Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ статистики разрушений резервуаров, требований норм по ограничению разлива жидкостей и оценке пожарного риска 15
1.1. Статистические данные о квазимгновенных разрушениях РВС 15
1.1.1. Источники информации 15
1.1.2. Анализ статистических данных
1.2. Анализ требований нормативных документов к обустройству ограждений резервуаров 34
1.3. Анализ нормативно-законодательных положений по оценке пожарного риска на производственных объектах 37
1.4. Концепция, цель и задачи исследования 42
ГЛАВА 2. Статистическая оценка частоты разрушений рвс и условных вероятностей реализации сценариев при авариях нефтяных резервуаров 44
2.1. Дифференцированный подход к определению частоты разрушений РВС 44
2.2. Особенности разработки сценариев возникновения и развития пожара (аварии) при разрушении РВС 52
2.3. Определение условных вероятностей реализации сценариев при квазимгновенном разрушении РВС 54
2.4. Особенности оценки потенциального риска при разрушении РВС 56
ГЛАВА 3. Оценка коэффициентов разлития и формы площади пролива жидкости при разрушении РВС 57
3.1. Дифференцированный подход к оценке параметров разлива 57
3.2. Статистическая оценка коэффициентов разлития 62
3.2.1. Подготовка статистических данных з
3.2.2. Определение коэффициентов разлития 75
3.3. Оценка параметров формы площади пролива жидкости и зоны возможного затопления 76
3.4. Экспериментальное определение площади пролива жидкости при квазимгновенном разрушении РВС 82
3.5. Особенности определения условной вероятности поражения людей тепловым излучением пожара пролива 89
ГЛАВА 4. Построение полей воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения 93
4.1. Характеристика потока жидкости при полном разрушении РВС 93
4.2. Анализ теоретических исследований характеристик волны прорыва при разрушении гидротехнических сооружений 95
4.3. Анализ теоретических исследований волны прорыва при разрушении наземного резервуара 101
4.4. Анализ экспериментальных исследований взаимодействия волн прорыва с защитными преградами 106
4.5. Анализ методик расчета максимальных параметров потока по трассе растекания при гидродинамических авариях 115
4.6. Разработка математической модели образования волны прорыва при разрушении РВС, ее распространения и воздействия на людей, здания и сооружения 124
4.6.1. Результаты численного моделирования параметров воздействия волны прорыва на людей, здания и сооружения 131
4.6.2. Особенности распределения высоты и скорости волны прорыва по трассе растекания с уклоном 153
4.7. Экспериментальное исследование параметров волны прорыва при разрушении РВС-700 156
4.7.1. Оценка скорости и высоты волны прорыва по трассе растекания... 156
4.7.2. Оценка силового воздействия волны прорыва на элемент здания... 159
ГЛАВА 5. Разработка ограждающей стены устойчивой к воздействию волны прорыва при разрушении РВС 162
5.1. Принципы разработки ограждений РВС для снижения пожарного риска 162
5.2. Анализ дополнительных и альтернативных способов защиты от разлива нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках 166
5.3. Результаты экспериментального определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком 169
5.3.1. Определение критериев подобия 170
5.3.2. Разработка лабораторного стенда и методики проведения экспериментов 171
5.3.3. Экспериментальное исследование и обработка данных 173
5.3.4. Техника измерений и оценка погрешностей измерений
5.4. Результаты теоретического исследования динамического воздействия волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком 185
5.5. Экспериментальное исследование динамических нагрузок от волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком
5.5.1. Критерии моделирования 200
5.5.2. Описание лабораторного стенда и приборного оборудования 204
5.5.3. Определение скоростных характеристик потока 212
5.5.4. Определение волновой нагрузки 215
5.5.5. Оценка погрешностей измерений 225
5.6. Численное моделирование экспериментальных исследований 228
5.6.1. Анализ скоростных характеристик потока 229
5.6.2. Анализ гидродинамических нагрузок на преграду 230
ГЛАВА 6. Концепция оценки и снижения пожарного риска при разрушении нефтяных резервуаров 235
6.1. Общие положения 235
6.2. Особенности квазимгновенного разрушения РВС 236
6.3. Частота разрушений РВС 237
6.4. Сценарии возникновения и развития аварии при разрушении РВС 23 8
6.5. Метод оценки формы и площади пролива жидкости при разрушении РВС 239
6.6. Метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва 241
6.7. Особенности определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива 243
6.8. Оценка потенциального риска при разрушении РВС 246
6.9. Способ снижения пожарного риска при разрушении РВС
6.9.1. Метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком 247
6.9.2. Метод определения динамических нагрузок от воздействия волны прорыва на ограждающую стену с волноотражающим козырьком 248
6.10. Оценка влияния ограждений на величину потенциального риска при квазимгновенном разрушении РВС 250
Заключение 257
Список литературы
- Анализ требований нормативных документов к обустройству ограждений резервуаров
- Определение условных вероятностей реализации сценариев при квазимгновенном разрушении РВС
- Экспериментальное определение площади пролива жидкости при квазимгновенном разрушении РВС
- Анализ теоретических исследований волны прорыва при разрушении наземного резервуара
Введение к работе
Актуальность работы. Основной направленностью современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска», является снижение вероятности гибели людей. Это предполагает выполнение комплекса работ, связанных с анализом риска возможных аварий, при этом вопрос научной обоснованности и адекватности расчетных методик является одним из ключевых в обеспечении безопасности людей. Отсутствие или пренебрежение научными основами приводит, с одной стороны, к экономически неоправданным затратам на обеспечение пожарной безопасности, с другой - к серьезным упущениям в отношении реальной опасности аварийной ситуации на объекте.
