальное расстояние, на которое обрушится волна после взаимодействия с нормативным ограждением;

- геометрические параметры дополнительных защитных преград для полного удержания потока жидкости, перелившегося через нор мативное ограждение.

Максимальная относительная погрешность проведения экспери ментов не превышала 28%.

В результате проведения экспериментов:

- определена степень перелива жидкости через нормативное ог раждение при разрушении резервуара. Выявлено, что степень перели ва существенно зависит от вида ограждения, его высоты и слабо зави сит от расстояния, на котором оно установлено от резервуара;

- определено максимальное расстояние, на которое обрушивается волна после взаимодействия с нормативным ограждением. Это рас стояние зависит от вида ограждения, его высоты, а также от расстоя ния, на котором оно установлено от резервуара;

- в качестве дополнительных защитных преград предлагается ис пользовать рвы трапецеидального сечения с вертикальным откосом (hст=0), вертикальные стены (hрв=0), а также их комбинацию (рис. 15).

Hр нормативное ограждение hст a hрв Dр L Lв Рис. 15. Общая принципиальная схема дополнительных защитных преград - применение рвов трапецеидального сечения (рис. 10, 12) в зоне действия гидродинамической волны является неэффективным защит ным мероприятием.

В четвертой главе приведены результаты обработки и анализа теоретически и экспериментально полученных данных, результаты натурного эксперимента, а также приведена методика определения геометрических параметров дополнительных защитных преград. Ап проксимация результатов исследований проводилась с помощью про граммы STATGRAPHICS (версия 5.1).

Для приведения результатов компьютерного моделирования к инженерному уровню были аппроксимированы полученные данные по степени перелива жидкости через вертикальную стену. Рассмотре но 72 варианта, учитывающих весь модельный ряд РВС и всю область применения защитных преград. Среднее время расчета одного вари анта составило 40 мин, общее время – 48 ч.

Безразмерными параметрами в теоретической модели процесса взаимодействия волны прорыва с защитной преградой являются от ношения a/Hр, r/Hр, L/Hр, где r – приведенный диаметр, рассчитывае мый по формуле: r = Dр / 2.

Исследуемый диапазон изменения параметров составил:

0 a/Hр 0,8;

0,8085 r/Hр 3,1458;

1,0 L/Hр 2,8.

Результаты обработки данных показали, что параметры r/Hр и L/Hр в разработанной математической модели являются незначимыми.

Полученная зависимость для определения степени перелива име ет вид:

z = 1 1,204 a / H р, (11) Статистические характеристики:

R 2 = 97,7% ;

Fкр = 3,96 ;

Fм = 3792,27 ;

= 0,085, где R2 – величина достоверности аппроксимации;

Fкр – критическое значение F-критерия Фишера;

Fм – значения F-критерия Фишера в модели;

– доверительный интервал при уровне значимости =5%.

Графическая интерпретация результатов теоретического исследо вания представлена на рис. 16.

z a/Hр Рис. 16. Зависимость степени перелива от высоты вертикальной стены Для использования результатов экспериментального исследова ния на практике был проведен регрессионный анализ опытных дан ных, и введены некоторые ограничения по области применения полу ченных аппроксимационных выражений.

При проведении экспериментов в качестве рабочей жидкости ис пользовали воду. Сравнение теоретически полученных данных с экс периментальными проводилось также для воды. Вязкости нефтепро дуктов, хранимых в РВС, изменяются в широком диапазоне и зависят не только от их видов, но и от температуры. В связи с невозможно стью моделирования вязкости при проведении экспериментов пред ставленные выше аппроксимационные зависимости могут быть рас пространены только на бензин, керосин, дизельное топливо и нефть, а также иные жидкости, вязкость которых находится в диапазоне:

0,5·10–6 2,0·10–6, где – коэффициент кинематической вязкости нефтепродукта, м2/с.

Так как экспериментальные данные по определению степени пе релива, максимального расстояния, на которое обрушится волна, и геометрических параметров дополнительных защитных преград были получены на моделях РВС-1000 и РВС-2000 область применения при веденных выше аппроксимационных выражений по параметру Dр/Hр ограничивается диапазоном:

0,87 Dр/Hр 1,58.

Диапазон изменения параметров, варьируемых при проведении экспериментов, составил:

0,1 a/Hр 0,25;

0,4 L/Dр 1,0;

Учитывая принятые допущения и погрешности, а также другие неучтенные при проведении экспериментов обстоятельства, которые могут повлиять на движение волны прорыва (например, влияние со седних резервуаров в каре обвалования), в полученные аппроксима ционные зависимости был введен коэффициент запаса надежности:

k = 2( E + ), (12) где E – доверительный интервал, учитывающий случайную и система тическую погрешности проведения экспериментов;

– доверитель ный интервал аппроксимации экспериментальных данных для одно стороннего теста. Доверительные интервалы в работе определялись при уровне значимости =5%.