Однако, несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество, как отечественных (Брушлинский Н.Н., Волков ОМ., Сучков В.П., Шебеко Ю.Н., Болодьян И.А., Гордиенко Д.М., Елохин А.Н, Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев А.А., Лисанов М.В., Печеркин А.С., Сидоров В.И., Измалков В.И., Акимов В.А., Козлитин A.M. и др.), так и зарубежных (Химмельблау Д., Хенли Э.Дж., Кумамото X., Маршалл В., АПе В., Morris М, Miles A., Cooper J., Wolski A., Dembsey N., Meacham 5., Tixier J., Beer ens H., Post J. et all.) работ, посвященных анализу риска на объектах нефтегазового комплекса, ряд важных с практической точки зрения закономерностей, характеризующих пожарную опасность полного разрушения технологического оборудования, выявлены в научном плане недостаточно. И, как следствие, отсутствуют методы оценки опасных факторов, динамики развития и прогноза последствий аварийной ситуации, связанной с квазимгновенным разрушением вертикального стального резервуара с нефтью или нефтепродуктом (далее РВС или нефтяной резервуар).
Отличительными признаками такой аварии являются полная потеря целостности корпуса РВС и выход в течение короткого промежутка времени (не более 10-15 с) на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости в виде мощного потока - волны прорыва. При этом волна характеризуется резкой нестационарностью, наличием фронта в виде бора (вала), движущегося со значительной скоростью и обладающего большой разрушительной силой.
В этой связи следует отметить, что к основным сооружениям по ограничению аварийного разлива жидкостей в резервуарных парках на протяжении последних ста лет относятся земляные обвалования или ограждающие стены, расчет которых производится только на гидростатическое удержание пролитой жидкости. Анализ последствий разрушений РВС, выполненный в работе, убедительно свидетельствует о том, что такие преграды не способны удержать поток, движущийся по законам гидродинамики, в результате чего подобные аварии неоднократно приводили к травмам и гибели людей, значительному материальному и экологическому ущербам.
Так, например, в результате образования и воздействия горящей волны прорыва при разрушении РВС-4600 с нефтью на Уфимском НПЗ (Башкирия, 1953 г.) погибли 22 сотрудника пожарной охраны и 2 работника объекта. В результате образования горящего потока бензина при разрушении РВС-700 на «Каменской» нефтебазе (Ростовская область, 1961 г.) с выходом его за пределы объекта и распространением на жилой сектор погиб 41 человек. В результате воздействия волны прорыва при разрушении РВС-20000 с водой на Невинномысской ГРЭС (Ставропольский край, 1985 г.) полностью разрушено железобетонное ограждение мазутного хозяйства объекта, элементы которого, подхваченные потоком воды, повредили соседний резервуар с мазутом, который попал в р. Барсучки и р. Кубань, что привело к большому экологическому ущербу. В результате взрыва паров нефти в РВС-20000, разрушения резервуара с образованием и воздействием горящей волны в резервуарном парке линейной производственно-диспетчерской станции «Конда» (Тюменская область, 2009 г.) погибли 3 и получили тяжелые травмы 4 сотрудника пожарной охраны, более 20 человек, в том числе из персонала станции, были контужены. Только прямой ущерб от аварии составил более 1,5 млрд. руб.
Анализ дополнительных способов защиты от разлива жидкости в резерву-арных парках в виде рвов, канав, амбаров и др., устраиваемых за основными сооружениями, показал, что на практике они не нашли широкого применения, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью выделения для их обустройства значительной части производственной территории. В частности, сооружение таких преград для резервуарных парков в городских условиях, является практически невыполнимой задачей. Такая же проблема возникает и при обеспечении безопасности морских терминалов, расположение которых сопряжено, как правило, с минимальными расстояниями до акваторий, а также особенностями грунтового покрытия (слабые и насыпные грунты).
В результате анализа нормативных документов по оценке пожарного риска на производственных объектах выявлено, что волна прорыва не рассматривается в качестве опасного фактора аварийной ситуации, при этом отсутствуют данные как по частоте разрушений РВС, так и по статистическим вероятностям реализации сценариев развития рассматриваемой аварийной ситуации. Кроме этого, не приводятся методы оценки формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, а также параметров воздействия волны прорыва на людей и противопожарные преграды, что не позволяет производить количественный анализ пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС.
Таким образом, анализ состояния проблемы и уточнение понятийного аппарата, позволили сформулировать общую концепцию исследования: о развитии методологических основ оценки пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, как одной из наиболее пожароопасных ситуаций на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК), а также средств его снижения за счет разработки и применения ограждающей стены с волноотра-жающим козырьком, устойчивой к воздействию волны прорыва.
Цель работы - развитие методов оценки и средств снижения пожарного риска при квазимгновенном разрушении нефтяного РВС. Основные задачи исследования:
выполнить анализ статистических данных разрушений РВС, на основании которого разработать логическое дерево событий с определением его частотных и вероятностных характеристик, установить коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости, скорректировать метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС;
разработать математическую модель квазимгновенного разрушения РВС, на основании численного решения которой получить зависимости для определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека и предложить метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва;
произвести сравнение полученных зависимостей по определению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва на человека с результатами натурного эксперимента при разрушении РВС;
- сформулировать принципы разработки ограждений РВС для полного
удержания волны прорыва, на основании которых предложить вариант кон
структивного исполнения преграды - ограждающую стену с волноотражающим
козырьком;
разработать экспериментальный стенд и методику проведения опытов по удержанию волны прорыва предложенной конструкцией преграды, сравнить полученные данные с результатами численного моделирования;
разработать методы определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком и динамических нагрузок на ее конструктивные элементы от воздействия волны прорыва;
предложить концепцию оценки потенциального пожарного риска и его снижения за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком при квазимгновенном разрушении РВС.
Объектом исследования являлись гидродинамические процессы, характеризующие пожарную опасность квазимгновенного разрушения РВС, и практическое использование их основных закономерностей для решения проблемы снижения пожарного риска. В качестве предмета исследования рассматривались различные ограждения РВС и их влияние на величину пожарного риска.
Методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы теории вероятностей и математической статистики, теории подобия и математического моделирования, декомпозиции развития возможных аварийных ситуаций, выявления закономерностей, описания, обобщения.
Моделирование и расчеты, связанные с решением систем уравнений гидродинамики и уравнений деформируемого твердого тела в связанной пространственной постановке, проведены с использованием современного программного комплекса для инженерных расчетов LSDYNA, а также подтверждены
результатами экспериментальных исследований, обработка которых производилась в математической системе Statgraphics-5.0. Расчеты, связанные с количественной оценкой пожарного риска при разрушении РВС, проведены с использованием математической системы Mathcad-14.
Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, материалы расследования аварий, материалы научно-исследовательских работ по тематике пожарной безопасности и анализа риска.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
По результатам обработки статистических данных установлена частота квазимгновенных разрушений РВС, разработано логическое дерево событий и определены его частотные и вероятностные характеристики, определены коэффициенты разлития и параметры формы площади пролива жидкости при разрушении РВС, скорректирован метод определения условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС.
-
Разработана математическая модель квазимгновенного разрушения РВС, на основании численного решения которой получены зависимости для определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека, а также предложен метод определения условной вероятности поражения человека волной прорыва.
-
На основе результатов натурного эксперимента по разрушению РВС-700 с водой подтверждены характер формирования волны прорыва и ее взаимодействие с ограждением, а также адекватность полученных зависимостей по определению площади пролива и параметров силового воздействия волны прорыва.
-
Сформулированы принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва, на основании которых предложен вариант конструктивного исполнения преграды - ограждающая стена с волноотражающим козырьком.
-
Разработаны экспериментальный стенд и методики проведения опытов по удержанию волны прорыва предложенной конструкцией преграды. В результате исследований, включая численное моделирование, разработаны методы определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком и динамических нагрузок от воздействия волны прорыва.
-
Предложена концепция оценки и снижения потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, за счет применения ограждающей стены с волноотражающим козырьком.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы позволяют производить расчетное определение величин пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС, а также получить исходные данные, необходимые для разработки проектной документации на строительство ограждающей стены с волноотражающим козырьком.
Применение ограждающей стены направлено на снижение пожарного риска, а также количества сил и средств, необходимых для ликвидации гидродинамической аварии и возможного пожара при разрушении РВС.