Полученные уравнения с учетом коэффициента запаса надежно сти, номограммы, величины достоверности аппроксимации R2, крити ческие значения F-критерия Фишера Fкр, значения F-критерия Фише ра в моделях Fм, а также доверительных интервалов аппроксимации экспериментальных данных представлены ниже.

Степень перелива жидкости через нормативное ограждение:

- для нормативной вертикальной стены:

z = – k1 – m1 ln(a/Hр) – n1 ln(L/Dр);

(13) R = 99,3% ;

Fкр = 3,96 ;

Fм = 1194,75 ;

= 0,014.

z 0, 0,40 a/H р =0, 0, a/H р =0, 0, 0,25 a/H р=0, 0, a/H р=0, 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1, L/D р Рис. 17. Номограмма для определения степени перелива жидкости через нормативную вертикальную стену - для нормативного трапецеидального обвалования:

z = – k2 – m2 ln(a/Hр) – n2 ln(L/Dр);

(14) R = 99,6% ;

Fкр = 3,59 ;

Fм = 2275,87 ;

= 0,007.

z 0, a/H р =0, 0, 0, a/H р =0, 0, a/H р =0, 0, a/H р =0, 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1, L/D р Рис. 18. Номограмма для определения степени перелива жидкости через нормативное трапецеидальное обвалование Максимальное расстояние, на которое обрушится волна после взаимодействия с нормативным ограждением:

- для нормативной вертикальной стены:

Lв/Dр = – k3 – m3 ln(a/Hр) – n3 ln(L/Dр);

(15) R = 96,3% ;

Fкр = 3,59 ;

Fм = 221,29 ;

= 0,012.

L в/D р 1, 1, 1, 1, a/H р=0, 1, a/H р=0, 0, a/H р=0, 0, a/H р=0, 0, 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1, L/D р Рис. 19. Номограмма для определения максимального расстояния, на которое обрушится волна, при нормативной вертикальной стене - для нормативного трапецеидального обвалования:

Lв/Dр = k4 – m4 (a/Hр)p – n4 (L/Dр)q. (16) R 2 = 90,1% ;

Fкр = 3,59 ;

Fм = 77,78 ;

= 0,064.

L в/D р 1, 1, 1,4 a/H р=0,1-0, 1,3 a/H р=0, 1,2 a/H р=0, 1, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1, L/D р Рис. 20. Номограмма для определения максимального расстояния, на которое обрушится волна, при нормативном трапецеидальном обваловании В формулах 13–16 ki, mi, ni, p и q – константы уравнений регрессии.

Высота вертикального откоса рва и вертикальной стены:

hст/Hр = 0,272 – 0,781(hрв/Hр). (17) R = 98,6% ;

Fкр = 7,71;

Fм = 275,80 ;

= 0,022.

h ст/H р 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0, h рв/H р Рис. 21. Влияние глубины рва на высоту стены Сравнение результатов теоретических и экспериментальных ис следований по степени перелива жидкости через нормативные ограж дения показало, что теоретически полученные данные имеют завы шенные значения, что объясняется допущениями, принятыми при раз работке математической модели. Одно из наиболее существенных до пущений: математическая модель описывает разрушение стенки хра нилища жидкости, имеющего форму прямоугольного параллелепипе да с распространением волны прорыва в канале прямоугольного сече ния, ширина которого равна ширине разрушившейся стенки. Таким образом, результаты теоретического исследования могут быть исполь зованы для прогнозирования обстановки при разрушении резервуаров любой вместимости, но необходимо иметь в виду, что степень пере лива жидкости будет завышена.

Натурный эксперимент по разрушению резервуара был проведен в июле 2004 г. на нефтебазе в Липецкой области, где был подвергнут разрушению один из восьми однотипных резервуаров РВС № 8 (но минальный объем 700 м3;

Dр=10,4 м;

Hр=9 м), полностью заполненный водой. Для оценки наиболее опасных последствий взаимодействия волны прорыва с нормативной защитной преградой разрушение РВС 700 произвели со стороны земляного обвалования резервуарного пар ка. На рис. 22 представлена обстановка в резервуарном парке нефте базы с указанием площади разлива жидкости после разрушения РВС.

Результаты натурного эксперимента подтвердили характер взаи модействия образовавшегося потока жидкости с земляным обвалова нием. Значительный объем жидкости перехлестнул через обвалова ние, частично размыв его гребень и растекся на прилегающей терри тории. Кроме того, были повреждены и сдвинуты с фундамента со седние резервуары. Необходимо отметить, что разлив жидкости при разрушении резервуара на завершающем этапе был существенно ог раничен расположенными в непосредственной близости естественны ми оврагами глубиной от 2,5 до 7,0 м, что привело к снижению фак тической площади разлива.