Материалы диссертации реализованы при разработке:
проектной документации на строительство ограждений с волноотражаю-щим козырьком в резервуарных парках площадок «Шесхарис» и «Грушовая». Новороссийск: ОАО «Черномортранснефть», 1996-2010 гг.;
нормативного документа по пожарной и промышленной безопасности: «Методические указания. Расчетное определение параметров аварийного разлива нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении РВС». № П4-05 С-004 М-001. М.: «НК «РОСНЕФТЬ», 2006 г.;
нормативного документа по пожарной и промышленной безопасности: «Методические указания. Расчетное определение параметров защитной преграды от волны прорыва, образующейся при квазимгновенном разрушении РВС». № П4-05 С-004 М-002. М.: «НК «РОСНЕФТЬ», 2006 г.;
нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия на систему противопожарной защиты проектируемого участка четвертого транспортного кольца вблизи резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭЦ-11 г. Москвы». ТУ № 06-004. М.: ОАО «Мосинжпроект», 2006 г.;
нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия на решения проекта «Антипинский НПЗ. II пусковой комплекс». СТУ № 72-27-08. Тюмень: ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность», 2008 г.;
нормативного документа по пожарной безопасности: «Ограждения резервуаров. Требования пожарной безопасности» ГОСТ Р 53324-2009. М.: ВНИИПО МЧС России, 2009 г.;
нормативного документа по пожарной безопасности: «Специальные технические условия по обеспечению пожарной безопасности Комплекса по перевалке и фракционированию стабильного газового конденсата и продуктов его переработки мощностью 6 млн. тонн в год в Морском торговом порту Усть-Луга». ТП № 652-1-СТУ. Санкт-Петербург: ООО «Пожнефтехим», 2011 г.;
проектной документации на строительство защитных ограждений групп резервуаров в составе Комплекса ОАО «НОВАТЭК» в Морском торговом порту Усть-Луга. ТП № 652-1-РД. Кингисепп: ОАО «НОВАТЭК-Усть-Луга», 2011 г.;
проектной документации на строительство защитных ограждений групп резервуаров в составе Комплекса наливных грузов ОАО «РОСНЕФТЬ-БУНКЕР» в Морском торговом порту Усть-Луга (4-й этап строительства). Краснодар: ЗАО «НИПИ» «ИнжГео», 2012 г.;
разработке учебного пособия (2002 г.), учебников (2007 г., 2012 г.), учебно-методического пособия для дипломного проектирования (2011 г.), учебного пособия для проведения комплексных учений (2012 г.), а также курса лекций по дисциплинам «Пожарная безопасность технологических процессов» и «Методологические основы определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» (2012 г.) в Академии ГПС МЧС России.
Основные результаты работы доложены на: XIII Всероссийской научн-практ. конф. «Пожарная безопасность - 95» (г. Москва, ВНИИПО МВД России, 1995); Научн.-практ. конф. специалистов предприятий и организаций России по безопасности оборудования «Безопасность применения оборудования потенциально опасных производств» (г. Москва, МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1996); 5-th International Conference Modern building materials, structures and techniques {Lithuania, Vilnius, 1997); 21-th International Symposium on Combustion {{Abstracts of Work-in-Progress Poster Presentations» {Poster Session: Fire and Fire Suppression) {University of Colorado at Boulder, 1998); VI и VII Международных конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (г. Москва, Представительство CAD-FEM GmbH, 2006 г., 2007 г.); II Международной научн.-практ. конф. «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2006); Международной научн.-практ. конф. «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ВНИИПО МЧС России, 2008); XI Международной научн.-практ. конф. молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2008); 17-й Международной научн.-технич. конф. «Системы безопасности - 2008» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2008); Первой всероссийской научн.-практ. конф. «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008); VI Международной научн.-практ. конф. «Пожарная и аварийная безопасность» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2011); Межвузовской научн.-практ. конф. «Совершенствование противопожарной защиты производственных объектов с повышенной пожарной опасностью» (г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС России, 2012); 21-й Международной научн.-технич. конф. «Системы безопасности - 2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012).
На защиту выносятся:
результаты анализа статистических данных о последствиях квазимгновенных разрушений РВС: частота разрушений, логическое дерево событий, его частотные и вероятностные характеристики;
метод оценки параметров площади и формы пролива жидкости при разрушении РВС, а также условной вероятности поражения человека тепловым излучением пожара пролива с учетом направления разрушения РВС;
метод определения параметров силового воздействия волны прорыва на человека, а также условной вероятности поражения человека волной прорыва;
принципы разработки ограждений РВС для полного удержания волны прорыва и конструкция ограждающей стены с волноотражающим козырьком;
метод определения геометрических параметров ограждающей стены с волноотражающим козырьком, а также динамических нагрузок на нее от воздействия волны прорыва;
концепция оценки и снижения потенциального пожарного риска при квазимгновенном разрушении РВС.
Публикации. По теме диссертации опубликована 51 научная работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Содержание работы изложено на 355 страницах текста, включает в себя 49 таблиц, 189 рисунков, список литературы из 288 наименований.
Анализ требований нормативных документов к обустройству ограждений резервуаров
При этом чаще всего хрупкие трещины, приводящие к разрушению резервуаров, возникали в дефектах сварочных швов, выполненных при монтаже. Данное обстоятельство обусловлено склонностью некоторых марок стали к хрупкому разрушению при низких температурах (СтЗкп и т. п.). Отметим, что в прежние годы для изготовления резервуаров широко использовали кипящую мартеновскую сталь, которая, как известно, обладала повышенной склонностью к хрупкому разрушению даже при температуре минус 15 С. При температуре около 30 С ниже нуля ударная вязкость такой стали резко падает и при минус 40 С составляет лишь около 7 % от начального значения [51, 73, 78, 93, 99]. Исключение кипящей стали как материала для изготовления резервуаров и вывод из эксплуатации большого количества ранее построенных из этой стали емкостей существенно снизили аварийность резервуаров по этой причине. Однако, как показала практика, и высококачественная сталь (СтЗпс, 09Г2С и т. п.) оказывается неустойчивой к низким температурам. Примером тому может служить разрушение резервуара при температуре минус 40 С в резервуарном парке цеха переработки газового конденсата в г. Дудинка (см. Приложение А).
Рассмотренные обстоятельства позволяют считать, что и сегодня вопрос обеспечения надежности резервуарных конструкций остается нерешенным. То есть признать как факт, что несмотря на определенный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в области резервуаростроения, возможность разрушения РВС сохраняется, что и подтверждает статистика аварий.
Следует также отметить, что в последние два десятилетия, наряду с известными причинами, проявились угрозы современной реальности - и нфра-структурный терроризм. Любые структуры резервуарных парков могут стать поводом для возможного террористического шантажа или акта. Причем эта опасность актуальна не только с точки зрения террора, но и с ведением нечестной конкурентной борьбы [100, 101].
Специфика проблемы в данном случае связана, прежде всего, с тем, что резервуары несут в себе повышенную опасность, как для самого объекта, так и для окружающей территории, вследствие хранения в них большого количества взрывопожароопасных и токсичных веществ. Единичная емкость резервуаров и резервуарных парков непрерывно растет и все большим становится энергетический потенциал объекта и следовательно угроза, риск и последствия возможного осуществления техногенного теракта [102]. Наиболее остро эта проблема была освещена после известных трагических событий 11 сентября 2001 г. в США [103], когда заговорили о недостаточной прочности и коллапсе городских сооружений при свершении террористических актов. В этой связи важно отметить, что в настоящее время в городах и населенных пунктах нашей страны находится более 350 крупных нефтехранилищ и тысячи складов горючесмазочных материалов промышленных предприятий [33, 34, 55, 104-107], при этом имели место случаи подрыва резервуаров с нефтью на территории населенных пунктов в Чечне и Ставропольском крае (см. Приложение А).
Важно также указать, что в последние годы нефтехранилища все чаще становятся мишенью в военных конфликтах. Так, например, в июле 2006 г. в результате бомбардировки израильскими ВВС хранилищ топлива электростанции в г. Джие (Ливан) из разрушенных резервуаров в Средиземное море вылилось более 35 тыс. т нефти, которое распространилось по побережью на 80 км, вызвав экологическую катастрофу [108]. Таким образом, рассмотренные обстоятельства указывают на необходимость повышения эффективности антитеррористической защиты нефтехранилищ.
Продолжая анализ, отметим, что механизм разрушений РВС достаточно сложный и не является пристальным предметом рассмотрения в настоящей работе. В тоже время, из материалов экспертиз аварий, следует, что раскрытие РВС происходило, в основном, вследствие разрушения наиболее нагруженного конструктивного элемента - узла сопряжения стенки с днищем резервуара. При этом стенка РВС разрушалась на всю высоту и за счет больших радиальных усилий, связанных с давлением жидкости при ее истечении из РВС, отрывалась от днища, а ее края разворачивались на 120-180 градусов. Стенка резервуара с силой отбрасывалась с фундамента в сторону, противоположную направлению истечения жидкости, а крыша РВС обрушивалась на днище. На рисунках 1.3-1.5 приведены результаты анализа статистических данных квазимгновенных разрушений резервуаров.
Примерно половина всех аварий, связанных с разрушением резервуаров, квалифицировались как крупные или катастрофические, 32 из которых привели к гибели 126 человек. Одна из первых таких аварий, унесшая жизни 41 человека, произошла в марте 1960 г. на «Каменской» нефтебазе в Ростовской области. Вследствие переполнения бензином резервуара типа РВС-700 произошло его полное разрушение по вертикальному сварному шву. Следует отметить, что резервуар был построен на отдельной площадке и вокруг него, по проекту, не предусматривалось устройство обвалования. Образовавшаяся горящая волна вышла за пределы территории нефтебазы и по уклону в сторону р. Северный Донец достигла жилых домов, при этом горящий на поверхности реки бензин достиг противоположного берега и поджег пристань и лодки. Общая площадь пожара разлива превышала 10000 УС (рисунки 1.6-1.10).
Резервуарный парк состоял из шести резервуаров: № 2, 3, 4 и 5 типа РВС-4600 м , располагавшихся в одном обваловании, № 1 и 158 типа РВС-4600 м и РВС-10000 м - в самостоятельных обвалованиях, последовательно примыкавших к обвалованию первой секции. Резервуары металлические, сварные, диаметром 23 и 35 м, высотой 11,4 м, соответственно. На территории парка кроме резервуаров были расположены 13 различных производственных зданий и сооружений, при этом, резервуарный парк примыкал к территории НПЗ и отделялся от него шлакоблочным забором высотой 2,5 м.