Граница площади разлива 12м 10м 10м 10м 10м 10м 1 10м Овраг 2 -2, Sр = 5200 м2 Овраг 12м Направление Разрушение 38м разрушения ограждения L = 15 м -5, Овраг -7, Рис. 22. Обстановка на нефтебазе после разрушения РВС № Для оценки возможности использования результатов экспери ментальных исследований на натурных объектах можно сравнить максимальное расстояние, на которые обрушивается волна, в натур ном эксперименте с рассчитанным расстоянием по формуле (17). В натурном эксперименте расстояние составило 10 м, а рассчитанное по формуле (17) – 10,55 м. Относительное расхождение результатов – 5,5%.

Таким образом, проведенные на экспериментальных стендах опыты удовлетворительно моделирует процессы разрушения резер вуара и взаимодействия волны прорыва с защитными преградами.

Найденные закономерности использованы при разработке мето дических указаний «Расчетное определение параметров дополнитель ных защитных преград для локализации разлива нефти и нефтепро дуктов при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара».

В приложении представлены акты внедрения, алгоритм расчета и текст программы, описывающей движение волны прорыва и ее взаимодействие с вертикальной стеной ограниченной высоты, приво дятся файлы обработки теоретически и экспериментально полученных данных.

ВЫВОДЫ 1. Анализ статистики и собранные данные по разрушениям РВС свидетельствует, что гидродинамические аварии в резервуарных пар ках продолжают иметь место, а их последствия часто носят катастро фический характер.

2. Проведенные экспериментальные и теоретические исследова ния показали, что применяемые нормативные ограждения (обвалова ния, стены) не удерживают в пределах защищаемой территории зна чительную часть жидкости, выходящую из аварийного РВС, а проти вопожарные разрывы между резервуарными парками и соседними объектами в несколько раз меньше протяженности зон возможного поражения волной прорыва.

3. На основании известных теоретических положений о неустано вившемся быстро изменяющемся движении жидкости, разработан ал горитм расчета и создан программный продукт, описывающий про цесс взаимодействия волны прорыва, возникающей при разрушении резервуара, с вертикальной стеной ограниченной высоты. Программа позволяет выводить графики местной скорости звука, осредненной скорости потока и его глубины в режиме реального времени, а также определять степень перелива жидкости через вертикальную стену и высоту стены, необходимую для полного удержания жидкости.

4. Разработаны лабораторные стенды и методики проведения экс периментальных исследований на основе анализа критериев подобия, полученных в результате физического и математического моделиро вания процессов взаимодействия волны прорыва с защитными пре градами.

5. По результатам проведенных экспериментов найдены наиболее эффективные конфигурации дополнительных защитных преград, спо собных ограничить площадь разлива жидкости, перехлестнувшей че рез нормативное ограждение. Экспериментально определены их гео метрические параметры.

6. Получены регрессионные математические модели для опреде ления теоретической и экспериментальной степени перелива жидко сти через нормативные ограждения, а также определения геометриче ских параметров дополнительных защитных преград.

7. Разработаны методические указания по определению парамет ров дополнительных защитных преград в резервуарных парках с нор мативными ограждениями (земляными обвалованиями и ограждаю щими стенами).

Основные положения диссертации опубликованы в следую щих работах:

1. Горячев С.А., Горячева М.Н., Швырков С.А., Воробьев В.В.

Оценка рисков в резервуарном парке при квазимгновенном разруше нии стального вертикального резервуара // Транспорт и хранение неф тепродуктов. – 2005. – Вып. 7. – С. 7-8.

2. Швырков С.А., Горячев С.А., Швырков А.Н., Прохоров Ю.П., Воробьев В.В., Батманов С.В. Прогнозирование площади разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении резервуара // Транспорт и хранение нефтепродуктов. – 2005. – Вып. 7. – С. 8-12.

3. Швырков С.А., Горячев С.А., Швырков А.Н., Батманов С.В., Воробьев В.В. Прогнозирование площади пожара разлива жидкости при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуа ра. Пожарная и аварийная безопасность объектов: Материалы II Меж дународной науч.-практ. конф. – Иваново: Ивановский институт госу дарственной противопожарной службы, 2006. С. 85-88.

4. Швырков С.А., Горячев С.А., Сорокоумов В.П., Батманов С.В., Воробьев В.В., Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность.

– 2007. – том 16. № 6. – С. 48-52.

5. Воробьев В.В., Горячев С.А., Швырков С.А. Определение па раметров дополнительных защитных преград, предназначенных для ограничения разлива нефтепродукта при внезапном разрушении РВС // Охрана окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2008. № 4.

– С. 8-10.

6. Воробьев В.В. Применение дополнительных защитных преград для ограничения разлива нефтепродукта при квазимгновенном разру шении РВС. Актуальные проблемы пожарной безопасности. Материа лы международной науч.-практ. конф;

ч. 1. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. С. 248-251.

7. Воробьев В.В. Экспериментальные исследования дополни тельных защитных преград для ограничения разлива нефтепродуктов при внезапных разрушениях резервуаров // Интернет-журнал «Техно логии техносферной безопасности». – 2008. – №2. – http://ipb.mos.ru/ ttb Академия ГПС МЧС России. Тираж 100 экз. Заказ №258.