На момент аварии в резервуаре № 1 высота взлива сырой нефти составляла 10 м, в РВС № 2 - 11 м, в РВС № 3 - 8,95 м, в РВС № 4 - 11,28 м, в РВС № 5 -9,32 м. В РВС № 158 высота взлива мазута составляла 10 м. При разрушении РВС № 4 стенки резервуара развернулись и ударили по соседнему РВС № 5, что привело к разрушению его второго пояса на всей высоте вертикального шва. Нефть, вышедшая из резервуаров, залила всю площадь обвалования РВС № 2, 3, 4 и 5 и вышла за ее пределы. При этом большая часть продукта была выброшена за обвалование в сторону производственных зданий, залила территорию, прилегающую к ним, и двумя потоками начала растекаться дальше, создав угрозу железнодорожному мосту и нефтеналивной эстакаде НПЗ. Одновременно с растеканием нефти от высеченной искры при ударе корпусов резервуаров произошло ее воспламенение. К прибытию первой пожарной команды (через 5-6 минут с момента аварии) разлившаяся нефть горела за обвалованием и в обваловании РВС № 2, 3, 4 и 5, при этом РВС № 2, 3 и 5 находились полностью в огне. Кроме того, огнем были охвачены здания, расположенные на производственной территории.
Определение условных вероятностей реализации сценариев при квазимгновенном разрушении РВС
К одному из принципиальных вопросов при оценке пожарного риска следует отнести наличие и достоверность сведений по частотам реализации инициирующих пожароопасные ситуации событий при разгерметизации различных типов технологического оборудования.
Как уже отмечалось в таблице П1.1 приложения 1 к Методике ОПР приведена величина частоты полного разрушения РВС с последующим истечением жидкости в обвалование, равная 5,0-10"6 год"1. Статистические данные о последствиях квазимгновенных разрушений РВС с нефтью или нефтепродуктом, приведенные в первой главе настоящей работы, убедительно свидетельствуют о том, что нормативные обвалования и ограждения в виде стен из негорючих материалов, рассчитанные на гидростатическое давление разлившейся жидкости, не способны противостоять образующейся в этом случае волне прорыва. Поток жидкости при разрушении РВС движется по законам динамики, обладая большой скоростью и значительной силой, что приводит либо к его перехлесту через нормативную преграду, либо к разрушению ограждения по направлению движения волны.
Отметим, что под термином полное разрушение в [133] подразумевается утечка с диаметром истечения, соответствующим максимальному диаметру подводящего либо отводящего трубопровода, или разрушение резервуара, емкости, сосуда или аппарата. В настоящей работе, как отмечалось ранее, рассматривается квазимгновенное разрушение РВС, под которым подразумевается авария вследствие потери целостности корпуса резервуара и выхода хранящейся в нем жидкости в виде волны прорыва за короткий промежуток времени (не более 10-15 с), а под волной прорыва - гидродинамический поток жидкости, образующийся при квазимгновенном разрушении РВС.
Таким образом, для достоверной оценки пожарного риска в резервуарных парках производственных объектов необходимо также иметь надежные сведения по частоте квазимгновенных разрушений РВС.
В соответствии с [133] для определения частоты реализации пожароопасных ситуаций на объекте может использоваться информация: а) об отказах оборудования, используемого на объекте; б) о параметрах надежности используемого на объекте оборудования; в) об ошибочных действиях работника объекта; г) о гидрометеорологической обстановке в районе размещения объекта; д) о географических особенностях местности в районе размещения объекта. Также могут использоваться статистические данные по аварийности на исследуемом объекте и подобных объектах или расчетные данные по надежности технологического оборудования, соответствующие специфике рассматриваемого объекта [133].
Учитывая выше изложенные положения, наиболее вероятным и достоверным способом получения данных о частоте квазимгновенных разрушений РВС является анализ данных по реально произошедшим авариям резервуаров на объектах ТЭК.
Ниже представлены результаты анализа выборки статистических данных квазимгновенных разрушений РВС за период с 1951 по 2010 г., произошедших в резервуарных парках объектов ТЭК, расположенных на территории Российской Федерации [54, 55, 142-144].
За исследуемый период из общего количества зарегистрированных аварий РВС (150 инцидентов - см. главу 1) 122 случая приходятся на квазимгновенные разрушения РВС, распределение которых по годам показано на рисунке 2.1. и ffl
Анализ имеющейся информации позволил выдвинуть гипотезу о подчинении статистики разрушений РВС одному из законов распределения.
Так, математической моделью процесса возникновения квазимгновенного разрушения РВС (далее событие) на объекте ТЭК может служить закон распределения числа событий в единицу времени (закон Пуассона). Данное утверждение справедливо вследствие того, что события являются случайными величинами, их число в единицу времени (в данном случае год) является дискретной случайной величиной, которая может принимать любые неотрицательные целые значения, а промежуток времени между смежными событиями является непрерывной случайной величиной, которая может принимать любые неотрицательные значения [145]. Математическим ожиданием (А.с) исследуемой дискретной случайной величины является число разрушений РВС в год (интенсивность потока событий).
Существует достаточно много аргументов, основанных на статистическом изучении реальных потоков событий, позволяющих сформулировать статистическую гипотезу о том, что во многих случаях потоки случайных событий могут с достаточной для практических целей точностью описываться стационарным пуассоновским распределением [31, 146]: где / (т) - вероятность того, что за время т на объектах ТЭК возникнет к разрушений РВС. В качестве оценки неизвестного параметра Хс по п независимым наблюдениям Х\, х2, х3, ... , хп случайной величины X, имеющей пуассоновское распределение, используется средняя арифметическая: которая является несмещенной, состоятельной и эффективной оценкой параметра Хс [145].
На рисунке 2.2 представлено графическое отображение эмпирического и теоретического распределения разрушений РВС, анализ которых по критерию согласия Пирсона, позволил принять гипотезу о распределении Пуассона генеральной совокупности.
Экспериментальное определение площади пролива жидкости при квазимгновенном разрушении РВС
Эксперименты проводились в гидравлическом лотке, позволяющем получать длинные волны с обрушенным фронтом. Модель вертикального сооружения имела высоту 0,16 м и ширину 0,10 м. Для регистрации давления использовалось восемь датчиков типа 2ЧЭД5-05, которые устанавливались на напорной грани стенки. По итогам работы представлена кривая изменения интервала времени At, между динамическим пиком давления и максимумом возвышения уровня воды перед стенкой (рисунок 4.11), а также хронограммы изменения глубины, давления, усилия и опрокидывающего момента (рисунок 4.12).
Анализируя эти исследования можно сделать следующие выводы. Результаты экспериментов получены для случая распространения волны по первоначальному уровню жидкости, глубиной HQ (0,08 м Н0 0,20 м), при этом максимальные значения статического и динамического давлений не совпадают по времени. Временной интервал увеличивается при увеличении интенсивности исходной волны или увеличении относительной высоты стенки.
Хронограммы изменения глубины потока перед сооружением Т{1), давления на спокойном уровне Р (2), усилие на напорную грань F (3) и опрокидывающий момент М{4) для В/Н0= 1,8 иН\/Н0 = 3,0 Необходимо также отметить, что максимум давления на стенке фиксировался ранее максимального подскока отраженной волны, а усилие на напорную грань стенки и опрокидывающий момент наступали почти одновременно.
В работе [203] опыты по динамическому воздействию волны на преграду производились в гидравлическом лотке длиной 100 м и шириной 4 м, при рабочей глубине наполнения до 5,5 м, возникновение которых осуществлялось пневматическим генератором волн.
Прибойные волны подходили к вертикальной части, трансформируясь на подводном склоне 1:3, который переходил в подошву модели уклоном 1:40.
Волновое давление фиксировалось 14 датчиками типа ДД-10. Результаты волнового давления, определенные экспериментальным путем, сопоставлялись с расчетными данными из различных источников (рисунок 4.13).
Все зависимости хорошо описывают экспериментальные данные, однако наилучшее совпадение с опытными точками имеет зависимость 1. На основании результатов динамического воздействия, построены эпюры давления в различные характерные моменты: - давление в момент максимального заплеска меньше максимальных давлений фиксированного уровня; - максимальному давлению соответствует заплеск примерно равный по высоте волне; - давление на уровне дна меньше давления на уровне спокойной воды.
Гидравлические эксперименты проводились на модельном волновом лотке имеющим откос с заложением, равным 3, и Г-образный парапет высотой 0,10 м с возвышением подошвы над уровнем воды на 0,105 м.
Сопряжение рабочей поверхности вертикали стенки с козырьком и наклонным фундаментом выполнено по дуге окружности с радиусами г\= г2 = 0,25 Нп. По результатам исследований получены зависимости для определения оптимальных характеристик Г-образного парапета и предварительного расчета его высоты (рисунок 4.15).
В работе [205] применяется волноотражающий козырек, напорная поверхность которого очерчена по дуге логарифмической спирали. Сохраняя функции парапета, данная конструкция должна обеспечить плавное отражение набегающих волн. Целью исследования были получение данных для расчета устойчивости и прочности конструкции козырька, а также уточнение параметров отраженного потока.
Эксперименты проводились в волновом лотке длиной 100 м, шириной 4 м, высотой 7,5 м. Периодические волны воспроизводились пневматическим волнопродуктором. Схема модели откоса с волноотражающим козырьком представлена на рисунке 4.16.
Козырек откоса выполнялся из листовой стали, толщиной 6 мм, с четырьмя ребрами жесткости, толщиной 10 мм.
Кривизна козырька была близка к логарифмической спирали за счет сопряжения нижней части козырька с радиусом закругления, равным 560 мм, с верхней половиной, радиусом, равным 405 мм. Высота козырька составляла 950 мм. При проведении экспериментов параметры модели не изменялись. Для измерения силового воздействия волны применялись семь датчиков типа ДД-10. В опытах наблюдались различные типы взаимодействия волны с откосом: спокойный накат с отражением волны без разрушения; разрушение волны на откосе с ударом струи в осушенный откос; разрушение на откосе с ударом струи в слой отката; падение гребня волны на откос плашмя. По результатам обработки экспериментов была определена оптимальная высота козырька над уровнем спокойной воды, составившая величину в 1,47НК, а также построены номограммы для определения силового воздействия на козырек при его найденной оптимальной высоте (рисунки 4.17, 4.18).
Относительно рассмотренных экспериментальных исследований, необходимо отметить, что подтверждение частных теоретических предположений, авторами производилось на основании результатов экспериментов, выполненных, как правило, на лабораторных стендах, разработанных с использованием метода подобия и размерности, при этом, для получения численных характеристик потока и силового воздействия, использовалось соответствующее приборное оборудование.
Анализ теоретических исследований волны прорыва при разрушении наземного резервуара
Исходя из заданного масштаба моделирования, размер горизонтального основания лабораторного стенда 3, составлял 3000x3000 мм, что позволяло устанавливать модельный резервуар на необходимом расстоянии L в диапазоне от 0,2 до 2 диаметров резервуара, то есть в области практического применения защитной стенки. Защитная стена, выполненная в виде скользящей опалубки, была способна перемещаться вверх и вниз, что позволяло определять искомую высоту Нс, при которой происходило полное удержание волны прорыва.
Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. Модель резервуара устанавливали на заданном расстоянии от защитной стены и заполняли жидкостью до определенного уровня. Имитировали разрушение стенки резервуара. Процесс взаимодействия волны прорыва с защитной стеной фиксировали цифровой видеокамерой, а высоту ее скачка - координатной сеткой. Если жидкость перехлестывала через экспериментальную защитную стену, то высоту стены увеличивали и эксперимент повторяли. Таким образом, находили минимальную высоту защитной стены, при которой степень удержания волны прорыва составляла 100 %. Каждый опыт повторяли не менее пяти раз, при этом относительная погрешность измерений не превышала 5 %.
В качестве рабочей жидкости при испытаниях использовали воду, так как по результатам анализа статистических данных было установлено, что взаимодействие волны прорыва с преградами при разрушении РВС при прочих равных условиях существенно не зависело от вида хранившейся в нем жидкости [244]. При проведении исследований использовали наклонную стену в виде обвалования нормативной высоты с изменяющимся углом при основании: 45 и 60, вертикальную плоскую стену и стену с козырьком, расположенным под различным углом к горизонту и обращенным в сторону РВС.
В ходе экспериментов проверялись теоретические предпосылки процесса возникновения и распространения волны прорыва из разрушенного резервуара, а также ее взаимодействие с защитными преградами, с целью нахождения их оптимальной конструкции и геометрических параметров.
При проведении опытов изменялся единственный безразмерный параметр L / Rp, определяющий положение защитной стены по отношению к резервуару. Принципиальная схема к определению параметров защитных преград приведена на рисунке 5.5.
Результаты экспериментов подробно представлены нами в табличном и графическом видах в [244], где искомая величина Нс находилась по результатам математической обработки статистического массива опытных данных по взаимодействию волны прорыва с защитной стеной. Ниже в графическом виде представлены основные результаты экспериментального исследования.
За минимальную высоту защитной стены, вмещающей весь объем РВС, была принята высота нормативного обвалования hH, рассчитанного на гидростатическое давление удерживаемой жидкости при условии, что форма каре обвалования — квадрат, которая определялась по формуле:
Графическое сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей высот стен различной конфигурации Защитная стена типа «А» - вертикальная защитная стена «бесконечной» высоты. При проведении экспериментов измерялась максимальная высота набежавшей волны (рисунок 5.7). Защитная стена тина «Б» — защитная стена изменяющейся высоты (скользящая опалубка). При проведении экспериментов измерялась максимальная высота защитной стены, необходимой для 100 % удержания потока жидкости. При этом отмечался скачок волны выше защитной стены, но перехлеста не происходило. Таким образом, высота защитной стены типа «Б» несколько меньше высоты защитной стены типа «А». Однако сравнение этих данных показывает, что применение защитных стен типов «А» и «Б» на практике нецелесообразно, так как их высота значительно превышает высоту нормативного обвалования.
Представленные на рисунке 5.8 экспериментальные данные показывают их удовлетворительную сходимость с расчетными значениями. Относительное расхождение одноименных величин не превышало 20 %. В то же время из графиков видно, что все экспериментальные точки располагаются над одноименными расчетными точками, то есть полученная экспериментальная высота подъема жидкости превышала расчетное значение.
Это объясняется тем обстоятельством, что при проведении исследований имело место образование отраженной волны от раскрывшихся стенок модельного резервуара, движение которой вместе с основной волной прорыва в сторону обвалования приводило к увеличению энергии набегающего потока жидкости на преграду, и как следствие, к увеличению высоты подъема жидкости.
Для определения эффективности конструкции защитной преграды были проведены эксперименты со стенами, наклоненными под углами 45 и 60 к горизонту, что соответствует углам откоса, нормативного (земляного) обвалования.
На рисунке 5.10 представлены графические зависимости высот экспериментальных и нормативных наклонных защитных стен, необходимых для 100 % удержания волны прорыва, в зависимости от безразмерного расстояния L /Rp. Из графиков видно, что высоты наклонных защитных стен также намного выше нормативных. Поэтому, при гидродинамическом истечении жидкости из разрушившегося резервуара она перехлестывает (а в ряде случаев и разрушает) нормативную преграду. Высоты наклонных стен практически не отличаются от высот вертикальных защитных стен (см. рисунок 5.6). В связи с этим можно сделать вывод о том, что для практического применения эти стены также нецелесообразны.
